[发明专利]基于压电阻抗原理的覆冰监测装置及方法

说明书

基于压电阻抗原理的覆冰监测装置及方法，涉及结构监测和无损检测的研究领域。本发明是为了解决现有覆冰监测方法具有局限性的问题。本发明本发明提出基于压电阻抗原理的覆冰监测装置及方法，将轻薄型压电传感器粘贴于被测结构表面，通过测量得到压电传感器的电阻抗曲线，分析电阻抗曲线的变化特征，实现对结构物表面覆冰的开始时间和覆冰量的精确在线测量。

技术领域

本发明属于结构监测和无损检测的研究领域，尤其涉及固体表面覆冰的检测与监测。

背景技术

在冰冻气象条件下，工程结构表面会产生结冰现象。各种工程结构表面覆冰可能导致严重危害，如输电线路覆冰轻则引起线路闪络和跳闸，严重时会造成断线、倒塔等事故；公路路面覆冰会影响行车安全，给人民的生命财产安全带来严重威胁；斜拉桥上的斜拉索覆冰会改变斜拉索截面形状，形成不稳定的气动外形，引发各种类型风致振动，严重影响斜拉索及桥梁结构本身的安全，斜拉索覆冰坠落对桥上路人和行车安全也造成极大威胁和伤害；风力发电机叶片覆冰会导致其疲劳荷载增加，影响叶片结构寿命，改变叶片气动外形，影响发电效率等。覆冰现象与特定的气象条件有关，往往在短时间内发生且发展很快，精确的覆冰开始时间和覆冰量估计是采用除冰方法解决覆冰问题的关键。在覆冰早期，少量覆冰时除冰效果最好。

覆冰监测方法通常分为间接法和直接法两种。前者通过间接信息判断是否覆冰，如根据气象条件，包括温度、湿度、降水、风速等信息预测覆冰情况；又如覆冰导致的结构质量变化从而导致结构振动特性发生改变，使用加速度传感器测量结构振动分析振动频率来判断覆冰量等；间接法很难给出精确的覆冰开始时间和覆冰量。直接法由覆冰导致的一些物理特征的变化来衡量，例如力学特性、光的反射特性、导电导热特性变化等来判断覆冰。具体方法常见有：超声法，用于测量冰厚，但需要将超声传感器放置于待测结构内部。光反射法，利用光纤接收到的反射强度对透明冰的厚度进行估计。光学非接触法，用激光束射至覆冰表面，通过测量折射光的范围对覆冰特征进行估计。电阻或电容法，两个圆柱形探针之间的电容和电阻变化来估计结冰量，当结冰发生时，电容增加而电阻降低。上述各种方法均有其特殊的适用范围和使用不足之处，如超声法很难用于斜拉索表面覆冰监测。光发射法在长期使用时易受灰尘影响。光学非接触法依赖于大体积设备，且一般用于远程临时测量。电阻或电容法传感器结构稍复杂等。

发明内容

本发明是为了解决现有覆冰监测方法具有局限性的问题，现提供基于压电阻抗原理的覆冰监测装置及方法。

基于压电阻抗原理的覆冰监测装置，包括：压电传感器和阻抗分析仪，

压电传感器的采集端固定在结构体表面、并与结构体构成机电耦合系统，压电传感器用于采集电阻抗信号，压电传感器的电阻抗信号输出端连接阻抗分析仪的电阻抗信号输入端，阻抗分析仪用于将获得的电阻抗信号绘制成电阻抗曲线。

上述装置还包括显示设备，显示设备用于将阻抗分析仪绘制的电阻抗曲线显示出来。

基于压电阻抗原理的覆冰监测方法，包括以下步骤：

构造机电耦合系统步骤：将压电传感器的采集端固定在结构体表面，使压电传感器与结构体构成机电耦合系统；

绘制参考曲线步骤：使结构体表面结冰获得不同的结冰厚度集，利用压电传感器采集电阻抗信号，根据电阻抗信号绘制电阻抗曲线，将该电阻抗曲线作为不同厚度下的参考曲线；

绘制监测曲线步骤：在结构体表面实际结冰过程中，利用压电传感器实时采集电阻抗信号，每N个电阻抗信号绘制成一条电阻抗曲线，并将该电阻抗曲线作为该工况下的监测曲线；

覆冰监测步骤：将监测曲线分别与不同厚度下的参考曲线进行对比，找出监测曲线最接近的参考曲线，则结构体表面实际结冰厚度最接近该参考曲线所对应的结冰厚度越接近，其中N为正整数。

上述方法所述的覆冰监测步骤中还包括：

根据下式获得当前工况下的相对均方根偏差R：