CFRP加固钢结构的端部脱胶检测设备及方法的生产技术

图片简介:
本技术介绍了一种CFRP加固钢结构的端部脱胶检测装置及方法，该方法包括以下步骤：S1、在待检测的CFRP加固钢结构上，将工作传感器粘贴到CFRP的端部，将参考传感器粘贴到CFRP的中部，并记录工作传感器的长度和初始谐振频率；S2、无线问询装置实时向工作传感器和参考传感器发射扫频电磁波，根据反射回来的信号分别获取其谐振频率；S3、当CFRP加固钢结构的端部发生脱胶时，根据此时工作传感器和参考传感器的谐振频率，结合工作传感器的长度和初始谐振频率，计算得到发生脱胶位置的脱胶长度。

本技术实现了CFRP加固钢结构端部脱胶的定量检测，具有脱胶程度定量化、准确度高、传感器结构简单无需导线、可识别初期端部脱胶、检测程序快捷等一系列优点。

技术要求
1.一种CFRP加固钢结构的端部脱胶检测装置，CFRP加固钢结构包括钢结构，以及通过胶层粘贴在钢结构上的CFRP，其特征在于，该装置包括工作传感器(1)、参考传感器(2)和无线问询装置(3)；工作传感器(1)粘贴在CFRP的端部，用于检测首先发生脱胶
的端部的脱胶长度；参考传感器(2)粘贴在CFRP中部的脱胶时间晚于端部的区域，用于检测CFRP中的实时应变；工作传感器(1)和参考传感器(2)均为谐振腔结构，无线问询装置(3)分别向工作传感器(1)和参考传感器(2)发射扫频电磁波，根据反射回来的信号分别获得其谐振频率，进而根据谐振频率计算得到CFRP端部的脱胶长度。

2.根据权利要求1所述的CFRP加固钢结构的端部脱胶检测装置，其特征在于，工作传感器(1)和参考传感器(2)的结构和尺寸相同，均为矩形贴片天线传感器，包括辐射贴片(4)、基质(5)和接地板(6)，基质(5)设置在辐射贴片(4)和接地板(6)之间。

3.根据权利要求2所述的CFRP加固钢结构的端部脱胶检测装置，其特征在于，辐射贴片(4)和接地板(6)的材料均为铜，基质(5)的材料为聚酰亚胺；工作传感器(1)和参考传感器(2)均采用印刷电路板工艺将铜沉积到聚酰亚胺基质的上下表面制作而成。

4.根据权利要求1所述的CFRP加固钢结构的端部脱胶检测装置，其特征在于，无线问询装置(3)包括号角天线、射频环形器、网络分析仪和数据处理模块。

5.一种采用权利要求1的CFRP加固钢结构的端部脱胶检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在待检测的CFRP加固钢结构上，将工作传感器粘贴到CFRP的端部，将参考传感器粘贴到CFRP的中部，并记录工作传感器的长度和初始谐振频率；
S2、当CFRP加固钢结构处于某工作状态时，无线问询装置实时向工作传感器和参考传感器发射扫频电磁波，根据反射回来的信号分别获取其谐振频率；
S3、，根据此时工作传感器和参考传感器的谐振频率，结合工作传感器的长度和初始谐振频率，计算得到发生脱胶位置的脱胶
长度。

6.根据权利要求5所述的CFRP加固钢结构的端部脱胶检测方法，其特征在于，步骤S2中实时获取谐振频率的方法为：
当钢结构处于某一工作状态且发生端部脱胶时，设CFRP中的应变为ε，端部脱胶长度为x，0≤x≤L0，工作传感器的长度为L0，基质的介电常数为β，真空中的光速为c；则此时参考传感器的辐射贴片全部承受应变，长度变为L0(1+ε)，其谐振频率变为fB；工作传感器的辐射贴片仅部分承受应变，长度变为L0(1+ε)-εx，其谐振频率变为fA；fB和fA的表达式如下：
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7.根据权利要求6所述的CFRP加固钢结构的端部脱胶检测方法，其特征在于，步骤S3中发生脱胶位置的脱胶长度的计算公式为：
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其中，工作传感器的谐振频率为fA；参考传感器的谐振频率为fB；工作传感器的长度为L0，初始谐振频率为f0。

技术说明书
一种CFRP加固钢结构的端部脱胶检测装置及方法
技术领域
本技术涉及CFRP(碳纤维复合材料)加固钢结构领域，尤其涉及一种CFRP加固钢结构的端部脱胶检测装置及方法。

背景技术
CFRP(碳纤维复合材料)具有强度高、质量轻、抗腐蚀、耐久性好等优点，近几年来逐渐被应用到钢结构加固领域，并取得了良好的效果。

CFRP加固钢结构就是在钢结构薄弱部位的表面粘贴CFRP材料，通过胶层的粘结作用使一部分载荷传递到CFRP上，从而改善粘贴处的应力状态，达到修复加固的目的。

研究表明，CFRP加固钢结构的主要破坏形式为端部脱胶，即加固后CFRP从端部逐渐剥离。

当端部脱胶的长度达到一定值时，将造成CFRP加固失效，甚至引发灾难性后果。

目前，对于CFRP加固钢结构的端部脱胶破坏尚无有效的检测方法，只能通过人工观察的方式判断脱胶程度，进而采取相应的措施。

这种方法存在准确度低、脱胶程度难以量化、工作量大、自动化程度不高等缺点，且很难发现初期的端部脱胶现象。

技术内容
本技术要解决的技术问题在于针对现有技术中难以精确的检测CFRP加固钢结构的脱胶情况的缺陷，提供一种CFRP加固钢结构的端部脱胶检测装置及方法。

本技术解决其技术问题所采用的技术方案是：
本技术提供一种CFRP加固钢结构的端部脱胶检测装置，CFRP加固钢结构包括钢结构，以及通过胶层粘贴在钢结构上的CFRP，该装置包括工作传感器、参考传感器和无线问询装置；工作传感器粘贴在CFRP的端部，用于检测首先发生脱胶的端部的脱胶长度；参考传感器粘贴在CFRP中部的脱胶时间晚于端部的区域，用于检测CFRP中的实时应变；工作传感器和参考传感器均为谐振腔结构，无线问询装置分别向工作传感器和参考传感器发射扫频电磁波，根据反射回来的信号分别获得其谐振频率，进而根据谐振频率计算得到CFRP端部的脱胶长度。

进一步地，本技术的工作传感器和参考传感器的结构和尺寸相同，均为矩形贴片天线传感器，包括辐射贴片、基质和接地板，基质设置在辐射贴片和接地板之间。

进一步地，本技术的辐射贴片和接地板的材料均为铜，基质的材料为聚酰亚胺；工作传感器和参考传感器均采用印刷电路板工艺将铜沉积到聚酰亚胺基质的上下表面制作而成。

进一步地，本技术的无线问询装置包括号角天线、射频环形器、网络分析仪和数据处理模块。

本技术提供一种CFRP加固钢结构的端部脱胶检测方法，包括以下步骤：
S1、在待检测的CFRP加固钢结构上，将工作传感器粘贴到CFRP的端部，将参考传感器粘贴到CFRP的中部，并记录工作传感器的长度和初始谐振频率；
S2、当CFRP加固钢结构处于某工作状态时，无线问询装置实时向工作传感器和参考传感器发射扫频电磁波，根据反射回来的信号分别获取其谐振频率；
S3、，根据此时工作传感器和参考传感器的谐振频率，结合工作传感器的长度和初始谐振频率，计算得到发生脱胶位置的脱胶长度。

进一步地，本技术的步骤S2中实时获取谐振频率的方法为：
当钢结构处于某一工作状态且发生端部脱胶时，设CFRP中的应变为ε，端部脱胶长度为x，0≤x≤L0，工作传感器的长度为L0，基质的介电常数为β，真空中的光速为c；则此时参考传感器的辐射贴片全部承受应变，长度变为L0(1+ε)，其谐振频率变为fB；工作传感器的辐射贴片仅部分承受应变，长度变为L0(1+ε)-εx，其谐振频率变为fA；fB和fA的表达式如下：
进一步地，本技术的步骤S3中发生脱胶位置的脱胶长度的计算公式为：
其中，工作传感器的谐振频率为fA；参考传感器的谐振频率为fB；工作传感器的长度为L0，初始谐振频率为f0。

本技术产生的有益效果是：本技术的CFRP加固钢结构的端部脱胶检测装置及方法，通过无线问询装置向粘贴在CFRP表面的工作传感器和参考传感器发射扫频电磁波，根据反射回来的信号得到其谐振频率，进而计算得到脱胶长度；实现了CFRP加固钢结构端部脱胶的定量检测，具有脱胶程度定量化、准确度高、传感器结构简单无需导线、可识别初期端部脱胶、检测程序快捷等一系列优点。

附图说明
下面将结合附图及实施例对本技术作进一步说明，附图中：
图1(a)是本技术实施例的无脱胶时的结构示意图；
图1(b)是本技术实施例的脱胶时的结构示意图；
图2是本技术实施例的贴片天线传感器的结构及其无线问询装置示意图；
图3是本技术实施例的另一种连接示意图；
图中：1-工作传感器，2-参考传感器，3-无线问询装置。

具体实施方式
为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。

应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。

本技术实施例的CFRP加固钢结构的端部脱胶检测装置，CFRP加固钢结构包括钢结构，以及通过胶层粘贴在钢结构上的CFRP，该装置包括工作传感器1、参考传感器2和无线问询装置3；工作传感器1粘贴在CFRP的端部，用于检测首先发生脱胶的端部的脱胶长度；参考传感器2粘贴在CFRP中部的脱胶时间晚于端部的区域，用于检测CFRP中的实时应变；工作传感器1和参考传感器2均为谐振腔结构，无线问询装置3分别向工作传感器1和参考传感器2发射扫描电磁波，根据反射回来的信号分别获得其谐振频率，进而根据谐振频率计算得到CFRP端部的脱胶长度。

工作传感器1和参考传感器2的结构和尺寸相同，均为矩形贴片天线传感器，包括辐射贴片4、基质5和接地板6，基质5设置在辐射贴片4和接地板6之间。

辐射贴片4和接地板6的材料均为铜，基质5的材料为聚酰亚胺；工作传感器1和参考传感器2均采用印刷电路板工艺将铜沉积到聚酰亚胺基质的上下表面制作而成。

无线问询装置3包括号角天线、射频环形器、网络分析仪和数据处理模块。

本技术实施例的CFRP加固钢结构的端部脱胶检测方法，包括以下步骤：
S1、在待检测的CFRP加固钢结构上，将工作传感器粘贴到CFRP的端部，将参考传感器粘贴到CFRP的中部，并记录工作传感器的长度和初始谐振频率；
S2、当CFRP加固钢结构处于某工作状态时，无线问询装置实时向工作传感器和参考传感器发射扫描电磁波，根据反射回来的信号分别获取其谐振频率；
S3、根据此时工作传感器和参考传感器的谐振频率，结合工作传感器的长度和初始谐振频率，计算得到发生脱胶位置的脱胶长度。

设工作传感器和参考传感器的辐射贴片长度为L0，基质的介电常数为β，真空中的光速为c。

则两个传感器(无应变时)的初始谐振频率均为f0，其表达式为：
当钢结构处于某一工作状态且发生端部脱胶时，设CFRP中的应变为ε，端部脱胶长度为x，0≤x≤L0，工作传感器的长度为L0，基质的介电常数为β，真空中的光速为c；则此时参考传感器的辐射贴片全部承受应变，长度变为L0(1+ε)，其谐振频率变为fB；工作传感器的辐射贴片仅部分承受应变，长度变为L0(1+ε)-εx，其谐振频率变为fA；fB和fA的表达式如下：
由公式(1)和(2)可得：
由公式(2)和(3)可得：
根据公式(4)和(5)可得发生脱胶位置的脱胶长度x的计算公式为：
其中，工作传感器的谐振频率为fA；参考传感器的谐振频率为fB；工作传感器的长度为L0，初始谐振频率为f0。

综上所述，在CFRP加固钢结构的任意工作状态下，只需通过无线问询装置测得工作传感器和参考传感器的实时谐振频率fA和fB，即可获得端部脱胶的长度。

当端部脱胶长度x＞L0时，各传感器的谐振频率会出现fA＝f0≠fB，此时的脱胶程度已十分显著，人工观察即可发现。

相比于现有的技术手段，本技术的有益效果在于：提供一种CFRP加固钢结构的端部脱胶检测方法，该方法采用两个矩形贴片天线传感器以及对应的无线问询装置实现了CFRP加固钢结构端部脱胶的定量检测，具有脱胶程度定量化、准确度高、传感器结构简单无需导线、可识别初期端部脱胶、检测程序快捷等一系列优点。

在本技术的另一个具体实施例中：
如图1(a)所示，利用强力胶将工作传感器粘贴在CFRP端部，使得其边缘与CFRP端部平齐，且辐射贴片的长度方向平行于CFRP的粘贴方向；将参考传感器粘贴在CFRP中部较晚出现脱胶的区域，用来获得CFRP中的实时应变。

如图1(b)所示，当钢结构处于处于某一工作状态时，利用无线问询装置访问工作传感器和参考传感器，获得二者的谐振频率fA和fB。

将fA和fB的值以及贴片天线的长度L0和初始频率f0代入前述的公式(6)，即可判断该工作状态下是否发生端部脱胶，并计算出端部脱胶长度x。

图2是本技术中贴片天线传感器的结构及其无线问询装置示意图。

贴片天线传感器由辐射贴片、基质和接地板三部分构成，辐射贴片和接地板的材料为铜，基质的材料为聚酰亚胺，采用印刷电路板工艺将铜沉积到聚酰亚胺基质的上下表面制作而成。

辐射贴片、基质和接地板三者形成谐振腔，可通过无线问询装置向其发射扫频电磁波，根据反射回来的信号获得其谐振频率。

无线问询装置由号角天线、射频环行器、网络分析仪以及相应的信号处理模块组成，用于访问工作传感器和参考传感器并获取传感器的谐振频率。

图3为本技术的一个具体实施例。

如图所示，CFRP加固钢结构的工艺完成后，利用强力胶将两个贴片天线粘贴在CFRP一端，作为工作传感器1和工作传感器2；然后将另一个贴片天线粘贴在CFRP中部较晚发生脱胶的位置，作为参考传感器。

传感器布置完成后，钢结构正常工作，若一段时间后需要了解脱胶情况并评估CFRP粘贴效果，则可利用无线问询装置测得三个传感器的谐振频率fA1、fA2、fB，并根据贴片天线传感器的设计参数L0和f0通过公式(6)计算两个工作传感器下方的CFRP脱胶长度。

在实际的工程应用中，可在所有CFRP加固区域的端部布置上述传感器，以随时获取各加固区的脱胶情况。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本技术所附权利要求的保护范围。