[发明专利]地下结构力致发光色敏传感器制作和安装及其监测系统

说明书

技术领域

本发明属于传感器开发与应用技术领域，尤其涉及一种对大型地下建筑结构损伤发展状况进行实时监测的色敏传感器制作、安装工艺和监测系统。

背景技术

地下建筑结构独特的抗灾能力，使得地下结构日益成为合理利用土地资源的重要途径；另一方面，随着时间的推移，世界各国早期修建的地铁、地下仓库、大坝等大型地下岩土结构与其早期建立的监测系统逐渐到了晚年服役阶段，加上新修建的地下工程和开发的新型地下施工技术，这些都急需可靠的岩土监测技术。然而目前大型地下结构损伤识别仍然靠传统的水准仪、全站仪、土压力传感器、孔隙水压力计和加速度计等传感器感知结构的变化，然后计算结构的安全性指标，由于这些传感器都是主动传感器，需要外部提供能源才能工作，而水准仪、全站仪等设备还另外需要人工操作，因此传统的岩土工程监测方法越来越不适应现代地下大型结构安全监测所需的快捷、实时监测的要求。

在监测信号处理上，传统处理模式需要对传感器采集的特征信号进行二次计算，然后再根据土体和结构有限元或者解析模型，分析判断处理结果，再进行对比，最后得出结构安全性态，因此大型地下结构传统的安全监测数据处理系统庞大，对传感器和数据采集设备的要求很高，数据采集系统复杂，这些使得监测系统的可靠性、冗余性、耐久性和可维护性指标都差强人意，尤其是岩土变形的复杂预测计算，如kalman滤波预测法、神经网络岩土位移预测、随机子空间法、时间序列法、小波分析等信号处理方法以及后期进行的岩土三维计算对比和预测，进一步使岩土监测的实时性受到很大的干扰甚至劣化，监测结果不能及时提供给进入地下建筑结构中的人和各种机械设备，从而使地下结构监测失去真正的监测意义。

另外，在地震、爆炸等各种灾害中，发生频率最高的次生灾害就是停电，而断电后导致各种监测仪器设备不能工作，这将极大地阻碍结构评估和后期救援。因此降低监测系统对外界电源的依赖，开发被动感知技术，已成为国际上新型监测系统健壮性的重要标志。

鉴于国内外岩土工程监测技术发展现状，目前急需发展被动不需要外界能源，或者对外界能源依存度很低的地下结构新型传感器，以及基于此的地下结构安全监测新型实时数据处理传输和预警系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够为地下结构损伤过程提供可靠的监测传感器，该传感器不需要外界提供能源，利用自身材料受力发光的特性，将其所受压力转化为颜色，不需要信号的处理直接快速反馈结构安全状态。对于需要进行结构预警的监测区域，将在传感器上安装附加的数据采集单元，监测系统将采集的信号准确、实时地以无线的方式传输到进入地下结构中的所有人和机械设备上，同时也将信号传输到控制中心，为地下结构生命全周期监测和地下工程先进施工技术，提供重要的现场结构信息，为保证大型地下复杂结构在施工和服役期内的安全，提供可靠的理论和实践验证数据。

本发明是这样实现的：其技术结构分为压力色敏传感器及制作技术、压力色敏传感器安装技术和压力色敏传感器监测系统三大部分，下面分别对其技术特点进行阐述。

一、压力色敏传感器及制作

1、压力色敏传感器结构

压力色敏传感器结构为一圆柱形结构和底部一凸出的柱帽组成。圆柱形的顶部为透光性较好的钢化玻璃，圆柱形柱体外层为压力色敏传感器的保护层外壳，该外壳由镀铬钢片组成，它有较好的强度，保护内部色敏薄膜在横向受力后不变形；圆柱钢片内部为色敏薄膜，薄膜外面包有一层黑色绝缘塑料管，该塑料管能够减少色敏薄膜的漏光及不受外界电磁场的干扰，同时也能对色敏薄膜进行防水，黑色绝缘塑料管及其包的色敏薄膜伸出钢片外壳下端形成传感器凸出的柱帽，它是传感器中色敏薄膜接受传力杆传来压力的地方，通过这个柱帽，传感器感知压力。

传感器下部为传力杆，它由其上端板和下端板以及中间至少3个支撑杆组成。通过调节中间支撑杆的长度，可以将色敏薄膜和测点紧密连接起来，从而使传感器柱帽与测点耦合良好。

另外，作为预警用的传感器需要和POINT连接以进行数据采集，在压力色敏传感器上设有数据接收端口。

2、压力色敏传感器制作工艺

第一步：色敏传感器基材选择

选择制作色敏薄膜的无机异构体和参晶缓色辅助基材，根据传感器对色敏度的要求，首先确定无机异构体微胶囊尺寸，测定该基材中有机大分子团的分布，根据对分子团受压后跃迁能量的计算，判断基材是否满足传感器色敏度的要求。

第二步：色敏薄膜制作