1.本发明涉及钢桥关键焊接部位的裂纹检测及监测技术领域，具体涉及一种用于正交异性钢桥面板的涂层传感器。
背景技术：
2.目前，我国的桥梁工程正处于从“建设为主”向“建养并重”的关键转型期，近些年新建桥梁数量增长迅速，并且向近海和艰险山区等极端环境复杂气候条的地区拓展，钢结构因其材料强度高、匀质性好、易于加工，故而构件轻、运输架设方便,跨越能力强为大跨度桥梁理想材料，尤其是正交异性钢桥面板由于自重轻、承载能力大、整体性好等原因在国内外大跨径桥梁中应用广泛。因而得到广泛的应用。但是由于正交异性板构造复杂、焊缝多、焊接残余应力大等的特征，疲劳开裂问题一直是制约其发展的主要因素。钢结构桥梁的结构安全与服役性能研究亟待开展。疲劳问题仍是当前和未来一段时期制约钢结构桥梁可持续发展的关键难题之一。实现疲劳开裂的有效检测，是有效处治并规避疲劳病害危害的关键，但是由于目前超声波、红外热成像等高科技检测技术尚不成熟且价格昂贵，当前监测和检测技术仍以人工巡检为主，尚未实现智能化应用，对于处于扩展过程早期的肉眼无法捕获的微小裂纹，以及一些桥梁内部隐藏的复杂构造细节部位的裂纹开展仍缺乏有效的检测及监测手段，比如u肋与顶板连接处、u肋与横隔板连接处等复杂空间结构，目前的检测方法都难以做到精确的裂纹识别。
技术实现要素：
3.针对现有技术中正交异性钢桥面板的疲劳开裂缺乏有效检测和监测手段的问题，本发明提供一种用于正交异性钢桥面板的涂层传感器，其目的在于：为钢结构桥梁的健康监测和安全评估实时化、可视化、智能化方向发展以及构建完备的钢结构桥梁健康监测系统，实现对钢结构桥梁疲劳损伤的长期动态监测和智能评估奠定基础，具有广阔的应用前景。
4.本发明采用的技术方案如下：一种用于正交异性钢桥面板的涂层传感器，所述涂层传感器包括依次粘接的且均由柔性材料制成的基体绝缘隔离层、裂纹损伤感知层以及保护层；所述裂纹损伤感知层包括导电纳米涂层，所述导电纳米涂层上设置有电源接口和至少一个检测探针点。
5.采用以上技术方案，解决实际钢桥面板的复杂构造细节处检测裂纹困难、精度低、定位难的问题，数值模拟和试验研究结果表明，该智能涂层传感器能够有效检测疲劳裂纹，且对小尺度裂纹具有较高的精度和稳定性，并且所使用的材料成本低，传感器制作过程简单便捷，可根据不同的部位定制不同的条栅传感器，布设过程快速，后期结果处理简单，为钢结构桥梁的疲劳裂纹检测提供了一种新的思路，为钢结构桥梁的健康监测和安全评估实时化、可视化、智能化方向发展以及构建完备的钢结构桥梁健康监测系统，实现对钢结构桥梁疲劳损伤的长期动态监测和智能评估奠定基础，具有广阔的应用前景。
6.将涂层传感器布置在可能的裂纹扩展路径上，当基体钢结构出现裂纹时，涂层传感器也会随钢结构同时开裂，这时涂层传感器上的检测探针点电信号将会发生改变，根据电势变化规律，即可推断裂纹是否开展，以及裂纹长度和开裂位置所在。
7.本发明的有益效果为：
8.1.本发明通过对裂纹损伤感知层施加恒定电压，采集裂纹开展前后不同测点的电信号变化，进而实现对基体裂纹的精确检测，本发明相比于传统的人工巡检更加精确、便捷，并且可以检测到对于处于扩展过程早期的肉眼无法捕获的微小裂纹，以及一些桥梁内部隐藏的复杂构造细节部位的裂纹开展，若采用本发明，将提高裂纹检测的精确性，提升钢结构桥梁的安全性能，省去人工巡检的繁琐。
9.2.涂层传感器由柔性材料制成，因此只要根据正交异性钢桥面板不同开裂部位定制相应的裂纹损伤感知层，就可以在复杂构造细节处有较高的响应灵敏度，从而能够适用于不同开裂部位的裂纹检测及定位。解决实际钢桥空间构件的复杂构造细节处检测裂纹困难、精度低、定位难的问题。
10.3.涂层传感器所使用的材料成本低，传感器制作过程简捷，布设流程简单快速，后期数据处理简单、结果直观，整体使用成本较低。
附图说明
11.本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
12.图1是本发明涂层传感器的结构示意及尺寸介绍；
13.图2是基体为平面结构时，涂层传感器样式列举；
14.图3是基体为u肋与顶板焊接构造细节处，涂层传感器样式列举；
15.图4是基体为u肋与横隔板开口处，横隔板开口附近所适用的涂层传感器样式列举；
16.图5是基体为u肋与横隔板连接处，焊接构造细节处所适用的涂层传感器的一种样式列举；
17.图6是基体为u肋与横隔板连接处，焊接构造细节处所适用的涂层传感器的另一种样式列举；
18.图7为实施例1的涂层传感器模型；
19.图8为实施例1的有限元分析图；
20.图9为实施例1中测点电势随裂纹扩展变化图；
21.图10为具体实施方式中涂层传感器的层结构示意图，其中：8-保护层，9-裂纹损伤感知层；10-基体绝缘隔离层。
具体实施方式
22.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实
施例。基于本技术的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
23.下面结合附图对本发明作详细说明。
24.由于检测或监测正交异性钢桥面板的疲劳开裂的现有方法存在难以做到精确的裂纹识别的程度；本发明的发明人发现采用导电感知材料来感知损伤，具有较高的精度和稳定性特别是针对较小尺度的裂纹，为钢结构桥梁的疲劳裂纹检测提供了一种新的思路，为钢结构桥梁的健康监测和安全评估实时化、可视化、智能化方向发展以及构建完备的钢结构桥梁健康监测系统，实现对钢结构桥梁疲劳损伤的长期动态监测和智能评估奠定基础，具有广阔的应用前景。
25.如图10所示，本发明提供一种用于正交异性钢桥面板的涂层传感器，所述涂层传感器包括依次粘接的且均由柔性材料制成的基体绝缘隔离层10、裂纹损伤感知层9以及保护层8；所述裂纹损伤感知层9包括导电纳米涂层，所述导电纳米涂层上设置有电源接口和至少一个检测探针点。
26.本发明中，定义靠近基体钢结构的一侧为内侧，远离基体的一侧为外侧。内侧与基体贴合的是基体绝缘隔离层10，外侧为保护层8，内侧与外侧之间为裂纹损伤感知层9。
27.将涂层传感器布置在可能的裂纹扩展路径上；当基体钢结构出现裂纹时，涂层传感器也会随钢结构同时开裂，这时涂层传感器上的检测探针点电信号将会发生改变，根据电势变化规律，即可推断裂纹是否开展，以及裂纹长度和开裂位置所在。
28.本发明中，所述基体绝缘隔离层2附着于基体表面，是一层特定形状的薄膜，其作用为保证所述裂纹损伤感知层9与基体之间相互绝缘，可以使基体与所述裂纹损伤感知层9的电信号相互分离，避免干扰。有了所述基体绝缘隔离层10的存在，只用研究所述裂纹损伤感知层9这一区域内的电信号变化即可推测裂纹扩展情况，同时所述裂纹损伤感知层9具有良好的随附损伤特性，所述基体绝缘隔离层1能够随着基体开裂而一起开裂，同时将这种开裂传递至位于其上的所述裂纹损伤感知层9。
29.本发明中，所述裂纹损伤感知层9具有良好的随附损伤特性与适宜的电阻特性，随附损伤特性使所述涂层传感器可以随着基体以及基体隔离绝缘层3的开裂而开裂，适宜的电阻特性保证涂层传感层在开裂后，其电阻特性将发生变化，从而使得其输出的电压信号发生变化，通过监测电压信号的变化来判断基体是否开裂，以及定位裂纹的开裂长度和方位。
30.在一种可能的实施方式中，所述裂纹损伤感知层9可以由以下步骤制备得到：
31.1.定制及喷涂导电纳米涂层；
32.2.固定电源接口；
33.3.检测探针点的选位及固定。
34.其中，导电纳米涂层附着于基体绝缘隔离层1之上。
35.在一种可能的实施方式中，所述裂纹损伤感知层9的布置范围小于所述基体绝缘隔离层1的布置范围，一般情况略小于，目的是100％保证裂纹损伤感知层9与钢结构基体绝缘，使基体与裂纹损伤感知层9的电信号相互分离，避免干扰。
36.在一种可能的实施方式中，所述导电纳米涂层包括至少3条连接条带，至少3条所述连接条带呈条栅式分布；能进一步提高检测的精度和稳定性。
37.在一种可能的实施方式中，至少3条所述连接条带中的两条呈横向分布，剩余的所述连接条带呈纵向分布并且其两端分别与两条呈横向分布的所述连接条带粘接；所述电源接口和至少一个所述检测探针点均设置于两条呈横向分布的所述连接条带上；测定不同位置的电势，可以精确判定裂缝的位置和裂缝大小。
38.在一种可能的实施方式中，所述基体绝缘隔离层10的厚度为20～40μm，以此来保证基体绝缘隔离层10绝对的绝缘性、粘附力以及随附损伤性。
39.在一种可能的实施方式中，所述导电纳米涂层的厚度为8～18μm，以此来保证导电纳米涂层绝对的粘附力、导电性和随附损伤性。
40.在一种可能的实施方式中，所述基体绝缘隔离层10主要由改性聚氨酯树脂、催干剂、流平剂以及环保溶剂油混合后制成。
41.所述基体绝缘隔离层10具体可以为将上述各原料混合得到浆料，然后涂覆于基体上，静置养护3小时或者恒温40℃养护40分钟。所述涂覆可以为任意可以实现的方式，比如采用气动喷枪的方式进行喷涂。
42.本发明中，所述裂纹损伤感知层9具有良好的随附损伤特性与适宜的电阻特性，随附损伤特性使传感层可以随着基体以及基体隔离绝缘层3的开裂而开裂，适宜的电阻特性保证裂纹损伤感知层在开裂后，其电阻特性将发生变化，从而使得其输出的电压信号发生变化，通过监测电压信号的变化来判断基体是否开裂，以及定位裂纹的开裂长度和方位。
43.在一种可能的实施方式中，所述导电纳米涂层主要由导电纳米材料、偶联剂、粘接剂以及助剂制得；优选地，所述导电纳米材料为镀银铜粉末；具有良好的粘接性能、导电性能和随附损伤特性。
44.在一种可能的实施方式中，所述裂纹损伤感知层9的制备方法包括：
45.配置偶联剂水解溶液，后向其中加入导电纳米材料搅拌均匀，得导电填料；
46.将粘接剂、所述导电填料以及去离子水混合后加入助剂制得浆料；
47.将所述浆料进行涂覆，得到所述裂纹损伤感知层。
48.在一种可能的实施方式中，所述检测探针点由铜镀锡接线端子通过导电胶粘接与所述导电纳米涂层形成。
49.本发明中，所述保护层8附着于裂纹损伤感知层9之上，其作用在于保护基体绝缘隔离层10和裂纹损伤感知层9免受外界环境干扰，提高所采集数据的可靠度以及避免外界损毁，提升使用寿命等，所选材料为防腐蚀、耐高温、耐水的保护材料，采用气动喷枪喷射的方式将其均匀覆盖在裂纹损伤感知层之上且范围略大于裂纹损伤感知层。
50.本发明还公开了前述用于正交异性钢桥面板的涂层传感器的制备方法，包括以下4个步骤:
51.(1)根据所需检测部位，定制相应的柔性贴纸模板；
52.(2)配置导电材料，用于制作导电纳米涂层；
53.(3)利用气动喷枪进行喷涂；
54.(4)静置养护4小时或者30℃恒温养护1小时。
55.所述的步骤(1)中，定制相应的柔性贴纸模板，本发明可以根据所选部位不同，进而设定不同样式的导电纳米涂层，如图1所示1区和3区为横向的连接条带，2区为纵向的连接条带，其中1、3区横向的连接条带的长a，宽b均可调整，长度可根据裂纹检测区的大小进
行调整，调整宽度可以改变导电膜的电阻值大小，使裂纹检测更精准；2区纵向的连接条带的数量x，每根连接条带的宽度cmm、长度dmm、与横向的连接条带的夹角f
°
、以及法相夹角等均可以根据裂纹监测部位不同进行定制，其定制的目的在于使涂层传感器更适配于钢结构桥梁基体，在满足一般构造处裂纹检测的基础上，使复杂非平面构造细节处的裂纹检测得以实现；具体可实现的检测部位如下列举(本发明只列举如下几列，但并不限制于如下几列)：
56.1.当需要检测桥面顶板处裂纹扩展情况时，由于为平面构造，只需延易开裂方向的垂直方向布置平面单条带或多条带的涂层传感器即可进行裂纹检测，如图2所示；
57.2.当需要检测u肋与顶板焊接构造细节处或者横隔板u型孔周的裂纹扩展情况时，需在易开裂方向的垂直方向布置平行的且在空间上进行弯曲的多条带的涂层传感器，如图3所示；
58.3.当需要检测u肋与横隔板开口处，横隔板开口附近的裂纹扩展情况时，可以在洞周环抱式布置条栅式的涂层传感器，如图4所示；
59.4.当需要检测u肋与横隔板焊接构造细节处的裂纹扩展情况时，需延易开裂方向垂直的方向布置多条带的扇形涂层传感器，且在法向沿着基体构造进行弯曲，以便于贴合基体构造，提高裂纹检测的精度，如图5、图6所示；
60.所述的步骤(2)中，配置导电材料，导电材料的原料为镀银铜粉，采用特定配比配制而成，材料的电导率为表面电阻率大概在2.5
×
10-3
ω
·
cm，镀银铜粉颗粒大小为8～25μm，温度稳定性为0℃～90℃，耐水性稍弱，压阻效应良好，随附损伤性能好。
61.所述的步骤(3)中，喷枪喷射气压控制在8～10kg/cm2，持枪距离为18～23cm，喷幅控制在12～19cm之间，涂料喷出量为160ml/min，幅度为10cm，喷射厚度控制在7～20μm之间。
62.所述电源接口的作用是为导电纳米涂层提供恒定的电压，驱动导电纳米涂层的运行，连接接口采用铜镀锡接线端子，固定方式为采用altecol-z84型胶水进行快速粘贴，牢固且快速。
63.所述的检测探针点，其作用为连接数据采集卡，将电信号传递到数据采集卡，从而进行电压变化采集。当基体某处的裂纹开始扩展，涂层传感器的中部条带随着基体裂纹的扩展而断开，这时候检测探针点处的电信号将发生改变，通过分析电信号的变化即可确定裂纹是否开展以及确定裂纹开展的位置，检测探针点一般固定于导电纳米涂层的两端横向连接条上，具体位置可根据检测部位的不同进行调整，检测探针所使用的材料以及固定方式与上述电源接口相同。
64.本发明所使用的材料成本低，传感器制作过程简捷，布设流程简单快速，后期数据处理简单、结果直观，整体使用成本较低。
65.针对条栅方式布置的涂层传感器，裂纹损伤感知层可以有较为丰富的形式，因此只要根据正交异性钢桥面板不同开裂部位定制相应的裂纹损伤感知层，就可以在复杂构造细节处有较高的响应灵敏度，从而能够适用于不同开裂部位的裂纹检测及定位，解决实际钢桥空间构件的复杂构造细节处检测裂纹困难、精度低、定位难的问题。
66.示例
67.本示例中，主要讲解涂层传感器制备流程以及裂纹检测及定位原理，所采用的案
例为优选方案，但并不用于限制本发明；
68.本示例中，模拟钢桥面顶板开裂，为了方便说明检测原理，本案例采用一个三条带的条栅式涂层传感器进行讲解(条栅式传感器形式不限于此)。
69.条栅式涂层传感器制备流程：
70.1.首先对要检测部位进行基体绝缘隔离层的制作，划定绝缘区域为100
×
100mm，然后配制特定绝缘材料，使用气动喷枪进行喷涂，静置4小时进行养护；
71.2.制作裂纹损伤感知层，首先定制导电纳米涂层，本示例中采用三条带的格栅式导电纳米涂层，如图7所示，两端横向的连接条带长40mm宽5mm，中间三条纵向的连接条带长70mm宽6mm，定制此模板后将此模板黏贴在制作好的基体绝缘隔绝层上，配制说明书中所述的特制导电涂料，利用气动喷枪进行喷涂，静置养护4小时；
72.3.养护完成之后进行电源接口和检测探针点的制备，将两电源接口分别用altecol-z84胶水粘贴固定于上下横向连接条的中部，如图7中5、6所示，在5所指示位置施加1v恒压源，在6所指示位置为接地端，本次检测采用4测点模式，分别在上下横向连接带的两侧各固定一个检测探针点，如图7中1、2、3、4处所示，便于定位裂纹的位置，将4个检测探针分别连接至数据采集卡，进行电信号采集；
73.4.最后在裂纹损伤感知层的上层覆盖100
×
100mm范围的保护涂料，来保证传感器不受外界的影响，到此传感器制备完毕。
74.裂纹检测及定位原理讲解：
75.如图7所示，在5所指示位置施加1v的恒压电源，在6所示指位置接地，然后分别在1、2、3、4处布置检测探针点用来连接数据采集卡采集各测点的电势变化情况，分别用u1、u2、u3、u4来表征对应点的电势值，在7所指示位置模拟裂纹开展来进行原理说明。
76.电路说明：左(线路51、12、26)、中(线路56)、右(线路53、34、46)三个条带的线路关系为并联电路，并联电路电压处处相等，所以三条线路的电压都为1v，即u
左
＝u
中
＝u
右
＝1v，干路中的电流等于各支路电流之和，即i
总
＝i
左
i
中
i
右
；左(线路51、12、26)右(线路53、34、46)两条带分别可以看作两条支路上的串联电路，在串联电路中，串联电路两端的总电压等于各串联部分两端的电压之和，即u5＝u
51
u
12
u
26
＝u
53
u
34
u
46
；
77.当没有裂纹开展时：各个点的电势为u5＝u
51
u
12
u
26
＝1v(以点6接地处为0势点)；u1＝u
56-u
51
＝u3＝u
56-u
53
＝x(x的值为监测时采集卡的检测值)，u2、u4的值也均是采集卡的检测值。
78.当裂纹由左向右开展时：
79.随着裂纹的开展，线路12之间的电阻r
12
变大
80.根据u
左
＝u
51
u
12
u
26
81.u＝ir
82.所以u
12
增大，u
左
＝1v为固定值不变，所以u
51
和u
26
减小
83.根据u1＝u
56-u
51
，所以u1增大
84.结果显示：检测探针点1的值变大，检测探针点2的值变小，根据数据采集结果显示检测探针点3、4也会有小幅度变化但远小于检测探针点1、2的变化，可以作为区分左右侧开裂的标准。
85.由此可以得出结论：
86.(1)此正交异性钢桥面板有裂纹出现；
87.(2)裂纹开展于传感器的左条带处；
88.(3)根据探针的数据变化，可确定裂纹的宽度(每裂开一根条带，其数据会发生变化，可根据条带的宽度确定裂纹的宽度)
89.当裂纹由左向右裂开两条条带时：
90.并联分流，且随着裂纹的开展，左侧两条带电阻r增大
91.根据i
总
＝i
左
i
中
i
右
[0092][0093]i左
和i
中
减小，所以i
右
增大
[0094]
根据u
右
＝u
53
u
34
u4[0095]
u＝ir
[0096]
所以u
34
增大，u
右
为固定值不变，所以u
53
和u
46
减小
[0097]
根据u3＝u
56-u
53
[0098]
所以u3增大
[0099]
结果显示：当裂纹从左往右扩展并且已经断裂两条时，检测探针点1趋近于1v，检测探针点2趋近于0v，u3增大，u4减小
[0100]
由此可以得出结论：
[0101]
(1)裂纹已经扩展到右侧
[0102]
(2)根据条带长度可确定裂纹长度
[0103]
利用有限元分析软件进行模拟，裂纹扩展到l＝21mm时的电势分布图如图8所示；图9为当裂纹长度为0～40mm时，对应的电视变化图，其中加深蓝色区域为裂纹经过传感器条栅时的电势值，可以看出电势值有明显的变化，其余区域为裂纹经过传感器中间空挡区域时的电势值。本模拟结果与本涂层传感器所述原理结果相符合。
[0104]
以上所述实施例仅表达了本技术的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本技术保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。