用于土木工程结构监/检测的正交异性压电传感器及其制备方法和应用

摘要

本发明公开了一种用于土木工程结构监/检测的正交异性压电传感器，包括正交异性压电复合材料元件、匹配层、背衬层和导线，所述正交异性压电复合材料元件的下表面与匹配层相连，正交异性压电复合材料元件的其他面与背衬层相连，匹配层和背衬层的表面涂有屏蔽层，导线分别与正交异性压电复合材料元件的正负极相连。本发明还公开了该传感器的制备方法和应用。本发明传感器正交异性特性明显，灵敏度高，响应频带宽，抗干扰能力强，能够针对不同方向的应力波具有不同的响应特性，能够有效抑制侧向干扰信号接收，提高信噪比。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有正交异性特性、且灵敏度高和频带宽的正交异性压电传感器及其制备方法和应用，特别涉及一种适用于土木工程结构健康监测的正交异性压电传感器及其制备方法和应用。

背景技术

目前，在土木工程建筑领域中，利用智能材料对一些重大土木工程建筑实施健康监\检测和预报的研究越来越广泛。然而，土木工程领域所用的智能材料如记忆合金、应变片、碳纤维、压电陶瓷等，普遍不具备测定特定方向应力和应力波的能力，不能分辨不同方向的损伤信号问题，无法对混凝土结构的损伤源进行定位，从而阻碍了土木工程结构的智能化发展。

虽然目前研制的水泥基压电传感器克服了传统传感器的一些缺点，与混凝土结构具有良好的相容性，且灵敏度高，耐久性好，非常适合于监测混凝土的损伤、变形、内部应力和应变分布等情况，但其仍不具有正交异性的特点，不能够有效监/检测特定方向的损伤信号。申请人通过改进结构单元的复合组装形式和空间分布的对称性，通过对压电复合材料中压电相的构造方位进行优化设计，制备出具有良好正交异性特性的1-3型水泥基压电复合材料（2011年9月28日申请了发明专利，申请号为：201110298753.1，发明名称为“1-3型正交异性水泥基压电复合材料及其制备方法和应用”，公开日为2012年6月20日，公开号为CN 102509766 A），但目前有关正交异性水泥基压电传感器的研究尚未见报道。通常，传感器性能的优劣与其制备工艺、匹配层、背衬层及屏蔽层等有关，因此，针对土木工程结构的特点，优化制备传感器的参数，研制适合于土木工程结构监/检测的正交异性压电传感器，提高其结构损伤的定位精度，对重大土木工程结构的健康监测具有重要的工程应用价值。

 

发明内容

本发明针对目前土木工程领域中所使用的智能材料普遍不具备测定特定方向应力和应力波的能力的问题，提供了一种正交异性压电传感器，该传感器具有正交异性特性明显、与混凝土相容性好、抗干扰能力强、灵敏度高、响应频带宽等特点，用于土木工程结构的监测或检测。

本发明还提供了该传感器的制备方法，该方法步骤简单，易于操作。

本发明还提供了该传感器在土木工程领域的应用，因为传感器具有正交异性，所以能够针对不同方向的应力波具有不同的响应特性，能够有效抑制侧向干扰信号接收，提高信噪比，监/检测灵敏度更高、响应频带更宽。

一种正交异性压电传感器，其特征是：包括正交异性压电复合材料元件、匹配层、背衬层和导线，所述压电复合材料元件的下表面与匹配层相连，压电复合材料元件的其他面与背衬层相连，匹配层和背衬层的表面涂有屏蔽层，导线分别与压电复合材料元件的正负极相连。

本发明所用的正交异性压电复合材料元件（简称正交异性压电元件）是发明人自行研发的为1-3型正交异性聚合物/水泥基压电复合材料或1-3型正交异性水泥基压电复合材料，其主要原料为水泥或聚合物改性的水泥和压电陶瓷。压电复合材料通过切割-浇注与排列-浇注相结合的方法制成。压电复合材料中的压电陶瓷柱的极化方向与x轴方向平行，其中的导电胶在复合材料的内部形成叉指型电极结构，改变了传统的水泥基压电复合材料内部的电场分布和振动耦合模式，从而使得制备的压电复合材料具有正交异性，能够有效地抑制侧向干扰信号的产生和接收，提高信噪比，进而区分来自不同方向的损伤信号，对损伤源进行定位及识别。发明人自行研发的1-3型正交异性水泥基压电复合材料于2011年9月28日申请了发明专利，申请号为：201110298753.1，发明名称为“1-3型正交异性水泥基压电复合材料及其制备方法和应用”，公开日为2012年6月20日，公开号为CN 102509766 A。该专利中的1-3型正交异性水泥基压电复合材料具有正交异性，压电复合材料包括水泥、压电陶瓷和导电胶，其中，压电陶瓷的体积分数为30-70%。其中相邻两压电陶瓷块极化方向相反，导电胶填充于压电陶瓷块中间及其外围，水泥与导电胶将压电陶瓷分割为压电陶瓷柱，水泥沿与压电陶瓷极化方向相同的方向进行填充，导电胶在压电陶瓷块间沿与压电陶瓷极化方向垂直的方向进行填充，导电胶在压电复合材料中呈叉指型电极结构，两压电陶瓷块之间的距离为0.35mm～3mm。所述压电陶瓷包括铌锂锆钛酸铅压电陶瓷、镁锆钛酸铅压电陶瓷、锆钛酸铅压电陶瓷等，所述水泥包括硫铝酸盐水泥、硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥等。

为增强水泥与压电陶瓷的结合强度，进一步提高水泥基压电复合材料的柔韧性和整体性能，在CN 102509766 A中公开的1-3型正交异性水泥基压电复合材料的基础上，通过对水泥进行改性或利用聚合物对水泥进行改性，以聚合物/水泥作为基体对压电陶瓷进行填充，提高了基体与陶瓷片之间的结合强度以及正交异性压电复合材料的整体性能，从而使制作的传感器具有更稳定的性能。所述1-3型正交异性聚合物/水泥基压电复合材料除了将水泥用聚合物进行改性外，其他的结构和制备方法等都与CN 102509766 A中公开的1-3型正交异性水泥基压电复合材料一致。改性时，聚合物和水泥的质量比为0.15~0.7:1，优选0.3~0.6:1，所用聚合物为环氧树脂或硅橡胶，所述环氧树脂包括AB-灌浆树脂、E-55环氧树脂、731环氧树脂、AG80环氧树脂、W95环氧树脂等，所述硅橡胶包括RTV硅橡胶、TG-8402硅橡胶、甲基乙烯基110-2硅橡胶等。

为了提高和改善本发明正交异性压电传感器的灵敏度和带宽，本专利从理论上分析了匹配层与正交异性压电传感元件间的声阻抗关系，并以水泥-环氧树脂-钨粉混合物作为匹配层。通过研究匹配层对正交异性压电传感器的正交异性、灵敏度和带宽等性能的影响表明：本发明匹配层材料可在一定程度上可提高压电传感器的正交异性、灵敏度和频带宽。所述匹配层优选为质量比为3:3:1~1:1:8的水泥、环氧树脂和钨粉的混合物，所述环氧树脂包括AB-灌浆树脂、E-55环氧树脂、731环氧树脂、AG80环氧树脂、W95环氧树脂等，所述水泥包括硫铝酸盐水泥、硅酸盐水泥、铝酸盐水泥和铁铝酸盐水泥等。

本发明的背衬层是由水泥和环氧树脂的混合物组成，背衬层的材料强度高、绝缘性好，不仅有效的改善了压电传感器与混凝土之间的声阻抗相容性，而且还对正交异性压电复合材料起到保护、支撑和封装的作用。所述背衬层优选为质量比为0.15~0.7:1的聚合物和水泥的混合物，最优选为质量比为0.3~0.6:1的聚合物和水泥的混合物，所述环氧树脂包括AB-灌浆树脂、E-55环氧树脂、731环氧树脂、AG80环氧树脂、W95环氧树脂等，所述水泥包括硫铝酸盐水泥、硅酸盐水泥、铝酸盐水泥和铁铝酸盐水泥等。

本发明在传感器表面涂有一层掺有屏蔽材料的水泥涂层作为屏蔽层，所述电磁屏蔽材料可以在市场中买到，优选含有石墨、铁氧体、铜、银和碳纤维中的一种或几种成分的电磁屏蔽材料，电磁屏蔽材料可以使传感器更好地屏蔽噪音信号，具有更高的信噪比。

本发明传感器的导线优选为屏蔽作用良好的铜芯屏蔽线，所述导线分别与正交异性压电元件的正负极相连。

本发明正交异性压电传感器的制备方法，其特征是包括以下步骤：

（1）将正交异性压电元件的正负极与导线进行连接；

（2）将环氧树脂和固化剂混合，再加入水泥进行混合，最后加入钨粉，混合均匀，将其浇注于模具底部，然后放入压电元件，固化后得匹配层；

（3）先将环氧树脂和固化剂混合，然后加入水泥进行混合，然后将混合物浇入模具中，制成背衬层；

（4）待背衬层固化后，拆模，在传感器样品表面涂上一层掺有屏蔽材料的水泥涂层作为屏蔽层，即制得本发明正交异性压电传感器。

本发明传感器可用于土木工程结构的健康监/检测，其步骤是：将本发明正交异性压电传感器埋入混凝土结构内部或粘贴于混凝土结构表面，对混凝土结构的健康状况进行监/检测。

本发明提供了一种适用于土木工程结构健康监/检测的正交异性压电传感器，其压电元件具有很好的正交异性特性，匹配层可提高传感器的灵敏度和频带宽，背衬层绝缘防水、强度高，不仅有效的改善了压电传感器与混凝土之间的相容性，又对正交异性压电复合材料起到保护、支撑的作用，屏蔽层能进一步的屏蔽外界干扰，提高信噪比。本发明传感器制备简单，结构合理，使用方便；具有明显的正交异性特性；抗干扰能力强，能有效降低环境噪音对有效信号的干扰；灵敏度高和频带宽；与混凝土相容性好，在监/检测混凝土结构健康状况时，既可以埋入混凝土内部，又可以外贴于混凝土结构表面，能够针对不同方向的应力波显示不同的响应特性，从而分辨不同方向的损伤信号，其研究和开发对土木工程结构的健康监/检测具有重要的意义。

附图说明

图1 正交异性压电传感器示意图；

图2 正交异性特性测试实验方案；

图3 正交异性压电传感器在正交方向上接收到的信号幅值；

图4 正交异性压电传感器的平面响应实验方案；

图5 三种压电传感器在平面内接收到的信号幅值；

图6 正交异性压电传感器在0°方向上的频谱图；

图7正交异性压电传感器在90°方向上的频谱图。

图中，1、正交异性压电复合材料元件，2、匹配层，3、背衬层，4、屏蔽层，5、导线，6、接头，7、被测件，8、正交异性压电传感器。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明进行详细阐述，应该明白的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。

实施例1

本发明制作过程分为以下几个部分：（一）1-3型正交异性压电复合材料的制备；（二）匹配层的制备；（三）背衬层的制备（也可称之为封装）；（四）屏蔽处理。

（一）1-3型正交异性压电复合材料的制备

采用切割-浇注和排列-浇注相结合的方法制备1-3型正交异性聚合物/水泥基压电复合材料或1-3型正交异性水泥基压电复合材料，以PZT-5压电陶瓷为压电相，环氧树脂（AB-灌浆树脂）和水泥（硫铝酸盐水泥）混合物或以水泥（硫铝酸盐水泥）为基体，利用导电胶在压电复合材料内部形成叉指型电极，构成叉指型结构。所得压电复合材料的结构参数及组分参数为：压电陶瓷体积分数为50%，环氧树脂与水泥的质量比为0.5:1，其具体步骤如下：

（1）确定环氧树脂和水泥的比例为0.5：1、压电陶瓷体积分数为50%、压电陶瓷柱的长宽比为3:1；

（2）采用切割机在已经设计好的压电陶瓷上沿着极化方向进行切割，并保留底座；

（3）将切割后的陶瓷进行清洗后固定在模具内，将环氧树脂和水泥按照0.5:1的比例混合，充分搅拌之后浇注到模具中，并对其进行不断振动和真空处理；

（4）用切割机对试样进行二次切割，切割方向与第一次切割方向垂直，切割出所需尺寸的阵列块；

（5）将切好的阵列进行排列，使其极化方向平行于x方向，并使相邻的两片之间的极化方向相反；

（6）浇注导电胶，使之形成叉指型电极结构；

（7）固化好进行打磨抛光，即得1-3型正交异性聚合物/水泥基压电复合材料。

将正交异性压电复合材料元件（简称正交异性压电元件或压电元件，下同）与导线连接，压电元件的正负极分别与导线进行连接，并从与正交异性压电元件负极相连的导线中引出一部分导线，用作屏蔽线，导线的另一端连接接头。

（二）匹配层的制备

本发明采用环氧树脂、水泥和钨粉的混合物为匹配层。其具体制备过程如下：

（1）确定环氧树脂和固化剂的比例为4:1，充分搅拌均匀；

（2）将水泥（水泥和环氧树脂的比例为1:1）加入到（1）中的混合物中，充分搅拌；

（3）混合均匀后，放入真空干燥箱中进行真空处理，至无气泡；

（4）在（3）中得到的混合物中加入一定量的钨粉（钨粉和水泥的质量比为8:1），混合均匀，待混合物失去流动性后将其浇注于模具底部，然后放入压电元件，固化后得到传感器的匹配层。 

（三）背衬层的制备（封装）

本发明采用环氧树脂和水泥的混合物作为背衬材料。其制备过程如下：

（1）将环氧树脂和固化剂按照4:1的比例，进行充分搅拌均匀；

（2）将水泥（水泥和环氧树脂的比例为1:1）加入到（1）中的混合物中，充分搅拌；

（3）将（2）得到的混合物放入真空干燥箱中进行真空处理，至无气泡产生；

（4）将（3）得到的混合物浇注到已经安置好压电元件的模具中；

（5）待背衬材料固化之后，拆模。

（四）屏蔽处理

在正交异性压电传感器样品的表面涂一层掺有屏蔽材料（石墨、碳纤维、铁氧体、铜和银）的水泥涂层作为屏蔽层，得本发明正交异性压电传感器。

上述实施例1制得的压电传感器性能优异，下面通过实验对其正交异性特性、灵敏度、带宽等性能进行测试。

实验1

将制备得到的正交异性压电传感器粘贴在被测件的表面，用HB铅笔、角度为30°折断做模拟声发射源，采用美国物理声学公司的声发射设备进行声发射信号测试。

、正交异性压电传感器的正交异性特性

正交异性特性是1-3型正交异性压电复合材料一种独有的一种特性，按照图2所示的实验方案，本发明进行压电传感器的正交异性特性测试。在距离压电传感器几何中心60mm处对两种压电传感器分别进行正交异性特性测试，测试角度为0°和90°。

图3所示为正交异性压电传感器在正交方向上的信号响应情况。由图可以看出，正交异性压电传感器在0°方向上接收到的信号幅值为0.1434V，在90°方向上接收到的信号幅值为0.0524V，几乎成2倍的关系。这说明正交异性压电传感器在正交方向上表现出明显的正交异性特性。

、正交异性压电传感器的灵敏度

本发明是在混凝土梁上利用断裂铅笔芯的方式获得激励信号，在以传感元件几何中心为圆心，60 mm为半径的圆上，每隔22.5°测量一次，实验方案如图4所示。为了验证压电复合材料的正交异性特性，将其与纯压电陶瓷传感元件与1-3型水泥基压电复合材料传感元件作对比实验。

图5所示的是三种压电传感器在平面内接收到的信号幅值。由图可看出，压电陶瓷与1-3型水泥基复合材料传感元件在0°~360°方向上接受到的信号强度幅值基本没有太大变化，显示出各向同性的特点。而1-3型正交异性水泥基压电传感元件随着测试角度的变化，由横向到纵向的接收信号的灵敏度逐渐增大。在0°~360°方向上接受到的信号强度幅值差异明显，尤其是在0°、180°和360°方向上接受到的信号强度幅值明显大于90°与270°方向上的信号强度幅值，这表明1-3型正交异性水泥基压电复合材料具有良好的正交异性特性。在0°~360°方向上，1-3型正交异性水泥基压电传感器接收到的信号峰值基本上均高于纯陶瓷和1-3型水泥基压电复合材料传感器，尤其是在0°和180°方向上，这说明正交异性水泥基压电复合材料具有较高的灵敏度。

、正交异性压电传感器的带宽

将正交异性压电传感器在0°和90°方向上接收到的首波脉冲波经过傅里叶变化得到的频谱图分别如图6和图7所示。由图可以看出，正交异性压电传感器的工作频率范围为15~440kHz，低频性能好，非常适用于混凝土结构的健康监测。

 

实施例2

1、按照实施例1的方法制备1-3型正交异性聚合物/水泥基压电复合材料的制备；

2、将正交异性压电元件与导线连接，压电元件的正负极分别与导线进行连接，并从与正交异性压电元件负极相连的导线中引出一部分导线，用作屏蔽线；

3、按照实施例1的方法制备匹配层，不同的是：水泥、环氧树脂和钨粉的质量比为3:3:1，固化剂与环氧树脂的质量比为4：1；

4、按照实施例1的的方法制备背衬层。

5、按照实施例1的的方法制备屏蔽层。

对所得传感器进行性能测试，其正交异性特性、灵敏度、带宽等等性能与实施例1的传感器相近。

实施例3

按照实施例1的方法制备正交异性压电传感器，不同的是，在制备匹配层时，水泥、环氧树脂和钨粉的质量比为1:1:3，固化剂与环氧树脂的质量比为4：1。

对所得传感器进行性能测试，其正交异性特性、灵敏度、带宽等等性能与实施例1的传感器相近。

实施例4

按照实施例1的方法制备正交异性压电传感器，不同的是，在制备匹配层时，水泥、环氧树脂和钨粉的质量比为1:1:5，固化剂与环氧树脂的质量比为4:1。

对所得传感器进行性能测试，其正交异性特性、灵敏度、带宽等等性能与实施例1的传感器相近。

实施例5

按照实施例1的方法制备正交异性压电传感器，不同的是，在制备1-3型正交异性聚合物/水泥基压电复合材料和背衬层时，环氧树脂和水泥的质量比为0.15:1，固化剂与环氧树脂的质量比为4:1。

对所得传感器进行性能测试，其正交异性特性、灵敏度、带宽等等性能与实施例1的传感器相近。

实施例6

按照实施例1的方法制备正交异性压电传感器，不同的是，在制备1-3型正交异性聚合物/水泥基压电复合材料和背衬层时，环氧树脂和水泥的质量比为0.3:1，固化剂与环氧树脂的质量比为4:1。

对所得传感器进行性能测试，其正交异性特性、灵敏度、带宽等等性能与实施例1的传感器相近。

实施例7

按照实施例1的方法制备正交异性压电传感器，不同的是，在制备1-3型正交异性聚合物/水泥基压电复合材料和背衬层时，环氧树脂和水泥的质量比为0.6:1，固化剂与环氧树脂的质量比为4:1。

对所得传感器进行性能测试，其正交异性特性、灵敏度、带宽等等性能与实施例1的传感器相近。

实施例8

按照实施例1的方法制备正交异性压电传感器，不同的是，在制备1-3型正交异性聚合物/水泥基压电复合材料和背衬层时，环氧树脂和水泥的质量比为0.7:1，固化剂与环氧树脂的质量比为4:1。

对所得传感器进行性能测试，其正交异性特性、灵敏度、带宽等等性能与实施例1的传感器相近。

实施例9

按照实施例1的方法制备正交异性压电传感器，不同的是，在制备1-3型正交异性聚合物/水泥基压电复合材料时，压电陶瓷的体积分数为30%。

对所得传感器进行性能测试，其正交异性特性、灵敏度、带宽等等性能低于实施例1的传感器。

实施例10

按照实施例1的方法制备正交异性压电传感器，不同的是，在制备1-3型正交异性聚合物/水泥基压电复合材料时，压电陶瓷的体积分数为70%。

对所得传感器进行性能测试，其正交异性特性、灵敏度、带宽等性能优于实施例1的传感器。

实施例11

按照实施例1的方法制备正交异性压电传感器，不同的是，所用的压电陶瓷分别为铌锂锆钛酸铅压电陶瓷、铌镁锆钛酸铅压电陶瓷。

因所用压电陶瓷不同，所得传感器的灵敏度、带宽等性能参数与实施例1的传感器有一定差别，但是传感器的正交异性特性都很好。

实施例12

按照实施例1的方法制备正交异性压电传感器，不同的是，压电元件、匹配层和背衬层中所用的环氧树脂分别为E-55环氧树脂、731环氧树脂、AG80环氧树脂、W95环氧树脂。

因这四种环氧树脂流动性不如AB-灌浆树脂，所以在制备时可操作性低于实施例1，所得传感器的性能与实施例1的传感器相近。

实施例13

按照实施例1的方法制备正交异性压电传感器，不同的是，压电元件、匹配层和背衬层中所用的水泥分别为硫铝酸钡钙水泥、硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硅酸盐水泥、铝酸盐水泥和氟铝酸盐水泥。

因水泥特异性有一定差异，所得传感器性能有一定差异，但传感器正交异性特性、灵敏度、带宽等性能均优异。

实施例14

按照实施例1的方法制备正交异性压电传感器，不同的是，所用压电复合材料为1-3型正交异性水泥基压电复合材料，以PZT-5压电陶瓷为压电相，以硫铝酸盐水泥为基体，利用导电胶在压电复合材料内部形成叉指型电极，构成叉指型结构，压电陶瓷体积分数为50%，环氧树脂与水泥的质量比为0.5:1，压电陶瓷柱的长宽比为3:1。

对所得传感器进行性能测试，其灵敏度可以达到85dB，优于实施例1的传感器，其正交异性特性与带宽等性能与实施例1的传感器相近。

实施例15

按照实施例14的方法制备正交异性压电传感器，不同的是，压电陶瓷柱的长宽比为1:1。

对所得传感器分别进行性能测试，其正交异性特性和灵敏度低于实施例14，但其带宽性能与实施例14的传感器相近。