CN103143495A

CN103143495A - 一种新型2-2型水泥基压电曲型换能器

Info

Publication number: CN103143495A
Application number: CN2013100425914A
Authority: CN
Inventors: 张涛涛; 马堃
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2013-02-01
Filing date: 2013-02-01
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2033-02-01
Also published as: CN103143495B

Abstract

本发明一种新型2-2型水泥基压电曲型换能器，是一种剖面形状为扇形的水泥基压电换能器，它是由两层水泥壳层、两层粘结壳层和一层压电陶瓷壳层组成，其中内外两侧的水泥壳层和中间的压电陶瓷壳层分别是由两层粘结壳层连接固定到一起的；粘结壳层和水泥壳层都是绝缘层；压电陶瓷壳层的极化方向沿剖面径向方向：换能器的5层壳体从内至外依次为水泥壳层、粘结壳层、压电陶瓷壳层、粘结壳层和水泥壳层，各层的壁厚由半径R₀，R₁，R₂，R₃，R₄，R₅确定，其中R₀，R₅分别为扇形换能器的内、外半径。本发明能够精确的检测和控制土木工程中不规则结构内部的情况，一旦检测到内部结构的损伤，会发出报警，并能对损伤进行简单的控制。

Description

一种新型2-2型水泥基压电曲型换能器

技术领域

本发明涉及一种新型2-2型水泥基压电曲型换能器，属于土木工程技术领域，它适用于土木工程中不规则结构的智能检测和控制，尤其是适用于圆形的柱子的检测和控制。具体的说，是使用本发明能更好、更精确的检测和控制土木工程中不规则结构内部的情况，一旦检测到内部结构的损伤，会发出报警，并能对损伤进行简单的控制。

背景技术

随着社会的发展，城市建筑密集度逐渐增加，造型各异的不规则建筑也越来越多。对这些结构的健康安全进行有效的检测越来越受到大众的重视，但是传统的智能检测器件(比如，压电传感器和制动器)不能对土木工程结构进行有效的检测，主要是因为传统的智能检测器件的频率要远远高于建筑结构的频率，而且二者的相容性也不好。

另外，考虑到海上航行的船只对桥墩潜在的危害，开发一种可以有效的监控和控制类似于圆形桥墩的智能换能器具有重要意义。

发明内容

1、目的：本发明的目的是为了解决传统智能检测器件的频率远高于建筑结构频率、与建筑结构相容性不好且不适于检测圆形柱子等不规则结构的问题，而提供了一种新型2-2型水泥基压电曲型换能器。

2、技术方案：见图1，本发明提出的这种新型的2-2型水泥基压电曲型换能器，是一种剖面形状为扇形的水泥基压电换能器，它是由两层水泥壳层、两层粘结壳层和一层压电陶瓷壳层组成，其中内外两侧的水泥壳层和中间的压电陶瓷壳层分别是由两层粘结壳层连接固定到一起的；粘结壳层是导电层；水泥壳层是绝缘层；压电陶瓷壳层的极化方向为沿剖面径向方向：该换能器的5层壳体从内至外依次为水泥壳层、粘结壳层、压电陶瓷壳层、粘结壳层和水泥壳层，各层的壁厚由半径R₀，R₁，R₂，R₃，R₄，R₅确定，其中R₀，R₅分别为扇形换能器的内、外半径。

其中，该水泥壳层是由525普通硅酸盐水泥、标准砂、水和外加剂（超塑化剂和消泡剂）制成，配比为水泥：水：砂=1：0.326：0.814，超塑化剂掺量为水泥质量的1%，消泡剂掺量为水泥质量的0.04%，其厚度为5~15mm；

其中，该粘结壳层是由烧结型银导电浆制成，于换能器制成前涂覆于压电陶瓷壳层内外两表面，通过500~600℃的烧银处理使其和压电陶瓷内外两表面结合牢固，其厚度为0.2~0.8mm；

其中，该压电陶瓷壳层是由PZT压电陶瓷制成，极化方向为沿剖面径向方向，其厚度为5~15mm；

其中，该曲型换能器的曲面弧长约为20~80mm，整体厚度H约为15.4~46.6mm,侧面宽度L约为10~30mm，曲面角度约为1~180°，可依据实际使用环境制定其所需尺寸并进行生产使用。

本发明的工作原理及流程简介如下：本换能器既可以做发射器又可以做接收器，一般在实际使用中同时使用两个换能器，一个作为发射器使用，一个作为接收器使用，分别将两换能器固定于被检结构构件的表面，信号通过换能器压电层电线连接处（图1中4、5）的线路输入到作为发射器使用的换能器中压电陶瓷壳层的上下表面，使压电陶瓷壳层产生同频率的沿径向方向的伸长-缩短变形，把电能转化为机械能，从而产生一个同频率的机械振动，而内层粘结壳层和水泥壳层把高频超声振动传入被检圆形柱内部传播的过程中，形成超声波。当在被检构件中遇到缺陷或底面，超声振动又被反射回来，经过作为接受器使用的另一个换能器的内侧水泥壳层和粘结壳层后，由于压电陶瓷壳层的逆压电效应，把接收到的被检构件中缺陷的机械振动信号转化为同频率的电信号，通过外侧的粘结壳层和水泥壳层并通过换能器压电陶瓷壳层连接处（图1中4、5处）的线路传入超声波检测仪器内，电信号经过多级放大，以脉冲波的形式出现在超声波检测仪的荧光屏上，即可被检测人员观察到缺陷或损伤在被检构件中的位置和大小。

3、优点及功效：本发明所提出的一种新型2-2型水泥基压电曲型换能器的固有频率与混凝土的固有频率相近，且二者相容性较好，适用于土木工程中不规则结构尤其是圆形的柱子的智能检测和控制。使用本发明能够更精确检测和控制土木工程中不规则结构内部的情况，一旦检测到内部结构的损伤，会发出报警，并能对损伤进行简单的控制。

附图说明

图1为本发明的剖面结构示意图；

图2为本发明的侧面示意图；

图中符号说明如下：

1―水泥壳层；

2—粘结壳层；

3—压电陶瓷壳层；

4、5—电线连接处；

H—换能器整体厚度；

L—换能器侧面宽度；R₀，R₁，R₂，R₃，R₄，R₅，r表示半径值。

具体实施方式

见图1、图2，本发明为一种新型2-2型水泥基压电曲型换能器，是一种剖面形状为扇形的水泥基压电换能器，它是由两层水泥壳层1、两层粘结壳层2和一层压电陶瓷壳层3组成，其中内外两侧的水泥壳层1和中间的压电陶瓷壳层3分别是由两层粘结壳层2连接固定到一起的；粘结壳层2是导电层；水泥壳层1是绝缘层；压电陶瓷壳层3的极化方向为沿剖面径向方向：该换能器的5层壳体从内至外依次为水泥壳层1、粘结壳层2、压电陶瓷壳层3、粘结壳层2和水泥壳层1，各层的壁厚由半径R₀，R₁，R₂，R₃，R₄，R₅确定，其中R₀，R₅分别为扇形换能器的内、外半径。

其中，该水泥壳层1是由525普通硅酸盐水泥、标准砂、水和外加剂（超塑化剂和消泡剂）制成，配合比为水泥：水：砂=1：0.326：0.814，超塑化剂掺量为水泥质量的1%，消泡剂掺量为水泥质量的0.04%，其厚度为10mm；

其中，该粘结壳层2是由烧结型银导电浆制成，于换能器制成前涂覆于压电陶瓷壳层3两表面，通过500~600℃的烧银处理使其和压电陶瓷两表面结合牢固，其厚度为0.8mm；

其中，该压电陶瓷壳层3是由PZT压电陶瓷制成，极化方向为沿剖面径向方向，其厚度为10mm；

其中，该曲型换能器的曲面弧长为80mm，整体厚度H约为32mm,侧面宽度L为30mm，曲面角度为60°。

第一实施例

在对圆形柱子进行超声检测时，同时使用两个换能器，一个作为发射器使用，一个作为接收器使用，下文分别称其为换能器Ⅰ和换能器Ⅱ；通过换能器压电陶瓷壳层处的连接电线分别将超声检测测试仪与两个换能器连接，并将两个换能器分别固定在被检圆形柱待测位置，在接通电源后，超声波检测仪中同步电路中的L-C电路产生高频电振动，通过电线连接处4、5输入到作为发射器使用的换能器Ⅰ中压电陶瓷壳层3的上下表面，使压电陶瓷壳层3产生同频率的沿径向方向的伸长-缩短变形，把电能转化为机械能，从而产生一个同频率的机械振动，而内层粘结壳层2和水泥壳层1借助涂抹于被检圆柱和换能器之间的耦合剂（硅脂），把高频超声振动传入被检圆形柱内部传播的过程中，形成超声波。当在被检圆形柱子中遇到缺陷或底面，超声振动又被反射回来，经过作为接受器使用的换能器Ⅱ的内侧水泥壳层1和粘结壳层2后，由于压电陶瓷壳层3的逆压电效应，把接收到的被检圆形柱子中缺陷的机械振动信号转化为同频率的电信号，通过外侧的粘结壳层2和水泥壳层1和高频电缆线传入超声波检测仪器内，电信号经过多级放大，以脉冲波的形式出现在超声波检测仪的荧光屏上，即可被检测人员观察到缺陷或损伤在被检圆形柱子中的位置和大小，从而完成了对圆形柱子缺陷或损伤的检测任务。

第二实施例：

在对被检圆形柱子进行监测控制时，将作为制动器使用的换能器安置固定于被检圆形柱子的特定位置处，同时该换能器连接相应控制设备和电源，当被检圆形柱子受到剧烈作用（如地震作用、爆炸作用、冲撞作用），被检圆形柱子产生的相应振动经过换能器内侧的水泥壳层1和粘结壳层2后，由于压电陶瓷壳层3的逆压电效应，把接收到的被检圆形柱子中的机械振动信号转化为同频率的电信号，并通过连接电缆将电信号传给相应控制设备，对被检测圆形的柱子的结构受力做出相应调整，实现对被检圆形柱子的监测控制。

Claims

1.一种新型2-2型水泥基压电曲型换能器，其特征在于：它是一种剖面形状为扇形的水泥基压电换能器，是由两层水泥壳层、两层粘结壳层和一层压电陶瓷壳层组成，内外两侧的水泥壳层和中间的压电陶瓷壳层分别是由两层粘结壳层连接固定到一起；粘结壳层是导电层，水泥壳层是绝缘层，压电陶瓷壳层的极化方向沿剖面径向方向；该换能器的5层壳体从内至外依次为水泥壳层、粘结壳层、压电陶瓷壳层、粘结壳层和水泥壳层，各层的壁厚由半径R₀，R₁，R₂，R₃，R₄，R₅确定，其中R₀，R₅分别为扇形换能器的内、外半径。

2.根据权利要求1所述的一种新型2-2型水泥基压电曲型换能器，其特征在于：该水泥壳层是由525普通硅酸盐水泥、标准砂、水和外加剂即超塑化剂和消泡剂制成，配比为水泥：水：砂=1：0.326：0.814，超塑化剂掺量为水泥质量的1%，消泡剂掺量为水泥质量的0.04%，其厚度为5～15mm。

3.根据权利要求1所述的一种新型2-2型水泥基压电曲型换能器，其特征在于：该粘结壳层是由烧结型银导电浆制成，于换能器制成前涂覆于压电陶瓷壳层内外两表面，通过500~600℃的烧银处理使其和压电陶瓷内外两表面结合牢固，其厚度为0.2~0.8mm。

4.根据权利要求1所述的一种新型2-2型水泥基压电曲型换能器，其特征在于：该压电陶瓷壳层是由PZT压电陶瓷制成，极化方向为沿剖面径向方向，其厚度为5～15mm。

5.根据权利要求1所述的一种新型2-2型水泥基压电曲型换能器，其特征在于：该曲型换能器的曲面弧长为20~80mm，整体厚度H为15.4~46.6mm,侧面宽度L为10~30mm，曲面角度为1～180°，依据实际使用环境制定其所需尺寸并进行生产使用。