CN103388378B - 基于压电陶瓷晶体的智能钢筋及其制作方法 - Google Patents
基于压电陶瓷晶体的智能钢筋及其制作方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种基于压电陶瓷晶体的智能钢筋及其制作方法，包括钢筋、压电陶瓷晶体片和含银环氧树脂，其中：所述压电陶瓷晶体片沿钢筋长度方向对称布置并通过含银环氧树脂粘结固定于钢筋，其中一部分压电陶瓷晶体片作为信号的驱动器，另一部分剩余压电陶瓷晶体片作为传感器，在作为信号驱动器的压电陶瓷晶体片加五波形窄频瞬时超声波作为输入信号，在作为传感器的压电陶瓷晶体片得到相应的输出信号，根据信号大小判断驱动器和传感器之间区域的混凝土是否有裂缝或脱筋现象。本发明将用加载的导向应力波波形散射异变及波时波幅变化，预测混凝土结构的局部损伤，其作为承载材料的一部分被安装在大型结构任何需要的部位，具有较大的灵活性。
Description
技术领域
本发明涉及对钢筋混凝土建筑物结构安全检测及评估，是对结构无损检测的一种，具体地，涉及一种基于压电陶瓷晶体的智能钢筋及其制作方法。
背景技术
对钢筋混凝土建筑物进行定期健康监测，以及在巨灾后对关键的建筑物及时进行结构安全检测及评估，是一项重要的任务。常用的对混凝土结构损伤检测方法包括目测（加显微镜）法，回声法（ImpactEcho），超声脉冲发、超声波扫描法如C-扫描、或X光扫描等，这些方法需要检测人员亲临现场检测。但由于此类结构体积庞大，关键承载部位或是被装饰墙等的遮住或是很难接近，譬如结构的梁、柱及其节点、或底部的桩柱等，这使得上述检测方法难以进行，尤其是在地震、洪水或海啸等灾后结构物已有损伤的状态下。
国内外正在研发的对钢筋混凝土结构关键部位的健康监测方法有很多，有直接从结构材料入手的，如加入碳纳米粉、机敏镍粉,或压电陶瓷粉等的水泥基材料，直接将水泥加入一种或多种可导物质，使其成为具有自我感应功能的机敏材料以监测混凝土结构的应力应变；但更多是采用传感器形式的，因为传感器相对质量容易控制，运用也较灵活方便。
结构健康监测用的传感器由其制成的材料可分为智能型与非智能型的，如应变片属于非智能型，而光纤、记忆合金及压电感应材料属于智能型；智能型传感器可分为被动式的和主动式，如光纤、记忆合金类属于被动式，而压电感应材料(PZT)类可做成主动式和被动式的。
在国内外土木领域的研究中，由PZT传感器建立的健康测试法按原理可分为三大类：基于压电阻抗的方法，基于振动特性的方法，及基于导向波的方法。国际上Ayres等和Soh等将PZT传感器贴于桥梁梁柱等结构表面，用测压电阻抗的方法测试损坏，这种方法对感应区域的局部损坏很敏感，但对远场损伤不敏感，因此对大型土木结构难以测到构件内部深处的损伤。
基于导向应力波（GuidedStressWave）的方法是通过在载体上转播超声应力波来探测周围结构中的缺陷，这个方法是从兰姆（Lamb）应力波无损探伤的基础上发展的。Chang等研发了以PZT传感器组成的主动监测系统，利用兰姆波对板块结构进行损伤检测，目前此类系统已应用在飞机、汽车及输油管道等的金属及碳纤维复合材料制成的板结构的健康监测中。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于压电陶瓷晶体（PZT）的智能钢筋及其制作方法，所述PZT型智能钢筋将用加载的导向应力波波形散射异变及波时波幅变化，预测混凝土结构的局部损伤，如裂缝和脱筋等；该系统作为承载材料的一部分被安装在大型结构任何需要的部位；作为主动控制系统在需要时激发及采集信息，具有较大的灵活性。
根据本发明的一个方面，提供一种基于压电陶瓷晶体的智能钢筋，包括钢筋、至少两个压电陶瓷晶体片和含银环氧树脂，其中：所述压电陶瓷晶体片沿钢筋长度方向对称布置并通过所述含银环氧树脂粘结固定于所述钢筋，其中一部分对称布置的压电陶瓷晶体片作为信号的驱动器，另一部分剩余压电陶瓷晶体片作为输出传感器，在作为信号驱动器的压电陶瓷晶体片加瞬时超声波作为输入信号，在作为输出传感器的压电陶瓷晶体片上得到信号，根据信号大小判断驱动器和传感器之间区域的混凝土是否有裂缝或脱筋现象。
优选地，所述压电陶瓷晶体片为圆片型或正方形或其他结构。
优选地，所述压电陶瓷晶体片固定于所述钢筋切割面。
优选地，所述压电陶瓷晶体片上先涂上碳纳米管涂层，再涂所述含银环氧树脂以增加粘接性。
优选地，所述瞬时超声波是指正弦五波形窄频瞬时超声波，其中心频率为90千赫。
根据本发明的另一个方面，提供一种基于压电陶瓷晶体的智能钢筋的制作方法，所述方法是沿钢筋长度方向对称布置多个压电陶瓷晶体片，压电陶瓷晶体片的数量、直径、厚度按实际需要设定；其中：一部分对称布置的压电陶瓷晶体片作为信号的驱动器，剩余压电陶瓷晶体片作为传感器，其间距按实际需要设定；在钢筋上对称位置处进行切割，将压电陶瓷晶体片由含银环氧树脂粘结固定在钢筋的切割面；压电陶瓷晶体片采用对称布置以使钢筋上只传播纵向P波。
本发明将制作好的智能钢筋埋入混凝土，在作为驱动器的压电陶瓷晶体片上加频率为90KHz、最大电压为220V的正弦五波形窄频瞬时波作为输入信号，该类信号在传播中易于识别并减少散射；在作为输出传感器的压电陶瓷晶体片上得到信号，根据信号大小判断驱动器和传感器之间区域的混凝土是否有裂缝或脱筋现象。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、将压电陶瓷晶体粘贴在钢筋上，以钢筋作为波的传导体，增加了信号的强度，并能利用高频五波形窄频瞬时波作为症断信号，克服了直接将压电陶瓷晶体埋在混凝土中信号很小而不能用高频瞬时波的缺陷；
2、该智能钢筋同时检测混凝土是否有裂缝及脱筋现象；
3、该智能钢筋同时起到钢筋的作用，即承受载荷，在受载状态下仍能做检测；
4、该智能钢筋埋在混凝土里，方便地放置于结构的关键部位及不易人为接近的部位。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明智能钢筋整体结构示意图。
图中：1为钢筋，2、3为圆片型压电陶瓷晶体片，4为正方形切割面。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本实施例提供一种基于压电陶瓷晶体的智能钢筋，包括钢筋1、圆片型压电陶瓷晶体片2、3和含银环氧树脂，其中：所述圆片型压电陶瓷晶体片2、3通过所述含银环氧树脂粘结固定于所述钢筋1的正方形切割面4。
本实施例中，选用截面直径19mm、长度650mm的钢筋1为试验对象，沿所述钢筋1长度方向对称布置圆片型压电陶瓷晶体片2、3；所述圆片型压电陶瓷晶体片2、3的直径均为6.35mm,厚度均为0.75mm；其中：4片所述圆片型压电陶瓷晶体片2作为信号的驱动器，4片所述圆片型压电陶瓷晶体片3作为传感器，两者间距为400mm；在所述钢筋1上的所述圆片型压电陶瓷晶体片2和所述圆片型压电陶瓷晶体片3位置对称切割4面9mmx9mm的正方形切割面4，将所述圆片型压所述电陶瓷晶体片2、3由含银环氧树脂粘结固定在所述钢筋1的正方形切割面4上；所述圆片型压电陶瓷晶体片2、3采用对称布置以使所述钢筋1上只传播纵向P波。
本实施例中，圆片型压电陶瓷晶体片2、3是设置在钢筋1表面切割出来的凹槽中，且在钢筋1同一位置的4个对称位置放置。
本实施例中，将制作好的智能钢筋埋入混凝土，在所述圆片型压电陶瓷晶体片2上加频率为90KHz、最大电压为220V的正弦五波形窄频瞬时波作为输入信号，该类信号在传播中易于识别并减少散射；在作为输出传感器的压电陶瓷晶体片3上的输出端得到信号。对于混凝土中有损伤如裂缝或脱筋，信号将更多地在钢筋上运行，即有更多的能量，所以输出端的信号会增加，根据研究，信号的增加与裂缝（或脱筋）的长度呈指数关系。因此，根据信号峰值的大小可判断圆片型压电陶瓷晶体片2和3之间区域的混凝土是否有裂缝或脱筋现象；同时，可根据波峰到达时间判断裂缝（脱筋）的位置。
本发明并不局限于上述的实施例，如用直径为12.5mm的钢筋采用以上步骤制作智能钢筋；或者为增加信号强度，在实施过程中优化压电陶瓷晶体片形状：
1、用6.35mmx6.35mm的正方形压电陶瓷晶体片作为驱动器及传感器；
2、增加压电陶瓷晶体片的片数，如各用六片压电陶瓷晶体片作为驱动器及传感器；
3、在压电陶瓷晶体片上先涂上碳纳米管涂层，再涂含银环氧树脂，以增加粘接性。
本发明将压电陶瓷晶体粘贴在钢筋上，以钢筋作为波的传导体，增加了信号的强度，同时检测混凝土是否有裂缝及脱筋现象。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (6)
1.一种基于压电陶瓷晶体片的智能钢筋，包括钢筋、至少两个压电陶瓷晶体片，其中一部分对称布置的压电陶瓷晶体片作为信号的驱动器，另一部分剩余压电陶瓷晶体片作为输出传感器，其特征在于还包括含银环氧树脂，所述压电陶瓷晶体片沿钢筋长度方向对称布置并通过所述含银环氧树脂粘结固定于所述钢筋，在作为信号驱动器的压电陶瓷晶体片加瞬时超声波作为输入信号，在作为输出传感器的压电陶瓷晶体片上得到信号，根据信号大小判断驱动器和传感器之间区域的混凝土是否有裂缝或脱筋现象。
2.根据权利要求1所述的一种基于压电陶瓷晶体片的智能钢筋，其特征在于，所述压电陶瓷晶体片固定于所述钢筋表面上的凹槽内。
3.根据权利要求1所述的一种基于压电陶瓷晶体片的智能钢筋，其特征在于，所述压电陶瓷晶体片为圆片型或正方形。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于压电陶瓷晶体片的智能钢筋，其特征在于，所述压电陶瓷晶体片上先涂上碳纳米管涂层，再涂所述含银环氧树脂以增加粘接性。
5.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于压电陶瓷晶体片的智能钢筋，其特征在于，所述瞬时超声波是指正弦五波形窄频瞬时超声波，其中心频率为90千赫。
6.一种权利要求1所述的基于压电陶瓷晶体片的智能钢筋的制作方法，其特征在于，所述方法是沿钢筋长度方向对称布置多个压电陶瓷晶体片，其中：一部分对称布置的压电陶瓷晶体片作为信号的驱动器，剩余压电陶瓷晶体片作为传感器，在钢筋上对称位置处进行切割，将压电陶瓷晶体片由含银环氧树脂粘结固定在钢筋的切割面；压电陶瓷晶体片采用对称布置以使钢筋上只传播纵向P波。
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