CN103895139B - 一种用于混凝土结构检/监测的超声换能器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于混凝土结构检/监测的超声换能器，包括压电元件和封装层，所述压电元件为圆管形，压电元件的内外表面上设有电极，其中内表面为正极，外表面为负极，正负极上分别焊接有导线，所述压电元件的外表面和内表面上均覆有封装层，压电元件的顶端和底端也覆有封装层，封装后的压电元件具有内部中空结构；所述封装层为水泥和聚合物的混合物。该换能器制备简单，具有结构简单、布阵方便、功率容量大、声辐射面积大、辐射效率高、频率低、径向辐射均匀和灵敏度高等特点，非常适合于对一些大型混凝土结构和一些基桩等进行检/监测，在混凝土检/监测中具有广阔的应用前景。

Description

一种用于混凝土结构检/监测的超声换能器

技术领域

本发明涉及一种超声换能器及其制备方法，具体涉及一种用于混凝土结构检/监测的、圆管状超声换能器及其制备方法，属于压电换能器技术领域。

背景技术

混凝土结构内部可能在其制备过程中出现不密实、裂缝及空洞状况，或在其服役过程中，由于外部环境、荷载等因素的影响会产生一些损伤，出现上述情况往往会引起一些事故的发生，危害人民的生命财产，因此，对混凝土结构进行实时的健康监测尤为重要。

超声波检测是无损检测中发展最快、应用最广泛的无损检测技术，也是在混凝土结构检测中最有效的无损检测方法之一。传统的混凝土结构健康监测技术多是自外而内的，大多采用外贴超声换能器对混凝土健康状态在某一时间下某一部位进行检测，获取的信息也只是片面的、局部的，难以实现混凝土结构连续的、在线的实时监测，另一方面，外贴式超声换能器与混凝土结构之间存在声耦合问题，如果选择耦合剂不当或耦合效果不好，往往在混凝土表面和传感器之间存在一些空气缝隙，由于混凝土与空气两者的声阻抗率相差很大，此时超声波的反射率几乎为 100％，这在一定程度上会大大减弱超声波的穿透能力，降低探测的距离和检测效率，因此，为了真实反映混凝土结构内部物理性能的变化和损伤状况，需要研制与混凝土相容性好的埋入式超声换能器。

近年来，埋入式水泥基传感器因与混凝土材料具有更好地相容性，且更有利于准确获得混凝土结构内部应力变化及损伤情况而备受关注。然而, 目前的水泥基传感器多以片状压电陶瓷或压电复合材料为元件，大多利用其厚度振动模，仅在一方向指向性较好，无法实现水平360°方向上辐射或接收声波，辐射面积小，尤其是对一些大型混凝土结构和一些基桩检/监测时，布阵复杂，更需要埋设多个传感器，这样费时、费力，因此，研制具有大功率、大辐射面积以及径向辐射等独特优点的水泥基埋入式超声换能器，对混凝土结构检/监测具有重要意义。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的不足，提供了一种用于混凝土检/监测的超声换能器，该换能器具有与混凝土相容性好、灵敏度高、辐射面积大、可实现水平360°方向上辐射、径向辐射均匀、电声转换效率高、布阵方便等优点，非常适合于一些大型混凝土结构和一些基桩检/监测。

本发明采用圆管形的压电材料为压电元件，克服片状压电元件辐射面积小、仅在一方向指向性较好，无法实现水平360°方向上辐射或接收声波的缺点。目前，对圆管形的换能器或传感器虽然报道的较多，但是用于混凝土检/监测领域的报道却很少，尤其是埋入混凝土内部的圆管形换能器的更少。在制备方面，圆管形压电元件由于曲率半径大，压电元件内表面和外表面所受的应力和张力不同，因此在进行匹配和封装时与片状压电元件相比更加困难和复杂，要得到合适的匹配层需要大量的实验研究和筛选。此外，在性能方面，还要求匹配材料和封装材料要具有绝缘、防水和耐腐蚀效果，便于埋入混凝土内部，而且它们的力学、声学和电学性能要与混凝土和传感元件具有好的相容性，这样才能确保换能器具有大的功率容量、高的辐射效率和灵敏度；另外，它们与压电元件的收缩率要有较好的匹配，防止从压电元件上开裂和剥离，保证换能器的使用寿命和性能。

由于本发明所用的传感元件为压电陶瓷圆管或压电复合材料圆管，所述压电复合材料圆管包括水泥基压电复合材料圆管或聚合物基压电复合材料圆管。传感元件曲率半径大，在进行封装时，若选用封装材料的收缩率过大，就会造成压电陶瓷圆管的外表面封装材料开裂，内表面水泥封装材料脱落，若选用封装材料的收缩率太小，不利于换能器性能的提高。鉴于此，本发明选取水泥和聚合物的混合物作为封装材料，一方面水泥是混凝土结构的基体材料之一，二者的相容性较好，同时的水泥加入可有效调整聚合物的收缩率；另一方面聚合物在固化过程中具有一定的收缩性，且绝缘和抗渗性较好。同时，在压电元件内外表面选择不同的封装材料，以水泥和收缩率较大的聚合物的混合物作为压电元件外表面（也可称为外层）封装材料，由于混合物在固化过程中伴随一定的收缩，可提供由外向内的径向预压应力，从而提高了此类径向复合压电换能器的功率密度。以水泥和收缩率较小的聚合物的混合物作为压电元件内表面（也可称为内层）封装材料，起到保护内电极的作用。

此外，本发明封装材料还同时起到匹配层和背衬层的作用，在压电元件外表面的封装层同时作为匹配层，在压电元件内表面的封装层和压电元件中间的空气层作为背衬层。由于封装材料本身性能、厚度及收缩时压应力对换能器的频率、机电耦合系数、带宽和灵敏度等性能都有很大影响， 因此在材料的选择、配方和工艺的优化、结构的设计等方面更需要系统研究与严格筛选，只有这样才能得到性能优异的产品。

本发明具体技术方案如下：

一种用于混凝土检/监测的超声换能器，其特征是：包括压电元件和封装层，所述压电元件为圆管形，压电元件的内外表面上设有电极，其中内表面为正极，外表面为负极，正负极上分别焊接有导线，所述压电元件的外表面和内表面上均覆有封装层，压电元件的顶端和底端也覆有封装层，封装后的压电元件具有内部中空结构；所述封装层为水泥和聚合物的混合物。

上述具有空心结构的超声换能器中，位于压电元件外表面的封装层作为换能器的匹配层。位于压电元件内表面的封装层和内部中空结构（空气阻尼）作为换能器的背衬层。

上述具有空心结构的超声换能器中，所述正极和负极的导线的焊接点在同一水平面上，并且这两个焊接点以圆管形压电元件的中心线为对称轴。

上述具有空心结构的超声换能器中，所述电极为银电极。

上述具有空心结构的超声换能器中，位于压电元件外表面的封装层为水泥、耐热型不饱和聚酯树脂、固化剂过氧化甲乙酮和促进剂环烷酸钴的混合物。水泥和耐热型不饱和聚酯树脂的质量比为1:0.8-1.2，优选1:1，过氧化甲乙酮的用量为耐热型不饱和聚酯树脂的2wt%，环烷酸钴的用量为耐热型不饱和聚酯树脂的2-4wt%。所用水泥为普通水泥即可，所述耐热型不饱和聚酯树脂选择体积收缩率为8%-10%的耐热型不饱和聚酯树脂。

水泥与聚酯树脂或环氧树脂的用量比关系到封装层与压电元件的结合强度，如果它们之间的比例不合适，所得的封装层很容易从压电元件上脱落或者出现裂纹，与压电元件结合力弱。促进剂和环氧活性稀释剂的用量关系到模具的脱模难易程度，如果不加或者加入的量不合适，模具将很难与封装层脱离，即使脱离封装层表面也会破损、凹凸不平，无法使用。因此为了得到性能好的换能器，还需要选择合适的封装层材质。

上述具有空心结构的超声换能器中，位于压电元件内表面、顶端和底端的封装层均为水泥、环氧树脂、固化剂T-31和环氧活性稀释剂的混合物。水泥和环氧树脂的质量比为1:0.8-1.2，优选1:1，T-31的用量为环氧树脂的20-30wt%，环氧活性稀释剂的用量为环氧树脂的8-12wt%。所用水泥为普通水泥即可，所用环氧树脂优选为牌号为E-51或者E-44的环氧树脂。

上述具有空心结构的超声换能器中，位于压电元件外表面的封装层的厚度一般为2-6cm，优选为3mm。位于压电元件内表面的封装层的厚度一般为2-6cm，优选为3mm。位于压电元件顶端和低端的封装层的厚度一般为2-4mm，优选为2mm。

上述具有空心结构的超声换能器中，所述压电元件为压电陶瓷圆管或压电复合材料圆管，例如PZT-4 型压电陶瓷圆管、PZT-5 型压电陶瓷圆管、或者它们的水泥基、聚合物基压电复合材料材料圆管。

上述超声换能器的制备方法，包括以下步骤：

（1）取压电元件，其内外表面分别为正负电极，在压电元件的内外表面上分别焊接引出导线，两焊接点以压电元件的中心线为对称轴；

（2）压电元件底端的封装：首先将环氧树脂、固化剂和环氧活性稀释剂按比例充分混合均匀，然后加入水泥再进行混合，并进行抽真空处理，将其混合物密封于压电陶瓷管的底端；

（3）在底端封装的压电元件的外部和内部分别固定圆管形模具，保证模具与压电元件具有相同的中心线，且压电元件外表面与模具的距离为2-6mm（优选3mm），压电元件内表面与模具的距离为2-6mm（优选3mm）；

（4）将耐热型不饱和聚酯树脂、固化剂和促进剂按比例充分混合均匀，然后加入水泥再进行混合，并进行抽真空处理，将混合物浇注于压电元件的外表面处，并进行抽真空处理；

（5）将环氧树脂、固化剂和环氧活性稀释剂按比例充分混合均匀，然后加入水泥再进行混合，并进行抽真空处理，将其混合物浇注于压电元件的内表面处，并进行抽真空处理，固化1天后脱模；

（6）压电元件顶端的封装：将环氧树脂、固化剂和环氧活性稀释剂按比例充分混合均匀，然后加入水泥再进行混合，并进行抽真空处理，用该混合物密封压电陶瓷管的顶端，封装后压电元件内部中空，固化后即得超声换能器。

上述制备方法中，所述模具材质可以为钢、塑料或水泥，为了便于脱模，在模具壁上涂抹硅油或石蜡，以便于脱模。

制备过程中，根据所用压电陶瓷管的内外径的大小，自制直径不同的圆柱形钢管或塑料管或水泥管模具，为了便于脱模首先在模具壁上涂上硅油或石蜡，然后将压电陶瓷管放入模具中,并确保压电陶瓷圆管的外表面四周与模具内壁的距离一致，在2~6mm之间，压电陶瓷圆管的内表面四周与模具外壁的距离一致在2~6mm之间。

本发明提供了一种水泥基径向压电超声换能器，该换能器由压电陶瓷圆管或压电复合材料圆管为压电元件，以水泥基材料为封装材料，换能器四周封闭，内部为中空结构。该类换能器利用其元件的径向振动向外辐射超声波，具有结构简单，布阵方便，功率容量大、声辐射面积大、辐射效率高，频率低，径向辐射均匀和灵敏度高等特点，非常适合于对一些大型混凝土结构和一些基桩检/监测，因此，该径向复合超声换能器在混凝土检/监测中具有广阔的应用前景。

本发明的制备方法简单易行，通过使用与圆管形压电元件相匹配的模具，可以方便快捷地制备出所需的换能器，且重复性好，产品性能优异。

附图说明

图1为本发明超声换能器的结构示意图，其中，1、外表面封装层；2、压电元件；3、内表面封装层；4、顶端封装层；5、底端封装层；6、中空结构；7、导线。

图2为实心结构的超声换能器的结构示意图，其中，1、外表面封装层；2、压电元件；3、内表面封装层；4、顶端封装层；5、底端封装层； 7、导线。

图3为实施例2所测得的超声换能器阻抗谱图。

图4为实施例3所测得的超声换能器阻抗谱图。

图5为实施例4所测得的超声换能器阻抗谱图。

图6为实施例6所测得的超声换能器阻抗谱图。

图7为超声换能器在立方混凝土块中的分布图。

图8为混凝土正面接收的实施例2换能器的波形图。

图9为混凝土右面接收的实施例2换能器的波形图。

图10为混凝土背面接收的实施例2换能器的波形图。

图11为混凝土左面接收的实施例2换能器的波形图。

图12为混凝土上面接收的实施例2换能器的波形图。

图13为混凝土底面接收的实施例2换能器的波形图。

图14为混凝土正面接收的实施例3换能器的波形图。

图15为混凝土正面接收的实施例4换能器的波形图。

图16为混凝土正面接收的实施例6换能器的波形图。

图17为混凝土上面接收的实施例6换能器的波形图。

图18为实施例9所测得的超声换能器阻抗谱图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明进行进一步说明，下述说明仅是为了解释本发明的优点和技术方案，并不对其内容进行限定。

实施例1

本发明超声换能器的结构示意图如图1所示，包括压电元件2和封装层，所述压电元件为圆管形，压电元件的内外表面上设有银电极，其中内表面为正极，外表面为负极，正负极上分别焊接有导线7，正极和负极的导线的焊接点在同一水平面上，并且这两个焊接点呈中心对称，以圆管形压电元件的中心线为对称轴。在压电元件的内、外表面，以及顶端和底端都覆有封装层，其中，位于压电元件外表面的为外表面封装层1，其除了起到封装的作用，还作为换能器的匹配层。位于压电元件内表面的为内表面封装层3，其不仅起保护电极的作用，而且还作为换能器的背衬层。位于压电元件顶端的为顶端封装层4，位于底端的为底端封装层5。在压电元件的内、外表面、底端 、顶端均覆上封装层后，压电元件的中间部位形成中空结构6，该部位以空气作为阻尼，与内表面封装层3共同作为背衬层。

本发明换能器不同部位的封装层所用的组分不同，其中外表面封装层所用材料为：水泥、耐热型不饱和聚酯树脂、固化剂过氧化甲乙酮和促进剂环烷酸钴四种成分的混合物，其中水泥与耐热型不饱和聚酯树脂的质量比为1:0.8-1.2，优选1:1，过氧化甲乙酮用量为耐热型不饱和聚酯树脂的2wt%，环烷酸钴的用量为耐热型不饱和聚酯树脂的2-4wt%。所用水泥为普通硅酸盐水泥即可，所用耐热型不饱和聚酯树脂选择体积收缩率为8%-10%之间的聚酯树脂，例如牌号197或者199的聚酯树脂。

此外，内表面封装层、顶端封装层和底端封装层所用材料相同，为水泥、环氧树脂、环氧活性稀释剂和固化剂T-31四种成分的混合物，其中水泥和环氧树脂的质量比为1:0.8-1.2，优选1:1，环氧活性稀释剂用量为环氧树脂的8-12wt%，固化剂T-31的用量为环氧树脂的20-30wt%。所用水泥为普通硅酸盐水泥即可，所用环氧树脂可以为牌号E-51或者E-44的环氧树脂。

本发明换能器，位于压电元件内、外表面的封装层起着背衬层和匹配层的作用，对换能器性能有重大影响。经实验验证，外表面封装层的厚度可为2-6mm，在3mm时最佳；内表面封装层的厚度可为2-6mm，在3mm时最佳；位于压电元件顶端和低端的封装层的厚度为2-4mm时较好。

本发明换能器，所用压电元件可以为压电陶瓷圆管或压电复合材料圆管。

实施例2

制备具有本发明结构的、适于埋入混凝土的径向复合超声换能器，换能器结构如实施例1，压电元件为内外壁烧银的PZT-4 型压电陶瓷圆管，外表面封装层材料为质量比1:1:0.02:0.02的普通硅酸盐42.5R水泥、197耐热不饱和聚酯树脂（简称聚酯树脂，下同）、过氧化甲已酮和环烷酸钴的混合物，内表面、顶端和底端的封装层材料为质量比1:1:0.25:0.1的普通硅酸盐42.5R水泥、E51 型环氧树脂、T-31和环氧活性稀释剂678。内表面封装层厚度为3mm，外表面封装层厚度3mm，顶端和底端封装层厚度为2mm。

采用浇注工艺制备，制备过程如下：

 (1) 取内外壁烧银的PZT-4型压电陶瓷圆管，内径为14.00mm,外径为18.00mm,高为17.00mm; 其中，压电陶瓷圆管的内表面电极为正极，外表面电极为负极。

(2)将屏蔽导线分别焊接到压电陶瓷圆管内表面的正电极部分和压电陶瓷圆环原有的外表面负电极部分，尽量使正负电极的焊接点在同一水平面上，并且正负电极的焊点是关于中心线对称的。

(3)采用自制的塑料成型膜具，其中用于陶瓷圆管外部封装的塑料管内径为21mm, 用于陶瓷圆管内部封装的塑料管的外径为11mm，塑料管壁厚度均为3mm，为了便于脱模首先在模具壁上涂上硅油或石蜡，首先将环氧树脂、固化剂和活性稀释剂按比例充分混合均匀，然后加入水泥再进行混合，并进行抽真空处理，采用该混合物密封压电陶瓷圆管的底端，混合物在压电陶瓷圆管底端的厚度约为2mm，然后将底端密封好的压电陶瓷圆管固定在模具中，并固定模具确保陶瓷圆管外壁的四周与模具内壁的距离一致，压电陶瓷圆管的内表面距离模具3mm，压电陶瓷圆管的外表面距离模具3mm。

（4）选择收缩率较大的聚酯树脂和普通硅酸盐水泥的混合物作为外表面封装材料，首先将聚酯树脂、水泥和促进剂环烷酸钴按比例（1：1：0.02）充分混合均匀，然后称取固化剂过氧化甲乙酮（聚酯树脂：固化剂过氧化甲乙酮为1:0.02）， 加入混合物中再进行混合，并进行抽真空处理，然后将混合物浇注于压电元件的外表面处，再进行抽真空处理；

（5）选择收缩率较小的环氧树脂和普通硅酸盐水泥的混合物作为内表面封装材料，首先将环氧树脂、水泥和环氧活性稀释剂678按比例（1：1：0.1）充分混合均匀，然后称取固化剂T-31（环氧树脂：固化剂的质量比为1:0.25）， 加入混合物中再进行混合，并进行抽真空处理，然后将混合物浇注于压电元件的内表面处，再进行抽真空处理，固化1天后脱模；

（6）再用与（5）中相同组分的混合物将压电陶瓷圆管的另一端封闭，厚度2mm左右即可，待固化后即可制备水泥基径向复合管压电超声换能器，制备好的超声换能器具有内部中空结构，以空气作为阻尼，结构示意图如图1所示。

上述超声换能器制备过程中，各封装层脱模简单、脱模过程中封装层无损坏，所制得的封装层结构紧密。将外表面封装层上焊接上导线，然后将换能器固定，用拉伸试验机从垂直方向拉伸导线，使其剥离封装层，导线剥离后封装层仍然与压电元件紧密结合，无脱落。由此可以看出，本实施例的产品易于制备，成功率高，所得产品强度高，与压电元件结合力强，不易脱落。

本发明径向复合超声换能器在40Hz-200KHz的的阻抗谱图如图3所示，由图可知，该换能器的工作频率为65KHz。通常超声波在混凝土中传播时，能量衰减很大，其中频率高的部分衰减更快，且随着频率增加呈指数衰减，适用的混凝土超声检测的工作频率很低，一般在20～250KHz。因此，本发明径向复合超声换能器非常适合于混凝土结构的无损检/监测。

实施例3

制备具有本发明结构的、适于埋入混凝土的径向超声换能器，换能器结构如实施例1，压电元件为PZT-5型压电陶瓷圆管，PZT-5型压电陶瓷圆管的内径为17.00mm,外径为20.00mm,高为20.00mm。外表面封装层材料为质量比1:1:0.02:0.02的普通硅酸盐42.5R水泥、197耐热不饱和聚酯树脂（简称聚酯树脂，下同）、过氧化甲已酮和环烷酸钴的混合物，内表面、顶端和底端的封装层材料为质量比1:1:0.25:0.1的普通硅酸盐42.5R水泥、E51 型环氧树脂、T-31和环氧活性稀释剂678。内表面封装层厚度为3mm，外表面封装层厚度3mm，顶端和底端封装层厚度为2mm。制备方法参照实施例2。

上述超声换能器制备过程中，各封装层脱模简单、脱模过程中封装层无损坏，所制得的封装层结构紧密。将外表面封装层上焊接上导线，然后将换能器固定，用拉伸试验机从垂直方向拉伸导线，使其剥离封装层，导线剥离后封装层仍然与压电元件紧密结合，无脱落。由此可以看出，本实施例的产品易于制备，成功率高，所得产品强度高，与压电元件结合力强，不易脱落。

本发明径向复合超声换能器在40Hz-200kHz的阻抗谱图如图4所示，由图可知，该换能器的工作频率为47KHz。通常适用的混凝土超声检测的工作频率很低，一般在20～250KHz，因此， 本发明径向复合超声换能器非常适合于混凝土结构的无损检/监测。因此，本发明径向复合超声换能器非常适合于混凝土结构的无损检/监测。

实施例4

制备具有本发明结构的、适于埋入混凝土的径向复合超声换能器，换能器结构如实施例1，压电元件为PZT-5型压电陶瓷圆管，PZT-5型压电陶瓷圆管的内径为30.00mm,外径为34.00mm,高为20.00mm。外表面封装层材料为质量比1:1:0.02:0.02的普通硅酸盐42.5R水泥、197耐热不饱和聚酯树脂（简称聚酯树脂，下同）、过氧化甲已酮和环烷酸钴的混合物，内表面、顶端和底端的封装层材料为质量比1:1:0.25:0.1的普通硅酸盐42.5R水泥、E51 型环氧树脂、T-31和环氧活性稀释剂678。内预应力塑料管外径为27mm，外预应力塑料管内径为37mm。内表面封装层厚度为3mm，外表面封装层厚度3mm，顶端和底端封装层厚度为2mm。制备方法参照实施例2。

上述超声换能器制备过程中，各封装层脱模简单、脱模过程中封装层无损坏，所制得的封装层结构紧密。将外表面封装层上焊接上导线，然后将换能器固定，用拉伸试验机从垂直方向拉伸导线，使其剥离封装层，导线剥离后封装层仍然与压电元件紧密结合，无脱落。由此可以看出，本实施例的产品易于制备，成功率高，所得产品强度高，与压电元件结合力强，不易脱落。

本发明径向复合超声换能器在40Hz-200kHz的阻抗谱图如图5所示, 由图可知，该换能器的工作频率为26KHz，通常适用的混凝土超声检测的工作频率很低，一般在20～250KHz，因此， 本发明径向复合超声换能器非常适合于混凝土结构的无损检/监测。

实施例5

制备具有本发明结构的、适于埋入混凝土的径向复合超声换能器，换能器结构如实施例1，压电元件为PZT-4 型压电陶瓷圆管，PZT-4型压电陶瓷圆管的内径为14.00mm,外径为18.00mm,高为17.00mm。外表面封装层材料为质量比2:1:1:0.08的普通硅酸盐42.5R水泥、197耐热不饱和聚酯树脂（简称聚酯树脂，下同）、过氧化甲已酮和环烷酸钴的混合物，内表面、顶端和底端的封装层材料为质量比1:3:1.2:0.1的普通硅酸盐42.5R水泥、E51 型环氧树脂、T-31和环氧活性稀释剂678。内预应力塑料管外径为11mm，外预应力塑料管内径为21mm。内表面封装层厚度为3mm，外表面封装层厚度3mm，顶端和底端封装层厚度为2mm。制备方法参照实施例2。

上述超声换能器制备过程中，各封装层很难与模具脱离，脱模困难，为了尽量减少封装层的损坏，采用将模具破坏的方法除去模具，得到的封装层表面仍然有缺陷，不平整，有凹坑，此外内表面封装层和外表面封装层上有2-3处裂纹。将外表面封装层上焊接上导线，然后将换能器固定，用拉伸试验机从垂直方向拉伸导线，使其剥离封装层，随着导线的剥离，导线焊接部位的封装层也有脱落现象发生。由此可以看出，在改变了封装层的材料用量配比后，所得封装层的强度、与压电元件的结合强度都大大降低，且制备难度也增加，难以制成满足要求的产品。

实施例6

制备实心结构的径向复合超声换能器，换能器其他结构如实施例2，不同的是：本实施例换能器为实心，不具有空心结构，压电陶瓷圆管内无空气阻尼，全部填充内表面封装材料，其结构如图2所示。所用压电元件为PZT-4型压电陶瓷圆管，外表面封装层材料为质量比1:1:0.02:0.02的普通硅酸盐42.5R水泥、197耐热不饱和聚酯树脂（简称聚酯树脂，下同）、过氧化甲已酮和环烷酸钴的混合物，内表面、顶端和底端的封装层材料为质量比1:1:0.25:0.1的普通硅酸盐42.5R水泥、E51 型环氧树脂、T-31和环氧活性稀释剂678。外表面封装层厚度3mm，顶端和底端封装层厚度为2mm。

制备方法参照实施例2，不同的是，采用下述方法浇注内表面封装层：撤去位于压电陶瓷圆管内的模具，选择收缩率较小的环氧树脂和普通硅酸盐水泥的混合物作为内表面封装材料，首先将环氧树脂、水泥和环氧活性稀释剂678按比例（1：1：0.1）充分混合均匀，然后称取固化剂T-31（固化剂T-31：水泥的质量比为0.25:1）， 加入混合物中再进行混合，并进行抽真空处理，然后将混合物浇注于压电陶瓷圆管中，将圆管填充为实心，再进行抽真空处理，固化1天后脱模。

上述超声换能器制备过程中脱模简单、脱模过程中封装层无损坏，成功率高，所得产品强度高，与压电元件结合力强，不易脱落。

该实心结构的径向复合超声换能器在40Hz-200kHz的阻抗谱图如图6所示, 由图可知，在0-200KHz的频率范围内只出现了一个弱小的谐振峰，与实施例2空心结构的径向复合超声换能器相比，其谐振峰的强度要弱的多。

实施例7

按照实施例2的方法制备具有空心结构的径向复合超声换能器，不同的是：所用聚酯树脂为牌号为22的不饱和聚酯树脂，所用环氧树脂为EL-50环氧树脂，环氧树脂所用的固化剂为二乙烯三胺固化剂。

环氧树脂和聚酯树脂变换后，超声换能器制备过程中模具脱离较简单，但是模具脱离的过程中有部分封装层直接与压电元件脱离，剩余的封装层有多处裂纹，封装无法实现。

实施例8

按照实施例2的方法制备具有空心结构的径向复合超声换能器，不同的是：所用聚酯树脂为199耐热不饱和聚酯树脂，所用环氧树脂为E-44型环氧树脂。

上述超声换能器制备过程中，各封装层脱模简单、脱模过程中封装层无损坏，所制得的封装层结构紧密。将外表面封装层上焊接上导线，然后将换能器固定，用拉伸试验机从垂直方向拉伸导线，使其剥离封装层，导线剥离后封装层仍然与压电元件紧密结合，无脱落。由此可以看出，本实施例的产品易于制备，成功率高，所得产品强度高，与压电元件结合力强，不易脱落。

此外，该换能器的性能与实施例2的换能器相近。

实施例9

制备具有本发明结构的、适于埋入混凝土的径向复合超声换能器，换能器结构如实施例1，压电元件为PZT-4 型压电陶瓷圆管，PZT-4 型压电陶瓷圆管内径为14.00mm,外径为18.00mm,高为17.00mm。外表面封装层材料为质量比1:1:0.02:0.02的普通硅酸盐42.5R水泥、197耐热不饱和聚酯树脂（简称聚酯树脂，下同）、过氧化甲已酮和环烷酸钴的混合物，内表面、顶端和底端的封装层材料为质量比1:1:0.25:0.1的普通硅酸盐42.5R水泥、E51 型环氧树脂、T-31和环氧活性稀释剂678。内表面封装层厚度为3mm，外表面封装层厚度7mm，顶端和底端封装层厚度为2mm。制备方法参照实施例2。

本发明的径向复合超声换能器在40Hz-200kHz的阻抗谱图如图18所示, 由图可知，在频率65 kH处的谐振峰非常弱小，与实施例2空心结构的径向复合超声换能器相比，其谐振峰的强度要弱的多，其发射信号的能力比实施例2的换能器要差的多。

上述超声换能器制备过程中，各封装层脱模简单、脱模过程中封装层无损坏，所制得的封装层结构紧密。将外表面封装层上焊接上导线，然后将换能器固定，用拉伸试验机从垂直方向拉伸导线，使其剥离封装层，导线剥离后封装层仍然与压电元件紧密结合，无脱落。由此可以看出，本实施例的产品易于制备，成功率高，所得产品强度高，与压电元件结合力强，不易脱落。

实施例10

为研究本发明径向复合超声换能器的应用效果，将其埋入混凝土块中进行声检测实验。首先，将本发明实施例2制备的空心的或实心的径向复合超声换能器固定在成型混凝土块模具的体心位置；按照C30混凝土配合比称取石子、沙子、水泥和水，混合搅拌均匀后浇注于模具中，标准养护24h后脱模，制备的混凝土块的尺寸为长度×宽度×高度=150mm×150mm×150mm，其强度等级为C30。示意图如图7所示。其中引出导线的一面标记为上面，与其相对的一面标记为底面，其它四个面按照逆时针方向分别标记为正面、右面、背面和左面。对埋置在混凝土内部的超声换能器采用脉冲信号激励，使用同一换能器分别在混凝土的六个面进行波形采集，通过示波器采集到的波形如图8-13所示。由图可以看出：该换能器可实现水平360°方向上辐射，径向辐射均匀，且沿半径方向信号传输的效率基本一致，且强度大、灵敏度高，且均优于混凝土上面和底面方向的信号强度和灵敏度。

采用上述相同的方法测试实施例3和4的换能器埋入混凝土中所发射的波形图，所得波形图与实施例2表现出相同的规律：沿半径方向四个面接收的信号的强度基本相同，且均比混凝土上面或底面接收的波的强度高。图14、15为实施例3和4混凝土正面接收的波形图。由图可以看出，实施例3和4换能器发出的信号强度远低于实施例2的换能器的，这说明PZT-4 型压电陶瓷圆管比PZT-5 型压电陶瓷圆管更适合于制备发射型超声换能器。

采用上述相同的方法测试实施例6的换能器埋入混凝土中后所发射的波形图，所得波形图与实施例2表现出相同的规律：沿半径方向的四个面接收的信号的波的强度基本相同，且均比混凝土上面或底面接收的波的强度强。图16、17为实施例6混凝土正面和上面接收的波形图，从图可以看出，实施例6换能器发出的信号强度远不及实施例2的换能器的信号强度，且其波形余振较长，其灵敏度等性能均低于本发明空心结构换能器的。

Claims (11)

1.一种用于混凝土结构检/监测的超声换能器，其特征是：包括压电元件和封装层，所述压电元件为圆管形，压电元件的内外表面上设有电极，其中内表面为正极，外表面为负极，正负极上分别焊接有导线，所述压电元件的外表面和内表面上均覆有封装层，压电元件的顶端和底端也覆有封装层，封装后的压电元件具有内部中空结构；位于压电元件外表面的封装层为水泥、耐热型不饱和聚酯树脂、固化剂过氧化甲乙酮和促进剂环烷酸钴的混合物；位于压电元件内表面、顶端和底端的封装层均为水泥、环氧树脂、固化剂T-31和环氧活性稀释剂的混合物。

2.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征是：位于压电元件外表面的封装层作为换能器的匹配层，位于压电元件内表面的封装层和内部中空结构作为换能器的背衬层。

3.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征是：所述正极和负极的导线的焊接点在同一水平面上，并且这两个焊接点以圆管形压电元件的中心线为对称轴。

4.根据权利要求1、2或3所述的超声换能器，其特征是：所述电极为银电极。

5.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征是：压电元件外表面的封装层中，水泥和耐热型不饱和聚酯树脂的质量比为1:0.8-1.2，过氧化甲乙酮的用量为耐热型不饱和聚酯树脂的2wt%，环烷酸钴的用量为耐热型不饱和聚酯树脂的2-4wt%；压电元件内表面、顶端和底端的封装层中，水泥和环氧树脂的质量比为1:0.8-1.2， T-31的用量为环氧树脂的20-30wt%，环氧活性稀释剂的用量为环氧树脂的8-12wt%。

6.根据权利要求5所述的超声换能器，其特征是：压电元件外表面的封装层中，水泥和耐热型不饱和聚酯树脂的质量比为1:1；压电元件内表面、顶端和底端的封装层中，水泥和环氧树脂的质量比为1:1。

7.根据权利要求1、2、3、5或6所述的超声换能器，其特征是：位于压电元件外表面的封装层的厚度为2-6mm；位于压电元件内表面的封装层的厚度为2-6mm；位于压电元件顶端和低端的封装层的厚度为2-4mm。

8.根据权利要求7所述的超声换能器，其特征是：位于压电元件外表面的封装层的厚度为3mm；位于压电元件内表面的封装层的厚度为3mm。

9.根据权利要求1、2、3、5或6所述的超声换能器，其特征是：所述压电元件为压电陶瓷圆管或压电复合材料圆管，所述压电复合材料圆管包括水泥基压电复合材料圆管或聚合物基压电复合材料圆管。

10.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征是：采用以下方法制得：

（1）取压电元件，其内外表面分别为正负电极，在压电元件的内外表面上分别焊接引出导线，两焊接点以压电元件的中心线为对称轴；

（2）压电元件底端的封装：首先将环氧树脂、固化剂和环氧活性稀释剂按比例充分混合均匀，然后加入水泥再进行混合，并进行抽真空处理，将其混合物密封于压电元件的底端；

（3）在底端封装的压电元件的外部和内部分别固定圆管形模具，保证模具与压电元件具有相同的中心线，且压电元件外表面与模具的距离为2-6mm，压电元件内表面与模具的距离为2-6mm；

（4）将耐热型不饱和聚酯树脂、固化剂和促进剂按比例充分混合均匀，然后加入水泥再进行混合，并进行抽真空处理，将混合物浇注于压电元件的外表面处，并进行抽真空处理；

（5）将环氧树脂、固化剂和环氧活性稀释剂按比例充分混合均匀，然后加入水泥再进行混合，并进行抽真空处理，将其混合物浇注于压电元件的内表面处，并进行抽真空处理，固化1天后脱模；

（6）压电元件顶端的封装：将环氧树脂、固化剂和环氧活性稀释剂按比例充分混合均匀，然后加入水泥再进行混合，并进行抽真空处理，用该混合物密封压电元件的顶端，封装后压电元件内部中空，固化后即得超声换能器。

11.根据权利要求10所述的超声换能器，其特征是：所述模具材质为钢、塑料或水泥，在模具壁上涂抹有硅油或石蜡，以便于脱模。