CN104064669B - 一种传感器匹配层材料及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种传感器匹配层材料、其制备方法以及在传感器中的应用，该匹配层材料由质量比为1:2.5～4的水泥和氮化硅组成。该材料可以作为混凝土监/检测用的压电复合材料传感器的最佳匹配层，其声阻抗值在混凝土和传感元件之间，匹配性能好，能有效提高声波能量的透射效率，拓宽传感器的工作带宽，提高传感器的灵敏度。本发明匹配层材料采用压制成型法制备，这种方法操作简便，与浇注成型法相比，制备的匹配层具有较高的强度，较好的均匀性，抗渗能力强，孔隙率低，比浇注法得到的匹配层性能更好,且价格低廉。
Description
技术领域
本发明涉及一种传感器匹配层材料，具体涉及一种用于混凝土监/检测的传感器的匹配层材料、该材料的制备方法以及应用，属于传感器技术领域。
背景技术
近年来，随着混凝土结构广泛使用的同时，许多混凝土结构由于设计缺陷、施工质量不达标、自然灾害、化学侵蚀、应力疲劳等各方面的原因而产生损伤或开裂，性能发生退化，承受载荷能力和使用寿命大幅度下降，甚至倒塌，给人们生命和财产带来重大损失，因此，对混凝土结构进行在线健康监测尤为重要。目前,混凝土结构健康监测常用的一种传感器是压电传感器，其包括传感元件、匹配层、背衬层、封装层等多个组成部分，其中传感元件是传感器的核心，其性能的好坏直接影响着传感器的灵敏度、工作带宽等性能。但是传感元件不能单独使用，必须进行匹配或封装制备成传感器才能发挥其作用。
匹配层在压电传感器中有着不可或缺的作用，不仅起着保护传感元件（压电元件）的作用，而且合理的匹配层能够提高传感器的声阻抗匹配能力，提高传感器的灵敏度，同时还能够有效的拓宽传感器的工作带宽，增加传感器收发信息量，使传感器分辨率和工作适应能力得到改善。
压电传感器常用的传感元件为压电陶瓷、压电复合材料等，但不管是压电陶瓷还是压电复合材料，均与混凝土之间存在声阻抗不匹配的问题。目前匹配层的制备方法主要是浇注成型法，即将呈流动状态的匹配层材料浇注到模具中，固化形成。这种方法虽然操作简单，但是制备的匹配层致密度较低，声阻抗不易调节,不能有效提高声波能量的透射效率，因此研制一种声阻抗介于传感元件声阻抗与混凝土声阻抗之间的匹配层材料，解决传感器与混凝土之间的相容性对实现混凝土结构健康监测具有非常重要意义。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种能够作为匹配层的传感器匹配层材料，该匹配层材料作为压电复合材料的匹配层时能增强压电复合材料与混凝土的声阻抗匹配性，有效提高声波能量的透射效率、传感器的灵敏度，拓宽传感器的工作带宽。
本发明还提供了含有上述匹配层材料的压电传感器，该传感器灵敏度高，透射能量高，工作频带宽，工作能力高。
本发明还提供了上述匹配层材料和传感器的制备方法，该方法操作简便，制备的匹配层具有较高的强度，较好的均匀性，抗渗能力强，孔隙率低，与浇注法相比，本发明方法所得的传感器性能好。
发明人根据压电复合材料传感元件和混凝土的特性，选择氮化硅作为匹配层的原料，制成了性能良好的匹配层，解决了传感元件与混凝土匹配性不好，影响传感器性能的问题，具有技术方案如下：
一种传感器匹配层材料（也可简称为匹配层材料或匹配材料，下同），其特征是：由质量比为1:2.5～4的水泥和氮化硅组成。该材料可以作为传感器的匹配层，能解决压电传感元件与混凝土不匹配的问题。
上述匹配层材料中，所述水泥为普通硅酸盐水泥或硫铝酸盐水泥。
上述匹配层材料优选采用压制成型法压制成型，压制压力为30～50MPa。这样得到的匹配层致密、均匀，性能更好。
本发明匹配层材料的制备方法具体包括以下步骤：
（1）将水泥与氮化硅粉末按配比混合，过0.02mm的方孔筛，然后充分混合，再过筛2～3次；
（2）将步骤（1）混合好的物料加水造粒（加入物料3～5wt%的水），得到粒径为2.5～2.8mm的物料颗粒；
（3）将物料颗粒放入模具中，采用30～50MPa的压力压制成型；
（4）成型后脱模养护28天，即得匹配层材料。
本发明匹配层材料可以用作压电传感器的匹配层，所得压电传感器具有以下结构：
一种压电传感器，其特征是：包括传感元件、匹配层和封装层，所述传感元件为1-3型压电复合材料(包括水泥基压电复合材料、聚合物基压电复合材料)，传感元件的上、下表面均镀有电极，在传感元件的一个侧面的下部也镀有电极，位于侧面的电极与下表面的电极接触良好，与上表面的电极不接触；所述传感元件的上表面电极和侧面电极上均焊接有导线；所述匹配层与传感元件的下表面紧密连接，匹配层材质为本发明压制成型法压制成型的匹配层材料；所述封装层与传感元件的其他面紧密连接，封装层为质量比为1:1:1.5的环氧树脂、水泥和钨粉的混合物。
上述压电传感器中，传感元件的上表面为正极，下表面为负极。所述电极为银电极或镍电极。
上述压电传感器中，传感元件下表面电极通过电极引到侧面一端，并和上表面电极分割，导线分别焊接到上表面电极部分和侧面的电极部分，以保持传感元件的负极面平整、与匹配层紧密结合。
上述压电传感器中，所述匹配层和封装层的表面还覆有银屏蔽层或铜镍屏蔽层。
上述压电传感器中，匹配层与传感元件通过聚合物和水泥的混合物连接；封装层通过浇注法与传感元件连接。
上述压电传感器中，匹配层的厚度优选为2mm，位于传感元件上表面的封装层的厚度优选为7mm。
上述压电传感器中，封装层所用的水泥可以是普通硅酸盐水泥，也可以是有特殊性能的水泥，例如硫铝酸盐水泥，所用的环氧树脂优选为AB-灌浆树脂。
本发明压电传感器的制备方法，包括以下步骤：
（1）取尺寸为13mm×13mm×11mm的1-3型压电复合材料(包括水泥基压电复合材料、聚合物基压电复合材料)，以其为传感元件，在其上表面镀有电极，在其下表面也镀有电极并且将电极从下表面延伸到其一个侧面，保证侧面的电极与下表面的电极接触良好，而与上表面的电极不接触；另外，从上表面引出正极导线，从侧面引出负极导线；
（2）取匹配层材料，采用压制成型法压制成型，制备得匹配层尺寸为20mm×20mm×2mm；
（3）用聚合物与水泥的混合物将传感元件与匹配层牢固的粘结在一起，然后放在干燥箱中养护，使传感元件与匹配层紧密结合；
（4）按照1:1:1.5的质量比称取环氧树脂、水泥和钨粉，充分搅拌均匀，并对其进行抽真空处理，直到没有气泡冒出为止，然后加入固化剂，再次搅拌均匀，进行第二次抽真空处理；
（5）将固定匹配层后的传感元件平整的固定在20mm×20mm×20mm的模具内， 然后将步骤（4）的混合物浇注在模具内，固化，对传感元件的其他面进行封装，得到封装层；
（6）封装层固化后脱模，焊接BNC接头，并在脱模后的传感器表面均匀涂抹银或铜镍作为屏蔽层，得压电传感器。
上述步骤（3）中，聚合物与水泥的混合物为质量比为1:1的AB-灌浆树脂与水泥的混合物。
上述步骤（3）中，干燥温度为40℃，时间为2h。
上述步骤（4）中，背衬层在40℃下进行固化。
本发明提供了一种新的匹配层材料，该材料可以作为混凝土监/检测用的压电复合材料传感器的最佳匹配层，其声阻抗值在混凝土和传感元件之间，匹配性能好，能够明显地提高声波能量的透射效率、拓宽传感器的工作带宽，提高传感器的灵敏度。本发明匹配层材料采用压制成型法制成，这种方法操作简便，与浇注成型法相比，制备的匹配层具有较高的强度，较好的均匀性，抗渗能力强，孔隙率低，比浇注法得到的匹配层性能更好，且价格低廉。
本发明的压电传感器采用特殊的匹配层材料制成，可以使声能量在混凝土与传感元件之间高效的传输，解决了传感器元件与混凝土不匹配的问题，提高了传感器的灵敏度，使传感器的工作带宽明显拓宽，提高了传感器的工作能力。
附图说明
图1无匹配层的压电复合材料电导图；
图2 具有氮化硅匹配层的压电复合材料电导图；
图3 浇注法制备的匹配层的传感器信号响应图；
图4压制成型法制备的匹配层的传感器信号响应图；
图5为本发明压电传感器的结构示意图。
其中，1、传感元件，2、匹配层，3、封装层，4、侧面电极，5、导线。
具体实施方式
下面通过具体实施例进一步阐述本发明的技术方案和优点。
实施例1
匹配层材料的制备主要包括造粒、压制、脱模、养护等四个步骤，具体如下：
（1）成分的选则：匹配层材料的组分为硫铝酸盐水泥和氮化硅粉末，硫铝酸盐水泥：氮化硅的质量比为1:3；
（2）将硫铝酸盐水泥与氮化硅粉末按照1:3的重量比进行配合，然后过0.02mm的方孔筛进行过筛处理，之后充分混合，使氮化硅与水泥能够均匀分布，然后再过筛2～3次。
（3）将配合均匀的粉料进行造粒，喷洒适中的水（水的用量大约为粉料质量的3-4%），直到物料粒径在2.5～2.8mm之间。
（4）采用压制成型的方法压制样品，压制压力为40MPa，样品可以是其他形状，例如正方形或圆片形。
（5）压好后的样品放在标准养护室养护28天。
实施例2
按照实施例1的步骤制备匹配层材料，不同的是，匹配层材料的组成为：硫铝酸盐水泥：氮化硅的质量比为1:2。
实施例3
按照实施例1的步骤制备匹配层材料，不同的是，匹配层材料的组成为：硫铝酸盐水泥：氮化硅的质量比为1:4.5。
实施例4
按照实施例1的步骤制备匹配层材料，不同的是，匹配层材料的组成为：硫铝酸盐水泥：氮化硅的质量比为1:2.5。
实施例5
按照实施例1的步骤制备匹配层材料，不同的是，匹配层材料的组成为：硫铝酸盐水泥：氮化硅的质量比为1:4。
实施例6
按照实施例1的步骤制备匹配层材料，不同的是，匹配层材料的组成为：硫铝酸盐水泥：氮化硅的质量比为1:3.5。
实施例7
按照实施例1的步骤制备匹配层材料，不同的是，匹配层材料的组成为：普通硅酸盐水泥：氮化硅的质量比为1:3。压制压力为30MPa。
实施例8
按照实施例1的步骤制备匹配层材料，不同的是，匹配层材料的组成为：普通硅酸盐水泥：氮化硅的质量比为1:4。
实施例9
本发明压电传感器结构如图5所示，包括传感元件、匹配层、背衬层和银屏蔽层，所述传感元件为1-3型聚合物基压电复合材料，传感元件的上、下表面镀有镍电极或银电极，上表面是正极，下表面是负极，此外，传感元件的一个侧面的下部也镀有镍电极或银电极，侧面电极与下表面电极接触良好，与上表面的电极不接触，通过镍电极或银电极将负极引到侧面一端，并和上表面电极分割；在正极上连接有正极导线，在侧面电极上连接有负极导线，在传感元件的下表面上紧密连接有匹配层，所述匹配层由实施例1所述的匹配层材料制成，厚度2mm，匹配层与传感元件接触的表面涂有银电极，在传感元件的其他面上连接有封装层，所述封装层为质量比为1:1:1.5的AB-灌浆树脂、普通硅酸盐水泥和钨粉的混合物，匹配层和封装层实现了对传感元件的封装。其中位于传感元件上表面处的封装层同时起到背衬层的作用，该处封装层的厚度为7mm。
上述1-3型聚合物基压电复合材料片的制备方法可以采用专利201110134231.8中公开的1-3型聚合物/水泥基压电复合材料片的制备方法制得，与其不同的是，在压电陶瓷中浇注的是纯的环氧树脂，而不是水泥和环氧树脂的混合物。本领域技术人员可以根据该专利的方法制得本发明所需组成的1-3型聚合物基压电复合材料。在该实施例中，所用的聚合物基压电复合材料中，环氧树脂为AB-灌浆环氧树脂，压电陶瓷材质为PZT-51，压电陶瓷的体积分数为48％，压电陶瓷柱的截面积为1mm×1mm。
压电复合材料传感器其具体制备步骤如下：
（1）取上述1-3型压电复合材料为传感元件，其尺寸为13mm×13mm×11mm，d33为400 pc/N，压电复合材料的上表面为正极，下表面为负极，分别在压电复合材料的上下表面镀上镍电极或银电极，同时将下表面的镍电极或银电极延伸到侧面的下部，并和上表面的电极不接触；在上表面引出正极导线，在侧面引出负极导线，通过侧面电极和下表面电极的良好接触将负极导线引到侧面，以保持下表面的平整。
（2）取实施例1制备的匹配层材料，尺寸为20mm×20mm×2mm，作为匹配层。
（3）按照1:1的质量比称取AB-灌浆树脂和水泥，充分搅拌均匀，并对其进行抽真空处理，直至没有气泡冒出为止，之后再加入固化剂（固化剂：AB-灌浆树脂质量比1:4），再一次搅拌均匀，进行二次抽真空处理；将真空处理后的水泥和AB-灌浆树脂的混合物涂一层在传感元件的下表面，然后将匹配层贴在传感元件的下表面，挤压至无气泡，使传感元件与匹配层紧密结合，然后放在干燥箱中40℃养护2h。（水泥和AB-灌浆树脂的混合物的作用是使匹配层和传感元件牢固结合，涂抹量使两者之间紧密结合即可，不必太厚）
（4）将固定匹配层后的传感元件固定在20mm×20mm×20mm的模具内，使其平整的固定模具内。
（5）称取环氧树脂、水泥、钨粉（质量比1:1:1.5），充分搅拌均匀，并对其进行抽真空处理，直到没有气泡冒出为止，之后再加入固化剂（固化剂：环氧树脂质量比1:4），再一次搅拌均匀，进行二次抽真空处理。
（6）将真空处理后的混合物浇注在固定有传感元件的模具内，在40℃的环境下固化，对传感元件的其他面进行封装，得封装层。
（7）固化后脱模，焊接BNC接头，并在匹配层和封装层的表面均匀的涂抹银屏蔽层，得到压电复合材料传感器。
实施例10
按照实施例9的方法制成传感器，不同的是：所用传感元件为1-3型水泥基压电复合材料。
实施例11
按照实施例9的方法制成传感器，不同的是：所用的匹配层由实施例4制成的匹配层材料制成。
实施例12
按照实施例9的方法制成传感器，不同的是：所用的匹配层由实施例5制成的匹配层材料制成。
实施例13
按照实施例9的方法制成传感器，不同的是：所用的匹配层由实施例6制成的匹配层材料制成。
对比例1
采用浇注法制备压电复合材料传感器，具体制备步骤如下：
（1）取实施例9的1-3型压电复合材料为传感元件，分别在压电复合材料的上下表面镀上镍电极或银电极，同时在上、下表面引出正负极导线。
（2）按质量比1:1:3称取硫铝酸盐水泥、AB-灌浆树脂和氮化硅粉末，将它们混合均匀，并对其进行抽真空处理，直到没有气泡冒出为止，之后再加入固化剂（固化剂：环氧树脂质量比1:4），再一次搅拌均匀，进行二次抽真空处理。
（3）将上述混合物浇注于20mm×20mm×20mm的模具中，然后在未固化时放入传感元件，使传感元件的负极与匹配层紧密接触，在40℃下固化，匹配层的厚度为2mm。
（4）称取AB-灌浆树脂、普通硅酸盐水泥、钨粉（质量比1:1:1.5），充分搅拌均匀，并对其进行抽真空处理，直到没有气泡冒出为止，之后再加入固化剂（固化剂：环氧树脂质量比1:4），再一次搅拌均匀，进行二次抽真空处理。
（5）待匹配层固化后，将真空处理后的混合物浇注在固定有传感元件的模具内，在40℃的环境下固化，对传感元件的其他面进行封装，得封装层，其中位于压电复合材料正极面的封装层的厚度为7mm。
（6）固化后脱模，焊接BNC接头，并在匹配层和封装层的表面均匀的涂抹银或铜镍屏蔽层，得到压电复合材料传感器。
测试例
根据实验中测得的匹配层声速及密度，结合声阻抗计算公式，计算得实施例1-7的匹配层声阻抗如下表1所示。
基于匹配层声阻抗匹配的要求，匹配层介质的声阻抗取值应该在混凝土的声阻抗与压电复合材料的声阻抗之间。一般而言，混凝土的声阻抗在8～10MRayl之间，压电复合材料的声阻抗约为10～20MRayl，根据测得制备的匹配层的密度和声速，并结合声阻抗计算公式，计算得到理论的匹配层声阻抗应该在10.95～14.14MRayl之间。
通过上表数据可以看出，硫铝酸盐水泥：氮化硅的质量比在1:2.5～4范围内的匹配层材料的声阻抗满足理论需要的声阻抗值，这说明本发明压制成型制备的匹配层可以满足压电传感器与混凝土的匹配性要求。而实施例2和3的匹配层材料声阻抗均不满足匹配层的理论声阻抗值。
、传感元件工作带宽测试
分别测试实施例9中无匹配层的压电复合材料和固定匹配层后的压电复合材料的电导，无匹配层的压电复合材料的电导图如图1所示，固定匹配层后的压电复合材料的电导图如图2所示。
由图1、图2的电导图对比可以看出，在无匹配层时，传感元件的工作频带较窄，工作范围为100KHz～150 KHz，当传感元件粘结本发明氮化硅匹配层后，传感元件的电纳带宽得到了明显的改善，粘贴实施例1的匹配层的传感元件的带宽从无匹配层时的100KHz～150 KHz拓宽到50KHz～350 KHz，传感元件的工作带宽明显变宽；同时，粘结氮化硅匹配层后传感元件的中心频率向低频移动，约110 kHz左右，非常适合用于混凝土监/检测。
、传感器灵敏度测试
将实施例9匹配层用压制成型的方法制备的传感器和对比例1匹配层用浇铸法制备的传感器分别固定在同一混凝土梁上，并在传感器边缘进行断铅实验，实施例9的断铅信号响应图如图4所示，对比例1的断铅信号响应图如图3所示。
从图中可以看出，在进行断铅时，氮化硅为匹配层的传感器的信号响应幅值比用浇铸法制备的传感器信号响应幅值大，这说明氮化硅为匹配层的传感器比浇铸法制备的匹配层的传感器具有更高的灵敏度，更高的传输效率。通过对比可以发现，用压制成型的方法制备的匹配层可以使声能量在混凝土与传感元件之间高效的传输，解决了传感器元件与混凝土相容性差的问题，提高了传感器的灵敏度，使传感器的工作带宽明显拓宽，提高了传感器的工作能力。
Claims (10)
1.一种传感器匹配层材料，其特征是：由质量比为1:2.5～4的水泥和氮化硅组成。
2.根据权利要求1所述的传感器匹配层材料，其特征是：所述水泥为普通硅酸盐水泥或硫铝酸盐水泥。
3.根据权利要求1所述的传感器匹配层材料，其特征是：采用压制成型法压制成型，压制压力为30MPa～50MPa。
4.一种权利要求1-3中任一项所述的传感器匹配层材料的制备方法，其特征是包括以下步骤：
（1）将水泥与氮化硅粉末按配比混合，过0.02mm的方孔筛，然后充分混合，再过筛2～3次；
（2）将步骤（1）混合好的物料加水造粒，得到粒径为2.5～2.8mm的物料颗粒；
（3）将物料颗粒放入模具中，采用30MPa～50MPa的压力压制成型；
（4）将脱模后的样品养护28天，即得传感器匹配层材料。
5.一种压电传感器，其特征是：包括传感元件、匹配层和封装层，所述传感元件为1-3型压电复合材料，传感元件的上、下表面均镀有电极，在传感元件的一个侧面的下部也镀有电极，位于侧面的电极与下表面的电极接触良好，与上表面的电极不接触；所述传感元件的上表面电极和侧面电极上均焊接有导线；所述匹配层与传感元件的下表面紧密连接，匹配层由权利要求1所述的传感器匹配层材料经压制成型法压制成型；所述封装层与传感元件的其他面紧密连接，封装层为质量比为1:1:1.5的环氧树脂、水泥和钨粉的混合物。
6.根据权利要求5所述的压电传感器，其特征是：所述匹配层和封装层的表面覆有银屏蔽层或铜镍屏蔽层。
7.根据权利要求5所述的压电传感器，其特征是：匹配层与传感元件通过聚合物和水泥的混合物连接；封装层通过浇注法与传感元件连接。
8.根据权利要求5所述的压电传感器，其特征是：传感元件的上表面电极为正极，下表面电极为负极，所述电极为镍电极或银电极；匹配层的厚度为2mm，位于传感元件上表面的封装层的厚度为7mm。
9.一种压电传感器的制备方法，其特征是包括以下步骤：
（1）取尺寸为13mm×13mm×11mm的1-3型压电复合材料，以其作为传感元件，在其上表面镀有电极，在其下表面也镀有电极并且电极从下表面延伸到传感元件的一个侧面，保证侧面的电极与下表面的电极接触良好，与上表面的电极不接触；另外，从上表面引出正极导线，从侧面引出负极导线；
（2）取权利要求1的传感器匹配层材料，采用压制成型法压制成型， 制得的匹配层尺寸为20mm×20mm×2mm；
（3）用聚合物和水泥的混合物将传感元件的负极面与匹配层粘结在一起，然后放在干燥箱中养护，使传感元件与匹配层紧密牢固结合；
（4）按照1:1:1.5的质量比称取环氧树脂、水泥和钨粉，充分搅拌均匀，并对其进行抽真空处理，直到没有气泡冒出为止，然后加入固化剂，再次搅拌均匀，进行第二次抽真空处理；
（5）将固定匹配层后的传感元件平整的固定在20mm×20mm×20mm的模具内， 然后将步骤（4）的混合物浇注在模具内，固化，对传感元件的其他面进行封装，得到封装层；
（6）封装层固化后脱模，焊接BNC接头，并在脱模后的传感器表面均匀涂抹银或铜镍作为屏蔽层，得压电传感器。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征是：步骤（3）中，干燥温度为40℃，时间为2h；步骤（5）中，在40℃固化4h。
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