CN105181808B

CN105181808B - 一种前放集成声发射传感器的制备方法

Info

Publication number: CN105181808B
Application number: CN201510651185.7A
Authority: CN
Inventors: 黄世峰; 徐跃胜; 徐东宇; 王蕾; 秦磊; 程新
Original assignee: University of Jinan
Current assignee: University of Jinan
Priority date: 2015-10-10
Filing date: 2015-10-10
Publication date: 2017-03-29
Anticipated expiration: 2035-10-10
Also published as: CN105181808A

Abstract

本发明公开一种前放集成声发射传感器，包括前置电荷放大器、梯度材料封装层、水泥基压电传感器和集成封装层。本发明还公开了该传感器的制备方法。本发明传感器将前置电荷放大器与水泥基压电传感器集成，通过梯度材料对前置电荷放大电路进行封装，解决了电荷放大电路对传感元件的电磁干扰以及电磁对电荷放大器的干扰；通过屏蔽以及接地处理，提高了传感器的抗干扰能力，提高了传感器的灵敏度，以及信噪比。本发明传感器解决了导线接头引起的接触不良或生锈等问题，减少了导线传输造成的信号的衰减以及传输干扰，确保了信号的真实性；同时在实际的工程应用中，避免了由于前置电荷放大器安装存在的安全隐患，大大提高了传感器使用寿命。

Description

一种前放集成声发射传感器的制备方法

技术领域

本发明属于传感技术领域，涉及一种声发射传感器，具体涉及一种前放集成声发射传感器及其制备方法。

背景技术

土木工程领域的众多混凝土结构一旦建成投入使用，其服役年限长达数十年甚至上百年，例如桥梁、大坝、高层建筑等，而这些混凝土结构一旦出现损伤破坏，其后果不堪设想，因此对混凝土结构进行实时在线健康监测以及寿命评估得到了人们的广泛关注，而水泥基压电传感器在混凝土结构健康监测中得到了广泛的应用，在传感器长期服役过程中，其与前置电荷放大器之间一般都是通过同轴屏蔽导线以及BNC接头相互连接，这种方法虽然可以使采集到的信号得到放大并且传输，但是随着监测时间的不断延长，前置电荷放大器与BNC接头的连接处会出现接触不佳或生锈现象，同时同轴屏蔽导线也会出现老化等现象导致信号不能正常传输，尤其对一些服役在高温、高压、潮湿等特殊环境的传感器，同轴屏蔽导线的使用寿命一般不能满足其服役时间，导致传感器的使用寿命达不到预期的使用年限。对于高铁桥梁、高层建筑物、大体积混凝土等特殊环境下的混凝土结构，由于其特殊性导致前置电荷放大器与传感器的距离较远，引起信号衰减过大，影响监测结果的准确性。

发明内容

本发明针对上述不足，提供了一种声发射传感器，将前置电荷放大器与水泥基压电传感器进行了集成，本发明中简称前放集成声发射传感器，具有抗干扰能力强、灵敏度及信噪比高等优点，并且解决了导线接头引起的接触不良或生锈等问题。

同时，本发明还提供了该前放集成声发射传感器的制备方法，该方法步骤简单，易于操作。

为了实现上述发明目的，本发明具体技术方案如下：

一种前放集成声发射传感器，其特征在于：包括前置电荷放大器、梯度材料封装层、水泥基压电传感器和集成封装层，所述前置电荷放大器由梯度材料封装层封装；所述梯度材料封装层由内至外依次包括第一、二、三梯度材料封装层；所述前置电荷放大器的输入端和输出端分别连接有输入和输出导线，前置电荷放大器置于水泥基压电传感器的一端，水泥基压电传感器的正负极与前置电荷放大器输入端正负极通过导线相连接；所述前置电荷放大器和水泥基压电传感器外面表面包覆通过整体浇注形成的集成封装层。

所述的第一梯度材料封装层材料为环氧树脂和普通硅酸盐水泥；

所述的第二梯度材料封装层材料为环氧树脂、普通硅酸盐水泥和碳纳米管；

所述的第三梯度材料封装层材料为环氧树脂、普通硅酸盐水泥、分散剂、碳纳米管和铁氧体；

所述的集成封装层材料为环氧树脂、普通硅酸盐水泥和钨粉。

所述的水泥基压电传感器已经于2014年7月8日申请了专利并已授权，申请号为201410322450.2，属于现有技术，本发明水泥基压电传感器与专利 201410322450.2中的压电传感器结构和组成完全一致，按上述专利中所述的制备方法制备即可。

2、上述前放集成声发射传感器的制备方法，包括以下步骤：

1）将前置电荷电荷放大器固定在模具中，引出前置电荷放大器的输出与输入导线；将环氧树脂与普通硅酸盐水泥混合，充分搅拌均匀，浇注于模具内，固化脱模，在前置电荷放大器外表面形成第一梯度材料封装层；

2）将步骤1）中得到的前置电荷放大器固定在模具中；将环氧树脂和普通硅酸盐水泥混合，搅拌均匀后，加入分散剂，搅拌1min，再加入碳纳米管继续搅拌3min，然后在20℃、90W的条件下超声分散5min，浇注于模具内，固化脱模，在前置电荷放大器第一梯度材料封装层的外表面形成第二梯度材料封装层；

3）将步骤2）制备的前置电荷放大器固定在模具中，将环氧树脂、普通硅酸盐水泥、分散剂和碳纳米管混合，然后加入铁氧体，搅拌5min，再超声分散10min，浇注于模具内，60℃固化，脱模，在前置电荷放大器第二梯度材料封装层的外表面形成第三梯度材料封装层；

4）制备水泥基压电传感器，将水泥基压电传感器的输出端与步骤3）制备的前置电荷放大器的输入端导线连接，然后将传感器和前置电荷放大器固定在模具中，将环氧树脂、普通硅酸盐水泥和钨粉混合，充分搅拌均匀，抽真空至没有气泡，浇注到模具中，固化脱模，在水泥基压电传感器和前置电荷放大器第三梯度材料封装层的外表面形成集成封装层，即得到前放集成声发射传感器。

所述的，步骤1）中，环氧树脂与普通硅酸盐水泥质量比为1:0.5-3，优选1:1。

所述的，步骤1）中，第一梯度材料封装层厚度为5mm。

所述的，步骤2）中，环氧树脂、普通硅酸盐水泥和分散剂的质量比为1:1:0.05-0.1。

所述的，步骤2）中，碳纳米管掺加量为普通硅酸盐水泥质量的0.4%-0.6%，优选0.50%。

所述的，步骤2）中，碳纳米管碳纳米管长度5-15μm、直径20-40nm、比表面积90-120m²/g。

所述的，步骤2）中，第二梯度材料封装层厚度为5mm。

所述的，步骤3）中，环氧树脂、普通硅酸盐水泥、分散剂和碳纳米管混合方法同步骤2）；铁氧体用量为普通硅酸盐水泥质量的8%-12%，优选10%。

所述的，步骤3）中，铁氧体为FP型、形状为尖晶石状、平均粒径为17.6μm。

所述的，步骤3）中，第三梯度材料封装层厚度为5mm。

所述的，步骤4）中，环氧树脂、普通硅酸盐水泥和钨粉质量比为1:1:3-5。

所述的，步骤4）中，集成封装层厚度为8-10mm。

本发明一种前放集成声发射传感器，其有益效果为：将前置电荷放大器与水泥基压电传感器进行了集成，通过梯度材料对前置电荷放大电路进行封装，解决了电荷放大电路对传感元件的电磁干扰以及电磁对电荷放大器的干扰。大大提高了传感器的抗干扰能力，提高了传感器的灵敏度，以及信噪比。解决了导线接头引起的接触不良或生锈等问题，减少了导线传输造成的信号的衰减以及传输干扰，确保了信号的真实性；同时在实际的工程应用中，减少了传感器、前置电荷放大器施工的工作量，也避免了由于前置电荷放大器安装存在的安全隐患，大大提高了传感器长期服役过程中使用寿命。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的前放集成声发射传感器结构示意图；

图2为5%碳纳米管掺加梯度材料封装层吸波系数；

图3为10%铁氧体掺加梯度材料封装层吸波系数；

图4为前放集成声发射传感器标定曲线；

图中： 1、前置电荷放大器，2、集成封装层，3、第一梯度材料封装层，4、第二梯度材料封装层，5、第三梯度材料封装层，6、输入端，7、输出端，8、输入导线，9、输出导线，10、导线，11、传感元件，12、匹配层，13、背衬层。

具体实施方式

下面通过附图及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

一种前放集成声发射传感器，包括前置电荷放大器1、梯度材料封装层、水泥基压电传感器和集成封装层2，前置电荷放大器1由梯度材料封装层封装；梯度材料封装层由内至外依次包括第一、二、三梯度材料封装层3、4和5；前置电荷放大器1的输入端6和输出端7分别连接有输入和输出导线8和9，前置电荷放大器1置于水泥基压电传感器的一端，水泥基压电传感器的正负极与前置电荷放大器输入端正负极通过导线10相连接；前置电荷放大器和水泥基压电传感器外面表面包覆通过整体浇注形成集成封装层2，结构如图1所示。

其中，水泥基压电传感器：水泥基压电传感器：包括传感元件11、匹配层12和背衬层13，所述传感元件11为1-3型压电复合材料，传感元件11的上、下表面均镀有电极，在传感元件11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11的上表面电极和侧面电极上均焊接有导线10；所述匹配层与传感元件的下表面紧密连接，匹配层由质量比为1:2.5～4的水泥和氮化硅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。结构和组成与专利 201410322450.2中的压电传感器一致，按专利中所述的制备方法制备即可。

上述前放集成声发射传感器的制备方法，包括以下步骤：

1）将前置电荷电荷放大器固定在模具中，引出前置电荷放大器的输出与输入导线；将质量比为1:1的环氧树脂与普通硅酸盐水泥混合，充分搅拌均匀，浇注于模具内，固化脱模，在前置电荷放大器外表面形成第一梯度材料封装层，厚度为5mm；

2）将步骤1）中得到的前置电荷放大器固定在模具中；将环氧树脂和普通硅酸盐水泥混合，搅拌均匀后，加入分散剂，环氧树脂、普通硅酸盐水泥和分散剂的质量比为1:1:0.05-0.1，磁力搅拌器上机械搅拌1min，再加入普通硅酸盐水泥质量0.50%的碳纳米管，继续搅拌3min，然后在20℃、90W的条件下超声分散5min，浇注于模具内，固化脱模，在前置电荷放大器第一梯度材料封装层的外表面形成厚度为5mm的第二梯度材料封装层；加入的碳纳米管长度5-15μm、直径20-40nm、比表面积90-120m²/g；

3）将步骤2）制备的前置电荷放大器固定在模具中，将环氧树脂、普通硅酸盐水泥、分散剂和碳纳米管混合，然后加入普通硅酸盐水泥质量10%的铁氧体，机械搅拌5min，再超声分散10min，浇注于模具内，60℃固化，脱模，在前置电荷放大器第二梯度材料封装层的外表面形成厚度为5mm的第三梯度材料封装层；环氧树脂、普通硅酸盐水泥、分散剂和碳纳米管混合方法同步骤2）；铁氧体为FP型、形状为尖晶石状、平均粒径为17.6μm；

4）制备水泥基压电传感器，将水泥基压电传感器的输出端与步骤3）制备的前置电荷放大器的输入端导线连接，然后将传感器和前置电荷放大器固定在模具中，将质量比为1:1:3-5的环氧树脂、普通硅酸盐水泥和钨粉混合，充分搅拌均匀，抽真空至没有气泡，浇注到模具中，固化脱模，在水泥基压电传感器和前置电荷放大器第三梯度材料封装层的外表面形成厚度为10mm的集成封装层，即得本实施例前放集成声发射传感器。

本发明实施例1前放集成声发射传感器性能测试

1、第二梯度材料封装层分别加入普通硅酸盐水泥质量的0.10%、0.25%、0.50%、0.75%、0.90%的碳纳米管，制备不同碳纳米管掺杂比例的梯度材料封装层，并对其吸波系数进行测试，测试结果表1所示；

表1 不同碳纳米管掺量吸波层反射率低于-5dB性能参数

从上表可以看出，碳纳米管掺量为0.10%时，反射率低于-5dB一阶吸波带宽为1.5GHz，峰值为-12dB左右，吸波峰值频率为7.9GHz；碳纳米管掺量为0.25%时，反射率低于-5dB一阶吸波带宽为2.3GHz，峰值为-13dB左右，吸波峰值频率为7.9GHz；碳纳米管掺量为0.50%时，反射率低于-5dB一阶吸波带宽为2.8GHz，峰值为-14dB左右，吸波峰值频率为7.2GHz；碳纳米管掺量为0.75%时，反射率低于-5dB一阶吸波带宽为2.5GHz，峰值为-14dB左右，吸波峰值频率为7.8GHz；；碳纳米管掺量为0.90%时，反射率低于-5dB一阶吸波带宽为2.4GHz，峰值为-10dB左右，吸波峰值频率为7.1GHz；；反射率低于综合各掺量下带宽与峰值可以看出，各组试样反射率峰值相差不大，而带宽随着掺量增加有一个先增大后减小的趋势。这可能是由于碳纳米管掺量增大到0.75%以后使得吸波层介电常数变大，导致匹配层与吸波层的阻抗匹配较差，使得很多电磁波从吸波层的上表面反射回去，吸波性能下降。

第二梯度材料封装层加入普通硅酸盐水泥质量0.50%的碳纳米管后，其吸波性能测试如图2所示。

2、第三梯度材料封装层分别加入普通硅酸盐水泥质量的5%、15%、10%、20%、30%的碳纳米管，制备不同碳纳米管掺杂比例的梯度材料封装层，并对其吸波系数进行测试，测试结果表2所示；

表2 不同铁氧体掺量吸波层反射率低于-7dB性能参数

从上表可以看出，在碳纳米管掺量为0.50%的情况下，掺5%铁氧体时，反射率低于-7dB的带宽为1.7GHz，峰值为-14dB，峰值频率为7.3GHz；掺10%铁氧体时，反射率低于-7dB的带宽为1.9GHz，峰值为-15dB，峰值频率为7.8GHz；掺15%铁氧体时，反射率低于-7dB的带宽为1.5GHz，峰值为-13dB，峰值频率为7.7GHz；掺20%铁氧体时，反射率低于-7dB的带宽为1.5GHz，峰值为-12dB，峰值频率为7.7GHz；掺30%铁氧体时，反射率低于-7dB的带宽为1.4GHz，峰值为-10dB，峰值频率为7.2GHz。随着铁氧体掺量的增加，反射率低于-7dB的带宽先增大后减小，峰值则是先减小后增大，在掺量为10%时达到最佳值。

第三梯度材料封装层加入普通硅酸盐水泥质量10%的铁氧体后，其吸波性能测试如图3所示。

3、将本发明中制备的前放集成声发射传感器（1#）与没有通过梯度封装的前放集成传感器（2#）同时接到声发射采集仪，测试传感器的屏蔽能力，连续测试5次得到传感器的门槛值如表3所示。

表3 门槛值

由测试结果可以看出，在同一工作环境下，经过梯度吸波材料封装的传感器的门槛值均比较低，其门槛值仅为31dB左右，而没有吸波材料封装的传感器门槛值为42dB，这说明经过梯度吸波材料的封装大大提高了传感器的性噪比，提高了传感器的灵敏度。

4、根据声发射传感器标定方法：二级校准（GB/T 19801—2005；ISO 12714：1999）对前放集成的声发射传感器进行标定，标定曲线如下图所示，其具体步骤如下：

（1）将标准传感器与本发明制备的声发射传感器固定在标准装置上，其传感器的中心距为100mm,设定传感器的门槛值，通过在每个传感器周围10mm范围内断铅方法测试传感器的粘结耦合性然后测试每个传感器的耦合性；

（2）在两个传感器的中间位置，距离每个传感器的有效距离为50mm，进行断铅，同时用声发射仪采集断铅信号，经过数据处理，得到本发明制备的声发射传感器的标定曲线如图4所示。

由图4可以看出，本发明制备的声发射传感器的有效工作频率20kHz-400kHz，并且在250kHz以下，传感器具有较高灵敏度，对低频信号具有较好的信号响应，而混凝土断裂频率一般都低于250kHz，因此本发明的前放集成声发射传感器具有较高的灵敏度，对20kHz-250kHz的低频信号具有较好的响应，是一种适合用于混凝土健康监测的声发射传感器。

Claims

1.一种前放集成声发射传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将前置电荷放大器固定在模具中，引出前置电荷放大器的输出与输入导线；将环氧树脂与普通硅酸盐水泥混合，充分搅拌均匀，浇注于模具内，固化脱模，在前置电荷放大器外表面形成第一梯度材料封装层；

4）制备水泥基压电传感器，将水泥基压电传感器的输出端与步骤3）制备的前置电荷放大器的输入端导线连接，然后将传感器和前置电荷放大器固定在模具中，将环氧树脂、普通硅酸盐水泥和钨粉混合，充分搅拌均匀，抽真空至没有气泡，浇注到模具中，固化脱模，在水泥基压电传感器和前置电荷放大器第三梯度材料封装层的外表面形成集成封装层，即得到前放集成声发射传感器；

所述前放集成声发射传感器，包括前置电荷放大器、梯度材料封装层、水泥基压电传感器和集成封装层，所述前置电荷放大器由梯度材料封装层封装；所述梯度材料封装层由内至外依次包括第一、二、三梯度材料封装层；所述前置电荷放大器的输入端和输出端分别连接有输入和输出导线，前置电荷放大器置于水泥基压电传感器的一端，水泥基压电传感器的正负极与前置电荷放大器输入端正负极通过导线相连接；所述前置电荷放大器和水泥基压电传感器外面表面包覆通过整体浇注形成的集成封装层；

所述的第一梯度材料封装层材料为环氧树脂和普通硅酸盐水泥；第二梯度材料封装层材料为环氧树脂、普通硅酸盐水泥和碳纳米管；第三梯度材料封装层材料为环氧树脂、普通硅酸盐水泥、分散剂、碳纳米管和铁氧体；集成封装层材料为环氧树脂、普通硅酸盐水泥和钨粉。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的步骤1）中，环氧树脂与普通硅酸盐水泥质量比为1:0.5-3；所述的第一梯度材料封装层厚度为5mm。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述的环氧树脂与普通硅酸盐水泥质量比为1:1。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的步骤2）中，环氧树脂、普通硅酸盐水泥和分散剂的质量比为1:1:0.05-0.1；所述的碳纳米管掺加量为普通硅酸盐水泥质量的0.4%-0.6%，碳纳米管长度5-15μm、直径20-40nm、比表面积90-120m²/g；所述的第二梯度材料封装层厚度为5mm。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述的碳纳米管掺加量为普通硅酸盐水泥质量的0.50%。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的步骤3）中，环氧树脂、普通硅酸盐水泥、分散剂和碳纳米管混合方法同步骤2）；铁氧体用量为普通硅酸盐水泥质量的8%-12%，铁氧体为FP型、形状为尖晶石状、平均粒径为17.6μm；所述的第三梯度材料封装层厚度为5mm。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述的铁氧体用量为普通硅酸盐水泥质量的10%。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的步骤4）中，环氧树脂、普通硅酸盐水泥和钨粉质量比为1:1:3-5；所述的集成封装层厚度为8-10mm。