CN106124618B - 一种用于水泥混凝土水化反应进程监测的超声传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于水泥混凝土水化反应进程监测的超声传感器，属于水泥混凝土测量技术领域。该超声传感器包括：封装层；设置于封装层内且依次相连的多个匹配层、匹配层之间的吸声层、压电元件、连接压电元件电极面的引线、压电元件和封装层之间的吸声层以及背衬层。本发明所的超声传感器与水泥浆体的声阻抗匹配，耐久性能好，能够实现对水泥混凝土水化反应进程的长期监测。

Description

一种用于水泥混凝土水化反应进程监测的超声传感器
技术领域
本发明属于水泥混凝土测量技术领域，特别涉及一种能够用于水泥混凝土水化反应进程监测的超声传感器。
背景技术
水泥混凝土的水化和硬化是一个复杂的非均质多相化学反应过程，在不同的水化阶段，水泥混凝土水化机理、水化动力学参数均不相同，由水泥水化所引起的一系列化学、物理与物理化学性能的变化，直接影响到混凝土的工程性能。
超声波具有能量高、穿透能力强、方向性好等优点，在混凝土强度检测、裂缝及孔洞检测等方面已有广泛应用。根据超声波在混凝土介质中的传播特点，目前，采用超声传感器对水泥的水化反应过程进行监测已有相关研究报道，通过提取超声波在水泥浆体中传播后的特征参数，获得水泥混凝土在不同时期的水化反应情况。
然而，由于水泥水化过程具有即时性，不同水化阶段的水泥浆体的声学参数为变数，尤其是其声阻抗参数的变化会显著影响超声波在其中的传播效果，因此，适应水泥混凝土声学参数变化的超声传感器是保证水泥水化反应进程监测可靠性的关键。
目前，市面上尚没有专门应用于水泥混凝土水化反应进程监测的超声传感器，现有的用于混凝土工程的超声传感器主要针对的是混凝土结构检测应用，其往往采用的单一声阻抗匹配层，无法与水泥浆体的声阻抗相匹配；而且，现有的混凝土工程用超声传感器均为金属外壳，埋入水泥浆体中长期使用时会产生锈蚀现象、导致耐久性差、监测精度低等问题。
发明内容
鉴于上述，本发明所要解决的技术问题在于提供一种用于水泥混凝土水化反应进程监测的超声传感器，实现其与水泥浆体的声阻抗匹配，提高水泥水化反应进程监测的可靠性，同时解决在水泥混凝土长期水化反应进程监测中的耐久性差问题。
为了克服上述技术问题，本发明的用于水泥混凝土水化监测的超声传感器，包括：封装层；设置于封装层内且依次相连的多个匹配层、匹配层之间的吸声层、压电元件、连接压电元件电极面的引线、压电元件和封装层之间的吸声层以及背衬层。
根据本发明，用于水泥水化反应进程监测的超声传感器，所述封装层由水泥、铁氧体和环氧树脂的混合物组成，水泥、铁氧体和环氧树脂的质量比为1~3:1:1。
根据本发明，用于水泥水化反应进程监测的超声传感器，其压电元件为长条状压电陶瓷或压电复合材料，极化方向沿压电元件的厚度方向，电极面分别为垂直于压电元件厚度方向的两个平行表面，其中，一个电极面为全电极面，另一个电极面沿宽度方向被均匀分割成多个独立的电极面。
在本发明中，电极面可以是镀镍电极或银电极。
根据本发明，全电极面与一根引线相连接，多个独立的电极面依次与不同的多个引线相连接。
根据本发明，用于水泥水化反应进程监测的超声传感器，匹配层由声阻抗值不同的多个匹配层组成，每个匹配层按声阻抗值由低至高，依次与压电元件的每个独立电极面相连接，匹配层之间由吸声层组成。
在本发明中，所述匹配层的声阻抗值为1.8~8×106Pa·sm-1，其中，声阻抗值范围1.8~3.5×106Pa·sm-1的匹配层由聚氨酯、水泥和钨粉三元复合材料制备而成，聚氨酯、水泥和钨粉的质量比为1:1~5:0.2~0.5；声阻抗值范围为3.5~8×106Pa·sm-1的匹配层由环氧树脂、水泥和钨粉三元复合材料制备而成，环氧树脂、水泥和钨粉的质量比为1:1~3:1~4。
在本发明中，声阻抗值不同的多个匹配层的数量与压电元件的多个独立电极面的数量一致。
根据本发明，用于水泥水化反应进程监测的超声传感器，背衬层为钨粉、水泥和聚氨酯组成的三元复合材料，钨粉、水泥和聚氨酯的质量比为6:4:1。
在本发明中，所述的背衬层靠近封装层一侧，反射端面形状为楔形，且为波浪状，可使后向辐射声波在背衬层中多次反射，有效抑制后向辐射超声波对正向超声波的干扰，提高超声传感器的分辨率。
根据本发明，用于水泥水化反应进程监测的超声传感器，吸声层为硅胶和水泥组成的二元复合材料，硅胶和水泥的质量比为1:1。
根据下述具体实施方式并参考附图，将更好地理解本发明的上述目的、特征和优点。
附图说明
图1为本发明的用于水泥水化反应进程监测的超声传感器结构示意图。
图2为本发明的超声传感器对水泥不同水化反应时期的超声监测波形图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例对本发明进行进一步的说明和阐述。
图1示出了根据本发明的超声传感器结构示意图。如图所示，本发明的用于水泥水化监测的超声传感器包括封装层1；设置于封装层内且依次相连的匹配层2、分割电极面3、压电元件6、全电极面7、背衬层8、与全电极面相连的引线9及与分割电极面相连的引线10；压电元件与封装层之间的吸声层4；匹配层之间的吸声层5。其中，背衬层8的后反射面为楔形及波浪状。
如图1所示，压电元件6是传感器的核心元件，起到发射或接收超声波的作用；分割电极面3的作用是将压电元件6分割为多个独立的压电元件，并分别与声阻抗值不同的匹配层2相连，实现多个压电元件独立发射或接收超声波的能力；匹配层2的作用是，其声阻抗值与不同水化时期的水泥浆体声阻抗值相近，减少超声波在水泥浆体和压电元件中传播时的能量损失，提高水泥水化反应进程监测效果；背衬层8的作用是，吸收后向辐射声能，减少对前向辐射声能的影响，提高水泥水化反应进程监测分辨率。
实施例1
采用40×10×5mm的PZT压电陶瓷为压电元件，环氧树脂、聚氨酯、水泥和钨粉的混合物作为匹配层材料，钨粉和环氧树脂的混合物作为背衬层材料制备的超声传感器，对水泥水化反应进程进行监测。其中，多个不同匹配层的声阻抗值由低到高分别为1.8×106Pa·sm-1，3.2×106Pa·sm-1，5.4×106Pa·sm-1，7.2×106Pa·sm-1；背衬层的声阻抗为8×106Pa·sm-1。
图2为不同水泥水化反应阶段的超声监测时域波形图。当水泥水化反应进行到30分钟时，采用声阻抗值为1.8×106Pa·sm-1的匹配层相连接的压电元件进行超声监测，如图2（a）所示；水化反应进行到1小时，采用声阻抗值为3.2×106Pa·sm-1的匹配层相连接的压电元件进行超声监测，如图2（b）所示；水化反应进行到8小时，采用声阻抗值为5.4×106Pa·sm-1的匹配层相连接的压电元件进行超声监测，如图2（c）所示；水化反应进行到71小时，采用声阻抗值为5.4×106Pa·sm-1的匹配层相连接的压电元件进行超声监测，如图2（d）所示。可以看出，本发明的超声传感器能够有效监测水泥在不同阶段的水化反应状况。

Claims (1)

1.一种用于水泥水化反应进程监测的超声传感器，其特征是，包括：封装层、设置于封装层内且依次相连的多个不同的匹配层、匹配层之间的吸声层、压电元件、连接压电元件电极面的引线、压电元件和封装层之间的吸声层以及背衬层，所述压电元件为长条状压电陶瓷或压电陶瓷复合材料，极化方向沿压电元件的高度方向，电极面为垂直于压电元件高度方向的两个平行表面，其中，一个电极面为全电极面，与一根引线相连接，另一个电极面沿宽度方向被均匀分割成多个独立的电极面，依次与不同的引线相连接，所述匹配层由声阻抗值不同的多个匹配层组成，每个匹配层按声阻抗值由低至高的顺序，依次与压电元件的每个独立电极面相连接，匹配层之间由吸声层组成。
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