CN107870184B - 混凝土中氯离子浓度监测装置及方法、压电陶瓷传感器的制作方法 - Google Patents
混凝土中氯离子浓度监测装置及方法、压电陶瓷传感器的制作方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种混凝土中氯离子浓度监测装置及方法、压电陶瓷传感器的制作方法，监测装置包括埋入混凝土中的至少一个塑料管；在塑料管表面沿埋长方向固定多个用作压电陶瓷传感器的压电陶瓷片和多个用作驱动器的压电陶瓷片；所有的压电陶瓷片表面均设有防水层，且所有的压电陶瓷片与所述塑料管之间均设有绝缘层；多个用作压电陶瓷传感器的压电陶瓷片均与高频信号采集系统电连接；所述高频信号采集系统接入计算机；所述多个用作驱动器的压电陶瓷片均通过信号放大器与任意信号函数发生器连接。本发明实现了混凝土中氯离子浓度的无损快速监测，能精确地确定混凝土中氯离子分布状态和大小；本发明测试装置灵敏度高、响应快、操作简便、价格低廉。
Description
技术领域
本发明涉及一种混凝土中氯离子浓度监测装置及方法、压电陶瓷传感器的制作方法。
背景技术
现有的混凝土中氯离子浓度监测装置，需要破坏混凝土的结构，无法实现无损快速监测。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种混凝土中氯离子浓度监测装置及方法、压电陶瓷传感器的制作方法，实现混凝土中氯离子浓度的无损快速监测，精确地确定混凝土中氯离子分布状态和大小。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种混凝土中氯离子浓度监测装置，包括埋入混凝土中的至少一个塑料管；在所述塑料管表面沿埋长方向固定多个用作压电陶瓷传感器的压电陶瓷片和多个用作驱动器的压电陶瓷片；所有的压电陶瓷片表面均设有防水层，且所有的压电陶瓷片与所述塑料管之间均设有绝缘层；所述多个用作压电陶瓷传感器的压电陶瓷片均与高频信号采集系统电连接；所述高频信号采集系统接入计算机；所述多个用作驱动器的压电陶瓷片均通过信号放大器与任意信号函数发生器连接。
所述绝缘层为一层均匀的环氧树脂绝缘层，且所述绝缘层厚度为0.1～ 0.15mm。
所述任意信号函数发生器产生的信号的频率为500Hz～10KHz。
相应地，本发明还提供了一种混凝土中氯离子浓度压电陶瓷传感器的制作方法，该方法包括以下步骤：
1)用无水酒精将压电陶瓷片的表面清洁干净，静置，待压电陶瓷片自然干燥后，在压电陶瓷片上焊接导线；
2)对混凝土中埋入的塑料管表面预粘贴处进行打磨光滑处理，在打磨光滑后的预粘贴处均匀涂上环氧树脂绝缘层；
3)将经步骤1)处理后的压电陶瓷片粘贴在混凝土中埋入的塑料管表面上，引出导线；
4)使用防水材料对粘贴稳定后的压电陶瓷片进行封装，封装后在室温环境下固化一天。
所述导线为带屏蔽线的电缆；所述防水材料为环氧树脂。
本发明还提供了一种利用上述混凝土中氯离子浓度监测装置监测混凝土中氯离子浓度的方法，包括以下步骤：
1)计算压电陶瓷片表面产生的电荷量Qz：
其中，
为压电陶瓷片的氯离子浓度变化量；dC为氯离子浓度变化量常数；ΔE1为压电陶瓷片的摩尔常数；Ae为压电陶瓷片表面积，单位为mm2；
2)计算压电陶瓷片两极板上的输出电压V：
其中，Cp为压电陶瓷片两极板间的电容量；
3)计算压电陶瓷片的氯离子浓度变化量
其中，
为ti时刻混凝土中x高度处的氯离子浓度； C(x,tj)为tj时刻混凝土中x高度处的氯离子浓度；DC(ti)为ti时刻混凝土中氯离子的扩散系数；DC(tj)为tj时刻混凝土中氯离子的扩散系数；x为距离混凝土表面的距离，单位为m；C0为初始时刻混凝土表面氯离子浓度；DC,0为初始时刻混凝土中氯离子的扩散系数；t0为初始时刻；ti对应为第i个测试时刻；tj对应为第j个测试时刻；erf为误差函数；
4)计算压电陶瓷片输出电压U：
5)令V＝U，并将压电陶瓷片氯离子浓度变化量的计算公式代入压电陶瓷片两极板上的输出电压V的计算公式中，从而计算得到压电陶瓷片感应的混凝土中氯离子浓度变化量
的值；
6)利用压电陶瓷片的混凝土中氯离子浓度变化量
计算塑料管上相邻测点之间的平均氯离子浓度变化量
和某一测点的氯离子浓度 Cy：
其中，
为第
测段的平均氯离子浓度变化量，单位为m2/s；
为第
测段的平均氯离子浓度变化量，单位为m2/s；Cy为某一测点处氯离子的浓度，单位为m2/s。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明实现了混凝土中氯离子浓度的无损快速监测，能精确地确定混凝土中氯离子分布状态和大小；本发明测试装置灵敏度高、响应快、操作简便、价格低廉。
附图说明
图1为本发明实施例无损测试装置结构示意图；
图2为压电陶瓷在塑料管表面黏贴位置示意图。
图3为压电陶瓷在塑料管表面黏贴位置主视图。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明实施例在混凝土1中固定塑料管7(直径10mm，抗拉强度62.7MPa,弹性模量2.32GPa)，在所述混凝土1内的塑料管1表面沿埋长方向固定多个用作压电陶瓷传感器的压电陶瓷片2和多个可以用作驱动器的压电陶瓷片2；所有压电陶瓷片2上均涂有防水层，且所有压电陶瓷片2与所述塑料管7之间均设有绝缘层；所述多个用作压电陶瓷传感器的压电陶瓷片2分别通过导线与高频信号采集系统5连接，所述高频信号采集系统5(如比利时LMS 公司生产的LMS数据采集系统)接入计算机；所述多个用作驱动器的压电陶瓷片2均与美国Tektronix公司生产的AFG3000系列任意波形/函数发生器任意信号函数发生器4连接。
本发明的压电陶瓷传感器为电压放大型。该类型PZT极化方向为垂直其表面(见图2)，当PZT受到氯离子浓度发生改变时，其将产生的能量发生改变。
本实施例中，多个用作驱动器的压电陶瓷片2与所述任意信号函数发生器4 之间连接有高压放大器3。
本实施例中，绝缘层为一层均匀的环氧树脂(本实施例中使用双酚A型环氧树脂)绝缘层，且所述绝缘层厚度为0.1～0.15mm；任意信号函数发生器4产生的信号的频率为500Hz～10KHz。
本发明塑料管上黏贴的压电陶瓷传感器的制作流程如下：
(1)用无水酒精将压电陶瓷片的表面清洁干净，静置以待其自然干燥后进行导线的焊接,为了保证焊接点尽可能的小和平整,使用少量的焊锡膏来助挥以提高焊接质量,选用带屏蔽线的电缆作导线；
(2)对塑料管表面粘贴处进行打磨光滑处理，在打磨光滑后的预粘贴处均匀涂上薄薄一层环氧树脂绝缘层；
(3)通过KH502胶将压电陶瓷粘贴在塑料管表面上，引出导线；
(4)使用环氧树脂作为防水层对焊接好的压电陶瓷片进行封装,在保证其密封性的前提下，应使防水层尽可能薄,静置使其在室温环境下固化一天。
本发明测试方法原理如下：
传感器与混凝土中氯离子变化之间的作用机理可用下面的关系式描述：
根据式(1)和(2)，可以得到
最后整理得到混凝土氯离子改变量的表达式为
其中，
为压电陶瓷片的氯离子浓度变化量；dC为氯离子浓度变化量常数；ΔE1为压电陶瓷片的摩尔常数；Ae为压电陶瓷片表面积，单位为mm2。
利用压电陶瓷片的混凝土中氯离子浓度变化量
计算塑料管上相邻测点之间的平均氯离子浓度变化量
和某一测点的氯离子浓度Cy：
Claims (7)
1.一种利用混凝土中氯离子浓度监测装置监测混凝土中氯离子浓度的方法，混凝土中氯离子浓度监测装置包括埋入混凝土中的至少一个塑料管(7)；在所述塑料管(7)表面沿埋长方向固定多个用作压电陶瓷传感器的压电陶瓷片和多个用作驱动器的压电陶瓷片(2)；所有的压电陶瓷片(2)表面均设有防水层，且所有的压电陶瓷片(2)与所述塑料管(7)之间均设有绝缘层；所述多个用作压电陶瓷传感器的压电陶瓷片均与高频信号采集系统(5)电连接；所述高频信号采集系统(5)接入计算机(6)；所述多个用作驱动器的压电陶瓷片(2)均通过信号放大器(3)与任意信号函数发生器(4)连接；其特征在于，包括以下步骤：
1)计算用作压电陶瓷传感器的压电陶瓷片表面产生的电荷量Qz：
其中，
为压电陶瓷片的氯离子浓度变化量；dC为氯离子浓度变化量常数；ΔE1为压电陶瓷片的弹性模量；Ae为压电陶瓷片表面积，单位为mm2；
2)计算用作压电陶瓷传感器的压电陶瓷片两极板上的输出电压V：
其中，Cp为压电陶瓷片两极板间的电容量；
3)计算用作压电陶瓷传感器的压电陶瓷片的氯离子浓度变化量
其中，
C(x,ti)为ti时刻混凝土中x高度处的氯离子浓度；C(x,tj)为tj时刻混凝土中x高度处的氯离子浓度；DC(ti)为ti时刻混凝土中氯离子的扩散系数；DC(tj)为tj时刻混凝土中氯离子的扩散系数；x为距离混凝土表面的距离，单位为m；C0为初始时刻混凝土表面氯离子浓度；DC,0为初始时刻混凝土中氯离子的扩散系数；t0为初始时刻；ti对应为第i个测试时刻；tj对应为第j个测试时刻；erf为误差函数；
4)计算用作压电陶瓷传感器的压电陶瓷片输出电压U：
5)令V＝U，并将用作压电陶瓷传感器的压电陶瓷片氯离子浓度变化量的计算公式代入压电陶瓷片两极板上的输出电压V的计算公式中，从而计算得到用作压电陶瓷传感器的压电陶瓷片感应的混凝土中氯离子浓度变化量
的值；
6)利用用作压电陶瓷传感器的压电陶瓷片的混凝土中氯离子浓度变化量
计算塑料管上相邻测点之间的平均氯离子浓度变化量
和某一测点的氯离子浓度Cy：
其中，
为第
测段的平均氯离子浓度变化量，单位为m2/s；
为第
测段的平均氯离子浓度变化量，单位为m2/s；Cy为某一测点处氯离子的浓度，单位为m2/s。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述绝缘层为一层均匀的环氧树脂绝缘层，且所述绝缘层厚度为0.1～0.15mm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述任意信号函数发生器(4)产生的信号的频率为500Hz～10KHz。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述塑料管(7)横截面直径为10mm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述压电陶瓷传感器的制作方法包括以下步骤：
1)用无水酒精将压电陶瓷片的表面清洁干净，静置，待压电陶瓷片自然干燥后，在压电陶瓷片上焊接导线；
2)对混凝土中埋入的塑料管(7)表面预粘贴处进行打磨光滑处理，在打磨光滑后的预粘贴处均匀涂上环氧树脂绝缘层；
3)将经步骤1)处理后的压电陶瓷片粘贴在混凝土中埋入的塑料管表面上，引出导线；
4)使用防水材料对粘贴稳定后的压电陶瓷片进行封装，封装后在室温环境下固化一天。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述导线为带屏蔽线的电缆。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述防水材料为环氧树脂。
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