CN108332846B - 一种水泥混凝土结构中埋入式超声传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种水泥混凝土结构中埋入式超声传感器，所述传感器中，在匹配层(1)的中间设置前置声波增强器(2)，在前置声波增强器(2)后面设置PZT压电陶瓷圆片(3)，在PZT压电陶瓷圆片(3)后面设置背衬层(4)，在背衬层(4)的周围设置封装层(5)；PZT压电陶瓷圆片(3)通过导线(7)将电信号接出，在导线(7)的出端设有压缩弹簧(9)和末端导线保护器(10)，在导线(7)的外层设有屏蔽线(6)。本发明制备的超声传感器与水泥混凝土兼容性好；超声传感器指向性好、信号强、灵敏度高；封装材料具有较好的防水性能和耐老化性能；适合作为埋入式超声传感器与水泥混凝土同寿命服役长期动态监测水泥混凝土的水化硬化过程、服役水泥混凝土结构内部裂缝损伤。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料检测技术领域，特别涉及能够用于水泥混凝土早期水化硬化过程监测、水泥混凝土硬化后内部质量健康检测或监测的埋入式超声传感器。
背景技术
超声波作为一种无损检测技术被广泛的应用于混凝土结构内部质量的检测中。传统的超声传感器一般是在其发射面抹有耦合剂后外贴于混凝土表面，传感器和混凝土界面不可避免的存在耦合问题。在某些特定场合如检测空间狭小、高处作业以及异形混凝土结构无检测操作面等，并且对于需要连续原位监测的水泥混凝土结构，传感器外置式显然存在局限性。将超声传感器埋入到水泥混凝土中，能较好的解决上述问题。然而将超声传感器埋入到水泥混凝土中存在很多问题，如传感器封装材料若吸湿性强会导致传感器无法抵御外界溶液侵蚀，不能与混凝土长时间同寿命服役；传感器和水泥混凝土不兼容导致超声波产生较大能量损失；传感器中的压电陶瓷片为平面式振动，声波会以一定的扩散角向周围扩散传播，扩散角越大传感器指向性差。
环氧树脂作为封装材料具有良好的密封性、易加工、成型后有一定的强度等优点，但环氧树脂中存在的羟基使得其有一定的吸湿性，采用普通的环氧树脂作为封装材料对传感器长期耐久不利。一般用于混凝土检测的超声波为50～300KHz的低频超声波，由于混凝土是非匀质材料，超声波频率越高，在混凝土中的衰减就越大导致接收信号弱；使用低频超声波时，由于其较大的波长，其传播的半扩散角较大，导致超声传感器的指向性较差。
专利201610448223.3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，其背衬层的制备采用钨粉、水泥和聚氨酯组成的三元复合材料搅拌而成，制作方法简单、实用。理论上钨粉掺量越多背衬层吸收杂波效果越好，但随着钨粉的掺入的增加，混合物变得更加粘稠难以搅拌，抽真空时一些气泡难以去除，会导致背衬层内部无法均匀分布，成型困难。
发明内容
技术问题：本发明的目的在于设计一种具有高耐久封装材料、指向性好、背衬层高衰减、与混凝土兼容性好的超声传感器，可将其埋入到水泥混凝土结构中对水泥混凝土的水化硬化过程、混凝土内部健康状况进行长期监测。
技术方案：本发明的一种混凝土结构中埋入式超声传感器包括匹配层、前置声波增强器、PZT压电陶瓷圆片、背衬层、封装层、屏蔽线、导线、屏蔽层、压缩弹簧和末端导线保护器；其中，在匹配层的中间设置前置声波增强器，在前置声波增强器后面设置PZT压电陶瓷圆片，在PZT压电陶瓷圆片后面设置背衬层，在背衬层的周围设置封装层；PZT压电陶瓷圆片通过导线将电信号接出，在导线的出端设有压缩弹簧和末端导线保护器，在导线的外层设有屏蔽线。
其中，
所述前置声波增强器位于PZT压电陶瓷圆片发射面的前端，且与PZT压电陶瓷圆片发射面的夹角小于其半扩散角。
所述封装层由以下组分质量份组成：水泥粉32～40份、改性环氧树脂30～38份、固化剂15～19份、稀释剂5～7份和消泡剂5～7份混合。
所述的改性环氧树脂由以下组分质量份双酚A型环氧树脂32～40份、硅烷偶联剂16～20份、甲基三甲氧基硅烷16～18份、二甲苯10～14份、二月桂酸二丁锡0.5～1份混合搅拌抽真空后组成。
所述背衬层的制备方法为：按质量份将聚氨酯5～8份置于异丙醇中溶解，然后将水泥粉32～40份和40～52份钨粉加入其中加热搅拌，冷却后将改性环氧树脂30～38份、固化剂15～19份、稀释剂5～7份和消泡剂5～7份混合抽真空。
所述传感器外表面除发射或接收面外，均呈锯齿状。
有益效果：本发明制备的超声传感器与水泥混凝土兼容性好；超声传感器指向性好、信号强、灵敏度高；封装材料具有较好的防水性能和耐老化性能；适合作为埋入式超声传感器与水泥混凝土同寿命服役长期动态监测水泥混凝土的水化硬化过程、服役水泥混凝土结构内部裂缝损伤。
附图说明
图1为本发明的超声传感器主体结构示意图，
图2为本发明涉及的前置声波增强器立体示意图，
图3为本发明涉及的导线保护器横剖面示意图。
图中有：匹配层1、前置声波增强器2、PZT压电陶瓷圆片3、背衬层4、封装层5、屏蔽线6、导线7、屏蔽层8、压缩弹簧9、末端导线保护器10。
具体实施方式
本发明的混凝土结构中埋入式超声传感器包括匹配层1、前置声波增强器2、PZT压电陶瓷圆片3、背衬层4、封装层5、屏蔽线6、导线7、屏蔽层8、压缩弹簧9和末端导线保护器10；其中，在匹配层1的中间设置前置声波增强器2，在前置声波增强器2后面设置PZT压电陶瓷圆片3，在PZT压电陶瓷圆片3后面设置背衬层4，在背衬层4的周围设置封装层5；PZT压电陶瓷圆片3通过导线7将电信号接出，在导线7的出端设有压缩弹簧9和末端导线保护器10，在导线7的外层设有屏蔽线6。
根据本发明，前置声波增强器位于压电陶瓷发射面的前端，且与压电陶瓷圆片的发射面夹角小于其半扩散角。
根据本发明，改性环氧树脂由以下组分质量份组成：双酚A型环氧树脂32～40份、硅烷偶联剂16～20份、甲基三甲氧基硅烷16～18份、二甲苯10～14份、二月桂酸二丁锡0.5～1份混合后抽真空。
根据本发明，封装层和匹配层中加入水泥粉，提高其密度，使其声阻抗与水泥混凝土接近，避免超声波穿过两种不同介质时能量有较大损失。按照重量分数由水泥粉32～40份、改性环氧树脂30～38份、固化剂15～19份、稀释剂5～7份和消泡剂5～7份混合后组成。
根据本发明，背衬层按照重量分数由水泥粉32～40份、聚氨酯5～8份、改性环氧树脂30～38份、固化剂15～19份、钨粉40～52份、稀释剂5～7份和消泡剂5～7份混合后组成。
本发明中，压电元件为已经极化了的、工作频率为50～300KHz、收发一体的PZT(锆钛酸铅)压电陶瓷圆片，其直径为20～30mm，厚度为0.5～1mm。
本发明中，设置压缩弹簧9和末端导线保护器10均是对超声传感器的导线进行有效的保护。
本发明中，传感器外表面除发射或接收面外，均呈锯齿状。
本发明中，屏蔽层为一层导电银胶层。
下面通过实例并结合附图作进一步说明。
实施例：
本实施例图1提供一种埋入到水泥混凝土中的超声发射传感器，其主要结构是由匹配层1、前置声波增强器2、PZT压电陶瓷圆片3、背衬层4、封装层5、屏蔽线6、导线7、屏蔽层8、压缩弹簧9和末端导线保护器10组成。
图2是前置声波增强器立体示意图。将前置声波增强器焊接在PZT压电陶瓷圆片的发射面上。封装层必须完全包裹住前置声波增强器。超声波的指向性与声源的半扩散角有关，半扩散角θ按公式
获得，其中，λ表示波长，D表示压电元件直径。前置声波增强器与压电元件的夹角β小于半扩散角时，能有效的提高发射超声传感器声波传播的指向性。超声波接收传感器可视情况舍去前置声波增强器，其余结构和超声波发射传感器相同。
传感器的匹配层1、背衬层4和封装层5均使用了改性环氧树脂。制备改性环氧树脂主要是为了将存在于环氧树脂中的羟基置换掉，使得改性后的环氧树脂具有耐水性。将双酚A型环氧树脂32份、硅烷偶联剂16份、甲基三甲氧基硅烷16份、二甲苯10份混合搅拌，然后加入二月桂酸二丁锡0.5份后在90～100℃条件下搅拌加热，抽真空后冷却即得到改性环氧树脂。
匹配层1和封装层5由水泥粉36份、改性环氧树脂33份、固化剂13份、稀释剂5份和消泡剂5份混合后搅拌4分钟，然后真空泵抽真空10～15min。最后浇筑成型匹配层和封装层。匹配层和封装层声阻抗Z＝4.4kg/m2·s，与硬化后水泥的声阻抗5.3kg/m2·s接近(参见Z.Li，D.Zhang，K.Wu，“Cement-based 0–3piezoelectric composites”，Journal of theAmerican Ceramic Society，Vol.85，No.2，2002：305-313)。传感器抗压强度达55.28MPa，能对压电陶瓷进行有效的保护。传感器外表面涂抹一层导电银浆层作为传感器的屏蔽层，能够抵抗外界电磁干扰。
背衬层4吸收超声波传感器的背向杂波，能提高超声传感器的频带宽和分辨率。将聚氨酯5份置于异丙醇中溶解，然后将水泥粉36份和50份钨粉加入其中加热搅拌，冷却后将改性环氧树脂32份、固化剂16份和稀释剂5份加入搅拌4min，然后将混合物放入真空泵中抽真空10～15min。最后浇筑成型背衬层。
传感器外表面除发射或接收面外，均呈锯齿状。当传感器埋入到水泥混凝土中，传感器和硬化后的水泥混凝土能够紧密的咬合在一起。
图3是导线保护器横剖面示意图。设置压缩弹簧9和末端导线保护器10均是对超声传感器尾部露出的导线进行有效的保护。传感器埋入前，传感器末端的导线在运输、安装时可能受到挤压、弯曲等人为作用，设置压缩弹簧有效的对其进行保护；传感器埋入后，传感器末端的导线与混凝土界面主要存在摩擦力，设置导线保护器后，导线的外部拉力作用除由导线与混凝土界面间的摩擦力承担外，还能由导线保护器承担。压缩弹簧和末端导线保护器与导线紧密粘接，避免了传感器末端的导线成为受力的薄弱环节。
当脉冲波以一定的电压激发时，发射传感器的压电陶瓷圆片能够产生径向振动产生超声纵波，超声纵波经历水泥混凝土基体后，另一端的接收传感器的压电陶瓷圆片接收超声波信号。通过分析超声波参数，如超声波速度、首波幅值、波形等的变化来分析水泥混凝土的水化过程、内部损伤等。
Claims (2)
1.一种混凝土结构中埋入式超声传感器，其特征在于，所述传感器包括匹配层（1）、前置声波增强器（2）、PZT压电陶瓷圆片（3）、背衬层（4）、封装层（5）、屏蔽线（6）、导线（7）、屏蔽层（8）、压缩弹簧（9）和末端导线保护器（10）；其中，在匹配层（1）的中间设置前置声波增强器（2），在前置声波增强器（2）后面设置PZT压电陶瓷圆片（3），在PZT压电陶瓷圆片（3）后面设置背衬层（4），在背衬层（4）的周围设置封装层（5）；PZT压电陶瓷圆片（3）通过导线（7）将电信号接出，在导线（7）的出端设有压缩弹簧（9）和末端导线保护器（10），在导线（7）的外层设有屏蔽线（6）；
所述前置声波增强器（2）位于PZT压电陶瓷圆片（3）发射面的前端，且与PZT压电陶瓷圆片（3）发射面的夹角小于其半扩散角；
所述封装层（5）由以下组分质量份组成：水泥粉32~40份、改性环氧树脂30~38份、固化剂15~19份、稀释剂5~7份和消泡剂5~7份混合；
所述的改性环氧树脂由以下组分质量份双酚A型环氧树脂32~40份、硅烷偶联剂16~20份、甲基三甲氧基硅烷16~18份、二甲苯10~14份、二月桂酸二丁锡0.5~1份混合搅拌抽真空后组成；
所述背衬层（4）的制备方法为：按质量份将聚氨酯5~8份置于异丙醇中溶解，然后将水泥粉32~40份和40~52份钨粉加入其中加热搅拌，冷却后将改性环氧树脂30~38份、固化剂15~19份、稀释剂5~7份和消泡剂5~7份混合抽真空。
2.根据权利要求1所述的混凝土结构中埋入式超声传感器，其特征在于，所述传感器外表面除发射或接收面外，均呈锯齿状。
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