CN108426825A - 用于混凝土ert成像压电陶瓷传感器的制作方法及测试方法 - Google Patents

Abstract

一种用于混凝土ERT成像压电陶瓷传感器的制作方法及测试方法，将A、B导线固定于正负两极，作发射端，将C、D导线固定于正负两极，作接收端；胶液将导线覆盖，正极涂抹胶液，屏蔽线E导线固定于接收端正极，涂抹导电层，再次涂抹胶液将屏蔽线E导线覆盖；将发射端以及接收端的导线的另一端分别连接两个传感器接头；准备模具，涂抹脱模剂，压电陶瓷片悬空固定于模具中央；将水泥、环氧树脂按照质量比1：（1‑2）混合均匀制备封装材料，抽真空，将封装材料浇注于固定好压电陶瓷片的模具里，形成灌封块；完全干燥后，拆掉模具，即得压电陶瓷传感器。在施工过程中，将传感器埋入混凝土中，能够对钢筋锈蚀实时、长期的在线监测。

Description

用于混凝土ERT成像压电陶瓷传感器的制作方法及测试方法

技术领域

本发明属于混凝土结构健康监测技术领域，尤其涉及一种用于混凝土ERT成像压电陶瓷传感器的制作方法及测试方法。

技术背景

传感技术是关于从自然信源获取信息，并对之进行处理、变换和识别的一门多学科交叉的现代科学与工程技术。传感器是一种广泛用于工业、农业、国防和医学等领域的具有监测功能的器件，被称作“电五官”，即通过摸拟人类五官的功能，对各种非电量进行监测。压电陶瓷传感器是利用压电陶瓷片的压电效应，将应力或应变转换成电压或电荷，再通过放大器进行放大和输出的装置。压电陶瓷传感器是由将外界力传递到压电陶瓷片的力学系统、压电陶瓷片和将电荷传递到仪表的示波器三部分组成的。压电陶瓷片是压电陶瓷传感器的关键部件，从信号变换角度来看，压电陶瓷片相当于一个换能器。压电陶瓷传感器是利用压电陶瓷受力后发生机械变形而产生的压电效应制成的传感器。所谓压电效应是指某些电介质在受到某一方向的外力作用而发生形变（包括弯曲和伸缩形变）时，由于内部电荷的极化现象，会在其端面产生电荷的现象。

压电陶瓷片由形变产生电荷输出。压电陶瓷传感器中压电陶瓷片的焊接点会因为几何位置的不同对压电陶瓷传感器的灵敏度造成影响，以往采用固定焊接点或者随机选取焊接点的方式，焊接点的位置没有定位依据，导致传感器的灵敏度得不到保证，限制了压电陶瓷传感器的应用范围。

现有的陶瓷传感器，匹配层粘接在芯片上，由于操作时容易导致安装的匹配层倾斜，导致匹配层的与外端面与芯片电极面（粘接匹配层一端的端面）不平行，影响收发角度；传感器工作时有振动，影响寿命，易脱落；粘接的粘接剂的选择对收发超声波的效果有影响；两根导线分别与压电陶瓷芯片的两个电极连接，匹配层与压电陶瓷芯片的一个电极（通常是负极）相连，这种导线在负极端面的设置进一步导致的了匹配层的倾斜，即使采用细导线也同样难以避免；导线在负极端面，为了减小对匹配层的影响，一般不焊接而采用粘接工艺，强度低，易脱落，损害了传感器的牢固性以及使用寿命，导电性也受到一定影响；导线安装在匹配层与传感器电极之间，生产安装不便；频率调整依靠改变匹配层的厚度来实现，调整不便；传感器使用时，整体安装不便。

在建筑物中，钢筋起着关键的支撑承压作用，但随着时间的推移，钢筋材料容易受氧气、水、氯盐等物质的侵蚀而损坏，给人们的安全带来一定的危险，因此，实时监测钢筋锈蚀至关重要，而现实中监测钢筋锈蚀的传感器敏感度低，并且容易损坏，需要频繁更换，给监测工作带来不必要的麻烦。

发明内容

为解决现有技术存在的缺陷，本发明旨在提供一种用于混凝土ERT成像压电陶瓷传感器的制作方法及测试方法，该方法制备的压电陶瓷传感器对钢筋锈蚀的监测灵敏度高，稳定性好，不需频繁更换。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种用于混凝土ERT成像压电陶瓷传感器的制作方法，包括以下的步骤：

（1）将A、B两根导线固定于压电陶瓷片的正负两极，作为发射端，将C、D两根导线固定于压电陶瓷片的正负两极，作为接收端；

（2）用胶液将固定好的A、B、C、D导线覆盖，在接收端的压电陶瓷片正极涂抹胶液，将屏蔽线E导线通过胶液固定于接收端正极，在屏蔽线E导线表面涂抹导电层，再次涂抹胶液将屏蔽线E导线覆盖；

（3）将发射端以及接收端的导线的另一端分别连接两个传感器接头；

（4）准备模具，模内表面涂抹脱模剂，将所述发射端和接收端的压电陶瓷片悬空固定于模具中央；

（5）将水泥、环氧树脂按照质量比1：（1-2）混合均匀制备封装材料，抽真空，将封装材料浇注于固定好压电陶瓷片的模具里，形成灌封块；

（6）待封装材料完全干燥后，拆掉模具，即得压电陶瓷传感器。

和现有技术相比，本次试验所采用的压电陶瓷传感器更适应于在混凝土结构中钢筋锈蚀程度的监测。在施工过程中，将传感器埋入混凝土中，能够对钢筋锈蚀实时、长期的在线监测。本方法最大的优点在于监测钢筋的锈蚀程度，具体体现在下面几个方面：

（1）压电陶瓷传感器耐久性好，压电元件表面有封装材料保护，可以有效避免结构在监测过程中对压电元件保护；另外，在监测中对压电陶瓷传感器施加交流电压，传感器使用寿命会延长，保证监测工作长期有效的开展。

（2）压电陶瓷传感器与主体结构之间相容性好，压电元件外侧的封装材料是环氧树脂和水泥按一定比例调制，与主体结构的接触面易连接；此外，传感器具有一定承载力并且与粗骨料的体积相近，当作粗骨料放置在主体结构内部，因此不会影响主体结构的受力性能。

（3）避免外界环境对压电陶瓷传感器的干扰，钢筋健康监测时，压电陶瓷传感器多埋置在主体结构内部，降低了外界温湿度的变化对监测结果的影响。

附图说明

图1为用于混凝土ERT成像压电陶瓷传感器的结构示意图；

图2为用于混凝土ERT成像压电陶瓷传感器的结构示意图；

图3有损伤的混凝土柱示意图；

图4固定压电陶瓷传感器所用的模具示意图；

图5压电陶瓷传感器精度检测图；

图6仿真实验数据；

图7本发明的压电陶瓷传感器采集数据；

图8普通压电陶瓷传感器采集数据。

具体实施方式

一种用于混凝土ERT成像压电陶瓷传感器的制作方法，包括以下的步骤：

（1）将A、B两根导线固定于压电陶瓷片的正负两极，作为发射端，将C、D两根导线固定于压电陶瓷片的正负两极，作为接收端；

（2）用胶液将固定好的A、B、C、D导线覆盖，在接收端的压电陶瓷片正极涂抹胶液，将屏蔽线E导线通过胶液固定于接收端正极，在屏蔽线E导线表面涂抹导电层，再次涂抹胶液将屏蔽线E导线覆盖；

（3）将发射端以及接收端的导线的另一端分别连接两个传感器接头，A、B导线为同轴导线，C、D导线为同轴导线，同轴导线的中心导线连接压电陶瓷片的正极，同轴导线的外层导线拧成一股连接压电陶瓷片的负极将中间铜丝焊到传感器接头的正面凹槽处，轻微拽一下，不动，即为焊好，然后将拧好的一股钢丝焊接到反面。焊接完毕之后，将胶液涂抹在传感器接头正面的钢丝上，将钢丝全部用胶水封装好；

（4）准备模具，模内表面涂抹脱模剂，将发射端和接收端的压电陶瓷片悬空固定于模具中央；

（5）将水泥、环氧树脂按照质量比1：（1-2）混合均匀制备封装材料，抽真空，将封装材料浇注于固定好压电陶瓷片的模具里，敦实，形成灌封块；

（6）待封装材料完全干燥后，拆掉模具，即得本发明的压电陶瓷传感器。

具体的，PZT-4型压电陶瓷片作为接收端，PZT-5型压电陶瓷片作为发射端，二元系锆钛酸铅()其稳定性好，受温度的影响较小。其中，高灵敏度，且介电常数、柔顺性及机电耦合等系数较高；PZT-4具有驱动一体化和传感功能，各项性能系数较好。本研究中压电陶瓷片分别用于制作信号驱动器、信号传感器，宜选用压电陶瓷片的型号为、。

具体的，步骤（5）拆掉模具后还包括以下步骤：将屏蔽线一端粘贴于接收端灌封块表面，并在灌封块表面涂抹导电层，屏蔽线另一端连接接收端传感器接头，其中，屏蔽线与C、D导线为同轴导线。在接收型传感器表面涂抹导电层作为屏蔽材料来减少噪音的影响，导电层为银浆、铜浆、碳浆中的一种与丙酮溶剂、甲苯溶剂、或者二甲苯溶剂中的一种按照（0.8-1.2）：1的比例混合而成；在粘贴后的压电陶瓷表面涂上环氧树脂或其他防水材料胶剂。

具体的，传感器接头为BNC接头，方便与信号发生器及示波器相连接。

具体的，步骤（1）中，A、B、C、D四根导线均为铜线；用电烙铁将A、B、C、D四根导线焊接到压电陶瓷传感器的电极相应位置，电烙铁的功率为25-45W，焊接时间控制为2-6s，以保持焊点处平整。

具体的，胶液为硅树脂。

具体的，硅树脂包括环氧树脂树脂80-120份、甲苯溶剂10-50份、聚四氟乙烯填充粉末50-80份、环氧树脂固化剂1-6份；将胶液包封好的压电陶瓷传感器在60℃的条件下进行烘烤，并保温20h，使环氧树脂固化，硬度达到10-20MPa。

具体的，导电层为银浆、铜浆、碳浆中的一种与丙酮溶剂、甲苯溶剂、或者二甲苯溶剂中的一种，按照（0.8-1.2）：1的比例混合而成。

具体的，步骤（2）中，导电层为银粉与丙酮混合而成。

具体的，银粉与丙酮质量比为1:1。

实施例1

本发明中压电陶瓷片分别用于信号驱动器、信号传感器，信号驱动器宜选用压电陶瓷片的型号为PZT-4，信号传感器宜选用压电陶瓷片的型号为PZT-4。本研究中使用的PZT-4、PZT-4压电元件为保定市博发传感器销售有限公司生产。PZT-4、PZT-4分别用做接收驱动元件和发射驱动元件制备接收型压电陶瓷传感器和发射型压电陶瓷传感器。

本发明中选取尺寸为直径10mm、厚度1mm的压电陶瓷片，压电陶瓷片的正负极分别为位于正负两极，其中有红点面为正极。用蘸有丙酮试剂或无水酒精的棉签擦拭传感器表面，除去表面的灰尘，将放于无尘防潮的环境中自然静置到干燥。截取两根导线长度约1.2m的导线，一根为发射端，一根为接收端。导线的一头剥离外表的黑皮约1cm，漏出里面的铜丝。用铝锡活性焊料将导线漏出的铜丝焊接到压电陶瓷上，电烙铁的功率为25-45W，焊接时间控制为2-6s，保持焊点处平整，焊接时间不易太长，以避免因焊接温度过高而影响压电陶瓷的性能。焊接完毕之后，将硅树脂涂抹在压电陶瓷片上，注意正负两极的中间钢丝和钢丝股不要黏在一起，保持压电陶瓷有一个良好的封装。硅树脂包括环氧树脂树脂80份、甲苯溶剂10份、聚四氟乙烯填充粉末50份、环氧树脂固化剂1份；将包封好的压电陶瓷传感器在60℃的条件下进行烘烤，并保温20h，使环氧树脂固化，硬度达到10MPa。在硅树脂包封层的表面涂抹导电层，导电层为银粉、铜粉、碳粉中的一种与丙酮溶剂、甲苯溶剂、或者二甲苯溶剂中的一种按照（0.8-1.2）：1的比例混合而成，其中银浆粒径小于1000nm。

本发明方案所用模具用不锈钢、钛合金或铜制成，模具的尺寸是2cm×2cm×2cm。将模具固定于平台上，为了便于传感器顺利脱模，浇注前在钢模内部先涂抹一层脱模剂，脱模剂为石蜡、甘油、凡士林中的一种或几种；同时在模具的缝隙处要涂上一层凡士林，以避免浇注过程中发生漏浆现象。压电陶瓷片的封装材料选用水泥、环氧树脂按比例搅拌均匀后，放置在真空泵内进行抽真空，将混合物内部的气泡抽出。封装材料为水泥10份，环氧树脂0.8份，环氧树脂固化剂1.3份和水0.8份。将步骤（2）中的传感器悬空固定于准备好的模具中，将抽真空冷却后的混合物浇筑于模具内，确保封装材料将压电陶瓷片及导线完全包裹，以免传感器在使用过程中外界水的进入而发生短路现象，影响其正常运行。浇筑过程中对模具进行反复其敲打振捣，以振实封装材料。在85℃的条件下进行烘烤2h，50℃条件下保温存放60h，硬度达到25MPa。

待封装材料完全干燥后，将模具慢慢拆掉，以便损害传感器。对于接收型压电陶瓷传感器，主要用来接收发射传感器发出的超声波，因此，为了防止在使用时受到外界噪音的干扰，有必要提高它的信噪比。本研究中，我们采用引屏蔽导线的方法来降低噪音的干扰。在封装压电元件之前单独引出一根屏蔽线，待封装材料完全干燥后，用胶将屏蔽线粘贴于传感器表面，然后涂抹一层导电层，导电层为银浆、铜浆、碳浆中的一种与丙酮溶剂、甲苯溶剂、或者二甲苯溶剂中的一种按照（0.8-1.2）：1的比例混合而成；在粘贴后的压电陶瓷表面涂上环氧树脂或其他防水材料胶剂。

使用前要先用丙酮试剂或酒精擦拭清洁被粘物表面，除去表面的灰尘、油污、铁锈等，对金属粘接时，最好先将其磨粗，对PE、PP等塑胶粘接时，应先使其表面活化。

对于接收型压电陶瓷传感器，由于所处的监测环境通常噪音信号很大，为保证监测信号的有效性，接收型压电陶瓷传感器在焊接过程中，为降低接收信号过程中环境噪音的干扰，在封装之前预留出一根屏蔽线，待封装材料成型干燥后，用胶结材料固定于传感器表面。导线的另一端焊接上BNC接头，方便与信号发生器及示波器相连接。

实施例2

本发明中压电陶瓷片分别用于信号驱动器、信号传感器，信号驱动器宜选用压电陶瓷片的型号为PZT-4，信号传感器宜选用压电陶瓷片的型号为PZT-5。本研究中使用的PZT-4、PZT-5压电元件为保定市博发传感器销售有限公司生产。PZT-4、PZT-5分别用做接收驱动元件和发射驱动元件制备接收型压电陶瓷传感器和发射型压电陶瓷传感器。

硅树脂包括环氧树脂树脂95份、甲苯溶剂20份、聚四氟乙烯填充粉末60份、环氧树脂固化剂2份；将包封好的压电陶瓷传感器在60℃的条件下进行烘烤，并保温20h，使环氧树脂固化，硬度达到12MPa。

封装材料为水泥12份，环氧树脂0.9份，环氧树脂固化剂1.4份和水0.9份。

浇筑过程中对模具进行反复其敲打振捣，以振实封装材料。在85℃的条件下进行烘烤2h，55℃条件下保温存放60h，硬度达到28MPa。

接收型压电陶瓷传感器和发射型压电陶瓷传感器的其他组成结构及其他制备方法同实施例1。

实施例3

本发明中压电陶瓷片分别用于信号驱动器、信号传感器，信号驱动器宜选用压电陶瓷片的型号为PZT-5，信号传感器宜选用压电陶瓷片的型号为PZT-5。本研究中使用的PZT-5、PZT-5压电元件为保定市博发传感器销售有限公司生产。PZT-5、PZT-5分别用做接收驱动元件和发射驱动元件制备接收型压电陶瓷传感器和发射型压电陶瓷传感器。

硅树脂包括环氧树脂树脂110份、甲苯溶剂30份、聚四氟乙烯填充粉末70份、环氧树脂固化剂3份；将包封好的压电陶瓷传感器在60℃的条件下进行烘烤，并保温20h，使环氧树脂固化，硬度达到16MPa。

封装材料为水泥13份，环氧树脂1.0份，环氧树脂固化剂1.5份和水1.1份。

浇筑过程中对模具进行反复其敲打振捣，以振实封装材料。在85℃的条件下进行烘烤2h，63℃条件下保温存放60h，硬度达到30MPa。

接收型压电陶瓷传感器和发射型压电陶瓷传感器的其他组成结构及其他制备方法同实施例1。

实施例4

本发明中压电陶瓷片分别用于信号驱动器、信号传感器，信号驱动器宜选用压电陶瓷片的型号为PZT-5，信号传感器宜选用压电陶瓷片的型号为PZT-4。本研究中使用的PZT-5、PZT-4压电元件为保定市博发传感器销售有限公司生产。PZT-5、PZT-4分别用做接收驱动元件和发射驱动元件制备接收型压电陶瓷传感器和发射型压电陶瓷传感器。

硅树脂包括环氧树脂树脂120份、甲苯溶剂50份、聚四氟乙烯填充粉末80份、环氧树脂固化剂6份；将包封好的压电陶瓷传感器在60℃的条件下进行烘烤，并保温20h，使环氧树脂固化，硬度达到20MPa。

封装材料为水泥15份，环氧树脂1.2份，环氧树脂固化剂1.7份和水1.2份。

浇筑过程中对模具进行反复其敲打振捣，以振实封装材料。在85℃的条件下进行烘烤2h，70℃条件下保温存放60h，硬度达到35MPa。

接收型压电陶瓷传感器和发射型压电陶瓷传感器的其他组成结构及其他制备方法同实施例1。

实施例5

对压电陶瓷传感器动态响应的测试：

传感器的频率响应是测量动态响应传感器的重要性能之一。为了检测压电陶瓷传感器的频率响应，本压电陶瓷传感器在加载过程中，保持输入正弦荷载的幅值不变，改变输入荷载的频率，该频率范围包含混凝土结构、桥梁结构振动发生的频率范围。建筑物的低频振动范围为0-60Hz，因此为了模拟建筑物的低频振动，在钢筋梁的自由端放置激振器，用扫频信号发生器进行正弦激励，使钢筋梁自由端的激振频率在0-60Hz中的某一值，为了试验需要，此实施例2中控制激振频率分别设为5Hz、20Hz、50Hz，分别采集在各激振频率下梁的应变和传感器的电压输出。

等强度梁在5Hz、20Hz、50Hz的激励下，采集到的应变片和压电陶瓷传感器的响应曲线。从响应曲线可以看出，应变片和压电陶瓷传感器输出的都是连续变化的正弦波动信号，这说明传感器与应变片之间的输出对应良好，振动幅值稳定，能稳定地反映出结构的变化。

在等强度梁的自由端放置激振器，用扫频信号发生器控制激振器，进行正弦激励，固定激振频率不变，改变激励正弦信号的电压幅值来控制激振力的大小，将正弦信号的幅值从0V逐渐增加到4V，每次增加幅度为0.5V，这一过程通过计算机进行控制的。通过数据采集仪采集数据，在不同激振电压幅值下，选取应变片的最大应变幅值和对应传感器输出的最大电压幅值，采用这些数据绘制出固定激振频率下传感器电压输出和梁应变之间的对应关系。

从对压电陶瓷传感器动态响应的测试可以看出，本发明的压电陶瓷传感器相比起现有技术中的压电陶瓷传感器，具有以下技术优势

(1)分辨力好：本发明的压电陶瓷传感器在建筑物只有5Hz的振动频率下即可感应出建筑物钢梁结构的细微变化；

(2)灵敏度高：本发明的压电陶瓷传感器进行传感所需时间更短，一个峰值的时间只有0.1-0.2s，响应速度更快；

(3)稳定性高：本发明的压电陶瓷传感器在5Hz、20Hz、50Hz的测试下，应变片和压电陶瓷传感器输出的都是连续变化的正弦波动信号，这说明传感器与应变片之间的输出对应良好，振动幅值稳定，能稳定地反映出结构的变化。

实施例6

压电陶瓷传感器精度检测试验。

检测1：将16个压电陶瓷传感器沿着圆周均匀的排布到如图3所示的混凝土圆柱周边，并用如图4所示的模具固定，混凝土圆柱制作人为损伤，将本发明的压电陶瓷传感器与市售的金属压电陶瓷传感器进行精度比较，记录损伤探测时间，如图5所示。结果表明，随着时间的推进，各压电陶瓷传感器的成像精度都有进一步的优化（圆柱上的洞和图像上的密度高的地方是对应的，对应的越好说明精度越好，间接说明压电陶瓷传感器的质量好），本发明的压电陶瓷传感器相对而言精度更高，所以，本发明的压电陶瓷传感器对于数据的采集精度和成像的质量都有优势。

实施例7

压电陶瓷传感器精度检测试验。

检测2：按照检测1中的压电陶瓷传感器与混凝土接触方法连接好压电陶瓷传感器后，采用NI公司的PXI平台进行电压数据采集，该平台具有强大的数据采集及数据处理的能力，其中所使用的矩阵开关PXI-2532，具有高度的灵活性，使得压电陶瓷传感器切换更加简便，数据采集时的效率更高。将本发明的压电陶瓷传感器和市售金属压电陶瓷传感器所采集的数值分别与仿真数据做对比，仿真数据采用matlab和comsol软件制作。如图4、图5、图6所示，由图可知，本发明的压电陶瓷传感器采集的试验数据更接近仿真数据。本发明的压电陶瓷传感器不会发生极差不稳定现象，不会发生跃变现象，可长期对混凝土结构进行监测。

用于混凝土ERT成像的压电陶瓷传感器的使用方法为：准备模具，模内表面涂抹脱模剂，将混凝土ERT成像压电陶瓷传感器埋入到搅拌好的砂浆中，成型后养护，拆模，即可进行数据的采集。相对于其他的ERT压电陶瓷传感器，本次试验所采用的混凝土ERT成像压电陶瓷传感器更适应于在混凝土结构中钢筋混凝土结构中的监测。在施工过程中，将压电陶瓷传感器埋入混凝土中，在以后的长时间内均能够对钢筋混凝土结构健康状况进行在线监测。

用于混凝土ERT成像的压电陶瓷传感器的工作原理为：将压电陶瓷传感器预埋于混凝土结构中，混凝土凝固以后，埋入于建筑物的受力柱或梁等位置，当结构受到外部荷载作用时，从被测对象外部通过所设计的压电陶瓷传感器施加激励信号（电信号），在计算机投影控制模块控制下，激励源信号通过多路复用切换开关模块选通并施加在预定的某一激励压电陶瓷传感器对上，激励信号通过检测样本将在其测量压电陶瓷传感器上产生响应信号，通过多路复用切换开关模块的选通将样本上的响应信号输入投影数据采集模块并采集入电脑，得到一次投影数据换用下一组激励测量压电陶瓷传感器进行激励和数据测量得到另一次投影数据，如此反复下去，由于被测对象内部电阻率参数的分布不同，从而得到被测对象的一组投影数据，进而这组投影数据进行反演重建得到被检测对象的ERT来分析其受力状态。

实施例8

用于混凝土ERT成像压电陶瓷传感器的测试方法，测试采用NI公司的PXI平台进行电压数据采集，所使用的矩阵开关PXI-2532；注入的电流是20mA；按照压电陶瓷传感器的排布方式进行相邻法测试；

相邻法测试方法为：

首先，将16个压电陶瓷传感器顺时针按顺时针方向依次标号为0压电陶瓷传感器，1压电陶瓷传感器，2压电陶瓷传感器，…14压电陶瓷传感器，15压电陶瓷传感器；

其次，通过PXI平台，利用矩阵开关PXI-2532对0压电陶瓷传感器输入电流，1压电陶瓷传感器输出电流，形成电场，每相邻两个压电陶瓷传感器返回一个电压值，如2压电陶瓷传感器和3压电陶瓷传感器两压电陶瓷传感器间测试电压值；4压电陶瓷传感器和5压电陶瓷传感器两压电陶瓷传感器间测试电压值；……；12压电陶瓷传感器和13压电陶瓷传感器两压电陶瓷传感器间测试电压值；14压电陶瓷传感器和15压电陶瓷传感器两压电陶瓷传感器间测试电压值；记录上述所得电压值于统计表中；

对1压电陶瓷传感器输入电流，2压电陶瓷传感器输出电流，形成电场，每相邻两个压电陶瓷传感器返回一个电压值，如3压电陶瓷传感器和4压电陶瓷传感器两压电陶瓷传感器间测试电压值；5压电陶瓷传感器和6压电陶瓷传感器两压电陶瓷传感器间测试电压值；……；13压电陶瓷传感器和14压电陶瓷传感器两压电陶瓷传感器间测试电压值；15压电陶瓷传感器和0压电陶瓷传感器两压电陶瓷传感器间测试电压值；记录上述所得电压值于统计表中；

以此类推，记录上述所得电压值于统计表中；

最后，对15压电陶瓷传感器输入电流，0压电陶瓷传感器输出电流，形成电场，每相邻两个压电陶瓷传感器返回一个电压值，如1压电陶瓷传感器和2压电陶瓷传感器两压电陶瓷传感器间测试电压值；3压电陶瓷传感器和4压电陶瓷传感器两压电陶瓷传感器间测试电压值；……；11压电陶瓷传感器和12压电陶瓷传感器两压电陶瓷传感器间测试电压值；13压电陶瓷传感器和14压电陶瓷传感器两压电陶瓷传感器间测试电压值；记录上述所得电压值于统计表中；

即每输入输出一次电流，得到13组电压值，总共有16组注入电流方式，最终得到208组电压值；记录上述所得电压值于统计表中。

实施例9

用于混凝土ERT成像压电陶瓷传感器的测试方法，测试采用NI公司的PXI平台进行电压数据采集，所使用的矩阵开关PXI-2532；注入的电流是20mA；按照压电陶瓷传感器的排布方式进行相对法测试；

相对法测试方法为：

首先，将16个压电陶瓷传感器顺时针按顺时针方向依次标号为0压电陶瓷传感器，1压电陶瓷传感器，2压电陶瓷传感器，…14压电陶瓷传感器，15压电陶瓷传感器；

其次，通过PXI平台，利用矩阵开关PXI-2532对0压电陶瓷传感器输入电流，8压电陶瓷传感器输出电流，形成电场，每相邻两个压电陶瓷传感器返回一个电压值，如1压电陶瓷传感器和2压电陶瓷传感器两压电陶瓷传感器间测试电压值；3压电陶瓷传感器和4压电陶瓷传感器两压电陶瓷传感器间测试电压值；……；7压电陶瓷传感器和9压电陶瓷传感器两压电陶瓷传感器间测试电压值；……；12压电陶瓷传感器和13压电陶瓷传感器两压电陶瓷传感器间测试电压值；14压电陶瓷传感器和15压电陶瓷传感器两压电陶瓷传感器间测试电压值；记录上述所得电压值于统计表中；

对1压电陶瓷传感器输入电流，9压电陶瓷传感器输出电流，形成电场，每相邻两个压电陶瓷传感器返回一个电压值，如2压电陶瓷传感器和3压电陶瓷传感器两压电陶瓷传感器间测试电压值；4压电陶瓷传感器和5压电陶瓷传感器两压电陶瓷传感器间测试电压值；……；8压电陶瓷传感器和10压电陶瓷传感器两压电陶瓷传感器间测试电压值；……；13压电陶瓷传感器和14压电陶瓷传感器两压电陶瓷传感器间测试电压值；15压电陶瓷传感器和0压电陶瓷传感器两压电陶瓷传感器间测试电压值；记录上述所得电压值于统计表中；

以此类推，记录上述所得电压值于统计表中；

最后，对15压电陶瓷传感器输入电流，7压电陶瓷传感器输出电流，形成电场，每相邻两个压电陶瓷传感器返回一个电压值，如0压电陶瓷传感器和1压电陶瓷传感器两压电陶瓷传感器间测试电压值；2压电陶瓷传感器和3压电陶瓷传感器两压电陶瓷传感器间测试电压值；……；6压电陶瓷传感器和8压电陶瓷传感器两压电陶瓷传感器间测试电压值；……；13压电陶瓷传感器和14压电陶瓷传感器两压电陶瓷传感器间测试电压值；记录上述所得电压值于统计表中；

即每输入输出一次电流，得到13组电压值，总共有16组注入电流方式，最终得到208组电压值；记录上述所得电压值于统计表中。

通过实施例6-9的实施分析，本发明和现有技术相比：

（1）本发明能精度定位压电陶瓷传感器的位置，并且可以根据混凝土结构的大小来设计不同的大小压电陶瓷传感器。图6是在ERT成像中，使用comsol对16个压电陶瓷传感器，采用电流相邻注入，电压相邻采取的方式进行仿真所得的数据；图7是使用本发明的不极化压电陶瓷传感器所采集的电压数据；图8是使用市售普通压电陶瓷传感器所采集的电压数据。从这三个图中，可以明显的得出，使用压电陶瓷传感器采集的电压更接近与仿真的数据，产生的噪音误差也更小，对成像的精度有很大的提高。而使用普通压电陶瓷传感器所采集的电压值，明显噪音大，幅值变化也大，产生成像精度差。

（2）本发明构造简单、性能稳定、使用寿命长，可长期对混凝土结构进行监测；且成本低廉，适用于土木工程中的广泛应用。

上述虽然结合实施例对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种用于混凝土ERT成像压电陶瓷传感器的制作方法，其特征在于，包括以下的步骤：

（1）将A、B两根导线固定于压电陶瓷片的正负两极，作为发射端，将C、D两根导线固定于压电陶瓷片的正负两极，作为接收端；

（2）用胶液将固定好的A、B、C、D导线覆盖，在接收端的压电陶瓷片正极涂抹胶液，将屏蔽线E导线通过胶液固定于接收端正极，在屏蔽线E导线表面涂抹导电层，再次涂抹胶液将屏蔽线E导线覆盖；

（3）将发射端以及接收端的导线的另一端分别连接两个传感器接头；

（4）准备模具，模内表面涂抹脱模剂，将所述发射端和接收端的压电陶瓷片悬空固定于模具中央；

（5）将水泥、环氧树脂按照质量比1：（1-2）混合均匀制备封装材料，抽真空，将封装材料浇注于固定好压电陶瓷片的模具里，形成灌封块；

（6）待封装材料完全干燥后，拆掉模具，即得压电陶瓷传感器。

2.根据权利要求1所述的用于混凝土ERT成像压电陶瓷传感器的制作方法，其特征在于，所述步骤（5）拆掉模具后还包括以下步骤：将屏蔽线E一端粘贴于接收端灌封块表面，并在灌封块表面涂抹导电层，屏蔽线另一端连接接收端传感器接头，其中，屏蔽线E与C、D导线为同轴导线。

3.根据权利要求2所述的用于混凝土ERT成像压电陶瓷传感器的制作方法，其特征在于，所述同轴导线的中心导线连接压电陶瓷片的正极，所述同轴导线的外层导线拧成一股连接压电陶瓷片的负极。

4.根据权利要求1所述的用于混凝土ERT成像压电陶瓷传感器的制作方法，其特征在于，所述步骤（1）中，A、B、C、D四根导线均为铜线；用电烙铁将A、B、C、D四根导线焊接到压电陶瓷传感器的电极相应位置，电烙铁的功率为25-45W，焊接时间控制为2-6s。

5.根据权利要求1所述的用于混凝土ERT成像压电陶瓷传感器的制作方法，其特征在于，所述步骤（2）中，导电层为银粉与丙酮混合而成。

6.根据权利要求1所述的用于混凝土ERT成像压电陶瓷传感器的制作方法，其特征在于，步骤（4）中，所述模具为不锈钢、钛合金或铜制成，尺寸为2cm×2cm×2cm；

所述脱模剂为石蜡、甘油、凡士林中的一种或几种；所述模具的缝隙处涂抹凡士林。

7.根据权利要求1所述的用于混凝土ERT成像压电陶瓷传感器的制作方法，其特征在于，PZT-4型压电陶瓷片作为接收端，PZT-5型压电陶瓷片作为发射端所述A、B导线为同轴导线，C、D导线为同轴导线；所述传感器接头为BNC接头。

8.一种用于混凝土ERT成像压电陶瓷传感器的测试方法，其特征在于，测试采用NI公司的PXI平台进行电压数据采集，使用矩阵开关PXI-2532；注入电流为20mA；按照压电陶瓷传感器的排布方式进行相邻法测试；

相邻法测试方法为：

首先，将16个压电陶瓷传感器顺时针按顺时针方向依次标号为0压电陶瓷传感器，1压电陶瓷传感器，2压电陶瓷传感器，…14压电陶瓷传感器，15压电陶瓷传感器；

其次，通过PXI平台，利用矩阵开关PXI-2532对0压电陶瓷传感器输入电流，1压电陶瓷传感器输出电流，形成电场，每相邻两个压电陶瓷传感器返回一个电压值，如2压电陶瓷传感器和3压电陶瓷传感器两压电陶瓷传感器间测试电压值；4压电陶瓷传感器和5压电陶瓷传感器两压电陶瓷传感器间测试电压值；……；12压电陶瓷传感器和13压电陶瓷传感器两压电陶瓷传感器间测试电压值；14压电陶瓷传感器和15压电陶瓷传感器两压电陶瓷传感器间测试电压值；记录上述所得电压值于统计表中；

对1压电陶瓷传感器输入电流，2压电陶瓷传感器输出电流，形成电场，每相邻两个压电陶瓷传感器返回一个电压值，如3压电陶瓷传感器和4压电陶瓷传感器两压电陶瓷传感器间测试电压值；5压电陶瓷传感器和6压电陶瓷传感器两压电陶瓷传感器间测试电压值；……；13压电陶瓷传感器和14压电陶瓷传感器两压电陶瓷传感器间测试电压值；15压电陶瓷传感器和0压电陶瓷传感器两压电陶瓷传感器间测试电压值；记录上述所得电压值于统计表中；

以此类推，记录上述所得电压值于统计表中；

最后，对15压电陶瓷传感器输入电流，0压电陶瓷传感器输出电流，形成电场，每相邻两个压电陶瓷传感器返回一个电压值，如1压电陶瓷传感器和2压电陶瓷传感器两压电陶瓷传感器间测试电压值；3压电陶瓷传感器和4压电陶瓷传感器两压电陶瓷传感器间测试电压值；……；11压电陶瓷传感器和12压电陶瓷传感器两压电陶瓷传感器间测试电压值；13压电陶瓷传感器和14压电陶瓷传感器两压电陶瓷传感器间测试电压值；记录上述所得电压值于统计表中；

即每输入输出一次电流，得到13组电压值，总共有16组注入电流方式，最终得到208组电压值；记录上述所得电压值于统计表中。

9.一种用于混凝土ERT成像压电陶瓷传感器的测试方法，其特征在于，测试采用NI公司的PXI平台进行电压数据采集，使用矩阵开关PXI-2532；注入电流为20mA；按照压电陶瓷传感器的排布方式进行相对法测试；

相对法测试方法为：

首先，将16个压电陶瓷传感器顺时针按顺时针方向依次标号为0压电陶瓷传感器，1压电陶瓷传感器，2压电陶瓷传感器，…14压电陶瓷传感器，15压电陶瓷传感器；

其次，通过PXI平台，利用矩阵开关PXI-2532对0压电陶瓷传感器输入电流，8压电陶瓷传感器输出电流，形成电场，每相邻两个压电陶瓷传感器返回一个电压值，如1压电陶瓷传感器和2压电陶瓷传感器两压电陶瓷传感器间测试电压值；3压电陶瓷传感器和4压电陶瓷传感器两压电陶瓷传感器间测试电压值；……；7压电陶瓷传感器和9压电陶瓷传感器两压电陶瓷传感器间测试电压值；……；12压电陶瓷传感器和13压电陶瓷传感器两压电陶瓷传感器间测试电压值；14压电陶瓷传感器和15压电陶瓷传感器两压电陶瓷传感器间测试电压值；记录上述所得电压值于统计表中；

对1压电陶瓷传感器输入电流，9压电陶瓷传感器输出电流，形成电场，每相邻两个压电陶瓷传感器返回一个电压值，如2压电陶瓷传感器和3压电陶瓷传感器两压电陶瓷传感器间测试电压值；4压电陶瓷传感器和5压电陶瓷传感器两压电陶瓷传感器间测试电压值；……；8压电陶瓷传感器和10压电陶瓷传感器两压电陶瓷传感器间测试电压值；……；13压电陶瓷传感器和14压电陶瓷传感器两压电陶瓷传感器间测试电压值；15压电陶瓷传感器和0压电陶瓷传感器两压电陶瓷传感器间测试电压值；记录上述所得电压值于统计表中；

以此类推，记录上述所得电压值于统计表中；

最后，对15压电陶瓷传感器输入电流，7压电陶瓷传感器输出电流，形成电场，每相邻两个压电陶瓷传感器返回一个电压值，如0压电陶瓷传感器和1压电陶瓷传感器两压电陶瓷传感器间测试电压值；2压电陶瓷传感器和3压电陶瓷传感器两压电陶瓷传感器间测试电压值；……；6压电陶瓷传感器和8压电陶瓷传感器两压电陶瓷传感器间测试电压值；……；13压电陶瓷传感器和14压电陶瓷传感器两压电陶瓷传感器间测试电压值；记录上述所得电压值于统计表中；

即每输入输出一次电流，得到13组电压值，总共有16组注入电流方式，最终得到208组电压值；记录上述所得电压值于统计表中。