CN112024343A - 一种可用于沥青路面损伤监测的压电超声换能器及其制备方法 - Google Patents
一种可用于沥青路面损伤监测的压电超声换能器及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种可用于沥青路面损伤监测的压电超声换能器，包括压电超声换能器本体，所述压电超声换能器本体包括背衬层、匹配层、屏蔽层和压电复合材料，所述背衬层和匹配层分别设于压电复合材料前后两侧，所述屏蔽层覆盖于压电复合材料左右两侧，所述压电复合材料连接有屏蔽线。该压电超声换能器能够解决与沥青材料的相容性问题以及道路环境适应性问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种可用于沥青路面损伤监测的压电超声换能器及其制备方法，还涉及一种可用于沥青路面损伤监测的压电超声换能器的制备方法。
背景技术
截止2018年末，全国公路总里程达到484.65万公里，其中，高速公路达到14.26万公里，规模居世界第一。其中，95%以上为沥青路面，在服役过程中受复杂环境因素影响和车辆荷载反复作用，会出现路用性能下降、开裂、车辙等多种病害。传统路面性能检测方法多为不连续的人工检测，只有在路面出现表面病害后才能被检测修复，不能及时了解路面的内部损伤状况及演变过程。因此对沥青内部损伤进行连续健康监测具有十分重要的意义。
发明内容
鉴于背景技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种可用于沥青路面损伤监测的压电超声换能器。
为此，本发明提供的一种可用于沥青路面损伤监测的压电超声换能器，包括压电超声换能器本体，所述压电超声换能器本体包括背衬层、匹配层、屏蔽层和压电复合材料，所述背衬层和匹配层分别设于压电复合材料前后两侧，所述屏蔽层覆盖于压电复合材料左右两侧，所述压电复合材料连接有屏蔽线。
本发明的有益效果，
（1）将压电超声换能器埋设在路面中，对路面损伤进行连续的监测，可以获取路面内部损伤的全生命周期演变过程，具有监测的实时性和持续性，维护费用低。
（2）压电超声换能器中压电复合材料与常规压电陶瓷相比，压电电压常数更大，频带宽度更大，机电耦合系数高。
（3）压电超声换能器的匹配层、背衬层中具有沥青，压电超声换能器与路面更好融合，解决了与路面沥青材料相容性的问题，包括声阻抗匹配问题，温致湿致变形协调性问题，界面粘结性问题，更适应道路环境。
（4）该压电超声换能器用途范围广，不仅用于监测路面损伤情况，还可用于用于车流量监测，车速检测，车辆动态称重等。
附图说明
图1为本发明提供的一种可用于沥青路面损伤监测的压电超声换能器的俯视结构示意图；
图2为图1提供的一种可用于沥青路面损伤监测的压电超声换能器中压电复合材料的结构示意图；
图3为本图2提供的一种可用于沥青路面损伤监测的压电超声换能器中压电复合材料的制备流程示意图；
图4为本发明提供的一种可用于沥青路面损伤监测的压电超声换能器应用于沥青路面损伤监测示意图。
具体实施方式
参照图1和图2所示，本发明中一种可用于沥青路面损伤监测的压电超声换能器，包括压电超声换能器本体1，所述压电超声换能器本体包括背衬层2、匹配层3、屏蔽层4和压电复合材料5。压电复合材料5为1-3型聚合物/沥青基压电复合材料，所述压电复合材料5包括多个均匀排列的压电陶瓷柱6，相邻压电陶瓷柱6之间浇注有聚合物基体或沥青基体7。与单一的压电陶瓷相比，1-3型聚合物/沥青基压电复合材料具有压电电压常数大，频带宽度大，机电耦合系数高，声阻抗匹配优点。
所述匹配层3设于压电复合材料5前侧，所述匹配层3由沥青、环氧树脂和固化剂组成。通过匹配层3使得压电超声换能器与沥青路接触具有连续性，所述背衬层2设于压电复合材料5后侧，所述背衬层2由沥青、环氧树脂、钨粉和固化剂组成。背衬层2用以吸收多余的声波，提高声波指向性。压电超声换能器的匹配层、背衬层中具有沥青，压电超声换能器与路面更好融合，解决了与路面沥青材料相容性的问题，包括声阻抗匹配问题，温致湿致变形协调性问题，界面粘结性问题，更适应道路环境。
所述屏蔽层4覆盖于压电复合材料左右两侧，屏蔽层4采用喷涂电磁屏蔽涂料的方式对换能器进行屏蔽处理，用以减少使用过程中外界噪声的干扰。所述屏蔽线8一端与压电复合材料连接。
当压电超声换能器本体的压电复合材料5中的压电陶瓷柱6为PZT-4压电陶瓷，则压电超声换能器本体为发射型压电超声换能器9。当压电超声换能器本体的压电复合材料中的压电陶瓷柱6为PZT-5压电陶瓷，则压电超声换能器本体为接收型压电超声换能器10。
参照图1、图2和图4所示，使用时，将发射型压电超声换能器9和接收型压电超声换能器10按照一定间距埋设于路面11面层内部，发射型压电超声换能器9中的屏蔽线8另一端与电源连接，接收型压电超声换能器10中的屏蔽线8另一端与信号处理器连接。发射型压电超声换能器9与电源连接后发出检测超声波，超声波经过路面缺陷处12，其波形会发生畸变从而导致波长，频率等发生变化，接收型压电超声换能器10接收超声波，超声波是一种在弹性介质中传播的机械波，其声学参量在不同损伤类型和损伤程度的沥青路面中有不同的响应。将声学参量传输至外部信号处理器，声学参量包括波形，声速，振幅和频率。通过分析波形的变化来确定该路段路面内部结构损伤状况。信号处理器内无线传输系统将路面内部损伤的全生命周期演变过程传输至电脑系统，实现实时性和持续性的监测路面内部损伤，无需人工检测，降低维护费用，提高监测的时效性。
参照图1、图2、图3和图4所示，本发明中一种可用于沥青路面损伤监测的压电超声换能器的制备方法，步骤如下：
（1）采用切割-浇注法制备压电复合材料，通过压电复合模具，以PZT压电陶瓷为功能体，沥青为基体，环氧树脂为基体改性组分，制备压电复合材料；
（2）压电复合材料5制备完成后与屏蔽线8连接，屏蔽线选用的是内芯为铜导线的屏蔽线，屏蔽线8一端通过电烙铁连接在压电复合材料5上；
（3）将压电复合材料5放入换能器模具中，再将匹配层3浇注在换能器模具内并固化，匹配层3浇注于压电复合材料5前侧，匹配层3由沥青、环氧树脂和固化剂调制组成，用以解决换能器和沥青接触面不连续的问题；
（4）将背衬层2浇注在换能器模具内并固化，所述背衬层2浇注于压电复合材料5后侧，所述背衬层2由沥青、环氧树脂、钨粉和固化剂组成，用以吸收多余的声波，提高声波指向性；
（5）最后在压电复合材料5的左侧和右侧喷涂屏蔽层4，所述屏蔽层4为电磁屏蔽涂料。
参照图1、图2和图3所示，上述一种可用于沥青路面损伤监测的压电超声换能器中压电复合材料5的制备步骤如下：
先将压电陶瓷进行极化处理，并通过切片机将压电陶瓷切割成若干压电陶瓷柱6；
(1) 将压电陶瓷柱6通过丙酮清洗，再用钛酸四丁酯将压电陶瓷柱浸泡；
(2) 将若干压电陶瓷柱6固定在压电复合模具中，压电复合模具内壁涂抹一层机油，压电陶瓷柱6均匀分布于压电复合模具内，并放在振动台上；
(3) 将聚合物基体或沥青基体7浇注到模具内，在振动台的作用下，所述聚合物基体或沥青基体7均匀浇注分布于相邻压电陶瓷柱6之间的空隙处，压电复合材料5浇注完成；
(4) 浇注完成后，放入真空干燥器中抽真空除去聚合物基体或沥青基体中的气泡；
(5) 将压电复合模具放入标准养护箱内养护，直至背衬层、匹配层和压电复合材料完全固化；
(6) 固化后进行脱模，再在表面进行打磨再抛光，再用丙酮擦拭表面后被电极；
(7) 最后在真空干燥箱中烘1小时-2小时，压电复合材料5制备完成；
一种可用于沥青路面损伤监测的压电超声换能器的中匹配层3制备步骤如下：
(1) 首先将环氧树脂在60-70℃下进行预热处理，然后加入沥青充分搅拌均匀，沥青和环氧树脂的质量比为1:1；
(2) 放入真空干燥器中抽真空除气泡，直到没有气泡产生为止；
(3) 加入固化剂并搅拌均匀，环氧树脂和固化剂的质量比为4：1，再次放入真空干燥器抽真空处理；
(4) 浇注到换能器模具中压电复合材料的前侧。
一种可用于沥青路面损伤监测的压电超声换能器中背衬层2制备步骤如下：
(1) 首先将环氧树脂在60-70℃下进行预热处理，然后加入沥青充分搅拌均匀，沥青和环氧树脂的质量比为1:1；
(2) 加入钨粉，搅拌均匀后放入真空干燥器中抽真空处理；
(3) 加入固化剂并搅拌均匀，环氧树脂和固化剂的质量比为4：1，再次放入真空干燥器抽真空处理；
(4) 将其浇注到换能器模具中压电元件的后侧。
压电超声换能器本体用途范围广，不仅用于监测路面损伤情况，还可用于用于车流量监测，车速检测，车辆动态称重等。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种可用于沥青路面损伤监测的压电超声换能器，其特征是：包括压电超声换能器本体，所述压电超声换能器本体包括背衬层、匹配层、屏蔽层和压电复合材料，所述匹配层设于压电复合材料前侧，背衬层设于压电复合材料后侧，所述屏蔽层覆盖于压电复合材料左右两侧，所述压电复合材料连接有屏蔽线。
2.根据权利要求1所述的一种可用于沥青路面损伤监测的压电超声换能器，其特征是：所述压电复合材料包括多个均匀排列的压电陶瓷柱，相邻压电陶瓷柱之间浇注有聚合物基体或沥青基体。
3.根据权利要求2所述的一种可用于沥青路面损伤监测的压电超声换能器，其特征是：所述压电超声换能器本体为发射型压电超声换能器，压电陶瓷柱为PZT-4压电陶瓷。
4.根据权利要求2所述的一种可用于沥青路面损伤监测的压电超声换能器，其特征是：所述压电超声换能器本体为接收型压电超声换能器，压电陶瓷柱为PZT-5压电陶瓷。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种可用于沥青路面损伤监测的压电超声换能器，其特征是：所述匹配层由沥青、环氧树脂和固化剂组成，所述背衬层由沥青、环氧树脂、钨粉和固化剂组成。
6.根据权利要求1所述的一种可用于沥青路面损伤监测的压电超声换能器的制备方法，其特征是：步骤如下：
采用切割-浇注法制备压电复合材料，通过压电复合模具，以PZT压电陶瓷为功能体，沥青为基体，环氧树脂为基体改性组分，制备压电复合材料；
压电复合材料制备完成后与屏蔽线连接；
将压电复合材料放入换能器模具中，再将匹配层浇注在换能器模具内并固化，匹配层浇注于压电复合材料前侧，匹配层由沥青、环氧树脂和固化剂调制组成；
将背衬层浇注在换能器模具内并固化，所述背衬层浇注于压电复合材料后侧，所述背衬层由沥青、环氧树脂、钨粉和固化剂组成；
最后在压电复合材料的左侧和右侧喷涂屏蔽层，所述屏蔽层为电磁屏蔽涂料。
7.根据权利要求6所述的一种可用于沥青路面损伤监测的压电超声换能器的制备方法，其特征是：步骤（1）压电复合材料的制备步骤如下：
先将压电陶瓷进行极化处理，并通过切片机将压电陶瓷切割成若干压电陶瓷柱；
将压电陶瓷柱通过丙酮清洗，再用钛酸四丁酯将压电陶瓷柱浸泡；
将若干压电陶瓷柱固定在压电复合模具中，压电复合模具内壁涂抹一层机油，压电陶瓷柱均匀分布于压电复合模具内，并放在振动台上；
将聚合物基体或沥青基体浇注到模具内，在振动台的作用下，所述聚合物基体或沥青基体均匀浇注分布于相邻压电陶瓷柱之间的空隙处，压电复合材料浇注完成；
浇注完成后，放入真空干燥器中抽真空除去聚合物基体或沥青基体中的气泡；
将压电复合模具放入标准养护箱内养护，直至背衬层、匹配层和压电复合材料完全固化；
固化后进行脱模，再在表面进行打磨再抛光，再用丙酮擦拭表面后被电极；
最后在真空干燥箱中烘1小时-2小时，压电复合材料制备完成。
8.根据权利要求6所述的一种可用于沥青路面损伤监测的压电超声换能器的制备方法，其特征是：上述步骤（3）中匹配层制备步骤如下：
（1）首先将环氧树脂在60-70℃下进行预热处理，然后加入沥青充分搅拌均匀，沥青和环氧树脂的质量比为1:1；
（2）放入真空干燥器中抽真空除气泡，直到没有气泡产生为止；
(3)加入固化剂并搅拌均匀，环氧树脂和固化剂的质量比为4：1，再次放入真空干燥器抽真空处理；
（4）浇注到换能器模具中压电复合材料的前侧。
9.根据权利要求7所述的一种可用于沥青路面损伤监测的压电超声换能器的制备方法，其特征是：上述步骤（4）中背衬层制备步骤如下：
(1) 首先将环氧树脂在60-70℃下进行预热处理，然后加入沥青充分搅拌均匀，沥青和环氧树脂的质量比为1:1；
（2）加入钨粉，搅拌均匀后放入真空干燥器中抽真空处理；
(3)加入固化剂并搅拌均匀，环氧树脂和固化剂的质量比为4：1，再次放入真空干燥器抽真空处理；
(4)将其浇注到换能器模具中压电元件的后侧。
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