CN112305075B - 压电超声传感器的布设方法及在水泥混凝土水化进程全方位在线监测中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电超声传感器的布设方法及在水泥混凝土水化进程全方位在线监测中的应用，以球形压电超声传感器为发射超声信号的发射传感器，以该球形压电超声传感器为球心，在其周围的一个或多个球面上布置有多个用于接收超声波的压电超声接收传感器。本发明参考我国北斗卫星系统的布局，采用中心360°发射信号、四周360°接收信号的设计思路对传感器进行布设，提高了水泥混凝土不同方向、不同角度上水化进程监测的可靠性，消除了水泥混凝土水化监测过程中由于各向异性造成的监测误差，实现了对水泥混凝土水化进程的全方位实时在线监测，适用于水泥混凝土水化长期实时在线监测。

Description

压电超声传感器的布设方法及在水泥混凝土水化进程全方位 在线监测中的应用

技术领域

本发明涉及一种压电超声传感器的布设方法，还涉及一种采用该布设方法对水泥混凝土水化进程进行实时全方位在线监测的方法，属于水泥混凝土质量监测技术领域。

背景技术

水泥混凝土的水化是一个复杂的化学反应过程，在不同的水化阶段具有不同的水化特征，为了确保混凝土优异的工程性能，需要实时监测水泥混凝土内部不同部位、不同方向的水泥水化特征，及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。正是由于水泥混凝土水化具有即时性，不同水化阶段的声学参数不相同，同时水泥混凝土内部不同位置的水化可能存在差异，因此，实现对水泥混凝土水化的实时全方位监测就显得极为重要。

然而，目前还没有很好的在线监测方法可以对水泥混凝土混合体系的水化进程进行全方位在线监测，现有的监测方法大多存在样本数据少、监测面少等缺点，所得数据不具很强的说服力。

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，但如何使用超声波实现水泥混凝土水化进程的全方位在线监测还没有很好的方法。

发明内容

针对现有技术缺少有效的水泥混凝土水化进程实时全方位在线监测方案，本发明提供了一种便于实现水泥混凝土水化进程全方位在线监测的压电超声传感器的布设方法，该方法通过对传感器类型以及传感器布设方法的设置，能够很好的实现对水泥混凝土水化进程的全方位在线监测。

本发明参考我国北斗卫星的布局原则对传感器进行布设，以实现对被测物体全方位无死角的在线监测。该布设方法的关键是选择球形压电超声传感器作为向四周发射超声波的超声信号发射传感器，以该球形压电超声发射传感器为核心，或者称之为球心，在其四周360°布设若干个用于接收超声波的压电超声传感器。这个球形压电超声发射传感器可以定义为恒星传感器，这些接收超声波的压电超声传感器可以定义为卫星传感器。卫星传感器参照我国北斗卫星系统的布局原则设计，分布在距离恒星传感器不同半径的球面上，每个球面成为一层，距离恒星传感器最近的球面上的卫星传感器定义为第一层，然后根据距离恒星传感器的远近定义为第二层、第三层、……、第n层。因为恒星传感器可以360°发射信号，在恒星传感器的周围呈球形分布有若干的卫星传感器，因此可以实现信号的360°全方位发射和接收，为全方位无死角的在线监测提供了可能。

本发明具体技术方案如下：

一种压电超声传感器的布设方法，该方法是：以球形压电超声传感器为发射超声信号的发射传感器，以该球形压电超声发射传感器为球心，在其周围的一个或多个球面上布置有多个用于接收超声波的压电超声接收传感器（简称压电超声传感器）。

进一步的，上述布设方法中，在同一个球面上的压电超声接收传感器离球形压电超声发射传感器的距离相同。在这一相同球面上的压电超声接收传感器可以称之为一层，根据需要，可以在球形压电超声发射传感器的周围布置一层、两层或者多层压电超声接收传感器。每层上的压电超声接收传感器的个数根据实际需要进行调整，例如根据信号传递的距离，根据监测效果等。

进一步的，上述布设方法中，所述球形压电超声发射传感器的压电元件为球状的压电陶瓷或压电复合材料，极化方向沿球壁直径方向，电极面分别为内外表面。球形压电超声传感器的谐振频率可以根据需要进行选择，例如30-150kHz。这种球形压电超声传感器在现有技术中已经有相关报道，可以直接从现有技术中进行选择。

进一步的，上述布设方法中，所述用于接收超声波的压电超声接收传感器的压电元件为长条状、圆环状、柱状或球状的压电陶瓷或压电复合材料。长条状压电超声接收传感器的极化方向沿压电元件的厚度方向，圆环状、柱状或球状的压电超声接收传感器的极化方向沿压电元件的直径方向。这些压电超声接收传感器在现有技术中也有相关报道，可以直接从现有技术中进行选择。

进一步的，上述布设方法中，每个压电超声接收传感器距离球形压电超声发射传感器的距离、各压电超声接收传感器之间的距离、各层压电超声接收传感器的个数、以及各层压电超声接收传感器的相对位置关系可以灵活调整，例如根据各压电超声接收传感器的接收信号的距离、球形压电超声发射传感器发射信号的距离而调整，只要能够保证实现全方位无死角信号监测即可。为了使监测信号更具有可用性，在测定各压电超声接收传感器布设是否合理时，可以以能够接收到的超声波形具有清晰可见的首波波形和明显的峰值为标准来进行判断，在此情况下，可以无死角获取被监测体的水化信息。

进一步的，上述布设方法中，以球形压电超声发射传感器为球心的每个球面上，至少布设2个压电超声接收传感器，优选每个球面上布设10个压电超声接收传感器。

基于上述传感器布设方法，本发明还提供了一种水泥混凝土水化进程全方位在线监测方法，该方法是：在水泥混凝土内部布设压电超声传感器，以实时全方位在线监测水泥混凝土的水化情况，所述压电超声传感器有用于发射超声信号的球形压电超声发射传感器和用于接收超声波的若干压电超声接收传感器，压电超声传感器的布设方法采用上述描述的传感器布设方法。

进一步的，上述全方位在线监测方法中，传感器布设在水泥混凝土的内部，所述球形压电超声发射传感器布设在水泥混凝土的中心位置，即球形压电超声发射传感器无论在纵向还是在横向都处于中心位置。

进一步的，上述全方位在线监测方法中，压电超声接收传感器以球形压电超声发射传感器为球心呈球形分布，在球形压电超声发射传感器周围的一个球面或多个球面上布设压电超声接收传感器，即在球形压电超声发射传感器的周围布设一层或多层压电超声接收传感器。

进一步的，上述全方位在线监测方法中，压电超声接收传感器的数量、位置以及压电超声接收传感器围绕球形压电超声发射传感器球形布设的层数可以灵活调整，以能够实现水泥混凝土水化的全方位监测为准。

进一步的，球形压电超声发射传感器与信号发生模块相连，由信号发生模块产生的超声波通过球形压电超声发射传感器发射出去，球形压电超声发射传感器对信号的发射无死角， 360°均可以发射信号。各压电超声接收传感器进行并联连接，并且各压电超声接收传感器均与信号接收模块进行连接，信号接收模块与信号分析与处理模块相连，信号接收模块接收的超声信号传递给信号分析与处理模块进行处理分析，从而能够对被监测的混凝土内部的水化情况进行实时的监测分析。

进一步的，上述全方位在线监测方法可以用于大面积的混凝土监测中，也可以用于小面积的混凝土监测中。定义一个球形压电超声发射传感器及围绕在其周围的若干布设的压电超声接收传感器为一个传感器监测系统，当用于大面积混凝土监测中时，为了对混凝土各个位置都进行全面的监测，可以在混凝土中同时布置多个传感器监测系统。

进一步的，本发明还提供了一种使用方便的、便于操作的水泥混凝土水化全方位监测装置，该装置包括用于盛装水泥混凝土的容器，所述容器上方带有开口，在容器的内腔中心位置固定有球形压电超声发射传感器，在球形压电超声发射传感器的四周固定有多个压电超声接收传感器，所述压电超声接收传感器以球形压电超声发射传感器为球心呈球形分布。

进一步的，上述水泥混凝土水化全方位监测装置中，各压电超声接收传感器分布的层数根据监测距离的远近而定。

进一步的，上述水泥混凝土水化全方位监测装置中，各压电超声接收传感器均匀分布。

进一步的，上述水泥混凝土水化全方位监测装置中，所述压电超声接收传感器和球形压电超声发射传感器的定义与前所述一致。

进一步的，本发明还提供了一种小型水泥混凝土水化全方位监测装置，该装置包括：

用于盛装水泥混凝土的容器，所述容器上方带有开口，所述容器底壁上设有限位槽；

支撑杆，所述支撑杆的上部设有支架，支撑杆的底部位于限位槽内，所述支撑杆通过限位槽和支架竖立在容器中，所述支撑杆上固定有球形压电超声发射传感器，所述球形压电超声发射传感器位于容器的中心位置；以及

圆环组，所述圆环组固定在支撑杆上，圆环组由若干直径相同或直径不同的圆环组成，各圆环均以球形压电超声发射传感器为球心，在圆环组上设置有若干压电超声接收传感器。

进一步的，上述小型水泥混凝土水化全方位监测装置中，各压电超声接收传感器以球形压电超声发射传感器为球心均匀分布。所述压电超声接收传感器和球形压电超声发射传感器的定义与前所述一致。

本发明参考我国北斗卫星系统的布局原则，采用中心360°发射信号、四周360°接收信号的设计思路对传感器进行布设，提高了水泥混凝土不同方向、不同角度上水化进程监测的可靠性，消除了水泥混凝土水化监测过程中由于各向异性造成的监测误差，实现了对水泥混凝土水化全方位的实时在线监测，适用于水泥混凝土水化长期实时在线监测。

附图说明

图1为本发明传感器的一种布设方式示意图。

图2为本发明实施例2的适合于小规模实验室研究的水泥混凝土水化全方位监测装置的一种结构示意图。

图3-8为利用本发明布设方式的传感器对水泥混凝土进行监测得到的水泥混凝土在不同方向、不同水化反应时期的超声监测波形图。

图中，0表示球形压电超声发射传感器，1-10表示压电超声接收传感器,11表示容器，12表示支撑杆，13表示圆环，14表示支架。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明进行进一步解释和说明，下述说明仅是示例性的，并不对其内容进行限制。

实施例1

一种水泥混凝土水化实时全方位在线监测系统，该系统包括传感器以及对传感器信号进行发射、接收、处理和分析的模块。所述传感器采用我国北斗卫星的布设方式，其中以球形压电超声传感器为发射传感器，以该球形压电超声发射传感器为球心，在其周围的一个或多个球面上布置有多个用于接收超声波的压电超声接收传感器。该球形压电超声传感器定义为恒星传感器，围绕在其周围呈球形分布的每个压电超声接收传感器定义为卫星传感器。根据卫星传感器距离球心的远近，距离恒星传感器相同的球面上的所有卫星传感器可以统称为一层，在球形压电超声传感器的周围可以分布一层、两层或多层的压电超声接收传感器。图1是在球形压电超声传感器的周围分布一层压电超声接收传感器的示意图。

进一步的，球形的压电超声传感器可以向任意方向发射超声波。分布在球形压电超声传感器周围的压电超声接收传感器可以对球形压电传感器发射的信号进行360°全方位无死角的接收，而实现对结构信息的全方位监测。

进一步的，除了传感器的布设方式外，所用的球形压电超声传感器、接收信号的压电超声接收传感器、信号接收发射和处理都是现有技术。所述球形压电超声传感器的压电元件为球状的压电陶瓷或压电复合材料，极化方向沿球壁直径方向，电极面分别为内外表面。所述压电超声接收传感器的压电元件为长条状、圆环状、柱状或球状的压电陶瓷或压电复合材料。长条状压电超声接收传感器的极化方向沿压电元件的厚度方向，圆环状、柱状或球状的压电超声接收传感器的极化方向沿压电元件的直径方向。

进一步的，压电超声接收传感器布设的层数、每层压电超声接收传感器距离中心球形压电超声传感器的距离、每层上含有的压电超声接收传感器的个数、每层的压电超声接收传感器的分布情况可以灵活调整，以能够实现360°全方位无死角监测为目的。

优选的，每层压电超声接收传感器上含有至少2个压电超声接收传感器，各层上压电超声接收传感器均匀分布。

进一步的，该水泥混凝土水化实时全方位在线监测系统既可以适合于大规模、大面积的水泥混凝土水化的监测，也可以适合实验室小规模的水泥混凝土水化的研究。

实施例2

在监测大规模混凝土内部水化情况时，需要根据本发明思想按照实际情况进行现场设计和搭建传感器系统。而在实验室研究时，因为混凝土规模不大，情况类似，每次现场搭建传感器系统操作繁琐，可重复性低，工作效率低。因此，本发明提供了一种适合于小规模实验室研究的水泥混凝土水化全方位监测装置，该装置包括用于盛装水泥混凝土的容器，所述容器上方带有开口，在容器的内腔中心位置固定有球形压电超声传感器，在球形压电超声传感器的四周固定有多个压电超声接收传感器，所述压电超声接收传感器以球形压电超声传感器为球心呈球形分布。所述压电超声接收传感器可以分布一层、两层或者多层，每层之间的距离可以相同也可以不同，每层上分布的压电超声接收传感器的数量可以根据具体情况进行调整和选择。

进一步的，所述压电超声接收传感器和球形压电超声传感器的定义与实施例1中所述一致。

进一步的，如图2所示提供了一种具体的适合于小规模实验室研究的小型水泥混凝土水化全方位监测装置，其包括用于盛装水泥混凝土的容器11，所述容器上方带有开口，所述容器底壁上设有限位槽，限位槽位于容器的底壁中心位置。该监测装置还包括一支撑杆12，所述支撑杆独立存在，在使用时可以放入容器内，用于固定球形压电超声发射传感器和压电超声接收传感器。所述支撑杆的上部设有支架14，支撑杆的底部位于限位槽内，所述支撑杆通过限位槽和支架竖立在容器中，所述支撑杆上固定有球形压电超声发射传感器，所述球形压电超声发射传感器位于容器的中心位置，在支撑杆上还固定有圆环组13，所述圆环组由若干圆环组成，各圆环的直径相同或不同，各圆环均以球形压电超声发射传感器为球心，在圆环组上设置有若干压电超声接收传感器，从而使压电超声接收传感器以球形压电超声发射传感器为球心进行分布。在使用时，将支撑杆放入限位槽中，此时支撑杆上的支架与容器的顶端接触，将支撑杆稳定在容器中，球形压电超声发射传感器位于容器的中心位置。放好支撑杆后，将球形压电超声发射传感器与信号发生模块相连，将各压电超声接收传感器与信号接收模块相连，信号接收模块与信号分析与处理模块相连，然后先在容器内壁、支撑杆、圆环以及各传感器上涂抹脱模剂，再浇注混凝土，浇筑后实时全方位监测。监测完后，将水泥混泥土从装置中脱模，然后将固化后的水泥混凝土块破碎，将支撑杆和传感器取出。

进一步的，限位槽突出于容器底壁或低于容器底壁。限位槽的尺寸优选与支撑杆匹配，以便更好的将支撑杆固定。

进一步的，所述容器、支撑杆、支架均为金属材质，优选为不锈钢材质。

实施例3

利用实施例2中图2所示的水泥混凝土水化全方位监测装置对混凝土水化情况进行监测。其中，所用容器为正方形，尺寸60cm*60cm *60cm，所用球形压电超声发射传感器的压电元件为球形压电陶瓷或压电复合材料，极化方向沿球壁直径方向，电极面分别为内外表面，其谐振频率为30-150kHz。围绕在球形压电超声发射传感器周围的压电超声接收传感器的个数为10个，所用压电超声接收传感器的压电元件为长条状压电复合材料，极化方向沿压电元件的厚度方向。球形压电超声发射传感器固定在容器的中心位置，压电超声接收传感器围绕球形压电超声传感器1层，压电超声接收传感器离球形压电超声发射传感器的距离均为30cm。

用水灰比为0.3的普通硅酸盐水泥进行实验，按照水灰比向普通硅酸盐水泥中加水拌和，然后将拌和物浇注至上述水泥混凝土水化全方位监测装置中，然后放在标准情况下养护，养护1h后，查看每个传感器传回的超声波形图，结果每个传感器接收到的超声波形均具有清晰可见的首波波形和明显的峰值，且每个传感器接收到的超声波的形状、幅值大小均不相同，这说明在混凝土内部的不同部位发生的水化情况存在差异，因此进行全方位的水化监测十分必要，本发明传感器的布局方式以及根据该布局方式涉及的装置或系统能满足水泥混凝土全方位实时在线监测的要求。

图3-8为挑选的位于球形压电超声发射传感器不同方向上的超声波图像，从图中可以看出，在不同方向上，接收到的超声波形状、幅值大小均不相同，但超声波图像非常清晰。

Claims (7)

1.一种压电超声传感器的布设方法，其特征是：以球形压电超声传感器为发射超声信号的发射传感器，以该球形压电超声发射传感器为球心，在其周围的一个或多个球面上布置有多个用于接收超声波的压电超声接收传感器；在同一个球面上的压电超声接收传感器离球形压电超声发射传感器的距离相同，每个压电超声接收传感器距离球形压电超声发射传感器的距离以及各压电超声接收传感器之间的距离根据各压电超声接收传感器的接收信号的距离、球形压电超声发射传感器发射信号的距离而调整，各球面上压电超声接收传感器均匀分布。

2.根据权利要求1所述的布设方法，其特征是：所述压电超声接收传感器的压电元件为长条状、圆环状、柱状或球状的压电陶瓷或压电复合材料；所述球形压电超声传感器的压电元件为球状的压电陶瓷或压电复合材料。

3.根据权利要求1所述的布设方法，其特征是：所述压电超声接收传感器的压电元件的极化方向沿压电元件的厚度方向或直径方向；所述球形压电超声传感器的压电元件的极化方向沿球壁直径方向。

4.根据权利要求1或2所述的布设方法，其特征是：以球形压电超声传感器为球心的每个球面上，至少布设2个压电超声接收传感器。

5.一种水泥混凝土水化实时全方位在线监测方法，其特征是：在水泥混凝土内部布设传感器，传感器的布设采用权利要求1-4中任一项所述的压电超声传感器的布设方法，以实现水泥混凝土水化情况的全方位实时在线监测，所述球形压电超声发射传感器布设在水泥混凝土中的中心位置。

6.根据权利要求5所述的水泥混凝土水化实时全方位在线监测方法，其特征是：压电超声接收传感器以球形压电超声发射传感器为球心呈球形分布，在球形压电超声传感器周围的一个球面或多个球面上布设压电超声接收传感器。

7.根据权利要求5所述的水泥混凝土水化实时全方位在线监测方法，其特征是：压电超声接收传感器的数量、位置以及压电超声接收传感器围绕球形压电超声传感器球形布设的层数以能够实现水泥混凝土水化的全方位监测为准。

Images