CN114397369A - 一种用于混凝土损伤监测的可埋入多维声发射传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于混凝土损伤监测的可埋入多维声发射传感器，包括金属外壳、匹配层、压电元件、背衬层和吸声层，其中，所述金属外壳为六面体，在金属外壳内设有三个压电元件，压电元件分别设在金属外壳的三个面上，压电元件的相对面上不设有压电元件，设有压电元件的金属外壳的三个面上设有凹槽，所述凹槽上设有匹配层，匹配层与压电元件的底面相连，每个压电元件的侧面上设有吸声层，压电元件的顶面及金属外壳的其他部位填充有背衬层。本发明具有监测范围广、降噪性能好、定位精确等的优势。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于混凝土损伤监测的声发射传感器，特别涉及一种可埋入混凝土并进行混凝土多维损伤监测的、含有多个压电元件的三轴声发射传感器，属于混凝土无损检测技术领域。
背景技术
声发射是指材料受外界因素作用局部因能量瞬间释放而发出瞬态弹性波的现象，声发射技术是一种动态无损检测技术，在结构健康监测和无损检测中有着广泛的应用。声发射技术主要包括声发射源、传感器、放大器、信号处理器、显示与记录装置。其中，声发射传感器主要用来接收材料在变形或断裂时释放的声发射信号。声发射传感器性能，如灵敏度、抗电磁干扰性等对声发射检测技术具有重要影响。
现有的声发射传感器耦合面只有一个，多用于贴在物体表面进行声发射信号的检测，且匹配层过于单一，使得检测范围窄，检测方式过于局限性，检测的精度大大降低，不利于混凝土结构损伤的动态监测。
因此，设计一种灵敏度高、抗噪强并适合埋入混凝土结构进行混凝土多方位损伤监测的声发射传感器，对于大坝、桥梁、隧道等混凝土结构在多因素耦合作用下的安全监测具有重要价值。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明设计了一种用于混凝土损伤监测的可埋入多维声发射传感器，该声发射传感器具有三个压电元件，具有更精确的检测精度，使得在不同位置和维度的损伤都能被检测到，能够很好的用于混凝土动态损伤多方位监测，实现混凝土实时健康监测。
本发明的具体技术方案如下：
一种声发射传感器，包括金属外壳、匹配层、压电元件、背衬层和吸声层，其中，所述金属外壳为六面体，在金属外壳内设有三个压电元件，压电元件分别设在金属外壳的三个面上，压电元件的相对面上不设有压电元件，设有压电元件的金属外壳的三个面上设有凹槽，所述凹槽上设有匹配层，匹配层与压电元件的底面相连，每个压电元件的侧面上设有吸声层，压电元件的顶面及金属外壳的其他部位填充有背衬层。
进一步的，凹槽的尺寸与匹配层相匹配。
进一步的，每个压电元件上设有正极和负极，所述电极优选为翻边电极。所述匹配层与压电元件的负极相连。
进一步的，每个压电元件的正极上均连接有电极引线。所述电极引线表面设有防护层，适合埋入混凝土内使用。
进一步的，金属外壳不设压电元件的三个面上均开有通孔，压电元件的通孔与凹槽对立设置。所述通孔中安装有射频头，电极引线与射频头相连。通孔的作用一是为了安装射频头，二是可以通过通孔向金属外壳内浇注背衬层等材料。
进一步的，所述金属外壳的材质优选为不锈钢，金属外壳起到隔离、保护压电元件的作用，通过匹配层、背衬层、射频头等的配合可以形成封闭的壳体，有效的起到电磁屏蔽的作用。金属外壳的尺寸不能过大，一般跟混凝土粗骨料尺寸一样大小，否则影响混凝土的内部结构与性能，优选的，金属外壳的外表面上还设有一层保护层，该保护层能防止传感器埋入时生锈，但不会影响传感器的性能，优选的保护层为0.5mm厚的环氧树脂。
进一步的，所述金属外壳为六面体，优选为立方体，金属外壳上设有压电元件的三个面上的凹槽尺寸相等，不设置压电元件的三个面上的通孔尺寸一致。三个压电元件分别设置在坐标轴的三个轴面上，能够接收从三维立体方向传来的信号，保证了检测的多方位性，同时使检测的精度和灵敏度大大提高，检测范围更加广泛。
进一步的，所述压电元件为圆柱状，其材质可以是压电陶瓷、压电聚合物、压电晶体或压电复合材料，优选为圆柱状PZT-51压电陶瓷。所述压电元件的谐振频率在40kHz-400kHz之间，该频率不能太大也不能太小，否则无法与混凝土相匹配。压电元件封装在金属外壳中，且正极上有电极引线接出。
进一步的，所述匹配层为声阻抗在14-19MRaly之间的铝片。铝片满足声阻抗匹配，并且不易在受力时压碎，有益于传感器的性能保护。计算得到，匹配层的厚度优选为1mm，匹配层的尺寸与金属外壳上的凹槽的尺寸匹配。匹配层能更好的匹配混凝土材料的特性，使传感器内埋于混凝土结构中更好的进行损伤的检测。
进一步的，所述背衬层能减少信号衰减，通常由液态环氧树脂与钨粉混合后固化而成，优选的，所述液态环氧树脂为聚氨酯，优选的，液态环氧树脂与钨粉的质量比为2:1。背衬层一般采用热压成型法制得，能使压电元件的振动尽快地衰减以及吸收压电元件背向发射的声波。
进一步的，所述吸声层为吸声材料，可以为膨胀珍珠岩、岩棉等。吸声层的厚度优选为3mm。吸声层能更好的隔离噪音，阻挡相邻传感元件的干扰，降低杂波对正常信号的干扰。
本发明具有以下有益效果：
1、不同于传统常规传感器的混凝土监测，本发明多维声发射传感器主要适应于混凝土内埋，用于混凝土损伤定位时监测范围广，并且定位精度高，制作传感器标准统一，埋入角度较好控制；
2、多维声发射传感器附加吸声层，可以吸收多余的余波，可以更好地降噪；
3、匹配层针对混凝土材料使用铝片，更好的匹配混凝土材料的性能。
附图说明
图1为本发明的可埋入多维声发射传感器的结构示意图。
图2为常规声发射传感器的结构示意图。
图3为含有一个压电元件的普通声发射传感器的断铅实验信号图。
图4为本发明可埋入多维声发射传感器的断铅实验信号图。
图中，1、电极引线，2、金属外壳，3、匹配层，4、吸声层，5、压电元件，6、射频头，7、背衬层。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细解释和说明。下述说明仅是为了本领域技术人员更好的理解本发明，并不对其内容进行限定。
实施例1
图1展示了本发明的用于混凝土损伤监测的可埋入多维声发射传感器的剖面结构示意图。如图1所示，本发明的可埋入多维声发射传感器包括电极引线1、金属外壳2、匹配层3、吸声层4、背衬层以及压电元件5。
其中，金属外壳为六面体，一共有六个面，其形状可以是正方体、长方体等，优选为正方体。金属外壳的材质可以是不锈钢等金属。在金属外壳的三个面上设有凹槽，在另三个面上设有通孔，其中凹槽和通孔相对设置。金属外壳内设置有三个压电元件，其中，三个压电元件分别设置在金属外壳设有凹槽的三个面上，在金属外壳相对的两个面上仅设置一个压电元件，即一个面设置了压电元件时，其相对的另一个面上就不设置压电元件。其中，设置压电元件的面上的凹槽尺寸相同，不设置压电元件的面的通孔尺寸相同，且不设置压电元件的面上的通孔上带有螺纹，用于安装射频头6。
其中，压电元件为圆柱状，其材质可以是压电陶瓷、压电聚合物、压电晶体或压电复合材料，优选为圆柱状PZT-51压电陶瓷。所述压电元件的谐振频率在40kHz-400kHz之间。压电元件上设有电极，电极优选为翻边电极。电极分为正极和负极，在电极上设有电极引线。压电元件的负极与匹配层相连，匹配层设置在金属外壳的凹槽内，压电元件对立的面上设有射频头，电极引线与射频头相连。
其中，匹配层为声阻抗在14-19MRaly之间的片状结构，优选为铝片。匹配层的尺寸与金属外壳上的凹槽的尺寸匹配，匹配层的厚度优选为1mm。匹配层能更好的匹配混凝土材料的特性，使传感器内埋于混凝土结构中更好的进行损伤的检测。
其中，吸声层位于每个压电元件的侧面，用于减少噪音，吸声层可以是膨胀珍珠岩、岩棉等吸声材料，使压电陶瓷振动尽快地衰减，吸声层的厚度为3mm。
其中，背衬层填充在压电元件的顶面及金属外壳的其他部位上，可以吸收压电陶瓷背向发射的声波。背衬层能减少信号衰减，通常由液态环氧树脂与钨粉混合后固化而成，优选的，所述液态环氧树脂为聚氨酯，优选的，液态环氧树脂与钨粉的质量比为2:1。背衬层一般采用热压成型法制得，能使压电元件的振动尽快地衰减以及吸收压电元件背向发射的声波。
实施例2
用于混凝土损伤监测的可埋入多维声发射传感器的结构同实施例1，其中，其金属外壳的材质为不锈钢，金属外壳为长度为26mm的立方体，在立方体的3个面上设有凹槽，在另3个面上设有通孔，凹槽和通孔相对设置。凹槽上设置有匹配层，通孔上设置有射频头。匹配层为铝片，直径为18mm，厚度为1mm。吸声层为膨胀珍珠岩，厚度为3mm。背衬层为质量比2:1的聚氨酯与钨粉的混合物。压电元件为圆柱状PZT-51压电陶瓷，直径为10mm，厚度为6mm，3个压电陶瓷的正极分别用电极引线经射频头引出。
以该用于混凝土损伤监测的可埋入多维声发射传感器进行断铅实验，同时以普通声发射传感器为对照，普通声发射传感器的结构示意图如图2所示，仅在一个面上设有压电元件，在压电元件的下表面与匹配层相连，匹配层为铝，压电元件其他面与背衬层相连，背衬层材料与本发明相同。
具体实验步骤如下：
制备C40混凝土作为本试验试件，选用规格100*100*100的模具，在模具中心分别放置一个多维声发射传感器和一个普通声发射传感器，物料根据国标混凝土设计配合比称重后，放入搅拌机搅拌均匀，然后浇注入模具中；
将2个模具分别放在振动台上振动后抹平表面，养护室养护24h后脱模，将脱模后混凝土试件放入标准室养护28d。
将养护好的混凝土试块进行断铅实验，铅芯伸出长度2.5mm，铅笔与混凝土面夹角为30◦。
普通声发射传感器和本发明采集到的模拟损伤源信号的断铅波形图如图3和4所示，从图中可以看出，本发明声发射传感器可以采集到三个不同位置的声发射信号，三个声发射信号形状大体一致，但信号的幅值及出现时间因与断铅位置距离的不同而各不相同，而普通传感器仅能采集到一个信号。这说明，本发明声发射传感器接收的信号更广泛和全面，抗干扰能力强，且能更好的反映出损伤的方位，性能优于普通声发射传感器。
Claims (10)
1.一种用于混凝土损伤监测的可埋入多维声发射传感器，包括金属外壳，所述金属外壳为六面体，其特征是：在金属外壳内设有三个压电元件，压电元件分别设在金属外壳的三个面上，压电元件的相对面上不设有压电元件，设有压电元件的金属外壳上设有凹槽，所述凹槽上设有匹配层，匹配层与压电元件的底面相连，每个压电元件的侧面上设有吸声层，压电元件的顶面及金属外壳的其他部位填充有背衬层。
2.根据权利要求1所述的可埋入多维声发射传感器，其特征是：每个压电元件上设有正极和负极，所述匹配层与压电元件的负极相连。
3.根据权利要求1所述的可埋入多维声发射传感器，其特征是：每个压电元件的正极上均连接有设有防护层的电极引线。
4.根据权利要求3所述的可埋入多维声发射传感器，其特征是：所述金属外壳上不设置压电元件的三个面上均设有通孔，通孔与凹槽相对设置，所述通孔中安装有射频头，电极引线经射频头引到金属外壳外部；所述金属外壳的表面设有保护层，所述保护层为0.5mm厚的环氧树脂。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的可埋入多维声发射传感器，其特征是：所述压电元件为圆柱状，其谐振频率为40kHz-400kHz，其材质为压电陶瓷、压电聚合物、压电晶体或压电复合材料，优选为圆柱状PZT-51压电陶瓷。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的可埋入多维声发射传感器，其特征是：所述匹配层为声阻抗在14-19MRaly之间的铝片。
7.根据权利要求1或6所述的可埋入多维声发射传感器，其特征是：所述匹配层的厚度为1mm。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的可埋入多维声发射传感器，其特征是：所述吸声层为吸声材料，优选为膨胀珍珠岩或岩棉。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的可埋入多维声发射传感器，其特征是：所述吸声层的厚度为3mm。
10.根据权利要求1-3中任一项所述的可埋入多维声发射传感器，其特征是：所述背衬层由液态环氧树脂与钨粉混合后固化而成，液态环氧树脂与钨粉的质量比为2:1。
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