CN219512164U

CN219512164U - 一种基于超声匹配层设计原理的混凝土新型智能骨料

Info

Publication number: CN219512164U
Application number: CN202320022501.4U
Authority: CN
Inventors: 李修权; 孔庆钊; 陈琳; 陈洪兵; 孙祥涛
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2023-01-05
Filing date: 2023-01-05
Publication date: 2023-08-11
Anticipated expiration: 2033-01-05

Abstract

本实用新型公开了一种基于超声匹配层设计原理的混凝土新型智能骨料，包括：匹配层、压电元件、屏蔽层和绝缘层；所述压电元件与所述绝缘层连接；所述屏蔽层与所述压电元件和所述绝缘层连接；所述屏蔽层与所述匹配层连接。本实用新型使用环氧树脂基、金属粉末和混凝土灌浆料作为匹配层，解决了压电元件与混凝土介质分界面的声阻抗匹配问题，同时兼顾了智能骨料与混凝土材料的强度相容性。

Description

一种基于超声匹配层设计原理的混凝土新型智能骨料

技术领域

本实用新型属于钢筋混凝土结构的智能监测领域技术领域，具体涉及一种基于超声匹配层设计原理的混凝土新型智能骨料。

背景技术

钢筋混凝土结构在世界范围内被广泛用于大型公共水利、交通基础设施及建筑结构的建设，在服役期间易遭受环境荷载和突发荷载作用，导致结构失效。近年来，智能监测技术在钢筋混凝土结构的智慧运维和服役安全领域得到研究和应用。智能监测技术主要依赖于智能传感器的对构件损伤的感知和分析实现损伤识别和早期预警。压电智能材料由于良好的嵌入性、低成本、宽频响应及对微小损伤敏感等优点，在钢筋混凝土结构的智能监测领域获得广泛应用。

由于压电陶瓷材料易受环境腐蚀，研究者们提出了压电智能骨料传感器，通过将压电陶瓷感知元件包裹于具有一定强度的材料中，形成可预埋至混凝土内部的传感器。包裹材料经历了三个阶段的发展，第一阶段采用水泥砂浆，第二阶段为大理石，第三阶段采用超高性能混凝土。上述三个阶段对于包裹材料的设计原理仅考虑了与待测混凝土构件的强度相容，但没有考虑压电陶瓷感知元件、包裹材料及混凝土三种不同材料之间的声阻抗相容性，导致压电陶瓷元件激励的信号在界面之间发生过高的折射衰减，使得进入到待测混凝土构件的探测应力波信号微弱，传播距离受限，从而限制了基于压电智能骨料的监测技术在大型混凝土实际工程中的应用。

实用新型内容

本实用新型提出了一种基于超声匹配层设计原理的混凝土新型智能骨料。使用环氧树脂基、金属粉末和混凝土灌浆料作为匹配层，解决了压电元件与混凝土介质分界面的声阻抗匹配问题，同时兼顾了智能骨料与混凝土材料的强度相容性。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

一种基于超声匹配层设计原理的混凝土新型智能骨料，包括：匹配层、压电元件、屏蔽层和绝缘层；

所述压电元件与所述绝缘层连接；所述屏蔽层与所述压电元件和所述绝缘层连接；所述屏蔽层与所述匹配层连接。

优选的，所述匹配层为两个，所述屏蔽层为两个，所述绝缘层和所述压电元件为1个。

优选的，所述压电元件为核心感知元件，具有正负极，在其正极表面喷涂绝缘层。

优选的，所述屏蔽层用液体屏蔽材料喷涂。

优选的，所述匹配层为复合材料，通过在低阻抗的基体材料中加入高阻抗材料使复合材料的声阻抗达到设计的声阻抗值。

优选的，所述低阻抗的基体材料选择环氧树脂，所述高阻抗材料选择金属粉末。

优选的，所述匹配层按照调配比例将环氧树脂、金属粉末和混凝土灌浆料充分混合及硬化后得到。

优选的，所述匹配层的厚度为四分之一个波长。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型提出了一种基于超声匹配层设计原理的新型混凝土压电智能骨料，具有以下几个优势：其一是使用环氧树脂基、金属粉末和混凝土灌浆料作为匹配层，解决了压电元件与混凝土介质分界面的声阻抗匹配问题，同时兼顾了智能骨料与混凝土材料的强度相容性；其二是埋置的材料与原材料的界面可以共同受力，且不会在受力过程中剥离失效，同时解决了植入混凝土结构中的智能骨料出现故障维修难的问题；其三是使用液体屏蔽材料作为传感器的电磁屏蔽层，通过喷涂方式制作极薄屏蔽层替代传统的金属铜片屏蔽，减少环境电磁噪声干扰，提高输出信号的信噪比，同时也减少屏蔽层对超声波传输的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例的新型混凝土智能骨料传感器的结构示意图；

图2为本实用新型实施例的新型混凝土智能骨料的制作工艺流程示意图；

图3为本实用新型实施例的新型混凝土智能骨料传感器的装配体示意图；

图4为本实用新型实施例的新型混凝土智能骨料的使用场景示意图，其中，(a)为外贴式使用示意图；(b)为预埋式使用示意图；(c)为可植入式使用示意图；

图5为本实用新型实施例的传感器性能测试及监测系统组成示意图；

图6为本实用新型实施例的智能骨料传感器与混凝土界面声波传播示意图；

附图标记说明：

1—匹配层；2—压电元件；3—屏蔽层；4—绝缘层；11—外部导线；12—正极导线；13—负极导线；14—新型智能骨料；23—新型混凝土智能骨料传感器；24—待测混凝土构件；25—环氧树脂胶层；26—外部导线；27—钻孔。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

如图1所示，为本实用新型实施例的新型混凝土智能骨料传感器的结构示意图；包括：匹配层1、压电元件2、屏蔽层3和绝缘层4；压电元件2与绝缘层4连接；屏蔽层3与压电元件2和绝缘层4连接；屏蔽层3与所述匹配层1连接。该新型混凝土压电智能骨料由两个匹配层1、两个屏蔽层3、一个绝缘层4和压电元件2组成。

压电元件2为该智能骨料的核心感知元件，具有正负极，在其正极表面喷涂绝缘层，防止正负极相通造成短接。为了减小外界电磁噪声干扰，提高传感器的信噪比，在压电元件2负极表面和绝缘层4表面用液体屏蔽材料喷涂制成屏蔽层3，屏蔽层3的厚度可以忽略不计。屏蔽层3外侧设置匹配层1。

匹配层1通常为复合材料，通过在低阻抗的基体材料中加入高阻抗材料使复合材料的声阻抗达到设计的声阻抗值。本实施例中，匹配层1基体材料选用阻抗较低的环氧树脂(声阻抗3.49MRayls)，高阻抗材料选用金属粉末(声阻抗大于40MRayls)。除声阻抗的匹配外，本实用新型提出的新型智能骨料14兼顾了强度相容性，即埋置的材料与原材料的强度尽量一致，对原材料的应力场分布影响较小，使用高强度混凝土灌浆料作为附加填充材料，按照一定的调配比例将环氧树脂、金属粉末(以不锈钢粉末为例)和混凝土灌浆料充分混合及硬化后得到匹配层。匹配层的材料参数如表1所示。

表1

材料	密度(g/cm³)	声速(m/s)	声阻抗(MRayls)
				PZT	7.5	4000	30
混凝土	2.3	3475	8.0
				环氧树脂	1.2	2910	3.49
不锈钢粉末	7.85	5000	39.2

压电陶瓷元件激励的声波在压电陶瓷-超声匹配层-混凝土构成连续界面的透射与反射规律如图6所示。压电陶瓷、超声匹配层和混凝土媒介的声阻抗为Z₁、Z₂、Z₃，当声波I_t1垂直入射到压电陶瓷元件与匹配层的分界面时，会发生反射和透射，一部分反射到压电陶瓷介质中，记为P_r1，一部分透入超声匹配层，记为P_t2；同理，当声波P_t2入射到匹配层与混凝土分界面时，一部分反射到超声匹配层中，记为P_r2，一部分透入超声匹配层，记为I_t3。通过声波垂直入射到单一界面的声强反射和透射规律，可以得到从压电陶瓷元件透射到混凝土介质中超声声强透射系数为

其中，l₂为超声匹配层厚度，为超声匹配层波数，λ为超声波长。

对上式求解得到，当匹配层厚度n＝1,2,3...，且/>时，透射系数T₁₃＝1。即当匹配层厚度满足四分之一波长的奇数倍，且匹配层声阻抗/>时，声波的能量在界面处可以完全透射，超声在压电陶瓷元件和混凝土分界面传播效率最高。

匹配层的厚度为四分之一个波长，声阻抗的公式为：

其中，Z₁、Z₂、Z₃分别为压电元件、匹配层和混凝土介质的声阻抗，ρ、ν为匹配层的密度和波速。

该智能骨料可通过调节匹配层的密度、泊松比、弹性模量等材料属性改变其声阻抗，实现界面间不同的声波透射率和折射率，用以调节新型智能骨料与待测混凝土构件的声学匹配效果。

如图2所示，为本实用新型实施例的新型混凝土智能骨料的制作工艺流程示意图；包括以下步骤：

准备压电元件2、屏蔽导线、传感器模具、绝缘漆、液体屏蔽材料、环氧树脂胶、高强度灌浆料等材料。

基于材料，制作屏蔽层和绝缘层；屏蔽导线连接压电元件的正负极，其正极做绝缘处理紧接着在压电元件的两侧喷涂屏蔽薄层，待屏蔽层固化后将压电元件固定在模具中。

基于材料，制作匹配层。将环氧树脂和固化剂按一定比例称取制备成基体，添加混凝土灌浆料和金属粉末搅拌均匀，对上述搅拌完成的混合物抽真空处理，直至气泡完全消除。最后，将制备好的匹配层混合物导入模具中固化一定时间后，进行脱模处理得到高灵敏度新型混凝土智能骨料传感器23。

如图3所示，新型混凝土智能骨料传感器制作工艺进行制作完成的成品示意图，主要包括：外部导线11，正极导线12，负极导线13，新型智能骨料14。新型智能骨料的核心元件，即压电元件正极和负极分别接屏蔽导线并汇入外部导线11，通过外部导线11与其他设备进行连接。

图4为新型混凝土智能骨料传感器的使用场景示意图，主要包括三种使用方式：(a)外贴式使用；(b)预埋式使用；(c)可植入式使用。在上述三种使用场景中，主要包括两个新型混凝土智能骨料传感器23和待测混凝土构件24。

对于外贴式使用，通过环氧树脂胶层25将新型智能骨料14直接粘贴在已经建成的待测混凝土构件24表面；

对于预埋式使用，在混凝土构件浇筑阶段，通过细线将新型智能骨料14固定在预设位置，然后进行浇筑，浇筑完成后，新型智能骨料14嵌在待测混凝土构件24内部，通过外部导线26与测试设备相连接；

对于可植入式使用，通过钻孔27设备在已建成的待测混凝土构件24表面钻孔，孔的尺寸略大于新型智能骨料的尺寸，将新型智能骨料14放置在孔洞中，通过液体匹配层材料填充孔洞缝隙。

图5为三种不同使用场景下的新型智能骨料性能测试及监测系统，主要包括：计算机、多功能压电分析与监测设备(SC-HY-PZT2.0，江苏三川智能科技有限公司)、宽带高压功率放大器(YH-TR1K-1，广州云浩科技有限公司)、待测混凝土构件24，两个新型混凝土智能骨料传感器23(一个作为驱动器，一个作为接收器)。在性能测试及监测过程中，通过计算机上装载的多功能压电分析与监测设备配套软件控制多功能压电分析与监测设备激发初始信号，初始信号经过功率放大器放大字后通过导线连接新型智能骨料驱动器，在待测混凝土构件24中激发探测应力波，通过新型智能骨料接收器接收应力波感知信号，并通过多功能压电分析与监测设备采集和存储感知信号。

表2为按照图5所示的性能测试系统对新型智能骨料传感器和传统智能骨料传感器进行性能测试的结果。在该次测试中，依次将一对新型智能骨料和传统智能骨料通过环氧树脂胶粘贴于一个待测混凝土构件表面特定位置。该待测混凝土构件的长宽高分别为550mm,150mm,150mm，混凝土的材料强度为C30。智能骨料之间的距离为550mm。原始信号为汉宁窗调制的正弦波，共设置21组激发中心频率，范围为50kHz至150kHz，原始信号输出电压为4V，经过功率放大器后激发信号电压为1000V。传统智能骨料组的接收器与新型智能骨料组的接收器首波信号电压幅值如表2第4列和第5列所示。由表2可知，在相同的探测应力波距离，激发信号幅值和中心频率下，新型智能骨料接收器的首波信号幅值相较于传统智能骨料均能提高20倍以上，证明新型智能骨料灵敏度高、性能优越。

表2

以上所述的实施例仅是对本实用新型优选方式进行的描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本实用新型权利要求书确定的保护范围内。

Claims

1.一种基于超声匹配层设计原理的混凝土新型智能骨料，其特征在于，包括：匹配层、压电元件、屏蔽层和绝缘层；

2.根据权利要求1所述的基于超声匹配层设计原理的混凝土新型智能骨料，其特征在于，所述匹配层为两个，所述屏蔽层为两个，所述绝缘层和所述压电元件为1个。

3.根据权利要求1所述的基于超声匹配层设计原理的混凝土新型智能骨料，其特征在于，所述压电元件为核心感知元件，具有正负极，在其正极表面喷涂绝缘层。

4.根据权利要求1所述的基于超声匹配层设计原理的混凝土新型智能骨料，其特征在于，所述屏蔽层用液体屏蔽材料喷涂。