專利名稱：一種聲發(fā)射傳感器及其制備方法和應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種聲發(fā)射傳感器及其制備方法和應用，特別涉及一種抗干擾能力強、靈敏度高、與混凝土結構相容性好的以壓電復合材料為元件的聲發(fā)射傳感器及其制備方法和在混凝土結構健康監(jiān)/檢測中的應用。
背景技術：
聲發(fā)射作為一種動態(tài)的無損監(jiān)/檢測技術，在混凝土結構健康檢測方面有著廣泛的應用。聲發(fā)射是一種常見的物理現(xiàn)象，如果釋放出的應變能足夠大，就會產生可以聽得見的聲音，大多數(shù)材料塑性變形和斷裂時都會有聲發(fā)射發(fā)生，但是材料內部應力的釋放產生的聲發(fā)射信號很微弱，其頻率范圍處于聽覺之外的超聲頻率范圍內，而且聲發(fā)射信號的產生和傳播具有很大的復雜性，需要借助于一定的傳感器才能檢測出來。因此，研制高靈敏度、寬頻帶的傳感器，用于獲取大量結構或材料缺陷信息是聲發(fā)射技術的關鍵。目前在混凝土結構的健康監(jiān)/檢測中一般使用商用聲發(fā)射探頭(其結構如圖9所示)，其多采用壓電陶瓷作為壓電元件，具有金屬或塑料外殼，往往由于探頭與混凝土結構相容性差、易受腐蝕、耐久性差等各方面因素的限制使其只能外貼于結構表面進行使用。而將傳感器粘貼于結構表面對其實施監(jiān)/檢測，粘貼層厚度、環(huán)境條件的變化、人為因素的損壞等均會直接影響監(jiān)/檢測精度，以致對工程質量作出錯誤評估。因此，研究與混凝土結構相容性好，抗電磁干擾能力強，靈敏度高，并適合埋入結構內部的聲發(fā)射傳感器對聲發(fā)射技術在土木工程結構健康監(jiān)/檢中的應用研究與發(fā)展具有重要的意義。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對上述不足，提供了一種聲發(fā)射傳感器，具有抗電磁干擾能力強，靈敏度高、與混凝土相容性好等優(yōu)點。本發(fā)明還提供了該聲發(fā)射傳感器的制備方法，該方法步驟簡單，易于操作。本發(fā)明還提供了該聲發(fā)射傳感器在土木工程領域健康監(jiān)/檢中的的應用，靈敏度高，響應頻帶寬，性能優(yōu)異。本發(fā)明是通過以下措施實現(xiàn)的:
一種聲發(fā)射傳感器，其特征是:包括壓電元件、背襯層和屏蔽外界干擾的封裝層，所述壓電元件和背襯層位于封裝層內，壓電元件的上表面為正極，下表面為負極，壓電元件的下表面直接與封裝層相連，壓電元件的其他面與背襯層相連，背襯層直接與封裝層相連。本發(fā)明聲發(fā)射傳感器的封裝層使用自行研發(fā)的混合物制成，所述封裝層為水泥、環(huán)氧樹脂和石墨的混合物，或者是防腐抗?jié)B型水泥與石墨的混合物。其中，當封裝層由水泥、環(huán)氧樹脂和石墨組成時，所用環(huán)氧樹脂優(yōu)選為AB-灌漿樹脂、E-55環(huán)氧樹脂、731環(huán)氧樹月旨、AG80環(huán)氧樹脂或W95環(huán)氧樹脂，所用水泥可以是普通的水泥，也可以是具有特殊性能的水泥，例如硫鋁酸鹽水泥、硫鋁酸鋇鈣水泥、硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、鐵鋁酸鹽水泥等。當封裝層由水泥和石墨組成時，所用水泥則需要選取具有防腐抗?jié)B性能的防腐抗?jié)B型水泥，例如硫鋁酸鹽水泥等，普通水泥不能滿足要求。優(yōu)選的，封裝層為質量比為7:7:廣7:7:6的水泥、環(huán)氧樹脂和石墨的混合物，或者是質量比為1:廣3:1的防腐抗?jié)B型水泥和石墨的混合物。本發(fā)明的封裝層具有很好的屏蔽作用，因此也可以稱之為屏蔽層。封裝層通過在其中添加石墨的方法來減弱噪聲的影響，使傳感器能夠更好的屏蔽環(huán)境噪音，具有更好的信噪比。除此之外，封裝層具有絕緣防水的特性，防水效果好，可以對傳感器進行很好的封裝，使傳感器埋入混凝土結構內部進行使用，減少了外界環(huán)境對傳感器性能的影響。并且，本發(fā)明傳感器所使用的封裝層取代傳統(tǒng)的金屬和塑料外殼，進一步提高了傳感器與混凝土之間的力學及聲學相匹配，使傳感器與混凝土結構具有更好的相容性。因為1-3型壓電復合材料以及封裝材料和混凝土材料具有很好的聲阻抗匹配性，相容性好，因此本發(fā)明也可以作為一種埋入式聲發(fā)射傳感器使用。此外，本發(fā)明的封裝層直接與壓電元件的負極接觸，也可以起到匹配層的作用，封裝層為水泥、聚合物、石墨的混合物或防腐抗?jié)B型水泥與石墨的混合物，這種混合物具有強度高、絕緣性好、匹配性好的特點，有效的改善了傳感器與混凝土之間的力學及聲學相容性。為了使封裝層很好的起到匹配層的作用，我們從聲波在介質中傳播時的透射和反射現(xiàn)象出發(fā)，給出傳感器匹配層在滿足聲學匹配厚度值，一般為lmm-5mm。本發(fā)明聲發(fā)射傳感器的背襯材料不僅能夠吸收多余的聲波，使傳感器的在實際應用中有較好的發(fā)射響應及接收分辨率，并能在一定程度上拓展傳感器的帶寬。背襯層為水泥、環(huán)氧樹脂和鎢粉的混合物，所述水泥可以是普通水泥，也可以是特殊性能的水泥，例如硫鋁酸鹽水泥、硫鋁酸鋇鈣水泥、硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、鐵鋁酸鹽水泥等，所述環(huán)氧樹脂優(yōu)選為AB-灌漿樹脂、E-55環(huán)氧樹脂、731環(huán)氧樹脂、AG80環(huán)氧樹脂或W95環(huán)氧樹脂。優(yōu)選的，背襯層為質量比為1:1:1的水泥、環(huán)氧樹脂和鎢粉的混合物。本發(fā)明所用壓電元件優(yōu)選為1-3型水泥/聚合物基壓電復合材料，最優(yōu)選為申請人在自行研發(fā)的1-3型水泥/聚合物基壓電復合材料，該壓電復合材料以聚合物和水泥的混合物為基體，以壓電陶瓷為功能體，所述功能體被切割成多排豎直柱，功能體的四周及內部填充有基體；其中，聚合物與水泥的質量比為0.15、.7:1，壓電陶瓷與基體的體積比為f 4:5，所述聚合物可以為環(huán)氧樹脂或硅橡膠，所述環(huán)氧樹脂包括AB-灌漿樹脂、E-55環(huán)氧樹脂、731環(huán)氧樹脂、AG80環(huán)氧樹脂、W95環(huán)氧樹脂等，所述硅橡膠包括RTV硅橡膠、TG-8402硅橡膠、甲基乙烯基110-2硅橡膠等，所述壓電陶瓷包括鈮鎂鋯鈦酸鉛壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛壓電陶瓷等，所述水泥包括硫鋁酸鹽水泥、硫鋁酸鋇鈣水泥、硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、鐵鋁酸鹽水泥等。該1-3型水泥/聚合物基壓電復合材料已于2011年5月24日申報了發(fā)明專利，申請?zhí)枮?01110134231.8，該專利于2011年11月30日公開，屬于現(xiàn)有技術，本領域技術人員可以根據(jù)專利中記載的內容得到1-3型水泥/聚合物基壓電復合材料。所述壓電復合材料的諧振頻率、聲阻抗等參數(shù)是針對混凝土結構材料的特性而設計的，從而使制作的聲發(fā)射傳感器具有與混凝土結構相容性好、靈敏度高、頻帶寬等特點。除此以外，本發(fā)明所用的壓電元件還可以是1-3型水泥基壓電復合材料，該1-3型水泥基壓電復合材料除了所用基體為純水泥外，與201110134231.8中記載的1_3型水泥/聚合物基壓電復合材料的結構和組成完全一致。
本發(fā)明的聲發(fā)射傳感器還包括屏蔽線，所述屏蔽線的正極與壓電元件的正極相連，屏蔽線的外層屏蔽線(即屏蔽線的負極)與壓電元件的負極相連，屏蔽線的另一端連接有屏蔽接頭。屏蔽線是將信號傳出的導線，它能降低信號干擾，所用屏蔽線一般為屏蔽作用良好的銅芯屏蔽線，因壓電元件的負極與封裝層相連接觸，從而使屏蔽線的外層屏蔽線和傳感器的封裝層相連接，有效地屏蔽外界電磁干擾。本發(fā)明傳感器結構獨特，由壓電元件、背襯層、封裝層、屏蔽線、屏蔽接頭五部分組成，封裝層位于傳感器的最外層，與壓電元件的負極直接接觸，既屏蔽了外界干擾又同時作為匹配層，大大提高了傳感器的使用性能，使傳感器靈敏度提高、與混凝土的匹配性更好，還能屏蔽外界干擾，使傳感器可以作為埋入式傳感器使用。本發(fā)明還提供了上述聲發(fā)射傳感器的制備方法，其特征是包括以下步驟:
(1)將壓電元件的正極與屏蔽線的正極相連，壓電元件的負極與屏蔽線的外層屏蔽線相連；
(2)將連接好屏蔽線的壓電元件負極向下，固定于模具底部；
(3)先將水泥和環(huán)氧樹脂混合，然后加入固化劑進行混合、最后加入鎢粉，混合均勻，澆注于模具中，制備背襯層，待背襯層固化后，拆模，制得半成品；
(4)先將水泥和環(huán)氧樹脂混合，然后加入固化劑進行混合、最后加入石墨，混合均勻，獲得封裝物料；或者將具有防腐抗?jié)B性能的水泥與石墨混合均勻，得到封裝物料；
(5)將步驟(3)的半成品固定于模具中，澆入封裝物料對半成品進行封裝處理，得到封裝層，待封裝層固化后，拆模，并在屏蔽線的另一端焊接上屏蔽接頭，得到聲發(fā)射傳感器。本發(fā)明還提供了一種混凝土結構的健康監(jiān)/檢測方法，步驟為:將本發(fā)明上述聲發(fā)射傳感器粘貼于混凝土結構表面或者埋入混凝土結構內部，對混凝土結構的健康狀況進行監(jiān)/檢測。因本發(fā)明傳感器性能良好，所以可以很好的監(jiān)測或者檢測混凝土內部結構。本發(fā)明提供了一種應用于土木工程結構健康監(jiān)/檢測的聲發(fā)射傳感器，采用具有較大帶寬的壓電復合材料為壓電元件，與混凝土結構有更好的相容性，并自行開發(fā)出具有高強度及良好絕緣性能的封裝材料，具有很好的屏蔽作用。本發(fā)明傳感器與混凝土結構相容性好，抗干擾效果好，靈敏度高，響應頻帶寬，制作工藝簡單，結構合理，價格低，使用方便，適用于土木工程結構健康監(jiān)/檢測領域。在監(jiān)/檢測混凝土結構健康狀況時，既可以外貼于混凝土結構表面，又可以埋入混凝土內部，都能夠很好的反映材料的聲發(fā)射特性。本發(fā)明聲發(fā)射傳感器與混凝土結構相容性好，抗電磁干擾能力強，靈敏度高，并適合埋入混凝土結構內部，對聲發(fā)射技術在土木工程結構健康監(jiān)/檢中的應用研究與發(fā)展具有重要的意義。


圖1為本發(fā)明聲發(fā)射傳感器的結構示意 圖2為實施例1所制1-3型壓電復合材料的導納 圖3為實施例1所制本發(fā)明聲發(fā)射傳感器的導納 圖4為傳感器的時域特性 圖5為傳感器的頻域特性圖； 圖6為水泥砂漿試塊三點彎曲實驗中的聲發(fā)射事件分布；
圖7為三點彎曲試驗中撞擊Ks時間Ks幅值的三維立體 圖8為單軸壓縮試驗中撞擊Ks時間Ks幅值的三維立體 圖9為現(xiàn)有技術中一般商用聲發(fā)射探頭的結構不意圖。圖中，1、壓電元件，2、背襯層，3、封裝層，4、屏蔽線，5、屏蔽接頭，6、外殼，7、匹配層。
具體實施例方式下面通過具體實施例對本發(fā)明進行進一步的闡述，應該明白的是，下述說明僅是為了解釋本發(fā)明，并不對其內容進行限定。下述實施例及實驗如無特別說明，所有比例關系均為質量比。實施例1
本發(fā)明制作過程有四個關鍵部分:(一)、1_3型壓電復合材料的制備；(二)焊接屏蔽線；
(H)背襯層的制備；(四)傳感器的封裝處理 (一)1-3型壓電復合材料的制備
采用切割-澆注工藝制備1-3型壓電復合材料，以PZT-5壓電陶瓷為壓電相，以硫鋁酸鹽水泥、AB-灌漿樹脂、固化劑的混合物為基體，其中壓電陶瓷的體積分數(shù)為68.9%。其具體步驟如下:
(1)取壓電陶瓷塊，先在其上橫向切割一系列溝槽，再縱向切割一系列溝槽，形成一系列陶瓷柱，陶瓷柱截面積為4mm2，高度為12mm ；
(2)切割完畢后，對切割后的陶瓷塊進行反復清洗，以去除其中殘留的陶瓷殘渣；
(3)將清洗后的壓電陶瓷固定在模具內，澆注基體，基體中環(huán)氧樹脂和水泥的的質量比2:1 ;為了使基體與陶瓷柱的結合緊密，減少基體與陶瓷柱的界面及基體內部氣孔的存在，澆注的過程中要不斷振動模具；
(4)將澆注好的壓電陶瓷及模具置于真空箱中抽真空，進一步減少基體與陶瓷柱的界面及基體內部氣孔的存在，在室溫下進行固化12h以上；
(5)將壓電陶瓷打磨、拋光、洗凈，然后在上下兩平行面涂上低溫導電銀漿，得本發(fā)明所用1-3型聚合物/水泥基壓電復合材料；
測量所制復合材料與純壓電陶瓷的壓電性能。其導納情況如圖2所示，從圖中可以看出1-3型壓電復合材料振動模態(tài)純凈，并且其相對帶寬較大。(二)焊接屏蔽線
在壓電復合材料的正極上焊接上屏蔽線的正極，在壓電復合材料的負極上焊接上屏蔽線的負極(即外層屏蔽線)。然后，將壓電元件固定于模具底部，使壓電元件的負極面朝下與模具相接觸。(三)背襯層的制備
(1)將AB-灌漿樹脂在60-70°C加熱，增加其流動性，然后加入硫鋁酸鹽水泥攪拌均勻，兩者的質量比為1:1;
(2)混合均勻后，放入真空干燥器中抽真空除氣泡，直到沒有明顯的氣泡產生為止；
(3)將(2)中混合物在真空環(huán)境中進行冷卻，至室溫； (4)在冷卻后的混合物中加入固化劑，并均勻攪拌，其中AB-灌漿樹脂和固化劑的比例為 4:1 ;
(5)混合均勻后，進行第二次抽真空處理15min；
(6)在(5)所制備混合物中加入鎢粉(鎢粉與AB-灌漿樹脂質量比1:1)，至混合物幾乎失去流動性為止；
(7)將攪拌均勻的混合物澆注至已經安裝好壓電元件的模具中；
(8)待AB-灌漿樹脂固化后，拆模；
(四)傳感器的封裝處理
(1)將(三)中所制得半成品，固定于另一個大一些的模具中；
(2)將AB-灌漿樹脂在60-70°C加熱，增加其流動性，然后加入硫鋁酸鹽水泥攪拌均勻，兩者的比例為1:1 ;混合均勻后，放入真空干燥器中抽真空除氣泡，直到沒有明顯的氣泡產生為止；將環(huán)氧樹脂和水泥的混合物在真空環(huán)境中進行冷卻，至室溫；在冷卻后的混合物中加入固化劑，并均勻攪拌，其中AB-灌漿樹脂和固化劑的比例為4:1 ;混合均勻后，進行第二次抽真空處理15 min ;在混合物中加入石墨(石墨與AB-灌漿樹脂質量比4:7)，混合均勻得到封裝層材料；
(3)將(2)中混合物倒入模具中，在傳感器半成品的外層澆入上封裝層，保持與壓電陶瓷下表面相對應的封裝層的厚度為l_5mm ;
(4)待封裝材料固化后進行拆模，在屏蔽線的另一端焊接屏蔽接頭，至此得到本發(fā)明聲發(fā)射傳感器，其結構圖如圖1所示。圖3為封裝后傳感器的導納圖。由導納曲線可以看出，1-3型壓電復合材料的帶寬為15.6kHz，封裝之后傳感器的帶寬為153.1 kHz，相對增加了 137.5 kHz。這主要歸功于匹配層的高透射率，以及表面的低反射率。因此，水泥、聚合物、石墨的混合物，不僅能對壓電元件起到一定的保護作用，使探頭表面免受諸如化學反應污染物或腐蝕性介質的影響，而且使用匹配層材料能有效提高換能器的接收頻率范圍，使聲發(fā)射傳感器具有很高的實際應用價值。由此可以看出，本發(fā)明對傳感器進行封裝處理具有很好的效果。以實施例1制得的聲發(fā)射傳感器為例,對聲發(fā)射傳感器的門檻和靈敏度、聲發(fā)射傳感器對混凝土材料聲發(fā)射特性等進行測試和研究，進行了以下實驗。實驗一
首先根據(jù)傳感器對環(huán)境噪音的響應，研究封裝材料對傳感器的屏蔽作用；然后，采用鉛筆芯斷鉛實驗模擬斷裂聲源，研究本發(fā)明對聲源的響應情況。選擇直徑為0.5mm，硬度為2H的鉛筆芯進行實驗，實驗中以聲發(fā)射系統(tǒng)為信號采集系統(tǒng)，將傳感器安置在混凝土表面和內部分別進行實驗，對本發(fā)明傳感器的門檻以及靈敏度進行研究。(一)傳感器門檻的確定
分別將屏蔽(封裝)前后的傳感器用耦合劑粘貼與混凝土試塊表面，設置20 dB的門檻值，收集傳感器的噪聲信號，其幅值如表I所示:
權利要求
1.一種聲發(fā)射傳感器，其特征是:包括壓電元件、背襯層和屏蔽外界干擾的封裝層，所述壓電元件和背襯層位于封裝層內，壓電元件的上表面為正極，下表面為負極，壓電元件的下表面直接與封裝層相連，壓電元件的其他面與背襯層相連，背襯層直接與封裝層相連。
2.根據(jù)權利要求1所述的聲發(fā)射傳感器，其特征是:所述封裝層為水泥、環(huán)氧樹脂和石墨的混合物，或者是具有防腐抗?jié)B性能的水泥與石墨的混合物；所述背襯層為水泥、環(huán)氧樹脂和鶴粉的混合物。
3.根據(jù)權利要求2所述的聲發(fā)射傳感器，其特征是:所述封裝層為質量比為7:7:r7:7:6的水泥、環(huán)氧樹脂和石墨的混合物，或者是質量比為1:廣3:1的具有防腐抗?jié)B性能的水泥和石墨的混合物；所述背襯層為質量比為1:1:1的水泥、環(huán)氧樹脂和鎢粉的混合物。
4.根據(jù)權利要求1所述的聲發(fā)射傳感器，其特征是:與壓電元件下表面相連處的封裝層的厚度為lmm-5mm。
5.根據(jù)權利要求1所述的聲發(fā)射傳感器，其特征是:所述壓電元件材質為1-3型水泥/聚合物基壓電復合材料或1-3型水泥基壓電復合材料，所述1-3型水泥/聚合物基壓電復合材料以聚合物和水泥的混合物為基體，以壓電陶瓷為功能體，所述聚合物為環(huán)氧樹脂或硅橡膠；所述1-3型水泥基壓電復合材料以水泥為基體，以壓電陶瓷為功能體。
6.根據(jù)權利要求5所述的聲發(fā)射傳感器，其特征是:所述壓電陶瓷為鈮鋰鋯鈦酸鉛壓電陶瓷、鈮鎂鋯鈦酸鉛壓電陶瓷或鋯鈦酸鉛壓電陶瓷。
7.根據(jù)權利要求2、3、5或6所述的聲發(fā)射傳感器，其特征是:所述環(huán)氧樹脂為AB-灌漿樹脂、E-55環(huán)氧樹脂、731環(huán)氧樹脂、AG80環(huán)氧樹脂或W95環(huán)氧樹脂，所述水泥為硫鋁酸鹽水泥、硫鋁酸鋇鈣水泥、硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥或鐵鋁酸鹽水泥。
8.根據(jù)權利要求1-6中任一項所述的聲發(fā)射傳感器，其特征是:還包括屏蔽線，所述屏蔽線的正極與壓電元件的正極相連，屏蔽線的外層屏蔽線與壓電元件的負極相連，屏蔽線的另一端連接有屏蔽接頭。
9.一種權利要求8所述的聲發(fā)射傳感器的制備方法，其特征是包括以下步驟: (1)將壓電元件的正極與屏蔽線的正極相連，壓電元件的負極與屏蔽線的外層屏蔽線相連； (2)將連接好屏蔽線的壓電元件負極向下，固定于模具底部； (3)先將水泥和環(huán)氧樹脂混合，然后加入固化劑進行混合、最后加入鎢粉，混合均勻，澆注于模具中，制備背襯層，待背襯層固化后，拆模，制得半成品； (4)先將水泥和環(huán)氧樹脂混合，然后加入固化劑進行混合、最后加入石墨，混合均勻，得到封裝物料；或者將具有防腐抗?jié)B性能的水泥與石墨混合均勻，得到封裝物料； (5)將步驟(3)的半成品固定于模具中，澆入封裝物料對半成品進行封裝處理，得到封裝層，待封裝層固化后，拆模，并在屏蔽線的另一端焊接上屏蔽接頭，得到聲發(fā)射傳感器。
10.一種混凝土結構的健康監(jiān)/檢測方法，其特征是:將權利要求1-6中任一項所述的聲發(fā)射傳感器粘貼于混凝土結構表面或者埋入混凝土結構內部，對混凝土結構的健康狀況進行監(jiān)/檢測。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種聲發(fā)射傳感器，包括壓電元件、背襯層和屏蔽外界干擾的封裝層，所述壓電元件和背襯層位于封裝層內，壓電元件的上表面為正極，下表面為負極，壓電元件的下表面直接與封裝層相連，壓電元件的其他面與背襯層相連，背襯層直接與封裝層相連。本發(fā)明還公開了該傳感器的制備方法和應用。本發(fā)明傳感器與混凝土結構相容性好，抗干擾效果好，靈敏度高，響應頻帶寬，制作工藝簡單，結構合理，價格低，使用方便，并適合埋入混凝土結構內部，對聲發(fā)射技術在土木工程結構健康監(jiān)/檢中的應用研究與發(fā)展具有重要的意義。
文檔編號G01N29/14GK103115967SQ20131002664
公開日2013年5月22日 申請日期2013年1月21日 優(yōu)先權日2013年1月21日
發(fā)明者黃世峰, 徐東宇, 葉正茂, 蘆令超, 李蜜蜜, 程新 申請人:濟南大學