基于Lamb波原理的混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種基于Lamb波原理的混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)傳感器，包括長(zhǎng)條形薄鋼片、四個(gè)矩形壓電陶瓷片和導(dǎo)線，長(zhǎng)條形薄鋼片的每端的正、反兩面分別緊密粘貼有兩個(gè)矩形壓電陶瓷片，其中一端的兩個(gè)矩形壓電陶瓷片作為驅(qū)動(dòng)器，當(dāng)在矩形壓電陶瓷片厚度方向上施加高頻窄帶脈沖電壓時(shí)，其產(chǎn)生Lamb波在薄鋼片中傳播；另外一端的兩個(gè)矩形壓電陶瓷片作為傳感器，接收到自長(zhǎng)條形薄鋼片傳來的Lamb波，根據(jù)Lamb波信號(hào)特征判斷鋼片銹蝕狀況，從而判斷周圍環(huán)境、結(jié)構(gòu)或其他對(duì)象的銹蝕情況。本發(fā)明解決在不破壞混凝土內(nèi)鋼筋表面微環(huán)境下實(shí)現(xiàn)混凝土內(nèi)鋼筋初始銹蝕時(shí)間和銹蝕程度的監(jiān)測(cè)，傳感器接收到的信號(hào)簡(jiǎn)單易處理。
【專利說明】基于Lamb波原理的混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性領(lǐng)域，具體涉及一種基于Lamb波原理的混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)傳感器。

【背景技術(shù)】
[0002]混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的銹蝕是影響工程結(jié)構(gòu)的正常使用和耐久性，進(jìn)而引起結(jié)構(gòu)破壞的重要因素之一。因此，人們希望能夠了解結(jié)構(gòu)的銹蝕環(huán)境情況，或在結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞之前就監(jiān)測(cè)到混凝土內(nèi)鋼筋的銹蝕狀態(tài)，并進(jìn)行預(yù)警，使得損失降至最低或在破壞之前進(jìn)行必要的補(bǔ)救措施。
[0003]監(jiān)測(cè)銹蝕的方法有很多種，比如用于鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)的方法可以分成物理方法和化學(xué)方法。物理法有電阻探針法和光纖傳感方法，前者采用一個(gè)與結(jié)構(gòu)配筋材質(zhì)相同的探針，將探針埋入到混凝土結(jié)構(gòu)中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)探針電阻的變化，來推斷鋼筋銹蝕的速率和銹蝕的程度。并且此方法可以直接將混凝土中鋼筋直接作為探針使用，對(duì)鋼筋進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，確定其銹蝕速度。光纖傳感方法主要是由于光纖受應(yīng)力影響產(chǎn)生應(yīng)變，界面也隨之變化，這時(shí)光子在光纖中傳播的波長(zhǎng)、相位、頻率、偏振都會(huì)發(fā)生改變。光纖傳感器耐銹蝕和耐久性好、抗干擾能力強(qiáng)，并且光纖傳感器能夠進(jìn)行空間連續(xù)性監(jiān)測(cè)。但光纖傳感技術(shù)由于工藝要求很高，造價(jià)高昂，其相關(guān)的監(jiān)測(cè)理論不成熟等缺點(diǎn)極大的限制了光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。化學(xué)法有電池電位法、線性極化法和交流阻抗方法等。半電池電位法的技術(shù)理論最成熟，通過監(jiān)測(cè)鋼筋表面的電勢(shì)的變化，進(jìn)行比較就可以判定銹蝕的狀態(tài)，而這一過程就相當(dāng)于一個(gè)化學(xué)電池，所以稱為半電池電位法，但此方法不能得到鋼筋的銹蝕速度，在鋼筋保護(hù)層較厚的時(shí)候電位圖不準(zhǔn)確。線性極化法能夠快速測(cè)量金屬附近銹蝕速率，利用在金屬銹蝕點(diǎn)附近外加電極的極化電流與金屬的極化電位之間存在近似線性的關(guān)系，測(cè)量瞬態(tài)銹蝕速率。該方法不易實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間嵌入式在線監(jiān)測(cè)，且由于極化電阻與電位易受多種因素?cái)_動(dòng)，不能判斷鋼筋確切的銹蝕狀態(tài)。交流阻抗法是對(duì)目標(biāo)體系發(fā)出一段微小的電流，測(cè)量目標(biāo)體系對(duì)這段微小電流的反應(yīng)，通過測(cè)量到的交變電流譜，然后對(duì)比比較交變電流譜得到混凝土銹蝕參數(shù)，此方法雖然是一種動(dòng)態(tài)的測(cè)量方法，但是由于其測(cè)量?jī)x器非常昂貴，不符合節(jié)約經(jīng)濟(jì)的條件。并且測(cè)量不能在短期內(nèi)完成，時(shí)間跨度久，測(cè)量所得數(shù)據(jù)量大，受外界影響較大，后期數(shù)據(jù)處理相當(dāng)困難，不適合野外測(cè)量等等缺點(diǎn)。
[0004]Lamb波屬于在薄板結(jié)構(gòu)中傳播的超聲導(dǎo)波，目前國(guó)內(nèi)也有研究基于超聲導(dǎo)波理論的鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)方法，但該方法是用于全尺寸長(zhǎng)度的鋼筋上，并不是一種傳感器產(chǎn)品，當(dāng)用于混凝土中時(shí)，存在導(dǎo)波信號(hào)泄漏，傳感器接收到的導(dǎo)波信號(hào)微弱和復(fù)雜的不足之處，難以應(yīng)用到實(shí)際工程中。另外，鋼筋是實(shí)心圓柱體，在鋼筋中傳播的導(dǎo)波在可用的頻段模態(tài)非常多(多達(dá)十余個(gè)模態(tài))，信號(hào)會(huì)更加復(fù)雜?！额A(yù)應(yīng)力技術(shù)》(2014，N0.2)所發(fā)表文章“鋼筋混凝土腐蝕損傷超聲導(dǎo)波信號(hào)小波分析及評(píng)價(jià)”涉及一種直接在鋼筋上激發(fā)導(dǎo)波并進(jìn)行缺陷檢測(cè)的方法，由于實(shí)際工程結(jié)構(gòu)中鋼筋的長(zhǎng)度很長(zhǎng)，且鋼筋中導(dǎo)波模態(tài)復(fù)雜，混凝土的存在也會(huì)使得傳感器接收到的信號(hào)更復(fù)雜，因此距離實(shí)際工程應(yīng)用尚有一定差距。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于Lamb波原理的混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)傳感器。
[0006]本發(fā)明所采用的技術(shù)如下:一種基于Lamb波原理的混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)傳感器，包括長(zhǎng)條形薄鋼片和四個(gè)矩形壓電陶瓷片，長(zhǎng)條形薄鋼片的每端的正、反兩面分別緊密粘貼有兩個(gè)矩形壓電陶瓷片，每個(gè)矩形壓電陶瓷片的正負(fù)電極用導(dǎo)線接出；其中一端的兩個(gè)矩形壓電陶瓷片作為驅(qū)動(dòng)器，當(dāng)在矩形壓電陶瓷片厚度方向，即矩形壓電陶瓷片的上下兩個(gè)大面積表面上施加高頻窄帶脈沖電壓時(shí)，其產(chǎn)生Lamb波在薄鋼片中傳播；另外一端的兩個(gè)矩形壓電陶瓷片作為傳感器，接收到自長(zhǎng)條形薄鋼片傳來的Lamb波，根據(jù)Lamb波信號(hào)特征判斷鋼片銹蝕狀況，從而判斷周圍環(huán)境、結(jié)構(gòu)或其他對(duì)象的銹蝕情況。其中壓電片電極面和連接導(dǎo)線等在埋設(shè)前需做防腐處理，防止發(fā)生銹蝕。
[0007]本發(fā)明還具有如下技術(shù)特征:所述的長(zhǎng)條形薄鋼片的同一端兩個(gè)壓電驅(qū)動(dòng)器在進(jìn)行高頻窄帶脈沖激勵(lì)時(shí)，所施加的電壓為反對(duì)稱，即分別將這兩個(gè)壓電片的粘貼于鋼片的一面作為負(fù)極，同時(shí)在另一面施加正電壓。
[0008]本發(fā)明所采用的薄鋼片對(duì)銹蝕更敏感，銹蝕更容易使薄鋼片產(chǎn)生孔洞等缺陷，從而使另外一端的壓電陶瓷片接收到的導(dǎo)波信號(hào)變化更為明顯。本發(fā)明中作為驅(qū)動(dòng)器的兩個(gè)壓電陶瓷片寬度與薄鋼片相同，分別粘貼于長(zhǎng)條形薄鋼片同一端的正反兩面。激勵(lì)時(shí)，對(duì)兩個(gè)壓電片所施加的電壓為反對(duì)稱，這樣兩個(gè)壓電片對(duì)薄鋼片會(huì)同時(shí)產(chǎn)生反對(duì)稱的作用力。反對(duì)稱作用力下，Lamb波的對(duì)稱模態(tài)(S模態(tài))不被激勵(lì)，只有反對(duì)稱模態(tài)(A模態(tài))被激勵(lì)。這樣作為傳感器的壓電陶瓷片只接收到一個(gè)反對(duì)稱模態(tài)的導(dǎo)波信號(hào)，簡(jiǎn)單易分析。本發(fā)明根據(jù)壓電陶瓷片接收到的Lamb波信號(hào)可判斷長(zhǎng)條形薄鋼片的銹蝕情況，進(jìn)一步分析判斷其所處環(huán)境能夠引起結(jié)構(gòu)銹蝕的狀況。如將其置于混凝土中，可判斷混凝土中鋼筋的銹蝕情況；將其用與金屬構(gòu)件相同材質(zhì)制作，并與金屬構(gòu)件放置在一起，可判斷金屬構(gòu)件的銹蝕情況。
[0009]本發(fā)明主要解決在不破壞混凝土內(nèi)鋼筋表面微環(huán)境下實(shí)現(xiàn)混凝土內(nèi)鋼筋初始銹蝕時(shí)間和銹蝕程度的監(jiān)測(cè)。所用的薄鋼片的Lamb波信號(hào)在可用頻段內(nèi)只有一個(gè)反對(duì)稱模態(tài)，傳感器接收到的信號(hào)簡(jiǎn)單易處理。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為基于Lamb波原理的銹蝕傳感器結(jié)構(gòu)示意圖的俯視圖；
[0011]圖2為基于Lamb波原理的銹蝕傳感器結(jié)構(gòu)示意圖的側(cè)面圖；其中，1、薄鋼片，2、壓電陶瓷片正電極，3、壓電陶瓷片的負(fù)電極，4、壓電陶瓷片。
[0012]圖3為在銹蝕傳感器所用金屬薄鋼片中傳播的Lamb波反對(duì)稱模態(tài)(A模態(tài))的頻散曲線；
[0013]圖4為使用該銹蝕傳感器測(cè)得的有無銹蝕的信號(hào)對(duì)比，銹蝕為模擬的
0.6mmX0.6mm的正方形缺陷,激勵(lì)采用五波峰的窄帶信號(hào)，中心頻率為800kHz,最大電壓為 200V。

【具體實(shí)施方式】
[0014]下面舉例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明:
實(shí)施例1
[0015]—種基于Lamb波原理的銹蝕傳感器,包括長(zhǎng)條形薄鋼片(長(zhǎng)度100mm,厚度1mm,寬度16mm)、兩個(gè)矩形壓電陶瓷片(長(zhǎng)度6mm,寬度16mm,厚度0.5mm)和電極導(dǎo)線，兩個(gè)矩形壓電陶瓷片分別粘貼于薄鋼片兩端，用環(huán)氧樹脂膠或502膠等與薄鋼片堅(jiān)固連接。壓電陶瓷片的負(fù)電極翻至正電極同表面，用銅導(dǎo)線將正負(fù)電極接出，用于連接驅(qū)動(dòng)電壓或接收電壓信號(hào)；其中一端的兩個(gè)壓電陶瓷片作為驅(qū)動(dòng)器，當(dāng)同時(shí)在兩個(gè)壓電陶瓷片的厚度方向上施加反對(duì)稱的高頻窄帶脈沖電壓時(shí)，其產(chǎn)生零階反對(duì)稱模態(tài)C^o)的Lamb波在薄鋼片中傳播，遇到銹蝕產(chǎn)生的缺陷時(shí)，導(dǎo)波的幅值會(huì)減小。另外一端的壓電陶瓷片可接收到自薄鋼片傳來的導(dǎo)波，導(dǎo)波通過壓電片轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，用電極接出，可使用示波器或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到。分析銹蝕前后測(cè)得的導(dǎo)波信號(hào)的幅值差的發(fā)生時(shí)間，可判斷出混凝土內(nèi)鋼筋或其他待測(cè)結(jié)構(gòu)初始銹蝕時(shí)間，分析不同時(shí)刻導(dǎo)波信號(hào)幅值差的變化速率，可判斷出鋼筋或其他待測(cè)結(jié)構(gòu)的銹蝕速率，分析導(dǎo)波信號(hào)幅值差并與試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比，可以判斷鋼筋或其他待測(cè)結(jié)構(gòu)的銹蝕程度。
【權(quán)利要求】
1.一種基于Lamb波原理的混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)傳感器，包括長(zhǎng)條形薄鋼片、四個(gè)矩形壓電陶瓷片和導(dǎo)線，其特征在于:長(zhǎng)條形薄鋼片的每端的正、反兩面分別緊密粘貼有兩個(gè)矩形壓電陶瓷片，每個(gè)矩形壓電陶瓷片的正負(fù)電極用導(dǎo)線接出；其中一端的兩個(gè)矩形壓電陶瓷片作為驅(qū)動(dòng)器，當(dāng)在矩形壓電陶瓷片厚度方向上施加高頻窄帶脈沖電壓時(shí)，其產(chǎn)生Lamb波在薄鋼片中傳播；另外一端的兩個(gè)矩形壓電陶瓷片作為傳感器，接收到自長(zhǎng)條形薄鋼片傳來的Lamb波，根據(jù)Lamb波信號(hào)特征判斷鋼片銹蝕狀況，從而判斷周圍環(huán)境、結(jié)構(gòu)或其他對(duì)象的銹蝕情況。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Lamb波原理的混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)傳感器，其特征在于:所述的長(zhǎng)條形薄鋼片同一端兩個(gè)壓電驅(qū)動(dòng)器在進(jìn)行高頻窄帶脈沖激勵(lì)時(shí)，所施加的電壓為反對(duì)稱，即分別將這兩個(gè)壓電片的粘貼于鋼片的一面作為負(fù)極，同時(shí)在另一面施加正電壓。
【文檔編號(hào)】G01N17/00GK104406901SQ201410620136
【公開日】2015年3月11日 申請(qǐng)日期:2014年11月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月7日
【發(fā)明者】逯彥秋, 周文松, 蘭成明 申請(qǐng)人:北京奧科瑞檢測(cè)技術(shù)開發(fā)有限公司