專利名稱：用于土木工程結(jié)構(gòu)監(jiān)/檢測的正交異性壓電傳感器及其制備方法和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有正交異性特性、且靈敏度高和頻帶寬的正交異性壓電傳感器及其制備方法和應(yīng)用，特別涉及一種適用于土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的正交異性壓電傳感器及其制備方法和應(yīng)用。
背景技術(shù)：
目前，在土木工程建筑領(lǐng)域中，利用智能材料對(duì)一些重大土木工程建筑實(shí)施健康監(jiān)\檢測和預(yù)報(bào)的研究越來越廣泛。然而，土木工程領(lǐng)域所用的智能材料如記憶合金、應(yīng)變片、碳纖維、壓電陶瓷等，普遍不具備測定特定方向應(yīng)力和應(yīng)力波的能力，不能分辨不同方向的損傷信號(hào)問題，無法對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的損傷源進(jìn)行定位，從而阻礙了土木工程結(jié)構(gòu)的智能化發(fā)展。雖然目前研制的水泥基壓電傳感器克服了傳統(tǒng)傳感器的一些缺點(diǎn)，與混凝土結(jié)構(gòu)具有良好的相容性，且靈敏度高，耐久性好，非常適合于監(jiān)測混凝土的損傷、變形、內(nèi)部應(yīng)力和應(yīng)變分布等情況，但其仍不具有正交異性的特點(diǎn)，不能夠有效監(jiān)/檢測特定方向的損傷信號(hào)。申請(qǐng)人通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)單元的復(fù)合組裝形式和空間分布的對(duì)稱性，通過對(duì)壓電復(fù)合材料中壓電相的構(gòu)造方位進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，制備出具有良好正交異性特性的1-3型水泥基壓電復(fù)合材料(2011年9月28日申請(qǐng)了發(fā)明專利，申請(qǐng)?zhí)枮?201110298753.1，發(fā)明名稱為“1_3型正交異性水泥基壓電復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用”，
公開日為2012年6月20日，公開號(hào)為CN 102509766 A)，但目前有關(guān)正交異性水泥基壓電傳感器的研究尚未見報(bào)道。通常，傳感器性能的優(yōu)劣與其制備工藝、匹配層、背襯層及屏蔽層等有關(guān)，因此，針對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，優(yōu)化制備傳感器的參數(shù)，研制適合于土木工程結(jié)構(gòu)監(jiān)/檢測的正交異性壓電傳感器，提高其結(jié)構(gòu)損傷的定位精度，對(duì)重大土木工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)目前土木工程領(lǐng)域中所使用的智能材料普遍不具備測定特定方向應(yīng)力和應(yīng)力波的能力的問題，提供了一種正交異性壓電傳感器，該傳感器具有正交異性特性明顯、與混凝土相容性好、抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高、響應(yīng)頻帶寬等特點(diǎn)，用于土木工程結(jié)構(gòu)的監(jiān)測或檢測。本發(fā)明還提供了該傳感器的制備方法，該方法步驟簡單，易于操作。本發(fā)明還提供了該傳感器在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用，因?yàn)閭鞲衅骶哂姓划愋?，所以能夠針?duì)不同方向的應(yīng)力波具有不同的響應(yīng)特性，能夠有效抑制側(cè)向干擾信號(hào)接收，提高信噪比，監(jiān)/檢測靈敏度更高、響應(yīng)頻帶更寬。一種正交異性壓電傳感器，其特征是:包括正交異性壓電復(fù)合材料元件、匹配層、背襯層和導(dǎo)線，所述壓電復(fù)合材料元件的下表面與匹配層相連，壓電復(fù)合材料元件的其他面與背襯層相連，匹配層和背襯層的表面涂有屏蔽層，導(dǎo)線分別與壓電復(fù)合材料元件的正負(fù)極相連。本發(fā)明所用的正交異性壓電復(fù)合材料元件(簡稱正交異性壓電元件)是發(fā)明人自行研發(fā)的為1-3型正交異性聚合物/水泥基壓電復(fù)合材料或1-3型正交異性水泥基壓電復(fù)合材料，其主要原料為水泥或聚合物改性的水泥和壓電陶瓷。壓電復(fù)合材料通過切割-澆注與排列-澆注相結(jié)合的方法制成。壓電復(fù)合材料中的壓電陶瓷柱的極化方向與X軸方向平行，其中的導(dǎo)電膠在復(fù)合材料的內(nèi)部形成叉指型電極結(jié)構(gòu)，改變了傳統(tǒng)的水泥基壓電復(fù)合材料內(nèi)部的電場分布和振動(dòng)稱合模式，從而使得制備的壓電復(fù)合材料具有正交異性，能夠有效地抑制側(cè)向干擾信號(hào)的產(chǎn)生和·接收，提高信噪比，進(jìn)而區(qū)分來自不同方向的損傷信號(hào)，對(duì)損傷源進(jìn)行定位及識(shí)別。發(fā)明人自行研發(fā)的1-3型正交異性水泥基壓電復(fù)合材料于2011年9月28日申請(qǐng)了發(fā)明專利，申請(qǐng)?zhí)枮?201110298753.1，發(fā)明名稱為“ 1_3型正交異性水泥基壓電復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用”，
公開日為2012年6月20日，公開號(hào)為CN102509766 A。該專利中的1_3型正交異性水泥基壓電復(fù)合材料具有正交異性，壓電復(fù)合材料包括水泥、壓電陶瓷和導(dǎo)電膠，其中，壓電陶瓷的體積分?jǐn)?shù)為30-70%。其中相鄰兩壓電陶瓷塊極化方向相反，導(dǎo)電膠填充于壓電陶瓷塊中間及其外圍，水泥與導(dǎo)電膠將壓電陶瓷分割為壓電陶瓷柱，水泥沿與壓電陶瓷極化方向相同的方向進(jìn)行填充，導(dǎo)電膠在壓電陶瓷塊間沿與壓電陶瓷極化方向垂直的方向進(jìn)行填充，導(dǎo)電膠在壓電復(fù)合材料中呈叉指型電極結(jié)構(gòu)，兩壓電陶瓷塊之間的距離為0.35mm 3mm。所述壓電陶瓷包括鈮鋰鋯鈦酸鉛壓電陶瓷、鎂鋯鈦酸鉛壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛壓電陶瓷等，所述水泥包括硫鋁酸鹽水泥、硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、鐵鋁酸鹽水泥等。為增強(qiáng)水泥與壓電陶瓷的結(jié)合強(qiáng)度，進(jìn)一步提高水泥基壓電復(fù)合材料的柔韌性和整體性能，在CN 102509766 A中公開的1_3型正交異性水泥基壓電復(fù)合材料的基礎(chǔ)上，通過對(duì)水泥進(jìn)行改性或利用聚合物對(duì)水泥進(jìn)行改性，以聚合物/水泥作為基體對(duì)壓電陶瓷進(jìn)行填充，提高了基體與陶瓷片之間的結(jié)合強(qiáng)度以及正交異性壓電復(fù)合材料的整體性能，從而使制作的傳感器具有更穩(wěn)定的性能。所述1-3型正交異性聚合物/水泥基壓電復(fù)合材料除了將水泥用聚合物進(jìn)行改性外，其他的結(jié)構(gòu)和制備方法等都與CN 102509766 A中公開的1-3型正交異性水泥基壓電復(fù)合材料一致。改性時(shí)，聚合物和水泥的質(zhì)量比為0.15^0.7:1，優(yōu)選0.3、.6:1，所用聚合物為環(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。為了提高和改善本發(fā)明正交異性壓電傳感器的靈敏度和帶寬，本專利從理論上分析了匹配層與正交異性壓電傳感元件間的聲阻抗關(guān)系，并以水泥-環(huán)氧樹脂-鎢粉混合物作為匹配層。通過研究匹配層對(duì)正交異性壓電傳感器的正交異性、靈敏度和帶寬等性能的影響表明:本發(fā)明匹配層材料可在一定程度上可提高壓電傳感器的正交異性、靈敏度和頻帶寬。所述匹配層優(yōu)選為質(zhì)量比為3:3:fl:l:8的水泥、環(huán)氧樹脂和鎢粉的混合物，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，所述水泥包括硫鋁酸鹽水泥、硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥和鐵鋁酸鹽水泥等。本發(fā)明的背襯層是由水泥和環(huán)氧樹脂的混合物組成，背襯層的材料強(qiáng)度高、絕緣性好，不僅有效的改善了壓電傳感器與混凝土之間的聲阻抗相容性，而且還對(duì)正交異性壓電復(fù)合材料起到保護(hù)、支撐和封裝的作用。所述背襯層優(yōu)選為質(zhì)量比為0.15^0.7:1的聚合物和水泥的混合物，最優(yōu)選為質(zhì)量比為0.3、.6:1的聚合物和水泥的混合物，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，所述水泥包括硫鋁酸鹽水泥、硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥和鐵鋁酸鹽水泥等。本發(fā)明在傳感器表面涂有一層摻有屏蔽材料的水泥涂層作為屏蔽層，所述電磁屏蔽材料可以在市場中買到，優(yōu)選含有石墨、鐵氧體、銅、銀和碳纖維中的一種或幾種成分的電磁屏蔽材料，電磁屏蔽材料可以使傳感器更好地屏蔽噪音信號(hào)，具有更高的信噪比。本發(fā)明傳感器的導(dǎo)線優(yōu)選為屏蔽作用良好的銅芯屏蔽線，所述導(dǎo)線分別與正交異性壓電元件的正負(fù)極相連。本發(fā)明正交異性壓電傳感器的制備方法，其特征是包括以下步驟:
(1)將正交異性壓電元件的正負(fù)極與導(dǎo)線進(jìn)行連接；
(2)將環(huán)氧樹脂和固化劑混合，再加入水泥進(jìn)行混合，最后加入鎢粉，混合均勻，將其澆注于模具底部，然后放入壓電元件，固化后得匹配層；
(3)先將環(huán)氧樹脂和固化劑混合，然后加入水泥進(jìn)行混合，然后將混合物澆入模具中，制成背襯層；
(4)待背襯層固化后，拆模，在傳感器樣品表面涂上一層摻有屏蔽材料的水泥涂層作為屏蔽層，即制得本發(fā)明正交異性壓電傳感器。本發(fā)明傳感器可用于土木工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)/檢測，其步驟是:將本發(fā)明正交異性壓電傳感器埋入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部或粘貼于混凝土結(jié)構(gòu)表面，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的健康狀況進(jìn)行監(jiān)/檢測。本發(fā)明提供了一種適用于土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)/檢測的正交異性壓電傳感器，其壓電元件具有很好的正交異性特性，匹配層可提高傳感器的靈敏度和頻帶寬，背襯層絕緣防水、強(qiáng)度高，不僅有效的改善了壓電傳感器與混凝土之間的相容性，又對(duì)正交異性壓電復(fù)合材料起到保護(hù)、支撐的作用，屏蔽層能進(jìn)一步的屏蔽外界干擾，提高信噪比。本發(fā)明傳感器制備簡單，結(jié)構(gòu)合理，使用方便；具有明顯的正交異性特性；抗干擾能力強(qiáng)，能有效降低環(huán)境噪音對(duì)有效信號(hào)的干擾；靈敏度高和頻帶寬；與混凝土相容性好，在監(jiān)/檢測混凝土結(jié)構(gòu)健康狀況時(shí)，既可以埋入混凝土內(nèi)部，又可以外貼于混凝土結(jié)構(gòu)表面，能夠針對(duì)不同方向的應(yīng)力波顯示不同的響應(yīng)特性，從而分辨不同方向的損傷信號(hào)，其研究和開發(fā)對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)/檢測具有重要的意義。
圖1正交異性壓電傳感器示意 圖2正交異性特性測試實(shí)驗(yàn)方案；
圖3正交異性壓電傳感器在正交方向上接收到的信號(hào)幅值；
圖4正交異性壓電傳感器的平面響應(yīng)實(shí)驗(yàn)方案；
圖5三種壓電傳感器在平面內(nèi)接收到的信號(hào)幅值；
圖6正交異性壓電傳感器在0°方向上的頻譜 圖7正交異性壓電傳感器在90°方向上的頻譜圖。
圖中，1、正交異性壓電復(fù)合材料元件，2、匹配層，3、背襯層，4、屏蔽層，5、導(dǎo)線，6、接頭，7、被測件，8、正交異性壓電傳感器。
具體實(shí)施例方式下面通過具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)闡述，應(yīng)該明白的是，下述說明僅是為了解釋本發(fā)明，并不對(duì)其內(nèi)容進(jìn)行限定。實(shí)施例1
本發(fā)明制作過程分為以下幾個(gè)部分:(一)1_3型正交異性壓電復(fù)合材料的制備；(二)匹配層的制備；(三)背襯層的制備(也可稱之為封裝)；(四)屏蔽處理。(一)1-3型正交異性壓電復(fù)合材料的制備
采用切割-澆注和排列-澆注相結(jié)合的方法制備1-3型正交異性聚合物/水泥基壓電復(fù)合材料或1-3型正交異性水泥基壓電復(fù)合材料，以PZT-5壓電陶瓷為壓電相，環(huán)氧樹脂(AB-灌漿樹脂)和水泥(硫鋁酸鹽水泥)混合物或以水泥(硫鋁酸鹽水泥)為基體，利用導(dǎo)電膠在壓電復(fù)合材料內(nèi)部形成叉指型電極，構(gòu)成叉指型結(jié)構(gòu)。所得壓電復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)及組分參數(shù)為:壓電陶瓷體積分?jǐn)?shù)為50%，環(huán)氧樹脂與水泥的質(zhì)量比為0.5:1，其具體步驟如下:
(1)確定環(huán)氧樹脂和水泥的比例為0.5:1、壓電陶瓷體積分?jǐn)?shù)為50%、壓電陶瓷柱的長寬比為3:1 ；
(2)采用切割機(jī)在已經(jīng)設(shè)計(jì)好的壓電陶瓷上沿著極化方向進(jìn)行切割，并保留底座；
(3)將切割后的陶瓷進(jìn)行清洗后固定在模具內(nèi)，將環(huán)氧樹脂和水泥按照0.5:1的比例混合，充分?jǐn)嚢柚鬂沧⒌侥＞咧校?duì)其進(jìn)行不斷振動(dòng)和真空處理；
(4)用切割機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行二次切割，切割方向與第一次切割方向垂直，切割出所需尺寸的陣列塊；
(5)將切好的陣列進(jìn)行排列，使其極化方向平行于X方向，并使相鄰的兩片之間的極化方向相反；
(6)澆注導(dǎo)電膠，使之形成叉指型電極結(jié)構(gòu)；
(7)固化好進(jìn)行打磨拋光，即得1-3型正交異性聚合物/水泥基壓電復(fù)合材料。將正交異性壓電復(fù)合材料元件(簡稱正交異性壓電元件或壓電元件，下同)與導(dǎo)線連接，壓電元件的正負(fù)極分別與導(dǎo)線進(jìn)行連接，并從與正交異性壓電元件負(fù)極相連的導(dǎo)線中引出一部分導(dǎo)線，用作屏蔽線，導(dǎo)線的另一端連接接頭。(二)匹配層的制備
本發(fā)明采用環(huán)氧樹脂、水泥和鎢粉的混合物為匹配層。其具體制備過程如下:
(1)確定環(huán)氧樹脂和固化劑的比例為4:1，充分?jǐn)嚢杈鶆颍?br>
(2)將水泥(水泥和環(huán)氧樹脂的比例為1:1)加入到(I)中的混合物中，充分?jǐn)嚢瑁?br>
(3)混合均勻后，放入真空干燥箱中進(jìn)行真空處理，至無氣泡；
(4)在(3)中得到的混合物中加入一定量的鎢粉(鎢粉和水泥的質(zhì)量比為8:1)，混合均勻，待混合物失去流動(dòng)性后將其澆注于模具底部，然后放入壓電元件，固化后得到傳感器的匹配層。(三)背襯層的制備(封裝) 本發(fā)明采用環(huán)氧樹脂和水泥的混合物作為背襯材料。其制備過程如下:
(1)將環(huán)氧樹脂和固化劑按照4:1的比例，進(jìn)行充分?jǐn)嚢杈鶆颍?br>
(2)將水泥(水泥和環(huán)氧樹脂的比例為1:1)加入到(I)中的混合物中，充分?jǐn)嚢瑁?br>
(3)將(2)得到的混合物放入真空干燥箱中進(jìn)行真空處理，至無氣泡產(chǎn)生；
(4)將(3)得到的混合物澆注到已經(jīng)安置好壓電元件的模具中；
(5)待背襯材料固化之后，拆模。(四)屏蔽處理
在正交異性壓電傳感器樣品的表面涂一層摻有屏蔽材料(石墨、碳纖維、鐵氧體、銅和銀)的水泥涂層作為屏蔽層，得本發(fā)明正交異性壓電傳感器。上述實(shí)施例1制得的壓電傳感器性能優(yōu)異，下面通過實(shí)驗(yàn)對(duì)其正交異性特性、靈敏度、帶寬等性能進(jìn)行測試。實(shí)驗(yàn)I
將制備得到的正交異性壓電傳感器粘貼在被測件的表面，用HB鉛筆、角度為30°折斷做模擬聲發(fā)射源，采用美國物理聲學(xué)公司的聲發(fā)射設(shè)備進(jìn)行聲發(fā)射信號(hào)測試。、正交異性壓電傳感器的正交異性特性
正交異性特性是1-3型正交異性壓電復(fù)合材料一種獨(dú)有的一種特性，按照?qǐng)D2所示的實(shí)驗(yàn)方案，本發(fā)明進(jìn)行壓電傳感器的正交異性特性測試。在距離壓電傳感器幾何中心60mm處對(duì)兩種壓電傳感器分別進(jìn)行正交異性特性測試，測試角度為0°和90°。圖3所示為正交異性壓電傳感器在正交方向上的信號(hào)響應(yīng)情況。由圖可以看出，正交異性壓電傳感器在0°方向上接收到的信號(hào)幅值為0.1434V，在90°方向上接收到的信號(hào)幅值為0.0524V，幾乎成2倍的關(guān)系。這說明正交異性壓電傳感器在正交方向上表現(xiàn)出明顯的正交異性特性。、正交異性壓電傳感器的靈敏度
本發(fā)明是在混凝土梁上利用斷裂鉛筆芯的方式獲得激勵(lì)信號(hào)，在以傳感元件幾何中心為圓心，60 mm為半徑的圓上，每隔22.5°測量一次，實(shí)驗(yàn)方案如圖4所示。為了驗(yàn)證壓電復(fù)合材料的正交異性特性，將其與純壓電陶瓷傳感元件與1-3型水泥基壓電復(fù)合材料傳感元件作對(duì)比實(shí)驗(yàn)。圖5所示的是三種壓電傳感器在平面內(nèi)接收到的信號(hào)幅值。由圖可看出，壓電陶瓷與1-3型水泥基復(fù)合材料傳感元件在O° 360°方向上接受到的信號(hào)強(qiáng)度幅值基本沒有太大變化，顯示出各向同性的特點(diǎn)。而1-3型正交異性水泥基壓電傳感元件隨著測試角度的變化，由橫向到縱向的接收信號(hào)的靈敏度逐漸增大。在0° 360°方向上接受到的信號(hào)強(qiáng)度幅值差異明顯，尤其是在0°、180°和360°方向上接受到的信號(hào)強(qiáng)度幅值明顯大于90°與270°方向上的信號(hào)強(qiáng)度幅值，這表明1-3型正交異性水泥基壓電復(fù)合材料具有良好的正交異性特性。在0° 360°方向上，1-3型正交異性水泥基壓電傳感器接收到的信號(hào)峰值基本上均高于純陶瓷和1-3型水泥基壓電復(fù)合材料傳感器，尤其是在0°和180°方向上，這說明正交異性水泥基壓電復(fù)合材料具有較高的靈敏度。、正交異性壓電傳感器的帶寬
將正交異性壓電傳感器在0°和90°方向上接收到的首波脈沖波經(jīng)過傅里葉變化得到的頻譜圖分別如圖6和圖7所示。由圖可以看出，正交異性壓電傳感器的工作頻率范圍為15 440kHz，低頻性能好，非常適用于混凝土結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測。
實(shí)施例2
1、按照實(shí)施例1的方法制備1-3型正交異性聚合物/水泥基壓電復(fù)合材料的制備；
2、將正交異性壓電元件與導(dǎo)線連接，壓電元件的正負(fù)極分別與導(dǎo)線進(jìn)行連接，并從與正交異性壓電元件負(fù)極相連的導(dǎo)線中引出一部分導(dǎo)線，用作屏蔽線；
3、按照實(shí)施例1的方法制備匹配層，不同的是:水泥、環(huán)氧樹脂和鎢粉的質(zhì)量比為3:3:1,固化劑與環(huán)氧樹脂的質(zhì)量比為4:1 ；
4、按照實(shí)施例1的的方法制備背襯層。5、按照實(shí)施例1的的方法制備屏蔽層。對(duì)所得傳感器進(jìn)行性能測試，其正交異性特性、靈敏度、帶寬等等性能與實(shí)施例1的傳感器相近。實(shí)施例3
按照實(shí)施例1的方法制備正交異性壓電傳感器，不同的是，在制備匹配層時(shí)，水泥、環(huán)氧樹脂和鎢粉的質(zhì)量比為1:1:3，固化劑與環(huán)氧樹脂的質(zhì)量比為4:1。對(duì)所得傳感器進(jìn)行性能測試，其正交異性特性、靈敏度、帶寬等等性能與實(shí)施例1的傳感器相近。實(shí)施例4
按照實(shí)施例1的方法制備正交異性壓電傳感器，不同的是，在制備匹配層時(shí)，水泥、環(huán)氧樹脂和鎢粉的質(zhì)量比為1:1:5，固化劑與環(huán)氧樹脂的質(zhì)量比為4:1。對(duì)所得傳感器進(jìn)行性能測試，其正交異性特性、靈敏度、帶寬等等性能與實(shí)施例1的傳感器相近。實(shí)施例5
按照實(shí)施例1的方法制備正交異性壓電傳感器，不同的是，在制備1-3型正交異性聚合物/水泥基壓電復(fù)合材料和背襯層時(shí)，環(huán)氧樹脂和水泥的質(zhì)量比為0.15:1,固化劑與環(huán)氧樹脂的質(zhì)量比為4:1。對(duì)所得傳感器進(jìn)行性能測試，其正交異性特性、靈敏度、帶寬等等性能與實(shí)施例1的傳感器相近。實(shí)施例6
按照實(shí)施例1的方法制備正交異性壓電傳感器，不同的是，在制備1-3型正交異性聚合物/水泥基壓電復(fù)合材料和背襯層時(shí)，環(huán)氧樹脂和水泥的質(zhì)量比為0.3:1，固化劑與環(huán)氧樹脂的質(zhì)量比為4:1。對(duì)所得傳感器進(jìn)行性能測試，其正交異性特性、靈敏度、帶寬等等性能與實(shí)施例1的傳感器相近。實(shí)施例7
按照實(shí)施例1的方法制備正交異性壓電傳感器，不同的是，在制備1-3型正交異性聚合物/水泥基壓電復(fù)合材料和背襯層時(shí)，環(huán)氧樹脂和水泥的質(zhì)量比為0.6:1，固化劑與環(huán)氧樹脂的質(zhì)量比為4:1。對(duì)所得傳感器進(jìn)行性能測試，其正交異性特性、靈敏度、帶寬等等性能與實(shí)施例1的傳感器相近。實(shí)施例8
按照實(shí)施例1的方法制備正交異性壓電傳感器，不同的是，在制備1-3型正交異性聚合物/水泥基壓電復(fù)合材料和背襯層時(shí)，環(huán)氧樹脂和水泥的質(zhì)量比為0.7:1，固化劑與環(huán)氧樹脂的質(zhì)量比為4:1。對(duì)所得傳感器進(jìn)行性能測試，其正交異性特性、靈敏度、帶寬等等性能與實(shí)施例1的傳感器相近。實(shí)施例9
按照實(shí)施例1的方法制備正交異性壓電傳感器，不同的是，在制備1-3型正交異性聚合物/水泥基壓電復(fù)合材料時(shí)，壓電陶瓷的體積分?jǐn)?shù)為30%。對(duì)所得傳感器進(jìn)行性能測試，其正交異性特性、靈敏度、帶寬等等性能低于實(shí)施例1的傳感器。實(shí)施例10
按照實(shí)施例1的方法制備正交異性壓電傳感器，不同的是，在制備1-3型正交異性聚合物/水泥基壓電復(fù)合材料時(shí)，壓電陶瓷的體積分?jǐn)?shù)為70%。對(duì)所得傳感器進(jìn)行性能測試，其正交異性特性、靈敏度、帶寬等性能優(yōu)于實(shí)施例1的傳感器。實(shí)施例11
按照實(shí)施例1的方法制備正交異性壓電傳感器，不同的是，所用的壓電陶瓷分別為鈮鋰鋯鈦酸鉛壓電陶瓷、鈮鎂鋯鈦酸鉛壓電陶瓷。因所用壓電陶瓷不同，所得傳感器的靈敏度、帶寬等性能參數(shù)與實(shí)施例1的傳感器有一定差別，但是傳感器的正交異性特性都很好。實(shí)施例12
按照實(shí)施例1的方法制備正交異性壓電傳感器，不同的是，壓電元件、匹配層和背襯層中所用的環(huán)氧樹脂分別為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。因這四種環(huán)氧樹脂流動(dòng)性不如AB-灌漿樹脂，所以在制備時(shí)可操作性低于實(shí)施例1，所得傳感器的性能與實(shí)施例1的傳感器相近。實(shí)施例13
按照實(shí)施例1的方法制備正交異性壓電傳感器，不同的是，壓電元件、匹配層和背襯層中所用的水泥分別為硫鋁酸鋇鈣水泥、硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥和氟招酸鹽水泥。因水泥特異性有一定差異，所得傳感器性能有一定差異，但傳感器正交異性特性、靈敏度、帶寬等性能均優(yōu)異。實(shí)施例14
按照實(shí)施例1的方法制備正交異性壓電傳感器，不同的是，所用壓電復(fù)合材料為1-3型正交異性水泥基壓電復(fù)合材料，以PZT-5壓電陶瓷為壓電相，以硫鋁酸鹽水泥為基體，利用導(dǎo)電膠在壓電復(fù)合材料內(nèi)部形成叉指型電極，構(gòu)成叉指型結(jié)構(gòu)，壓電陶瓷體積分?jǐn)?shù)為50%，環(huán)氧樹脂與水泥的質(zhì)量比為0.5:1，壓電陶瓷柱的長寬比為3:1。對(duì)所得傳感器進(jìn)行性能測試，其靈敏度可以達(dá)到85dB，優(yōu)于實(shí)施例1的傳感器，其正交異性特性與帶寬等性能與實(shí)施例1的傳感器相近。實(shí)施例15
按照實(shí)施例14的方法制備正交異性壓電傳感器，不同的是，壓電陶瓷柱的長寬比為
1:1。對(duì)所得傳感器分別進(jìn)行性能測試，其正交異性特性和靈敏度低于實(shí)施例14，但其帶寬性能與實(shí)施例14的傳感器相近。
權(quán)利要求
1.一種正交異性壓電傳感器，其特征是:包括正交異性壓電復(fù)合材料元件、匹配層、背襯層和導(dǎo)線，所述正交異性壓電復(fù)合材料元件的下表面與匹配層相連，正交異性壓電復(fù)合材料元件的其他面與背襯層相連，匹配層和背襯層的表面涂有屏蔽層，導(dǎo)線分別與正交異性壓電復(fù)合材料元件的正負(fù)極相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的正交異性壓電傳感器，其特征是:所述正交異性壓電復(fù)合材料元件為1-3型正交異性聚合物/水泥基壓電復(fù)合材料或1-3型正交異性水泥基壓電復(fù)合材料，所述聚合物與水泥的質(zhì)量比為0.15^0.7:1。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的正交異性壓電傳感器，其特征是:所述匹配層為水泥、環(huán)氧樹脂和鎢粉的混合物；所述背襯層為水泥和環(huán)氧樹脂的混合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的正交異性壓電傳感器，其特征是:所述匹配層為質(zhì)量比為3:3:Γ1:1:8的水泥、環(huán)氧樹脂和鎢粉的混合物；所述背襯層為質(zhì)量比為0.15^0.7:1的環(huán)氧樹脂和水泥的混合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的 正交異性壓電傳感器，其特征是:所述屏蔽層材質(zhì)為一層摻有屏蔽材料的水泥涂層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的正交異性壓電傳感器，其特征是:所述屏蔽材料為石墨、碳纖維、鐵氧體、銅和銀中的一種或多種。
7.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的正交異性壓電傳感器，其特征是:所述的環(huán)氧樹脂為AB-灌漿樹脂、Ε-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；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、硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥和氟鋁酸鹽水泥；所述正交異性壓電復(fù)合材料元件中的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。
8.—種權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的正交異性壓電傳感器的制備方法，其特征是包括以下步驟: (1)將正交異性壓電元件的正負(fù)極與導(dǎo)線進(jìn)行連接； (2)將環(huán)氧樹脂和固化劑混合，再加入水泥進(jìn)行混合，最后加入鎢粉，混合均勻，將其澆注于模具底部，然后放入壓電元件，固化后得匹配層； (3)先將環(huán)氧樹脂和固化劑混合，然后加入水泥進(jìn)行混合，然后將混合物澆入模具中，制成背襯層； (4)待背襯層固化后，拆模，在傳感器樣品表面涂上一層摻有屏蔽材料的水泥涂層作為屏蔽層，即制得本發(fā)明正交異性壓電傳感器。
9.一種混凝土結(jié)構(gòu)的健康檢測方法，其特征是:將權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的正交異性壓電傳感器粘貼于混凝土結(jié)構(gòu)表面或者埋入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的健康狀況進(jìn)行檢測。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于土木工程結(jié)構(gòu)監(jiān)/檢測的正交異性壓電傳感器，包括正交異性壓電復(fù)合材料元件、匹配層、背襯層和導(dǎo)線，所述正交異性壓電復(fù)合材料元件的下表面與匹配層相連，正交異性壓電復(fù)合材料元件的其他面與背襯層相連，匹配層和背襯層的表面涂有屏蔽層，導(dǎo)線分別與正交異性壓電復(fù)合材料元件的正負(fù)極相連。本發(fā)明還公開了該傳感器的制備方法和應(yīng)用。本發(fā)明傳感器正交異性特性明顯，靈敏度高，響應(yīng)頻帶寬，抗干擾能力強(qiáng)，能夠針對(duì)不同方向的應(yīng)力波具有不同的響應(yīng)特性，能夠有效抑制側(cè)向干擾信號(hào)接收，提高信噪比。
文檔編號(hào)H01L41/18GK103199190SQ201310124430
公開日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月11日
發(fā)明者程新, 黃世峰, 徐東宇, 葉正茂, 蘆令超, 謝士會(huì) 申請(qǐng)人:濟(jì)南大學(xué)