专利名称：一种混凝土中钢筋锈蚀超声监测传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及混凝土中钢筋锈蚀的监测装置及监测方法，具体的说是一种混凝土中钢筋锈蚀超声监测传感器。
背景技术：
大量的工程实践表明，在钢筋混凝土结构中，钢筋锈蚀是影响在役结构耐久性的主要因素。钢筋的锈蚀会导致受力钢筋截面面积减小，钢筋与混凝土之间的黏结力下降，混凝土保护层开裂，结构强度降低等，从而使结构耐久性降低，结构的抗力随时间衰减，可靠度也相应地降低，使得混凝土结构在使用性和安全性上存在着极大的隐患。随着我国社会经济的不断发展，各种大型复杂工程结构不断涌现，土木工程结构健康监测技术逐渐成为学术界的研究热点。近十几年来，智能材料结构在工程领域中的成功应用，为实现真正意义上的结构健康监测提供了有效的途径。目前常用钢筋锈蚀监测方法有电化学法，光纤监测， 声发射监测与超声监测等。电化学方法是通过测定钢筋混凝土腐蚀体系的电化学特性来确定钢筋的锈蚀程度或速度，主要有半电池电位法、线性极化法、恒电量法、电化学噪声法、交流阻抗法等。光纤传感器是近十多年来迅速发展起来的一种新型传感器。基本传感原理是当光波在光纤中传输时，表征光波的特征参量(振幅、相位、偏振态、波长等)会由于被测量(如应变、位移、温度、压力、加速度、电场等)对光纤的作用而发生变化，从而引起光波的强度、干涉效应、偏振面发生变化，使光波成为被调制的信号，再经过光探测器和解调仪后实现对建筑物的监测。此外还有声发射与超声波法。声发射也称为应力波发射，作为一种常用的无损检测技术已经有30多年的历史。结构在受力过程中会释放出能量，一些腐蚀历程如应力腐蚀开裂、空泡腐蚀等都伴随着声能的释放，换能器可将接收到的声信号转换成电信号进行分析，通过监测和记录这种声波便可得到结构中缺陷和腐蚀损伤的发生及发展状况，并确定他们所在位置。声发射法需要进行连续监测，易受环境噪音干扰。超声波方法是一种主动监测方法，利用超声波探头发射与接收超声波，对钢筋所在位置混凝土进行扫描，检测虽然简单方便，但是监测钢筋腐蚀精确度不高，对于未发生明显锈胀裂缝时检测的结果不够精准。上述监测方法都有其优点，也有其局限性。
发明内容本实用新型的目的是提供一种结构简单方便钢筋锈蚀监测的适于埋入混凝土中的钢筋锈蚀超声监测传感器。实现本实用新型的目的所采取的技术方案是该混凝土中钢筋锈蚀超声监测传感器设有一钢筋，钢筋的一端设有发射用压电陶瓷柱，用于发射超声波，钢筋的另一端设有接收用压电陶瓷柱，用于接收超声波，且压电陶瓷柱和压电陶瓷柱的轴向方向与钢筋的轴向方向一致，发射用压电陶瓷柱和接收用压电陶瓷柱上分别设有发射用屏蔽引线和接收用屏蔽引线，所说的发射用压电陶瓷柱和接收用压电陶瓷柱的外面分别设有树脂绝缘层，树脂绝缘层外设有屏蔽层。在近年来，压电陶瓷以其特有的传感和驱动功能成为土木工程界广泛研究和应用的智能材料之一。因其具有响应速度快、线性关系好、频响范围宽、能耗低、易剪裁、造价低廉且易加工成型等优点而在工程结构健康监测方面存在着巨大的应用潜力。因此，将压电材料作为基本元件，方便实用。该传感器的使用方法是将该传感器埋入建筑时的混凝土中。监测时，一端的压电陶瓷柱接信号发生器产生超声波，另一端的压电陶瓷柱接信号接收器，接收超声波。依据接收超声波信号的变化监测钢筋在混凝土中的锈蚀情况。本方法中，超声波在钢筋中传播，将有部分波在钢筋与混凝土的界面位置发生波的折射与透射。钢筋与混凝土将形成一个界面，因为钢筋与混凝土材料性能不同，波在界面上将会发射与透射。当钢筋发生锈蚀后，钢筋的表面将产生锈蚀产物钢筋锈蚀产物会体积膨胀，这样声波透射入混凝土的将会减少通过钢筋的将会增加，随着腐蚀程度的加深，通过钢筋的声波将会增强。当锈蚀到一定程度时，钢筋周围混凝土的拉应力超过极限拉应力，钢筋周围的混凝土开始出现细微裂缝，一旦出现裂缝，由钢筋透射入混凝土的声波将减至最小。接收到的超声波的幅值也将最大。本实用新型利用钢筋作为超声波传播的介质，克服了普通超声监测方法以混凝土作为传播介质的局限性。在施工过程中，将传感器埋入混凝土中，能够对钢筋锈蚀实时、长期的在线监测。本方法最大的优点在于既能监测钢筋的锈蚀程度又能监测混凝土损伤，能够表征钢筋、锈蚀产物与混凝土三者之间的相互作用。·
图I是本实用新型的结构示意图；图2是本实用新型监测时的连接示意图。图3是本实用新型在实验中的波形图；图4是本实用新型明在实验中超声波幅值与时间的关系曲线图。图中，I、钢筋，2发射用压电陶瓷柱，3、接收用压电陶瓷柱，4、发射用屏蔽引线，5、接收用屏蔽引线，6、树脂绝缘层，7、屏蔽层，8、信号发生器，9、信号接收器9，10、混凝土，
11、接收波，12、发射波。
具体实施方式
参照附图，该混凝土中钢筋锈蚀超声监测传感器传感器，设有一钢筋1，钢筋I的一端设有发射用压电陶瓷柱2，用于发射超声波，钢筋I的另一端设有接收用压电陶瓷柱3，用于接收超声波，且压电陶瓷柱2和压电陶瓷柱3的轴向方向与钢筋的轴向方向一致,发射用压电陶瓷柱2和接收用压电陶瓷柱3上分别设有发射用屏蔽引线4和接收用屏蔽引线5，所说的发射用压电陶瓷柱2和接收用压电陶瓷柱3的外面分别设有树脂绝缘层6，树脂绝缘层6外设有屏蔽层7。所说的屏蔽层7是涂覆银浆。所说的钢筋I直径为10 20mm，长度为100 200_。本发明中，制作压电传感器选择合适的压电陶瓷柱是关键。目前，在工程领域应用最广泛的压电陶瓷材料主要是二元系的锆钛酸铅，简称PZT。主要有三种类型PZT-4、PZT-5和ΡΖΤ-8。其中，ΡΖΤ-8是大功率发射型压电陶瓷，主要用于超声波清洗、超声波美容、超声波手术刀、超声波洁牙、超声波焊接等。ΡΖΤ-5是高灵敏度接收型压电陶瓷，主要用于电声器件、加速度计、压力计、流量计和风速计水、声换能器、传感器等。ΡΖΤ-4是中功率发射、接收两用型压电陶瓷，主要用于需要发射和接收两用功能的换能器。本发明中发射用压电陶瓷柱2和接收用压电陶瓷柱3采用ΡΖΤ-4或ΡΖΤ-5压电陶瓷柱。压电陶瓷柱2和接收用压电陶瓷柱3的极化方向与长方向一致。该混凝土中钢筋锈蚀超声监测传感器的使用方法是将混凝土中钢筋锈蚀超声监测传感器埋入建筑时的混凝土中。监测时，发射用压电陶瓷柱2利用发射用屏蔽引线4接信号发生器8，产生超声波，另一端的接收用压电陶瓷柱3利用接收用屏蔽引线5接信号接收器9，接收超声波，，依据接收超声波信号的变化监测钢筋在混凝土 10中的锈蚀情况。下面以试验室实施例对本实用新型的工作原理加以说明。本试验为加速实验，钢筋通直流电以加速锈蚀。本试验研究的主要内容是利用压电陶瓷传感器监测锈蚀钢筋的信号随时间的变化趋势，探讨压电元件对于监测 钢筋锈蚀的有效性。试验设计如下首先，将本发明的传感器置于混凝土中制成模块，制备好的模块放入盛有5%NaCl溶液的容器中，将连接钢筋的导线与直流电源的正极相连，直流电源的负极与放入溶液中的铜棒相连接。然后，将粘贴在钢筋断面的发射传感器与信号发生器的一个通道相连，接收传感器与示波器的一个通道相连，并将信号发生器的另一通道与示波器的另一通道相接，以便从示波器上能清楚的看到传感器发出的超声波波形。调整信号发生器的频率使其处在发射压电陶瓷传感器的谐振频率范围内(本试验所用频率为100kHz)，并将发射电压的幅值调到最大，信号发生器上调用方形波，同时保证示波器的两个通道同步，直至接收到的波形能够清晰的显示于示波器上。加速锈蚀试验的直流电源的电压调至2V，电阻为100 Ω，通电后便开始测量。由于所通电压比较小，锈蚀过程较慢，所以测量时每隔3小时取一次数据，取数据时，将试块拿出液面，以避免超声波幅值在溶液中衰减而使数据不准确。直到试块表面出现明显裂缝时，便停止测量。实验中得到的波形如图3所示，图中的实线为接收波，虚线为发射波。由波形图可知，超声波幅值从通电开始测量便逐渐增大，大约120h后，幅值变化很小，开始趋于稳定。这是因为通电前的砂浆试块，钢筋与水泥砂浆的粘结比较紧密，两端的压电传感器发出的超声波通过钢筋与砂浆的界面时，会有一部分信号透射到砂浆内，使得超声波的幅值比埋入之前有所降低。试验中，随着通电后钢筋的不断锈蚀，锈蚀产物不停出现且开始膨胀，在钢筋与混凝土的界面上生成疏松的锈蚀层，钢筋与砂浆的粘结性有所降低，界面开始渐渐走向脱离的状态，此时，超声波信号在钢筋与砂浆界面间传播时透射到砂浆的信号数逐渐减少，所以自加速锈蚀开始，超声波幅值开始逐渐升高。当锈蚀产物的生成使得钢筋与水泥砂浆完全脱离，超声波信号只沿钢筋自身传播，不再透射到砂浆内。所以，120h以后，超声波幅值在某一数值间波动，逐渐趋于稳定。实验结果分析如如图4。
权利要求1.一种混凝土中钢筋锈蚀超声监测传感器，其特征在于该传感器设有钢筋(1)，钢筋(O的一端设有发射用压电陶瓷柱(2)，用于发射超声波，钢筋(I)的另一端设有接收用压电陶瓷柱(3)，用于接收超声波，且压电陶瓷柱(2)和压电陶瓷柱(3)的轴向方向与钢筋的轴向方向一致，发射用压电陶瓷柱(2)和接收用压电陶瓷柱(3)上分别设有发射用屏蔽引线(4)和接收用屏蔽引线(5)，所说的发射用压电陶瓷柱(2)和接收用压电陶瓷柱(3)的外面分别设有树脂绝缘层(6 )，树脂绝缘层(6 )外设有屏蔽层(7 )。
2.按照权利要求I所说的混凝土中钢筋锈蚀超声监测传感器，其特征在于所说的屏蔽层(7)是涂覆银浆。
3.按照权利要求I所说的混凝土中钢筋锈蚀超声监测传感器，其特征在于所说的钢筋(I)直径为10 20mm,长度为100 200mm。
4.按照权利要求I所说的混凝土中钢筋锈蚀超声监测传感器，其特征在于所说的发射用压电陶瓷柱(2)和接收用压电陶瓷柱(3)采用PZT-4或PZT-5压电陶瓷柱。
专利摘要本实用新型涉及一种混凝土中钢筋锈蚀超声监测传感器，其特征在于该传感器设有钢筋(1)，钢筋(1)的一端设有发射用压电陶瓷柱(2)，用于发射超声波，钢筋(1)的另一端设有接收用压电陶瓷柱(3)，用于接收超声波，且压电陶瓷柱(2)和压电陶瓷柱(3)的轴向方向与钢筋的轴向方向一致，发射用压电陶瓷柱(2)和接收用压电陶瓷柱(3)上分别设有发射用屏蔽引线(4)和接收用屏蔽引线(5)，发射用压电陶瓷柱(2)和接收用压电陶瓷柱(3)的外面分别设有树脂绝缘层(6)及屏蔽层(7)，使用时，将该传感器埋入建筑时的混凝土中，发射用屏蔽引线(4)接信号发生器(8)，产生超声波，另一端接收用屏蔽引线(5)接信号接收器(9)，接收超声波，,依据接收超声波信号的变化监测钢筋在混凝土(10)中的锈蚀情况。
文档编号G01N29/04GK202710517SQ20122038838
公开日2013年1月30日 申请日期2012年8月7日 优先权日2012年8月7日
发明者秦磊, 仲倩倩, 刘昱清, 黄世峰, 程新 申请人:济南大学