一种用于混凝土结构健康监测/检测的植入式压电加速度传感器及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001] 本发明属于压电传感技术领域，设及一种内置电荷适调器的植入式压电加速度传 感器，为单向拾振器，具体设及一种用于混凝±结构监测/检测的植入式压电加速度传感器 及其制备方法和应用。
【背景技术】
[0002] 混凝±是±木工程中应用最广泛的结构材料，伴随着混凝±材料在±木工程领域 的大规模使用，它所暴露的种种问题也日益出现。大型±木工程结构的使用期往往长达几 十年甚至数百年，其在环境变化、外部荷载W及施工等不利因素的作用下，不可避免的产生 损伤累积和抗力衰减破坏，甚至引发灾难性的突发事故。因此，采用智能传感器系统对±木 工程结构进行健康监测/检测显得尤为重要。
[0003] 加速度传感器是一种能够测量加速力的电子器件，具有测量精度高、工作频率范 围宽、可W将极微弱的振动信号转换为电信号等优点，被广泛应用于振动损伤识别分析。利 用其对混凝±结构进行健康监测/检测，及时发现结构损伤，采取防治措施，对保障人民生 命财产安全具有重大意义。目前，传统的混凝±结构健康监测/检测技术多是自外而内的， 采用金属外壳封装的压电式加速度传感器，若作为外贴式，传感器使用过程中受外部环境 影响，易与混凝±结构产生松动，影响测量精度，甚至发生脱落现象，致使其不能反映混凝 ±结构真实受振状况;若作为植入式，传感器与混凝±材料禪合性差，在混凝±碱性环境中 长期使用易受腐蚀，影响其防水性及耐久性。
【发明内容】
[0004] 本发明针对现有加速度传感器存在的上述不足，提出了一种用于混凝±结构监 检测的植入式压电加速度传感器，该传感器测量精度高、低频响应好、植入混凝±结构 中与混凝±材料禪合性能好，绝缘、防水和耐腐蚀性能优良，非常适合于一些大型混凝±结 构的健康监测/检测。同时通过在封装层中添加金属粉末、锻屏蔽层的方式有效解决了由于 材料本身性能缺陷造成信号干扰严重的问题，确保混凝±结构振动监测/检测的准确性，具 有很好的应用价值。
[000引本发明还提供了该植入式压电加速度传感器的制备方法，通过该方法制备的压电 式加速度传感器重复性好，连接使用简单，并且消除了导线过长造成信号衰减严重的问题。
[0006] 同时，本发明还提供了该植入式压电加速度传感器在混凝±结构振动监测/检测 中的应用，该传感器测量精度高、工作频率范围宽、与混凝±相容性好，使用寿命长，植入混 凝±结构中能够准确获取结构的动力学特性。
[0007] 为了实现上述发明目的，本发明具体技术方案如下： 一种用于混凝±监测/检测的植入式压电加速度传感器，其特征是:包括压电元件、鹤 块、基座、电荷适调器、封装层外壳和屏蔽层;所述的封装层外壳包括封装层A和封装层B两 部分;所述的屏蔽层采用化学锻法锻于封装层A的内表面； 所述的基座上覆盖封装层A，基座与封装层A形成内部中空结构，压电元件和鹤块位于 形成的中空结构中；基座上表面有化学锻儀法制备的儀电极;基座正中固定有一体诱注的 螺杆； 所述的压电元件和鹤块均为圆环形，依次套设于螺杆上，并用螺母固定，压电元件和鹤 块轴向方向一致； 所述的压电元件的上下表面设有电极，上表面为正极，下表面为负极，鹤块和压电元件 之间设有导电片，导电片上连接有正极导线，基座上表面的儀电极上连接有负极导线，正、 负极导线与电荷适调器正负极相连接； 所述的电荷适调器外表面覆有封装层B，并与基座及基座上覆盖的封装层A诱注为一 体;所述的负极导线上引出一条屏蔽线接于封装层A内表面的屏蔽层上;所述的电荷适调器 连接有BNC外接接头。
[000引所述的压电元件尺寸为:厚度2~4mm、外径14~16mm、内径5.0~5.4mm;压电元件 材料为压电陶瓷或1-3-2型水泥/聚合物基压电复合材料，优选1-3-2型水泥/聚合物基压电 复合材料。
[0009] 所述的1-3-2型水泥/聚合物基压电复合材料，W质量比为4:4:1的聚合物、水泥和 固化剂的混合物为基体，W压电陶瓷为功能体;所述的压电陶瓷为错铁酸铅压电陶瓷或妮 儀错铁酸铅压电陶瓷，所述聚合物为环氧树脂或酪醒树脂，所述的水泥为普通娃酸盐水泥 或硫侣酸盐水泥或其它特殊性能水泥。基体材料优选为普通娃酸盐水泥、A-B型灌浆树脂及 其配套固化剂。本发明将1-3-2型水泥/聚合物基压电复合材料作为加速度传感器的传感元 件，其结构简单，布阵方便，在对传感器灵敏度变化影响较小的情况下，能有效提高传感器 低频响应特点。并且在保证鹤块与压电元件之间表面粗糖度的同时，又确保了压电元件与 基座、封装层之间良好的禪合性能，使得压电元件、传感器、混凝±结构成为一个整体。
[0010] 所述1-3-2型水泥/聚合物基压电复合材料的制备过程为:将圆环型压电陶瓷沿与 压电陶瓷极化轴相平行的的方向分别进行横向与纵向切割，依次切割出一系列均匀排列的 网格状压电陶瓷柱，切割缝隙0.5mm，底座厚度Imm;然后将灌浆树脂、水泥和固化剂的混合 物充分揽拌均匀后诱注于切割出的压电陶瓷柱的切割缝隙中，并进行抽真空处理;诱注结 束后，置于恒溫养护箱中待其完全固化后，按尺寸切割;超声清洗，干燥后对上表面进行被 银处理，即可。
[0011] 所述的鹤块尺寸为:厚度4~6mm，外径14~16mm，内径5.0~5.4mm。鹤块因其比重 大，振动过程中对压电元件施加的惯性质量大，有利于传感器灵敏度的提高，本发明选用的 压电元件配合上述尺寸的圆环型鹤块时，传感器灵敏度能充分达到实际使用要求。压电元 件与鹤块要紧密接触，消除鹤块与压电元件之间及压电元件本身之间因加工粗糖造成的接 触不良而引起的非线性误差。
[0012] 所述的基座，厚度为4~6mm，原料成分为水泥、环氧树脂、固化剂和氧化侣粉，各成 分质量比为4:2:0.5:1.0~2。本发明选择的基座材料综合考虑了强度、电绝缘性能、防水性 能、固化前的流动性、弹性模量、振动下的力传递性能等因素。已有文献表明，传感器固有频 率随基座的厚度增加而减小，随基座弹性模量的增加而增加。用于混凝±结构健康监测/检 测的传感器，在能满足工程要求的情况下，结构部件要求尽量薄，并选用弹性模量高的材 料，本发明通过加入氧化侣粉末，可有效增大基座的弹性模量，W达到使用要求。
[0013] 所述的螺杆为M5螺杆，直径为4.83~4.98mm，所述的螺母选用与螺杆相配套的轻 质六角螺母。螺杆与基座一体诱注，螺杆主要为了确保压电元件和鹤块在振动过程中振动 方向统一，降低横向灵敏度比；螺母主要为了消除鹤块与压电元件之间及压电元件本身之 间因加工粗糖造成的接触不良而引起的非线性误差，并且保证传感器在交变力的作用下正 常工作，装配时应对压电元件施加预压缩载荷。
[0014] 所述的封装层外壳厚度为2~2.5mm，优选厚度2mm;封装层A原料成分为水泥、环氧 树脂、固化剂、鹤粉、铁粉和水，各成分的质量比为4:4:1:4:4:0.2~0.25，封装层B原料为水 泥、环氧树脂和固化剂，各成分的质