一种用于结构健康监测的大理石封装压电传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于压电传感器领域，更具体地，涉及一种用于结构健康监测的大理石封装压电传感器。
【背景技术】
[0002]重大的土木工程结构诸如大坝、大跨度空间结构、超高层建筑、大跨度桥梁等，其健康状况直接关系到人民生命财产的安全。而且，随着我国经济和文明的不断发展，各种土木工程建设快速发展与创新，大型复杂、超高层以及多样化的工程结构不断出现，土木工程基础设施的正常运行关系到国民经济的正常运行。这些占据重要地位的工程在长达几十年，甚至上百年的服役过程中，环境侵蚀、材料老化、荷载的长期效应、疲劳效应与各种突发性因素(地震、台风、冰雨等)的耦合作用，将不可避免地导致结构损伤，随着服役年限的逐渐增加，损伤的不断积累，会降低结构的强度和刚度，甚至发生破坏。近十余年来，国内外的灾难性事故层出不穷。1999年I月，重庆市綦江县的彩虹桥倒塌，导致41人丧生，14人受伤；2004年2月，莫斯科德兰士瓦水上乐园的玻璃屋顶突然坍塌，造成40多人死亡，110多人受伤；2007年8月，湖南湘西凤凰县的凤凰公路桥，在竣工前夕轰然垮塌，造成47余人死亡，22人重伤。为了减少悲剧的发生、降低经济损失，迫切要求对土木工程结构以及基础设施进行健康监测和损伤识别。及时检测结构的健康状况，对结构早期损伤进行及时修复，不仅能有效降低维护成本，而且还能延长结构使用寿命，保证结构功能。
[0003]经过多年研宄积累，目前通常是利用压电材料实现结构健康监测，并通过监测结构的微小特性变化来识别损伤。基于压电陶瓷的结构健康监测中，压电片与结构的结合方式主要有粘贴式和埋入式两种，可根据结构的材料特点及所采用的监测技术来决定压电片与主体结构的结合方式。压电阻抗技术是基于压电材料的正逆压电效应发展而来。在压电阻抗法中，压电片被用作驱动器和传感器。结构发生损伤时其机械阻抗将发生变化，但该变化难以通过直接测试得到，利用压电材料的机电耦合特性，通过测量其电阻抗信号的变化间接反映出被测结构机械阻抗的变化。对粘贴于结构表面或埋入结构内部的压电材料施加交流电场时，由于逆压电效应作用压电材料将产生机械振动，并带动被测结构产生振动响应。该响应传递到压电材料上，由于正压电效应作用引起其电阻抗信号变化。通过比较结构有无缺陷时所测得电阻抗信号的差别，可以对其内部损伤状况进行判定。
[0004]然而在实际应用中，由于压电陶瓷片较脆，若直接将压电片埋入混凝土结构中，在混凝土结构施工过程和养护过程中极易造成压电片的损坏而失效。此外，压电陶瓷材料具有吸水特性，使得压电片的潮湿或水环境下容易发生性质改变，从而造成误差。因此为了解决这一难题，将压电片埋入混凝土结构之前，就必须对其进行防水和封装处理。例如，基于智能骨料的概念(Smart Materials and Structures, 2007，16 (4): 959-968)，将防水封装后的压电陶瓷片预先封装入鼓形的水泥砂浆或细石混凝土小块中，待养护一段时间后再将它们埋入到结构当中。这样，砂浆外包层或细石混凝土外包层可以起到保护压电陶瓷片的作用，而且它能够承受一定的荷载作用，又能够与主体混凝土结构很好的融合，起到与真实骨料类似的作用。但是这种封装方式，制作工艺比较复杂，在保证各智能骨料之间同一性方面较难，而且使用水泥砂浆或细石混凝土进行封装，考虑到其养护时间长，因此耗时久。
【实用新型内容】
[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型的目的在于提供一种用于结构健康监测的大理石封装压电传感器，其中通过对压电传感器的组件及其设置方式、封装材料及方法等进行改进，与现有技术相比能够有效解决用于结构健康监测的压电传感器封装耗时长的问题，并且压电传感器的封装效果好、荷载能力强，能保证对压电传感器良好的支撑效果，从而确保压电传感器的测量精度。
[0006]为实现上述目的，按照本实用新型的一个方面，提供了一种用于结构健康监测的大理石封装压电传感器，包括圆形形状的压电陶瓷片，其特征在于，
[0007]在该压电陶瓷片圆形上表面和圆形下表面的外环位置和内圆位置分别涂有导电涂层，所述外环位置的导电涂层与内圆位置的导电涂层不直接接触；
[0008]所述压电陶瓷片上表面和下表面外环位置的导电涂层与连接导线连接；
[0009]所述压电陶瓷片上表面和下表面内圆位置的导电涂层与另一连接导线连接；
[0010]所述压电陶瓷片的上表面和下表面外均涂有防水层，并位于大理石封装的内部。[0011 ] 作为本实用新型的进一步优选，所述大理石封装包括配合使用的第一大理石方块和开有凹槽的第二大理石方块，所述压电陶瓷片位于所述第二大理石方块的凹槽中。
[0012]通过本实用新型所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于采用了大理石封装，能起到保护压电陶瓷片，避免压电片损坏而失效。通过使用大理石对防水处理后的压电片进行封装，将封装后的压电传感器埋入监测对象后，该大理石封装层能进一步将压电陶瓷片与周围环境隔绝，避免水蒸气等对压电片性能的不利影响；并且，大理石的荷载性能好，其荷载效果与真实骨料的效果近似；大理石本身稳定的物理和化学性质保证了压电传感器在精度和信号响应方面的稳定性；大理石封装层的制作工艺简单、便利，仅需将大理石打磨开槽，形成与压电陶瓷片及其导线相匹配的形状即可，能够大大节约封装的成型时间，降低压电片的封装成本。另外，防水层(例如，环氧树脂防水层)还能避免对压电陶瓷片施加电压时产生短路现象。通过在同一片压电陶瓷片上的外环位置和内圆位置分别涂上导电涂层，减少了压电传感器的使用数量，不仅保持了压电片的原有压电效应性能，而且还能有效防止压电传感器在使用过程中损坏。
【附图说明】
[0013]图1为压电传感器封装前的结构示意图。
[0014]图中各附件标记的含义如下为大理石方块，2为压电片外环，3为连接导线，4为压电片内圆，5为连接导线，6为开有凹槽大理石方块。
【具体实施方式】
[0015]为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0016]实施例1
[0017]图1为封装前压电传感器各构件的相对位置示意图。封装后的压电传感器包括压电片、环氧树脂粘接防水层、连接导线、大理石外包层。监测时，通过连接导线3将压电片外环与外接的信号发射相连，通过连接导线5将压电片内圆与外接的信号采集系统相连。压电陶瓷圆片的半径为7mm，在该压电片的外环处涂有导电涂层，在该压电片的内圆处也涂有导电涂层，外环处的导电涂层与内圆处的导电涂层不直接接触，外环导电涂层与内圆导电涂层的间隙约为1_。导电涂层所使用的材料只要能实现导电即可，例如，导电涂层可以是镀的银涂层。
[0018]该用于结构健康监测的大理石封装压电传感器的制作过程如下:第一步:将压电片外环2与连接导线3的焊接，并将压电片内圆4与连接导线5的焊接，做成压电传感器；第二步:根据圆形压电片和连接导线的形状大小制作大理石外包方块，在大理石方块6上选取合适位置开凹槽，用于放置压电片和连接导线；第三步:在大理石方块6开有凹槽的一面(包括凹槽位置和平台位置)均匀的涂抹一层环氧树脂后，将表面也涂有环氧树脂的压电片置于凹槽处，然后将大理石方块I覆上，轻轻按压大理石外包层，使环氧树脂与上下大理石表面充分接触；第四步:将上述处理过的压电传感器置于室温环境，待环氧树脂自然固结后，即得到经过大理石封装的压电传感器。
[0019]如附图1所示，导线3和导线5为屏蔽导线，均包含有两根导线，分别与压电陶瓷圆片的上、下表面连接；屏蔽导线的外包屏蔽层可用于屏蔽外部信号干扰。例如，导线3的两根导线的一端分别与压电圆片上、下表面外环位置处的电涂层连接，另一端与外接的信号发射相连；对应的，导线5的两根导线的一端分别与压电圆片上、下表面内圆位置处的电涂层连接，另一端与外接的信号采集系统相连。
[0020]本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1.一种用于结构健康监测的大理石封装压电传感器，包括圆形形状的压电陶瓷片，其特征在于， 在该压电陶瓷片圆形上表面和圆形下表面的外环位置(2)和内圆位置(4)分别涂有导电涂层，所述外环位置的导电涂层与内圆位置的导电涂层不直接接触； 所述压电陶瓷片上表面和下表面外环位置的导电涂层与连接导线(3)连接； 所述压电陶瓷片上表面和下表面内圆位置的导电涂层与另一连接导线(5)连接； 所述压电陶瓷片的上表面和下表面外均涂有防水层，并位于大理石封装的内部。
2.如权利要求1所述的用于结构健康监测的大理石封装压电传感器，其特征在于，所述大理石封装包括配合使用的第一大理石方块(I)和开有凹槽的第二大理石方块￠)，所述压电陶瓷片位于所述第二大理石方块(6)的凹槽中。
【专利摘要】本实用新型公开了一种用于结构健康监测的大理石封装压电传感器，包括圆形形状的压电陶瓷片，在该压电陶瓷片圆形上表面和圆形下表面的外环位置和内圆位置分别涂有导电涂层，所述外环位置的导电涂层与内圆位置的导电涂层不直接接触；连接导线与所述压电陶瓷片上表面和下表面外环位置的导电涂层连接；另一连接导线与所述压电陶瓷片上表面和下表面内圆位置的导电涂层连接；该压电陶瓷片的上表面和下表面外均涂有防水层，并位于大理石封装的内部。该压电传感器能够有效解决用于结构健康监测的压电传感器封装耗时长的问题，并且压电传感器的封装效果好、荷载能力强，能保证对压电传感器良好的支撑效果，从而确保压电传感器的测量精度。
【IPC分类】G01N27-02
【公开号】CN204389428
【申请号】CN201520075554
【发明人】王丹生, 李智, 朱宏平
【申请人】华中科技大学
【公开日】2015年6月10日
【申请日】2015年2月3日