一种用于结构健康监测的新型压电传感器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种用于结构健康监测的新型压电传感器，该传感器包括压电陶瓷片、铜纸和金属片，其中：所述压电陶瓷片的上下表面镀银，其下表面通过导电胶与所述铜纸的上表面粘结，所述铜纸的下表面通过胶水与所述金属片的上表面粘结，所述压电陶瓷片的上表面以及铜纸的上表面分别连接有一根导线。本实用新型的传感器包括紧密贴合的压电陶瓷片和金属片，可避免压电陶瓷片直接与结构相连，具有制作简单方便、节约时间、操作简便等优点，不仅保持了压电片的原有压电效应性能，还能有效提高采集到的导纳信号的峰值，使得更容易感知导纳信号的变化，进而更容易判断结构的损伤，适用于各种土木工程结构的健康监测。
【专利说明】
一种用于结构健康监测的新型压电传感器
技术领域
[0001]本实用新型属于结构健康监测技术领域，更具体地，涉及一种用于结构健康监测的新型压电传感器。
【背景技术】
[0002]土木工程结构由于受环境侵蚀、材料老化、荷载的长期效应、疲劳效应以及各种突发性因素(地震、台风、冰雨等)的耦合作用，将不可避免地导致结构损伤，随着使用时间的增加，损伤不断积累，会降低结构的强度和刚度，甚至发生破坏。为了减少经济损失，迫切要求对土木工程结构以及基础设施进行健康监测，以及时检测结构的健康状况。
[0003]目前常用的结构健康监测方式是利用压电材料实现，通过监测结构的微小特性变化来识别损伤，其中压电材料与结构的结合方式主要有粘贴式和埋入式两种，其基本原理是压电材料被用作驱动器和传感器，当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]在试验过程中发现，若直接将压电材料埋入或者粘贴在混凝土结构表面时，测得的导纳曲线峰值较少且较平滑，若将压电片贴在钢梁上，测得导纳曲线的峰值变多而且较尖锐，这是由于不同的材料、结构具有不同的阻尼比。由压电阻抗法的基本原理可知，当结构中出现损伤时，导纳曲线的峰值减小且向左偏移，通过观察导纳曲线的变化就可得知结构的损伤状况，但若测得的导纳曲线峰值较少且较平滑，就会很难区分出导纳曲线的变化，即很难依据原始曲线判别结构是否出现损伤。因此，研究开发一种可增大增多导纳曲线峰值的传感器，已经成为基于压电阻抗法的结构健康监测的迫切需求。
【实用新型内容】
[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种用于结构健康监测的新型压电传感器，其包括紧密贴合的压电陶瓷片和金属片，其中压电陶瓷片上下表面分别镀银，其上表面直接和导线相连，下表面则通过导电胶与铜纸相连，铜纸再与导线相连，该新型压电传感器能够明显增大增多导纳曲线的峰值，具有制作简单方便，压电性能稳定等优点。
[0006]为实现上述目的，本实用新型提出了一种用于结构健康监测的新型压电传感器，该传感器包括压电陶瓷片、铜纸和金属片，其中:
[0007]所述压电陶瓷片的上下表面镀银，其下表面通过导电胶与所述铜纸的上表面粘结，所述铜纸的下表面通过胶水与所述金属片的上表面粘结，所述压电陶瓷片的上表面以及铜纸的上表面分别连接有一根导线。
[0008]作为进一步优选的，所述压电陶瓷片采用锆钛酸铅系材料制成，其具体尺寸为I Omm 长 X I Omm 宽 X 0.5mm 高。
[0009]作为进一步优选的，所述铜纸具体为双导铜箔胶带，其厚度为0.1mm。
[0010]作为进一步优选的，所述金属片为铜片或不绣钢片，厚度为1mm。
[0011]作为进一步优选的，所述胶水具体为环氧树脂胶水，其由环氧树脂胶和环氧固化剂按1:1的比例混合。
[0012]总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点:
[0013]1.本实用新型的传感器包括紧密贴合的压电陶瓷片和金属片，其中压电陶瓷片上下表面分别镀银，其上表面直接和导线相连，下表面则通过铜纸引出电极，铜纸再与金属片相连，可避免压电陶瓷片直接与结构相连，具有制作简单方便、节约时间、操作简便等优点，不仅保持了压电片的原有压电效应性能，而且还能有效提高采集到的导纳信号的峰值，使得更容易感知导纳信号的变化，进而更容易判断结构的损伤，从而使得压电片能够可靠有效地应用于结构的健康监测。
[0014]2.在本实用新型中，由于压电陶瓷片和金属片紧密贴合，可避免压电片直接与结构相连，且由于金属片的阻尼比较小，监测时金属片与压电陶瓷片共同作用，可明显提高采集到的压电导纳曲线的峰值，使得阻抗分析仪采集到的导纳信号的峰值变得尖锐，进而较容易的区分损伤前后导纳信号的变化，以判断结构是否具有损伤。
【附图说明】
[0015]图1是本实用新型的用于结构健康监测的新型压电传感器的结构示意图；
[0016]图2是封装前压电传感器各组件的相对位置示意图。
【具体实施方式】
[0017]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。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0018]如图1-2所示，本实用新型提供的一种用于结构健康监测的新型压电传感器，其主要包括压电陶瓷片1、铜纸2和金属片3，其中:
[0019]该压电陶瓷片I的上下表面均镀银，其下表面通过导电胶与铜纸2的上表面粘结，铜纸2的下表面通过胶水与金属片3的上表面粘结，压电陶瓷片I的上表面和下表面分别连接有一根导线4。测试时，导线4与外部的信号采集系统相连，通过信号采集系统采集传感器的信号，实现土木工程结构的健康监测。
[0020]具体的，压电陶瓷片I优选采用锆钛酸铅系材料制成，其具体尺寸为1mm长X10_宽X0.5mm高，铜纸2为薄铜纸，其作为其中一个电极，厚度仅为0.1mm，且本实施例选用双导铜箔胶带作为本实用新型的铜纸，具有良好的导电性能。
[0021]进一步的，所述金属片3作为与待测试结构直接接触的部件，其可以选用铜片或者不绣钢片，厚度为1mm，选用该厚度的金属片，使得测试时导纳信号具有较尖锐的峰值，进而较容易的区分损伤前后导纳信号的变化，以判断结构是否具有损伤。
[0022]更为具体的，胶水采用环氧树脂胶水，采用该胶水进行粘结，具有良好的粘结效果，其由环氧树脂胶和环氧固化剂按1:1的比例混合。
[0023]下面对本实用新型的压电传感器的制备过程进行详细说明。
[0024]本实用新型的压电传感器的制作过程如下:
[0025](I)选择满足要求的压电陶瓷片1、铜纸2和金属片3，将压电陶瓷片1、铜纸2和金属片3的表面用无水酒精清理干净，去除微小杂质；
[0026](2)在金属片表面标示出压电陶瓷片的粘贴位置；
[0027](3)在压电陶瓷片上下表面镀银，并在压电陶瓷片下表面通过导电胶与0.1mm厚的薄铜纸粘结；
[0028](4)按1:1比例混合环氧树脂胶水，搅拌充分，然后在金属片已经标示的部位均匀涂抹一层薄薄的胶水，约0.1mm左右；
[0029](5)将已和铜纸粘结在一起的压电陶瓷片平铺放置在金属片上已经标示的位置，并轻轻按压至使其通过胶水与金属片粘结，粘贴结束后将其在阴凉处放置24小时，待粘结层达到一定的强度后开始焊接导线；
[0030](6)将两根导线分别焊接在压电陶瓷片的上表面、以及与压电陶瓷片下表面粘结在一起的铜纸上，焊接结束后即获得所需传感器。
[0031]下面将具体解释本实用新型的压电传感器的使用方法。
[0032]测试时，首先将本实用新型的传感器安装于待测对象上，然后将新型压电传感器的导线与信号采集系统相连，信号采集系统对传感器施加正弦激励，信号采集系统施加正弦激励的同时，接收传感器反馈的电信号，电信号经过系统处理变成导纳信号，根据分析比较采集到的导纳信号即可分析待测对象的健康状况。
[0033]以下为本实用新型的实施例:
[0034]实施例1
[0035]首先，以混凝土试块作为测试对象，由于混凝土在凝结硬化过程中会发生各种化学反应导致传感器的性能发生变化甚至破坏，试验前先对传感器进行防水处理，具体防水处理为:将传感器浸入沥青，用刀片刮掉多余沥青使形成沥青防水层，防水层具有防潮作用，能避免对传感器施加电压时短路，然后将涂有沥青防水层的传感器在室温条件下晾干；
[0036]然后，将涂有沥青防水层的压电传感器放置于混凝土试件模具中的标定位置(混凝土试件模具正中间)，用扎丝带对导线绑扎引出，然后进行混凝土试块的浇筑，为防止浇筑混凝土时将内置传感器破坏，将混凝土浇筑分成3层，浇筑完成后，将混凝土试块自然养护；
[0037]最后，在混凝土试块养护过程中，将传感器的导线与信号采集系统相连，通过信号采集系统对传感器施加正弦激励，同时信号采集系统接收到传感器反馈的电信号，电信号经过系统处理变成导纳信号，根据导纳信号分析混凝土试块的硬化凝结状况。
[0038]实施例2
[0039]以钢筋混凝土梁作为测试对象，试验前将钢筋混凝土梁整体放平，在钢筋混凝土梁需要粘贴传感器的部位用砂纸进行打磨，并用丙酮洗净，然后在上面涂覆一层薄薄的二组分环氧树脂粘结剂，最后将传感器的金属片放到粘结剂上，用手指轻压，使得传感器与钢筋混凝土梁表面完整结合，粘贴完之后，放置一段时间(一般为6-12个小时)，然后将焊接在压电片两极的导线连接到阻抗分析仪(即信号采集系统)，通过阻抗分析仪对传感器施加正弦激励，同时接收传感器反馈的电信号，电信号经过阻抗分析仪的处理变成导纳信号，在钢筋混凝土梁长期使用过程中，根据采集到的导纳信号即可分析钢筋混凝土梁的健康状况。
[0040]综上，本实用新型的压电传感器，由于设置了金属片，使得测试时压电陶瓷片与待测对象间接接触，从而提高了采集到的压电导纳曲线的峰值，可更易判断结构是否具有损伤。
[0041]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新型压电传感器，其特征在于，该传感器包括压电陶瓷片(1)、铜纸(2)和金属片(3)，其中: 所述压电陶瓷片(I)的上下表面镀银，其下表面通过导电胶与所述铜纸(2)的上表面粘结，所述铜纸(2)的下表面通过胶水与所述金属片(3)的上表面粘结，所述压电陶瓷片(I)的上表面以及铜纸(2)的上表面分别连接有一根导线(4)。2.如权利要求1所述的用于结构健康监测的新型压电传感器，其特征在于，所述压电陶瓷片(I)采用锆钛酸铅系材料制成，其具体尺寸为:1Omm长X 1mm宽X 0.5mm高。3.如权利要求1或2所述的用于结构健康监测的新型压电传感器，其特征在于，所述铜纸(2)具体为双导铜箔胶带，其厚度为0.1mm。4.如权利要求3所述的用于结构健康监测的新型压电传感器，其特征在于，所述金属片(3)为铜片或不绣钢片，厚度为1mm。5.如权利要求4所述的用于结构健康监测的新型压电传感器，其特征在于，所述胶水具体为环氧树脂胶水，其由环氧树脂胶和环氧固化剂按1:1的比例混合。
【文档编号】G01H11/08GK205537940SQ201620085088
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年1月28日
【发明人】王丹生, 王清华, 朱宏平
【申请人】华中科技大学