专利名称：一种声发射传感器及其制备方法和应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种声发射传感器及其制备方法和应用，特别涉及一种抗干扰能力强、灵敏度高、与混凝土结构相容性好的以压电复合材料为元件的声发射传感器及其制备方法和在混凝土结构健康监/检测中的应用。
背景技术：
声发射作为一种动态的无损监/检测技术，在混凝土结构健康检测方面有着广泛的应用。声发射是一种常见的物理现象，如果释放出的应变能足够大，就会产生可以听得见的声音，大多数材料塑性变形和断裂时都会有声发射发生，但是材料内部应力的释放产生的声发射信号很微弱，其频率范围处于听觉之外的超声频率范围内，而且声发射信号的产生和传播具有很大的复杂性，需要借助于一定的传感器才能检测出来。因此，研制高灵敏度、宽频带的传感器，用于获取大量结构或材料缺陷信息是声发射技术的关键。目前在混凝土结构的健康监/检测中一般使用商用声发射探头(其结构如图9所示)，其多采用压电陶瓷作为压电元件，具有金属或塑料外壳，往往由于探头与混凝土结构相容性差、易受腐蚀、耐久性差等各方面因素的限制使其只能外贴于结构表面进行使用。而将传感器粘贴于结构表面对其实施监/检测，粘贴层厚度、环境条件的变化、人为因素的损坏等均会直接影响监/检测精度，以致对工程质量作出错误评估。因此，研究与混凝土结构相容性好，抗电磁干扰能力强，灵敏度高，并适合埋入结构内部的声发射传感器对声发射技术在土木工程结构健康监/检中的应用研究与发展具有重要的意义。
发明内容
本发明针对上述不足，提供了一种声发射传感器，具有抗电磁干扰能力强，灵敏度高、与混凝土相容性好等优点。本发明还提供了该声发射传感器的制备方法，该方法步骤简单，易于操作。本发明还提供了该声发射传感器在土木工程领域健康监/检中的的应用，灵敏度高，响应频带宽，性能优异。本发明是通过以下措施实现的:
一种声发射传感器，其特征是:包括压电元件、背衬层和屏蔽外界干扰的封装层，所述压电元件和背衬层位于封装层内，压电元件的上表面为正极，下表面为负极，压电元件的下表面直接与封装层相连，压电元件的其他面与背衬层相连，背衬层直接与封装层相连。本发明声发射传感器的封装层使用自行研发的混合物制成，所述封装层为水泥、环氧树脂和石墨的混合物，或者是防腐抗渗型水泥与石墨的混合物。其中，当封装层由水泥、环氧树脂和石墨组成时，所用环氧树脂优选为AB-灌浆树脂、E-55环氧树脂、731环氧树月旨、AG80环氧树脂或W95环氧树脂，所用水泥可以是普通的水泥，也可以是具有特殊性能的水泥，例如硫铝酸盐水泥、硫铝酸钡钙水泥、硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥等。当封装层由水泥和石墨组成时，所用水泥则需要选取具有防腐抗渗性能的防腐抗渗型水泥，例如硫铝酸盐水泥等，普通水泥不能满足要求。优选的，封装层为质量比为7:7:广7:7:6的水泥、环氧树脂和石墨的混合物，或者是质量比为1:广3:1的防腐抗渗型水泥和石墨的混合物。本发明的封装层具有很好的屏蔽作用，因此也可以称之为屏蔽层。封装层通过在其中添加石墨的方法来减弱噪声的影响，使传感器能够更好的屏蔽环境噪音，具有更好的信噪比。除此之外，封装层具有绝缘防水的特性，防水效果好，可以对传感器进行很好的封装，使传感器埋入混凝土结构内部进行使用，减少了外界环境对传感器性能的影响。并且，本发明传感器所使用的封装层取代传统的金属和塑料外壳，进一步提高了传感器与混凝土之间的力学及声学相匹配，使传感器与混凝土结构具有更好的相容性。因为1-3型压电复合材料以及封装材料和混凝土材料具有很好的声阻抗匹配性，相容性好，因此本发明也可以作为一种埋入式声发射传感器使用。此外，本发明的封装层直接与压电元件的负极接触，也可以起到匹配层的作用，封装层为水泥、聚合物、石墨的混合物或防腐抗渗型水泥与石墨的混合物，这种混合物具有强度高、绝缘性好、匹配性好的特点，有效的改善了传感器与混凝土之间的力学及声学相容性。为了使封装层很好的起到匹配层的作用，我们从声波在介质中传播时的透射和反射现象出发，给出传感器匹配层在满足声学匹配厚度值，一般为lmm-5mm。本发明声发射传感器的背衬材料不仅能够吸收多余的声波，使传感器的在实际应用中有较好的发射响应及接收分辨率，并能在一定程度上拓展传感器的带宽。背衬层为水泥、环氧树脂和钨粉的混合物，所述水泥可以是普通水泥，也可以是特殊性能的水泥，例如硫铝酸盐水泥、硫铝酸钡钙水泥、硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥等，所述环氧树脂优选为AB-灌浆树脂、E-55环氧树脂、731环氧树脂、AG80环氧树脂或W95环氧树脂。优选的，背衬层为质量比为1:1:1的水泥、环氧树脂和钨粉的混合物。本发明所用压电元件优选为1-3型水泥/聚合物基压电复合材料，最优选为申请人在自行研发的1-3型水泥/聚合物基压电复合材料，该压电复合材料以聚合物和水泥的混合物为基体，以压电陶瓷为功能体，所述功能体被切割成多排竖直柱，功能体的四周及内部填充有基体；其中，聚合物与水泥的质量比为0.15、.7:1，压电陶瓷与基体的体积比为f 4:5，所述聚合物可以为环氧树脂或硅橡胶，所述环氧树脂包括AB-灌浆树脂、E-55环氧树脂、731环氧树脂、AG80环氧树脂、W95环氧树脂等，所述硅橡胶包括RTV硅橡胶、TG-8402硅橡胶、甲基乙烯基110-2硅橡胶等，所述压电陶瓷包括铌镁锆钛酸铅压电陶瓷、锆钛酸铅压电陶瓷、锆钛酸铅压电陶瓷等，所述水泥包括硫铝酸盐水泥、硫铝酸钡钙水泥、硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥等。该1-3型水泥/聚合物基压电复合材料已于2011年5月24日申报了发明专利，申请号为201110134231.8，该专利于2011年11月30日公开，属于现有技术，本领域技术人员可以根据专利中记载的内容得到1-3型水泥/聚合物基压电复合材料。所述压电复合材料的谐振频率、声阻抗等参数是针对混凝土结构材料的特性而设计的，从而使制作的声发射传感器具有与混凝土结构相容性好、灵敏度高、频带宽等特点。除此以外，本发明所用的压电元件还可以是1-3型水泥基压电复合材料，该1-3型水泥基压电复合材料除了所用基体为纯水泥外，与201110134231.8中记载的1_3型水泥/聚合物基压电复合材料的结构和组成完全一致。
本发明的声发射传感器还包括屏蔽线，所述屏蔽线的正极与压电元件的正极相连，屏蔽线的外层屏蔽线(即屏蔽线的负极)与压电元件的负极相连，屏蔽线的另一端连接有屏蔽接头。屏蔽线是将信号传出的导线，它能降低信号干扰，所用屏蔽线一般为屏蔽作用良好的铜芯屏蔽线，因压电元件的负极与封装层相连接触，从而使屏蔽线的外层屏蔽线和传感器的封装层相连接，有效地屏蔽外界电磁干扰。本发明传感器结构独特，由压电元件、背衬层、封装层、屏蔽线、屏蔽接头五部分组成，封装层位于传感器的最外层，与压电元件的负极直接接触，既屏蔽了外界干扰又同时作为匹配层，大大提高了传感器的使用性能，使传感器灵敏度提高、与混凝土的匹配性更好，还能屏蔽外界干扰，使传感器可以作为埋入式传感器使用。本发明还提供了上述声发射传感器的制备方法，其特征是包括以下步骤:
(1)将压电元件的正极与屏蔽线的正极相连，压电元件的负极与屏蔽线的外层屏蔽线相连；
(2)将连接好屏蔽线的压电元件负极向下，固定于模具底部；
(3)先将水泥和环氧树脂混合，然后加入固化剂进行混合、最后加入钨粉，混合均匀，浇注于模具中，制备背衬层，待背衬层固化后，拆模，制得半成品；
(4)先将水泥和环氧树脂混合，然后加入固化剂进行混合、最后加入石墨，混合均匀，获得封装物料；或者将具有防腐抗渗性能的水泥与石墨混合均匀，得到封装物料；
(5)将步骤(3)的半成品固定于模具中，浇入封装物料对半成品进行封装处理，得到封装层，待封装层固化后，拆模，并在屏蔽线的另一端焊接上屏蔽接头，得到声发射传感器。本发明还提供了一种混凝土结构的健康监/检测方法，步骤为:将本发明上述声发射传感器粘贴于混凝土结构表面或者埋入混凝土结构内部，对混凝土结构的健康状况进行监/检测。因本发明传感器性能良好，所以可以很好的监测或者检测混凝土内部结构。本发明提供了一种应用于土木工程结构健康监/检测的声发射传感器，采用具有较大带宽的压电复合材料为压电元件，与混凝土结构有更好的相容性，并自行开发出具有高强度及良好绝缘性能的封装材料，具有很好的屏蔽作用。本发明传感器与混凝土结构相容性好，抗干扰效果好，灵敏度高，响应频带宽，制作工艺简单，结构合理，价格低，使用方便，适用于土木工程结构健康监/检测领域。在监/检测混凝土结构健康状况时，既可以外贴于混凝土结构表面，又可以埋入混凝土内部，都能够很好的反映材料的声发射特性。本发明声发射传感器与混凝土结构相容性好，抗电磁干扰能力强，灵敏度高，并适合埋入混凝土结构内部，对声发射技术在土木工程结构健康监/检中的应用研究与发展具有重要的意义。
图1为本发明声发射传感器的结构示意 图2为实施例1所制1-3型压电复合材料的导纳 图3为实施例1所制本发明声发射传感器的导纳 图4为传感器的时域特性 图5为传感器的频域特性图； 图6为水泥砂浆试块三点弯曲实验中的声发射事件分布；
图7为三点弯曲试验中撞击Ks时间Ks幅值的三维立体 图8为单轴压缩试验中撞击Ks时间Ks幅值的三维立体 图9为现有技术中一般商用声发射探头的结构不意图。图中，1、压电元件，2、背衬层，3、封装层，4、屏蔽线，5、屏蔽接头，6、外壳，7、匹配层。
具体实施例方式下面通过具体实施例对本发明进行进一步的阐述，应该明白的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。下述实施例及实验如无特别说明，所有比例关系均为质量比。实施例1
本发明制作过程有四个关键部分:(一)、1_3型压电复合材料的制备；(二)焊接屏蔽线；
(H)背衬层的制备；(四)传感器的封装处理 (一)1-3型压电复合材料的制备
采用切割-浇注工艺制备1-3型压电复合材料，以PZT-5压电陶瓷为压电相，以硫铝酸盐水泥、AB-灌浆树脂、固化剂的混合物为基体，其中压电陶瓷的体积分数为68.9%。其具体步骤如下:
(1)取压电陶瓷块，先在其上横向切割一系列沟槽，再纵向切割一系列沟槽，形成一系列陶瓷柱，陶瓷柱截面积为4mm2，高度为12mm ；
(2)切割完毕后，对切割后的陶瓷块进行反复清洗，以去除其中残留的陶瓷残渣；
(3)将清洗后的压电陶瓷固定在模具内，浇注基体，基体中环氧树脂和水泥的的质量比2:1 ;为了使基体与陶瓷柱的结合紧密，减少基体与陶瓷柱的界面及基体内部气孔的存在，浇注的过程中要不断振动模具；
(4)将浇注好的压电陶瓷及模具置于真空箱中抽真空，进一步减少基体与陶瓷柱的界面及基体内部气孔的存在，在室温下进行固化12h以上；
(5)将压电陶瓷打磨、抛光、洗净，然后在上下两平行面涂上低温导电银浆，得本发明所用1-3型聚合物/水泥基压电复合材料；
测量所制复合材料与纯压电陶瓷的压电性能。其导纳情况如图2所示，从图中可以看出1-3型压电复合材料振动模态纯净，并且其相对带宽较大。(二)焊接屏蔽线
在压电复合材料的正极上焊接上屏蔽线的正极，在压电复合材料的负极上焊接上屏蔽线的负极(即外层屏蔽线)。然后，将压电元件固定于模具底部，使压电元件的负极面朝下与模具相接触。(三)背衬层的制备
(1)将AB-灌浆树脂在60-70°C加热，增加其流动性，然后加入硫铝酸盐水泥搅拌均匀，两者的质量比为1:1;
(2)混合均匀后，放入真空干燥器中抽真空除气泡，直到没有明显的气泡产生为止；
(3)将(2)中混合物在真空环境中进行冷却，至室温； (4)在冷却后的混合物中加入固化剂，并均匀搅拌，其中AB-灌浆树脂和固化剂的比例为 4:1 ;
(5)混合均匀后，进行第二次抽真空处理15min；
(6)在(5)所制备混合物中加入钨粉(钨粉与AB-灌浆树脂质量比1:1)，至混合物几乎失去流动性为止；
(7)将搅拌均匀的混合物浇注至已经安装好压电元件的模具中；
(8)待AB-灌浆树脂固化后，拆模；
(四)传感器的封装处理
(1)将(三)中所制得半成品，固定于另一个大一些的模具中；
(2)将AB-灌浆树脂在60-70°C加热，增加其流动性，然后加入硫铝酸盐水泥搅拌均匀，两者的比例为1:1 ;混合均匀后，放入真空干燥器中抽真空除气泡，直到没有明显的气泡产生为止；将环氧树脂和水泥的混合物在真空环境中进行冷却，至室温；在冷却后的混合物中加入固化剂，并均匀搅拌，其中AB-灌浆树脂和固化剂的比例为4:1 ;混合均匀后，进行第二次抽真空处理15 min ;在混合物中加入石墨(石墨与AB-灌浆树脂质量比4:7)，混合均匀得到封装层材料；
(3)将(2)中混合物倒入模具中，在传感器半成品的外层浇入上封装层，保持与压电陶瓷下表面相对应的封装层的厚度为l_5mm ;
(4)待封装材料固化后进行拆模，在屏蔽线的另一端焊接屏蔽接头，至此得到本发明声发射传感器，其结构图如图1所示。图3为封装后传感器的导纳图。由导纳曲线可以看出，1-3型压电复合材料的带宽为15.6kHz，封装之后传感器的带宽为153.1 kHz，相对增加了 137.5 kHz。这主要归功于匹配层的高透射率，以及表面的低反射率。因此，水泥、聚合物、石墨的混合物，不仅能对压电元件起到一定的保护作用，使探头表面免受诸如化学反应污染物或腐蚀性介质的影响，而且使用匹配层材料能有效提高换能器的接收频率范围，使声发射传感器具有很高的实际应用价值。由此可以看出，本发明对传感器进行封装处理具有很好的效果。以实施例1制得的声发射传感器为例,对声发射传感器的门槛和灵敏度、声发射传感器对混凝土材料声发射特性等进行测试和研究，进行了以下实验。实验一
首先根据传感器对环境噪音的响应，研究封装材料对传感器的屏蔽作用；然后，采用铅笔芯断铅实验模拟断裂声源，研究本发明对声源的响应情况。选择直径为0.5mm，硬度为2H的铅笔芯进行实验，实验中以声发射系统为信号采集系统，将传感器安置在混凝土表面和内部分别进行实验，对本发明传感器的门槛以及灵敏度进行研究。(一)传感器门槛的确定
分别将屏蔽(封装)前后的传感器用耦合剂粘贴与混凝土试块表面，设置20 dB的门槛值，收集传感器的噪声信号，其幅值如表I所示:
权利要求
1.一种声发射传感器，其特征是:包括压电元件、背衬层和屏蔽外界干扰的封装层，所述压电元件和背衬层位于封装层内，压电元件的上表面为正极，下表面为负极，压电元件的下表面直接与封装层相连，压电元件的其他面与背衬层相连，背衬层直接与封装层相连。
2.根据权利要求1所述的声发射传感器，其特征是:所述封装层为水泥、环氧树脂和石墨的混合物，或者是具有防腐抗渗性能的水泥与石墨的混合物；所述背衬层为水泥、环氧树脂和鹤粉的混合物。
3.根据权利要求2所述的声发射传感器，其特征是:所述封装层为质量比为7:7:r7:7:6的水泥、环氧树脂和石墨的混合物，或者是质量比为1:广3:1的具有防腐抗渗性能的水泥和石墨的混合物；所述背衬层为质量比为1:1:1的水泥、环氧树脂和钨粉的混合物。
4.根据权利要求1所述的声发射传感器，其特征是:与压电元件下表面相连处的封装层的厚度为lmm-5mm。
5.根据权利要求1所述的声发射传感器，其特征是:所述压电元件材质为1-3型水泥/聚合物基压电复合材料或1-3型水泥基压电复合材料，所述1-3型水泥/聚合物基压电复合材料以聚合物和水泥的混合物为基体，以压电陶瓷为功能体，所述聚合物为环氧树脂或硅橡胶；所述1-3型水泥基压电复合材料以水泥为基体，以压电陶瓷为功能体。
6.根据权利要求5所述的声发射传感器，其特征是:所述压电陶瓷为铌锂锆钛酸铅压电陶瓷、铌镁锆钛酸铅压电陶瓷或锆钛酸铅压电陶瓷。
7.根据权利要求2、3、5或6所述的声发射传感器，其特征是:所述环氧树脂为AB-灌浆树脂、E-55环氧树脂、731环氧树脂、AG80环氧树脂或W95环氧树脂，所述水泥为硫铝酸盐水泥、硫铝酸钡钙水泥、硅酸盐水泥、铝酸盐水泥或铁铝酸盐水泥。
8.根据权利要求1-6中任一项所述的声发射传感器，其特征是:还包括屏蔽线，所述屏蔽线的正极与压电元件的正极相连，屏蔽线的外层屏蔽线与压电元件的负极相连，屏蔽线的另一端连接有屏蔽接头。
9.一种权利要求8所述的声发射传感器的制备方法，其特征是包括以下步骤: (1)将压电元件的正极与屏蔽线的正极相连，压电元件的负极与屏蔽线的外层屏蔽线相连； (2)将连接好屏蔽线的压电元件负极向下，固定于模具底部； (3)先将水泥和环氧树脂混合，然后加入固化剂进行混合、最后加入钨粉，混合均匀，浇注于模具中，制备背衬层，待背衬层固化后，拆模，制得半成品； (4)先将水泥和环氧树脂混合，然后加入固化剂进行混合、最后加入石墨，混合均匀，得到封装物料；或者将具有防腐抗渗性能的水泥与石墨混合均匀，得到封装物料； (5)将步骤(3)的半成品固定于模具中，浇入封装物料对半成品进行封装处理，得到封装层，待封装层固化后，拆模，并在屏蔽线的另一端焊接上屏蔽接头，得到声发射传感器。
10.一种混凝土结构的健康监/检测方法，其特征是:将权利要求1-6中任一项所述的声发射传感器粘贴于混凝土结构表面或者埋入混凝土结构内部，对混凝土结构的健康状况进行监/检测。
全文摘要
本发明公开了一种声发射传感器，包括压电元件、背衬层和屏蔽外界干扰的封装层，所述压电元件和背衬层位于封装层内，压电元件的上表面为正极，下表面为负极，压电元件的下表面直接与封装层相连，压电元件的其他面与背衬层相连，背衬层直接与封装层相连。本发明还公开了该传感器的制备方法和应用。本发明传感器与混凝土结构相容性好，抗干扰效果好，灵敏度高，响应频带宽，制作工艺简单，结构合理，价格低，使用方便，并适合埋入混凝土结构内部，对声发射技术在土木工程结构健康监/检中的应用研究与发展具有重要的意义。
文档编号G01N29/14GK103115967SQ20131002664
公开日2013年5月22日 申请日期2013年1月21日 优先权日2013年1月21日
发明者黄世峰, 徐东宇, 叶正茂, 芦令超, 李蜜蜜, 程新 申请人:济南大学