專利名稱：一種混凝土中鋼筋銹蝕超聲監(jiān)測傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及混凝土中鋼筋銹蝕的監(jiān)測裝置及監(jiān)測方法，具體的說是一種混凝土中鋼筋銹蝕超聲監(jiān)測傳感器。
背景技術(shù)：
大量的工程實(shí)踐表明，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，鋼筋銹蝕是影響在役結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素。鋼筋的銹蝕會導(dǎo)致受力鋼筋截面面積減小，鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)力下降，混凝土保護(hù)層開裂，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低等，從而使結(jié)構(gòu)耐久性降低，結(jié)構(gòu)的抗力隨時(shí)間衰減，可靠度也相應(yīng)地降低，使得混凝土結(jié)構(gòu)在使用性和安全性上存在著極大的隱患。隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，各種大型復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)逐漸成為學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。近十幾年來，智能材料結(jié)構(gòu)在工程領(lǐng)域中的成功應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)真正意義上的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測提供了有效的途徑。目前常用鋼筋銹蝕監(jiān)測方法有電化學(xué)法，光纖監(jiān)測， 聲發(fā)射監(jiān)測與超聲監(jiān)測等。電化學(xué)方法是通過測定鋼筋混凝土腐蝕體系的電化學(xué)特性來確定鋼筋的銹蝕程度或速度，主要有半電池電位法、線性極化法、恒電量法、電化學(xué)噪聲法、交流阻抗法等。光纖傳感器是近十多年來迅速發(fā)展起來的一種新型傳感器。基本傳感原理是當(dāng)光波在光纖中傳輸時(shí)，表征光波的特征參量(振幅、相位、偏振態(tài)、波長等)會由于被測量(如應(yīng)變、位移、溫度、壓力、加速度、電場等)對光纖的作用而發(fā)生變化，從而引起光波的強(qiáng)度、干涉效應(yīng)、偏振面發(fā)生變化，使光波成為被調(diào)制的信號，再經(jīng)過光探測器和解調(diào)儀后實(shí)現(xiàn)對建筑物的監(jiān)測。此外還有聲發(fā)射與超聲波法。聲發(fā)射也稱為應(yīng)力波發(fā)射，作為一種常用的無損檢測技術(shù)已經(jīng)有30多年的歷史。結(jié)構(gòu)在受力過程中會釋放出能量，一些腐蝕歷程如應(yīng)力腐蝕開裂、空泡腐蝕等都伴隨著聲能的釋放，換能器可將接收到的聲信號轉(zhuǎn)換成電信號進(jìn)行分析，通過監(jiān)測和記錄這種聲波便可得到結(jié)構(gòu)中缺陷和腐蝕損傷的發(fā)生及發(fā)展?fàn)顩r，并確定他們所在位置。聲發(fā)射法需要進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，易受環(huán)境噪音干擾。超聲波方法是一種主動監(jiān)測方法，利用超聲波探頭發(fā)射與接收超聲波，對鋼筋所在位置混凝土進(jìn)行掃描，檢測雖然簡單方便，但是監(jiān)測鋼筋腐蝕精確度不高，對于未發(fā)生明顯銹脹裂縫時(shí)檢測的結(jié)果不夠精準(zhǔn)。上述監(jiān)測方法都有其優(yōu)點(diǎn)，也有其局限性。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單方便鋼筋銹蝕監(jiān)測的適于埋入混凝土中的鋼筋銹蝕超聲監(jiān)測傳感器。實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的目的所采取的技術(shù)方案是該混凝土中鋼筋銹蝕超聲監(jiān)測傳感器設(shè)有一鋼筋，鋼筋的一端設(shè)有發(fā)射用壓電陶瓷柱，用于發(fā)射超聲波，鋼筋的另一端設(shè)有接收用壓電陶瓷柱，用于接收超聲波，且壓電陶瓷柱和壓電陶瓷柱的軸向方向與鋼筋的軸向方向一致，發(fā)射用壓電陶瓷柱和接收用壓電陶瓷柱上分別設(shè)有發(fā)射用屏蔽引線和接收用屏蔽引線，所說的發(fā)射用壓電陶瓷柱和接收用壓電陶瓷柱的外面分別設(shè)有樹脂絕緣層，樹脂絕緣層外設(shè)有屏蔽層。在近年來，壓電陶瓷以其特有的傳感和驅(qū)動功能成為土木工程界廣泛研究和應(yīng)用的智能材料之一。因其具有響應(yīng)速度快、線性關(guān)系好、頻響范圍寬、能耗低、易剪裁、造價(jià)低廉且易加工成型等優(yōu)點(diǎn)而在工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方面存在著巨大的應(yīng)用潛力。因此，將壓電材料作為基本元件，方便實(shí)用。該傳感器的使用方法是將該傳感器埋入建筑時(shí)的混凝土中。監(jiān)測時(shí)，一端的壓電陶瓷柱接信號發(fā)生器產(chǎn)生超聲波，另一端的壓電陶瓷柱接信號接收器，接收超聲波。依據(jù)接收超聲波信號的變化監(jiān)測鋼筋在混凝土中的銹蝕情況。本方法中，超聲波在鋼筋中傳播，將有部分波在鋼筋與混凝土的界面位置發(fā)生波的折射與透射。鋼筋與混凝土將形成一個界面，因?yàn)殇摻钆c混凝土材料性能不同，波在界面上將會發(fā)射與透射。當(dāng)鋼筋發(fā)生銹蝕后，鋼筋的表面將產(chǎn)生銹蝕產(chǎn)物鋼筋銹蝕產(chǎn)物會體積膨脹，這樣聲波透射入混凝土的將會減少通過鋼筋的將會增加，隨著腐蝕程度的加深，通過鋼筋的聲波將會增強(qiáng)。當(dāng)銹蝕到一定程度時(shí)，鋼筋周圍混凝土的拉應(yīng)力超過極限拉應(yīng)力，鋼筋周圍的混凝土開始出現(xiàn)細(xì)微裂縫，一旦出現(xiàn)裂縫，由鋼筋透射入混凝土的聲波將減至最小。接收到的超聲波的幅值也將最大。本實(shí)用新型利用鋼筋作為超聲波傳播的介質(zhì)，克服了普通超聲監(jiān)測方法以混凝土作為傳播介質(zhì)的局限性。在施工過程中，將傳感器埋入混凝土中，能夠?qū)︿摻钿P蝕實(shí)時(shí)、長期的在線監(jiān)測。本方法最大的優(yōu)點(diǎn)在于既能監(jiān)測鋼筋的銹蝕程度又能監(jiān)測混凝土損傷，能夠表征鋼筋、銹蝕產(chǎn)物與混凝土三者之間的相互作用?！?br> 圖I是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實(shí)用新型監(jiān)測時(shí)的連接示意圖。圖3是本實(shí)用新型在實(shí)驗(yàn)中的波形圖；圖4是本實(shí)用新型明在實(shí)驗(yàn)中超聲波幅值與時(shí)間的關(guān)系曲線圖。圖中，I、鋼筋，2發(fā)射用壓電陶瓷柱，3、接收用壓電陶瓷柱，4、發(fā)射用屏蔽引線，5、接收用屏蔽引線，6、樹脂絕緣層，7、屏蔽層，8、信號發(fā)生器，9、信號接收器9，10、混凝土，
11、接收波，12、發(fā)射波。
具體實(shí)施方式
參照附圖，該混凝土中鋼筋銹蝕超聲監(jiān)測傳感器傳感器，設(shè)有一鋼筋1，鋼筋I(lǐng)的一端設(shè)有發(fā)射用壓電陶瓷柱2，用于發(fā)射超聲波，鋼筋I(lǐng)的另一端設(shè)有接收用壓電陶瓷柱3，用于接收超聲波，且壓電陶瓷柱2和壓電陶瓷柱3的軸向方向與鋼筋的軸向方向一致,發(fā)射用壓電陶瓷柱2和接收用壓電陶瓷柱3上分別設(shè)有發(fā)射用屏蔽引線4和接收用屏蔽引線5，所說的發(fā)射用壓電陶瓷柱2和接收用壓電陶瓷柱3的外面分別設(shè)有樹脂絕緣層6，樹脂絕緣層6外設(shè)有屏蔽層7。所說的屏蔽層7是涂覆銀漿。所說的鋼筋I(lǐng)直徑為10 20mm，長度為100 200_。本發(fā)明中，制作壓電傳感器選擇合適的壓電陶瓷柱是關(guān)鍵。目前，在工程領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的壓電陶瓷材料主要是二元系的鋯鈦酸鉛，簡稱PZT。主要有三種類型PZT-4、PZT-5和ΡΖΤ-8。其中，ΡΖΤ-8是大功率發(fā)射型壓電陶瓷，主要用于超聲波清洗、超聲波美容、超聲波手術(shù)刀、超聲波潔牙、超聲波焊接等。ΡΖΤ-5是高靈敏度接收型壓電陶瓷，主要用于電聲器件、加速度計(jì)、壓力計(jì)、流量計(jì)和風(fēng)速計(jì)水、聲換能器、傳感器等。ΡΖΤ-4是中功率發(fā)射、接收兩用型壓電陶瓷，主要用于需要發(fā)射和接收兩用功能的換能器。本發(fā)明中發(fā)射用壓電陶瓷柱2和接收用壓電陶瓷柱3采用ΡΖΤ-4或ΡΖΤ-5壓電陶瓷柱。壓電陶瓷柱2和接收用壓電陶瓷柱3的極化方向與長方向一致。該混凝土中鋼筋銹蝕超聲監(jiān)測傳感器的使用方法是將混凝土中鋼筋銹蝕超聲監(jiān)測傳感器埋入建筑時(shí)的混凝土中。監(jiān)測時(shí)，發(fā)射用壓電陶瓷柱2利用發(fā)射用屏蔽引線4接信號發(fā)生器8，產(chǎn)生超聲波，另一端的接收用壓電陶瓷柱3利用接收用屏蔽引線5接信號接收器9，接收超聲波，，依據(jù)接收超聲波信號的變化監(jiān)測鋼筋在混凝土 10中的銹蝕情況。下面以試驗(yàn)室實(shí)施例對本實(shí)用新型的工作原理加以說明。本試驗(yàn)為加速實(shí)驗(yàn)，鋼筋通直流電以加速銹蝕。本試驗(yàn)研究的主要內(nèi)容是利用壓電陶瓷傳感器監(jiān)測銹蝕鋼筋的信號隨時(shí)間的變化趨勢，探討壓電元件對于監(jiān)測 鋼筋銹蝕的有效性。試驗(yàn)設(shè)計(jì)如下首先，將本發(fā)明的傳感器置于混凝土中制成模塊，制備好的模塊放入盛有5%NaCl溶液的容器中，將連接鋼筋的導(dǎo)線與直流電源的正極相連，直流電源的負(fù)極與放入溶液中的銅棒相連接。然后，將粘貼在鋼筋斷面的發(fā)射傳感器與信號發(fā)生器的一個通道相連，接收傳感器與示波器的一個通道相連，并將信號發(fā)生器的另一通道與示波器的另一通道相接，以便從示波器上能清楚的看到傳感器發(fā)出的超聲波波形。調(diào)整信號發(fā)生器的頻率使其處在發(fā)射壓電陶瓷傳感器的諧振頻率范圍內(nèi)(本試驗(yàn)所用頻率為100kHz)，并將發(fā)射電壓的幅值調(diào)到最大，信號發(fā)生器上調(diào)用方形波，同時(shí)保證示波器的兩個通道同步，直至接收到的波形能夠清晰的顯示于示波器上。加速銹蝕試驗(yàn)的直流電源的電壓調(diào)至2V，電阻為100 Ω，通電后便開始測量。由于所通電壓比較小，銹蝕過程較慢，所以測量時(shí)每隔3小時(shí)取一次數(shù)據(jù)，取數(shù)據(jù)時(shí)，將試塊拿出液面，以避免超聲波幅值在溶液中衰減而使數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。直到試塊表面出現(xiàn)明顯裂縫時(shí)，便停止測量。實(shí)驗(yàn)中得到的波形如圖3所示，圖中的實(shí)線為接收波，虛線為發(fā)射波。由波形圖可知，超聲波幅值從通電開始測量便逐漸增大，大約120h后，幅值變化很小，開始趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)橥娗暗纳皾{試塊，鋼筋與水泥砂漿的粘結(jié)比較緊密，兩端的壓電傳感器發(fā)出的超聲波通過鋼筋與砂漿的界面時(shí)，會有一部分信號透射到砂漿內(nèi)，使得超聲波的幅值比埋入之前有所降低。試驗(yàn)中，隨著通電后鋼筋的不斷銹蝕，銹蝕產(chǎn)物不停出現(xiàn)且開始膨脹，在鋼筋與混凝土的界面上生成疏松的銹蝕層，鋼筋與砂漿的粘結(jié)性有所降低，界面開始漸漸走向脫離的狀態(tài)，此時(shí)，超聲波信號在鋼筋與砂漿界面間傳播時(shí)透射到砂漿的信號數(shù)逐漸減少，所以自加速銹蝕開始，超聲波幅值開始逐漸升高。當(dāng)銹蝕產(chǎn)物的生成使得鋼筋與水泥砂漿完全脫離，超聲波信號只沿鋼筋自身傳播，不再透射到砂漿內(nèi)。所以，120h以后，超聲波幅值在某一數(shù)值間波動，逐漸趨于穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析如如圖4。
權(quán)利要求1.一種混凝土中鋼筋銹蝕超聲監(jiān)測傳感器，其特征在于該傳感器設(shè)有鋼筋(1)，鋼筋(O的一端設(shè)有發(fā)射用壓電陶瓷柱(2)，用于發(fā)射超聲波，鋼筋(I)的另一端設(shè)有接收用壓電陶瓷柱(3)，用于接收超聲波，且壓電陶瓷柱(2)和壓電陶瓷柱(3)的軸向方向與鋼筋的軸向方向一致，發(fā)射用壓電陶瓷柱(2)和接收用壓電陶瓷柱(3)上分別設(shè)有發(fā)射用屏蔽引線(4)和接收用屏蔽引線(5)，所說的發(fā)射用壓電陶瓷柱(2)和接收用壓電陶瓷柱(3)的外面分別設(shè)有樹脂絕緣層(6 )，樹脂絕緣層(6 )外設(shè)有屏蔽層(7 )。
2.按照權(quán)利要求I所說的混凝土中鋼筋銹蝕超聲監(jiān)測傳感器，其特征在于所說的屏蔽層(7)是涂覆銀漿。
3.按照權(quán)利要求I所說的混凝土中鋼筋銹蝕超聲監(jiān)測傳感器，其特征在于所說的鋼筋(I)直徑為10 20mm,長度為100 200mm。
4.按照權(quán)利要求I所說的混凝土中鋼筋銹蝕超聲監(jiān)測傳感器，其特征在于所說的發(fā)射用壓電陶瓷柱(2)和接收用壓電陶瓷柱(3)采用PZT-4或PZT-5壓電陶瓷柱。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種混凝土中鋼筋銹蝕超聲監(jiān)測傳感器，其特征在于該傳感器設(shè)有鋼筋(1)，鋼筋(1)的一端設(shè)有發(fā)射用壓電陶瓷柱(2)，用于發(fā)射超聲波，鋼筋(1)的另一端設(shè)有接收用壓電陶瓷柱(3)，用于接收超聲波，且壓電陶瓷柱(2)和壓電陶瓷柱(3)的軸向方向與鋼筋的軸向方向一致，發(fā)射用壓電陶瓷柱(2)和接收用壓電陶瓷柱(3)上分別設(shè)有發(fā)射用屏蔽引線(4)和接收用屏蔽引線(5)，發(fā)射用壓電陶瓷柱(2)和接收用壓電陶瓷柱(3)的外面分別設(shè)有樹脂絕緣層(6)及屏蔽層(7)，使用時(shí)，將該傳感器埋入建筑時(shí)的混凝土中，發(fā)射用屏蔽引線(4)接信號發(fā)生器(8)，產(chǎn)生超聲波，另一端接收用屏蔽引線(5)接信號接收器(9)，接收超聲波，,依據(jù)接收超聲波信號的變化監(jiān)測鋼筋在混凝土(10)中的銹蝕情況。
文檔編號G01N29/04GK202710517SQ20122038838
公開日2013年1月30日 申請日期2012年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月7日
發(fā)明者秦磊, 仲倩倩, 劉昱清, 黃世峰, 程新 申請人:濟(jì)南大學(xué)