基于Lamb波原理的混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕監(jiān)測傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種基于Lamb波原理的混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕監(jiān)測傳感器，包括長條形薄鋼片、四個矩形壓電陶瓷片和導線，長條形薄鋼片的每端的正、反兩面分別緊密粘貼有兩個矩形壓電陶瓷片，其中一端的兩個矩形壓電陶瓷片作為驅(qū)動器，當在矩形壓電陶瓷片厚度方向上施加高頻窄帶脈沖電壓時，其產(chǎn)生Lamb波在薄鋼片中傳播；另外一端的兩個矩形壓電陶瓷片作為傳感器，接收到自長條形薄鋼片傳來的Lamb波，根據(jù)Lamb波信號特征判斷鋼片銹蝕狀況，從而判斷周圍環(huán)境、結(jié)構(gòu)或其他對象的銹蝕情況。本發(fā)明解決在不破壞混凝土內(nèi)鋼筋表面微環(huán)境下實現(xiàn)混凝土內(nèi)鋼筋初始銹蝕時間和銹蝕程度的監(jiān)測，傳感器接收到的信號簡單易處理。
【專利說明】基于Lamb波原理的混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕監(jiān)測傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性領(lǐng)域，具體涉及一種基于Lamb波原理的混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕監(jiān)測傳感器。

【背景技術(shù)】
[0002]混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的銹蝕是影響工程結(jié)構(gòu)的正常使用和耐久性，進而引起結(jié)構(gòu)破壞的重要因素之一。因此，人們希望能夠了解結(jié)構(gòu)的銹蝕環(huán)境情況，或在結(jié)構(gòu)嚴重破壞之前就監(jiān)測到混凝土內(nèi)鋼筋的銹蝕狀態(tài)，并進行預警，使得損失降至最低或在破壞之前進行必要的補救措施。
[0003]監(jiān)測銹蝕的方法有很多種，比如用于鋼筋銹蝕監(jiān)測的方法可以分成物理方法和化學方法。物理法有電阻探針法和光纖傳感方法，前者采用一個與結(jié)構(gòu)配筋材質(zhì)相同的探針，將探針埋入到混凝土結(jié)構(gòu)中，實時監(jiān)測探針電阻的變化，來推斷鋼筋銹蝕的速率和銹蝕的程度。并且此方法可以直接將混凝土中鋼筋直接作為探針使用，對鋼筋進行實時監(jiān)測，確定其銹蝕速度。光纖傳感方法主要是由于光纖受應力影響產(chǎn)生應變，界面也隨之變化，這時光子在光纖中傳播的波長、相位、頻率、偏振都會發(fā)生改變。光纖傳感器耐銹蝕和耐久性好、抗干擾能力強，并且光纖傳感器能夠進行空間連續(xù)性監(jiān)測。但光纖傳感技術(shù)由于工藝要求很高，造價高昂，其相關(guān)的監(jiān)測理論不成熟等缺點極大的限制了光纖傳感技術(shù)的應用領(lǐng)域?；瘜W法有電池電位法、線性極化法和交流阻抗方法等。半電池電位法的技術(shù)理論最成熟，通過監(jiān)測鋼筋表面的電勢的變化，進行比較就可以判定銹蝕的狀態(tài)，而這一過程就相當于一個化學電池，所以稱為半電池電位法，但此方法不能得到鋼筋的銹蝕速度，在鋼筋保護層較厚的時候電位圖不準確。線性極化法能夠快速測量金屬附近銹蝕速率，利用在金屬銹蝕點附近外加電極的極化電流與金屬的極化電位之間存在近似線性的關(guān)系，測量瞬態(tài)銹蝕速率。該方法不易實現(xiàn)長時間嵌入式在線監(jiān)測，且由于極化電阻與電位易受多種因素擾動，不能判斷鋼筋確切的銹蝕狀態(tài)。交流阻抗法是對目標體系發(fā)出一段微小的電流，測量目標體系對這段微小電流的反應，通過測量到的交變電流譜，然后對比比較交變電流譜得到混凝土銹蝕參數(shù)，此方法雖然是一種動態(tài)的測量方法，但是由于其測量儀器非常昂貴，不符合節(jié)約經(jīng)濟的條件。并且測量不能在短期內(nèi)完成，時間跨度久，測量所得數(shù)據(jù)量大，受外界影響較大，后期數(shù)據(jù)處理相當困難，不適合野外測量等等缺點。
[0004]Lamb波屬于在薄板結(jié)構(gòu)中傳播的超聲導波，目前國內(nèi)也有研究基于超聲導波理論的鋼筋銹蝕監(jiān)測方法，但該方法是用于全尺寸長度的鋼筋上，并不是一種傳感器產(chǎn)品，當用于混凝土中時，存在導波信號泄漏，傳感器接收到的導波信號微弱和復雜的不足之處，難以應用到實際工程中。另外，鋼筋是實心圓柱體，在鋼筋中傳播的導波在可用的頻段模態(tài)非常多(多達十余個模態(tài))，信號會更加復雜?！额A應力技術(shù)》(2014，N0.2)所發(fā)表文章“鋼筋混凝土腐蝕損傷超聲導波信號小波分析及評價”涉及一種直接在鋼筋上激發(fā)導波并進行缺陷檢測的方法，由于實際工程結(jié)構(gòu)中鋼筋的長度很長，且鋼筋中導波模態(tài)復雜，混凝土的存在也會使得傳感器接收到的信號更復雜，因此距離實際工程應用尚有一定差距。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于Lamb波原理的混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕監(jiān)測傳感器。
[0006]本發(fā)明所采用的技術(shù)如下:一種基于Lamb波原理的混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕監(jiān)測傳感器，包括長條形薄鋼片和四個矩形壓電陶瓷片，長條形薄鋼片的每端的正、反兩面分別緊密粘貼有兩個矩形壓電陶瓷片，每個矩形壓電陶瓷片的正負電極用導線接出；其中一端的兩個矩形壓電陶瓷片作為驅(qū)動器，當在矩形壓電陶瓷片厚度方向，即矩形壓電陶瓷片的上下兩個大面積表面上施加高頻窄帶脈沖電壓時，其產(chǎn)生Lamb波在薄鋼片中傳播；另外一端的兩個矩形壓電陶瓷片作為傳感器，接收到自長條形薄鋼片傳來的Lamb波，根據(jù)Lamb波信號特征判斷鋼片銹蝕狀況，從而判斷周圍環(huán)境、結(jié)構(gòu)或其他對象的銹蝕情況。其中壓電片電極面和連接導線等在埋設前需做防腐處理，防止發(fā)生銹蝕。
[0007]本發(fā)明還具有如下技術(shù)特征:所述的長條形薄鋼片的同一端兩個壓電驅(qū)動器在進行高頻窄帶脈沖激勵時，所施加的電壓為反對稱，即分別將這兩個壓電片的粘貼于鋼片的一面作為負極，同時在另一面施加正電壓。
[0008]本發(fā)明所采用的薄鋼片對銹蝕更敏感，銹蝕更容易使薄鋼片產(chǎn)生孔洞等缺陷，從而使另外一端的壓電陶瓷片接收到的導波信號變化更為明顯。本發(fā)明中作為驅(qū)動器的兩個壓電陶瓷片寬度與薄鋼片相同，分別粘貼于長條形薄鋼片同一端的正反兩面。激勵時，對兩個壓電片所施加的電壓為反對稱，這樣兩個壓電片對薄鋼片會同時產(chǎn)生反對稱的作用力。反對稱作用力下，Lamb波的對稱模態(tài)(S模態(tài))不被激勵，只有反對稱模態(tài)(A模態(tài))被激勵。這樣作為傳感器的壓電陶瓷片只接收到一個反對稱模態(tài)的導波信號，簡單易分析。本發(fā)明根據(jù)壓電陶瓷片接收到的Lamb波信號可判斷長條形薄鋼片的銹蝕情況，進一步分析判斷其所處環(huán)境能夠引起結(jié)構(gòu)銹蝕的狀況。如將其置于混凝土中，可判斷混凝土中鋼筋的銹蝕情況；將其用與金屬構(gòu)件相同材質(zhì)制作，并與金屬構(gòu)件放置在一起，可判斷金屬構(gòu)件的銹蝕情況。
[0009]本發(fā)明主要解決在不破壞混凝土內(nèi)鋼筋表面微環(huán)境下實現(xiàn)混凝土內(nèi)鋼筋初始銹蝕時間和銹蝕程度的監(jiān)測。所用的薄鋼片的Lamb波信號在可用頻段內(nèi)只有一個反對稱模態(tài)，傳感器接收到的信號簡單易處理。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為基于Lamb波原理的銹蝕傳感器結(jié)構(gòu)示意圖的俯視圖；
[0011]圖2為基于Lamb波原理的銹蝕傳感器結(jié)構(gòu)示意圖的側(cè)面圖；其中，1、薄鋼片，2、壓電陶瓷片正電極，3、壓電陶瓷片的負電極，4、壓電陶瓷片。
[0012]圖3為在銹蝕傳感器所用金屬薄鋼片中傳播的Lamb波反對稱模態(tài)(A模態(tài))的頻散曲線；
[0013]圖4為使用該銹蝕傳感器測得的有無銹蝕的信號對比，銹蝕為模擬的
0.6mmX0.6mm的正方形缺陷,激勵采用五波峰的窄帶信號，中心頻率為800kHz,最大電壓為 200V。

【具體實施方式】
[0014]下面舉例對本發(fā)明做進一步說明:
實施例1
[0015]—種基于Lamb波原理的銹蝕傳感器,包括長條形薄鋼片(長度100mm,厚度1mm,寬度16mm)、兩個矩形壓電陶瓷片(長度6mm,寬度16mm,厚度0.5mm)和電極導線，兩個矩形壓電陶瓷片分別粘貼于薄鋼片兩端，用環(huán)氧樹脂膠或502膠等與薄鋼片堅固連接。壓電陶瓷片的負電極翻至正電極同表面，用銅導線將正負電極接出，用于連接驅(qū)動電壓或接收電壓信號；其中一端的兩個壓電陶瓷片作為驅(qū)動器，當同時在兩個壓電陶瓷片的厚度方向上施加反對稱的高頻窄帶脈沖電壓時，其產(chǎn)生零階反對稱模態(tài)C^o)的Lamb波在薄鋼片中傳播，遇到銹蝕產(chǎn)生的缺陷時，導波的幅值會減小。另外一端的壓電陶瓷片可接收到自薄鋼片傳來的導波，導波通過壓電片轉(zhuǎn)換為電壓信號，用電極接出，可使用示波器或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到。分析銹蝕前后測得的導波信號的幅值差的發(fā)生時間，可判斷出混凝土內(nèi)鋼筋或其他待測結(jié)構(gòu)初始銹蝕時間，分析不同時刻導波信號幅值差的變化速率，可判斷出鋼筋或其他待測結(jié)構(gòu)的銹蝕速率，分析導波信號幅值差并與試驗結(jié)果相對比，可以判斷鋼筋或其他待測結(jié)構(gòu)的銹蝕程度。
【權(quán)利要求】
1.一種基于Lamb波原理的混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕監(jiān)測傳感器，包括長條形薄鋼片、四個矩形壓電陶瓷片和導線，其特征在于:長條形薄鋼片的每端的正、反兩面分別緊密粘貼有兩個矩形壓電陶瓷片，每個矩形壓電陶瓷片的正負電極用導線接出；其中一端的兩個矩形壓電陶瓷片作為驅(qū)動器，當在矩形壓電陶瓷片厚度方向上施加高頻窄帶脈沖電壓時，其產(chǎn)生Lamb波在薄鋼片中傳播；另外一端的兩個矩形壓電陶瓷片作為傳感器，接收到自長條形薄鋼片傳來的Lamb波，根據(jù)Lamb波信號特征判斷鋼片銹蝕狀況，從而判斷周圍環(huán)境、結(jié)構(gòu)或其他對象的銹蝕情況。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Lamb波原理的混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕監(jiān)測傳感器，其特征在于:所述的長條形薄鋼片同一端兩個壓電驅(qū)動器在進行高頻窄帶脈沖激勵時，所施加的電壓為反對稱，即分別將這兩個壓電片的粘貼于鋼片的一面作為負極，同時在另一面施加正電壓。
【文檔編號】G01N17/00GK104406901SQ201410620136
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月7日
【發(fā)明者】逯彥秋, 周文松, 蘭成明 申請人:北京奧科瑞檢測技術(shù)開發(fā)有限公司