一種用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的大理石封裝壓電傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于壓電傳感器領(lǐng)域，更具體地，涉及一種用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的大理石封裝壓電傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]重大的土木工程結(jié)構(gòu)諸如大壩、大跨度空間結(jié)構(gòu)、超高層建筑、大跨度橋梁等，其健康狀況直接關(guān)系到人民生命財(cái)產(chǎn)的安全。而且，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和文明的不斷發(fā)展，各種土木工程建設(shè)快速發(fā)展與創(chuàng)新，大型復(fù)雜、超高層以及多樣化的工程結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，土木工程基礎(chǔ)設(shè)施的正常運(yùn)行關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的正常運(yùn)行。這些占據(jù)重要地位的工程在長(zhǎng)達(dá)幾十年，甚至上百年的服役過(guò)程中，環(huán)境侵蝕、材料老化、荷載的長(zhǎng)期效應(yīng)、疲勞效應(yīng)與各種突發(fā)性因素(地震、臺(tái)風(fēng)、冰雨等)的耦合作用，將不可避免地導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損傷，隨著服役年限的逐漸增加，損傷的不斷積累，會(huì)降低結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，甚至發(fā)生破壞。近十余年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的災(zāi)難性事故層出不窮。1999年I月，重慶市綦江縣的彩虹橋倒塌，導(dǎo)致41人喪生，14人受傷；2004年2月，莫斯科德蘭士瓦水上樂(lè)園的玻璃屋頂突然坍塌，造成40多人死亡，110多人受傷；2007年8月，湖南湘西鳳凰縣的鳳凰公路橋，在竣工前夕轟然垮塌，造成47余人死亡，22人重傷。為了減少悲劇的發(fā)生、降低經(jīng)濟(jì)損失，迫切要求對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)以及基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)和損傷識(shí)別。及時(shí)檢測(cè)結(jié)構(gòu)的健康狀況，對(duì)結(jié)構(gòu)早期損傷進(jìn)行及時(shí)修復(fù)，不僅能有效降低維護(hù)成本，而且還能延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)使用壽命，保證結(jié)構(gòu)功能。
[0003]經(jīng)過(guò)多年研宄積累，目前通常是利用壓電材料實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，并通過(guò)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的微小特性變化來(lái)識(shí)別損傷?；趬弘娞沾傻慕Y(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中，壓電片與結(jié)構(gòu)的結(jié)合方式主要有粘貼式和埋入式兩種，可根據(jù)結(jié)構(gòu)的材料特點(diǎn)及所采用的監(jiān)測(cè)技術(shù)來(lái)決定壓電片與主體結(jié)構(gòu)的結(jié)合方式。壓電阻抗技術(shù)是基于壓電材料的正逆壓電效應(yīng)發(fā)展而來(lái)。在壓電阻抗法中，壓電片被用作驅(qū)動(dòng)器和傳感器。結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷時(shí)其機(jī)械阻抗將發(fā)生變化，但該變化難以通過(guò)直接測(cè)試得到，利用壓電材料的機(jī)電耦合特性，通過(guò)測(cè)量其電阻抗信號(hào)的變化間接反映出被測(cè)結(jié)構(gòu)機(jī)械阻抗的變化。對(duì)粘貼于結(jié)構(gòu)表面或埋入結(jié)構(gòu)內(nèi)部的壓電材料施加交流電場(chǎng)時(shí)，由于逆壓電效應(yīng)作用壓電材料將產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，并帶動(dòng)被測(cè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)響應(yīng)。該響應(yīng)傳遞到壓電材料上，由于正壓電效應(yīng)作用引起其電阻抗信號(hào)變化。通過(guò)比較結(jié)構(gòu)有無(wú)缺陷時(shí)所測(cè)得電阻抗信號(hào)的差別，可以對(duì)其內(nèi)部損傷狀況進(jìn)行判定。
[0004]然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于壓電陶瓷片較脆，若直接將壓電片埋入混凝土結(jié)構(gòu)中，在混凝土結(jié)構(gòu)施工過(guò)程和養(yǎng)護(hù)過(guò)程中極易造成壓電片的損壞而失效。此外，壓電陶瓷材料具有吸水特性，使得壓電片的潮濕或水環(huán)境下容易發(fā)生性質(zhì)改變，從而造成誤差。因此為了解決這一難題，將壓電片埋入混凝土結(jié)構(gòu)之前，就必須對(duì)其進(jìn)行防水和封裝處理。例如，基于智能骨料的概念(Smart Materials and Structures, 2007，16 (4): 959-968)，將防水封裝后的壓電陶瓷片預(yù)先封裝入鼓形的水泥砂漿或細(xì)石混凝土小塊中，待養(yǎng)護(hù)一段時(shí)間后再將它們埋入到結(jié)構(gòu)當(dāng)中。這樣，砂漿外包層或細(xì)石混凝土外包層可以起到保護(hù)壓電陶瓷片的作用，而且它能夠承受一定的荷載作用，又能夠與主體混凝土結(jié)構(gòu)很好的融合，起到與真實(shí)骨料類似的作用。但是這種封裝方式，制作工藝比較復(fù)雜，在保證各智能骨料之間同一性方面較難，而且使用水泥砂漿或細(xì)石混凝土進(jìn)行封裝，考慮到其養(yǎng)護(hù)時(shí)間長(zhǎng)，因此耗時(shí)久。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本實(shí)用新型的目的在于提供一種用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的大理石封裝壓電傳感器，其中通過(guò)對(duì)壓電傳感器的組件及其設(shè)置方式、封裝材料及方法等進(jìn)行改進(jìn)，與現(xiàn)有技術(shù)相比能夠有效解決用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的壓電傳感器封裝耗時(shí)長(zhǎng)的問(wèn)題，并且壓電傳感器的封裝效果好、荷載能力強(qiáng)，能保證對(duì)壓電傳感器良好的支撐效果，從而確保壓電傳感器的測(cè)量精度。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本實(shí)用新型的一個(gè)方面，提供了一種用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的大理石封裝壓電傳感器，包括圓形形狀的壓電陶瓷片，其特征在于，
[0007]在該壓電陶瓷片圓形上表面和圓形下表面的外環(huán)位置和內(nèi)圓位置分別涂有導(dǎo)電涂層，所述外環(huán)位置的導(dǎo)電涂層與內(nèi)圓位置的導(dǎo)電涂層不直接接觸；
[0008]所述壓電陶瓷片上表面和下表面外環(huán)位置的導(dǎo)電涂層與連接導(dǎo)線連接；
[0009]所述壓電陶瓷片上表面和下表面內(nèi)圓位置的導(dǎo)電涂層與另一連接導(dǎo)線連接；
[0010]所述壓電陶瓷片的上表面和下表面外均涂有防水層，并位于大理石封裝的內(nèi)部。[0011 ] 作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步優(yōu)選，所述大理石封裝包括配合使用的第一大理石方塊和開有凹槽的第二大理石方塊，所述壓電陶瓷片位于所述第二大理石方塊的凹槽中。
[0012]通過(guò)本實(shí)用新型所構(gòu)思的以上技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于采用了大理石封裝，能起到保護(hù)壓電陶瓷片，避免壓電片損壞而失效。通過(guò)使用大理石對(duì)防水處理后的壓電片進(jìn)行封裝，將封裝后的壓電傳感器埋入監(jiān)測(cè)對(duì)象后，該大理石封裝層能進(jìn)一步將壓電陶瓷片與周圍環(huán)境隔絕，避免水蒸氣等對(duì)壓電片性能的不利影響；并且，大理石的荷載性能好，其荷載效果與真實(shí)骨料的效果近似；大理石本身穩(wěn)定的物理和化學(xué)性質(zhì)保證了壓電傳感器在精度和信號(hào)響應(yīng)方面的穩(wěn)定性；大理石封裝層的制作工藝簡(jiǎn)單、便利，僅需將大理石打磨開槽，形成與壓電陶瓷片及其導(dǎo)線相匹配的形狀即可，能夠大大節(jié)約封裝的成型時(shí)間，降低壓電片的封裝成本。另外，防水層(例如，環(huán)氧樹脂防水層)還能避免對(duì)壓電陶瓷片施加電壓時(shí)產(chǎn)生短路現(xiàn)象。通過(guò)在同一片壓電陶瓷片上的外環(huán)位置和內(nèi)圓位置分別涂上導(dǎo)電涂層，減少了壓電傳感器的使用數(shù)量，不僅保持了壓電片的原有壓電效應(yīng)性能，而且還能有效防止壓電傳感器在使用過(guò)程中損壞。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1為壓電傳感器封裝前的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖中各附件標(biāo)記的含義如下為大理石方塊，2為壓電片外環(huán)，3為連接導(dǎo)線，4為壓電片內(nèi)圓，5為連接導(dǎo)線，6為開有凹槽大理石方塊。
【具體實(shí)施方式】
[0015]為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。
[0016]實(shí)施例1
[0017]圖1為封裝前壓電傳感器各構(gòu)件的相對(duì)位置示意圖。封裝后的壓電傳感器包括壓電片、環(huán)氧樹脂粘接防水層、連接導(dǎo)線、大理石外包層。監(jiān)測(cè)時(shí)，通過(guò)連接導(dǎo)線3將壓電片外環(huán)與外接的信號(hào)發(fā)射相連，通過(guò)連接導(dǎo)線5將壓電片內(nèi)圓與外接的信號(hào)采集系統(tǒng)相連。壓電陶瓷圓片的半徑為7mm，在該壓電片的外環(huán)處涂有導(dǎo)電涂層，在該壓電片的內(nèi)圓處也涂有導(dǎo)電涂層，外環(huán)處的導(dǎo)電涂層與內(nèi)圓處的導(dǎo)電涂層不直接接觸，外環(huán)導(dǎo)電涂層與內(nèi)圓導(dǎo)電涂層的間隙約為1_。導(dǎo)電涂層所使用的材料只要能實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電即可，例如，導(dǎo)電涂層可以是鍍的銀涂層。
[0018]該用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的大理石封裝壓電傳感器的制作過(guò)程如下:第一步:將壓電片外環(huán)2與連接導(dǎo)線3的焊接，并將壓電片內(nèi)圓4與連接導(dǎo)線5的焊接，做成壓電傳感器；第二步:根據(jù)圓形壓電片和連接導(dǎo)線的形狀大小制作大理石外包方塊，在大理石方塊6上選取合適位置開凹槽，用于放置壓電片和連接導(dǎo)線；第三步:在大理石方塊6開有凹槽的一面(包括凹槽位置和平臺(tái)位置)均勻的涂抹一層環(huán)氧樹脂后，將表面也涂有環(huán)氧樹脂的壓電片置于凹槽處，然后將大理石方塊I覆上，輕輕按壓大理石外包層，使環(huán)氧樹脂與上下大理石表面充分接觸；第四步:將上述處理過(guò)的壓電傳感器置于室溫環(huán)境，待環(huán)氧樹脂自然固結(jié)后，即得到經(jīng)過(guò)大理石封裝的壓電傳感器。
[0019]如附圖1所示，導(dǎo)線3和導(dǎo)線5為屏蔽導(dǎo)線，均包含有兩根導(dǎo)線，分別與壓電陶瓷圓片的上、下表面連接；屏蔽導(dǎo)線的外包屏蔽層可用于屏蔽外部信號(hào)干擾。例如，導(dǎo)線3的兩根導(dǎo)線的一端分別與壓電圓片上、下表面外環(huán)位置處的電涂層連接，另一端與外接的信號(hào)發(fā)射相連；對(duì)應(yīng)的，導(dǎo)線5的兩根導(dǎo)線的一端分別與壓電圓片上、下表面內(nèi)圓位置處的電涂層連接，另一端與外接的信號(hào)采集系統(tǒng)相連。
[0020]本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的大理石封裝壓電傳感器，包括圓形形狀的壓電陶瓷片，其特征在于， 在該壓電陶瓷片圓形上表面和圓形下表面的外環(huán)位置(2)和內(nèi)圓位置(4)分別涂有導(dǎo)電涂層，所述外環(huán)位置的導(dǎo)電涂層與內(nèi)圓位置的導(dǎo)電涂層不直接接觸； 所述壓電陶瓷片上表面和下表面外環(huán)位置的導(dǎo)電涂層與連接導(dǎo)線(3)連接； 所述壓電陶瓷片上表面和下表面內(nèi)圓位置的導(dǎo)電涂層與另一連接導(dǎo)線(5)連接； 所述壓電陶瓷片的上表面和下表面外均涂有防水層，并位于大理石封裝的內(nèi)部。
2.如權(quán)利要求1所述的用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的大理石封裝壓電傳感器，其特征在于，所述大理石封裝包括配合使用的第一大理石方塊(I)和開有凹槽的第二大理石方塊￠)，所述壓電陶瓷片位于所述第二大理石方塊(6)的凹槽中。
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的大理石封裝壓電傳感器，包括圓形形狀的壓電陶瓷片，在該壓電陶瓷片圓形上表面和圓形下表面的外環(huán)位置和內(nèi)圓位置分別涂有導(dǎo)電涂層，所述外環(huán)位置的導(dǎo)電涂層與內(nèi)圓位置的導(dǎo)電涂層不直接接觸；連接導(dǎo)線與所述壓電陶瓷片上表面和下表面外環(huán)位置的導(dǎo)電涂層連接；另一連接導(dǎo)線與所述壓電陶瓷片上表面和下表面內(nèi)圓位置的導(dǎo)電涂層連接；該壓電陶瓷片的上表面和下表面外均涂有防水層，并位于大理石封裝的內(nèi)部。該壓電傳感器能夠有效解決用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的壓電傳感器封裝耗時(shí)長(zhǎng)的問(wèn)題，并且壓電傳感器的封裝效果好、荷載能力強(qiáng)，能保證對(duì)壓電傳感器良好的支撐效果，從而確保壓電傳感器的測(cè)量精度。
【IPC分類】G01N27-02
【公開號(hào)】CN204389428
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520075554
【發(fā)明人】王丹生, 李智, 朱宏平
【申請(qǐng)人】華中科技大學(xué)
【公開日】2015年6月10日
【申請(qǐng)日】2015年2月3日