专利名称：一种传感器及混凝土结构水化和破坏监测系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及建筑领域，尤其涉及一种传感器及混凝土结构水化和破坏监测系统。
背景技术：
目前，混凝土结构水化和破坏监测一般依靠温度演进或目视观测。然而，这些方法会导致误解或易受环境影响。最近，超声波技术被用于主动研究水泥浆体的水化过程。但是，超声波技术只能用于小尺寸水泥或建筑样体。目前对大尺寸建筑材料和结构的水化监测无能为力，这主要归咎于安装于大尺寸建筑材料和结构外部的、采用传统超声波监测技术的传感器及系统不能确保长距离的超声波探测距离。因此，传感器之间的距离被限制了， 这就阻碍了其在大尺寸建筑材料和结构的水化监测中的应用。进而，由于安装于外部的传感器容易受到环境变化的影响，除了超声波速度之外，其他的信息是很难获得的。安装于外部的传感器并不适合长期的混凝土结构水化和破坏监测。此外，迄今为止，混凝土结构水化和破坏监测功能并未完全集成于一个单独的系统中实现，这是由于基于超声波的水化监测系统和破坏监测系统的工作机制具有较大差别。

实用新型内容本实用新型实施例所要解决的技术问题在于，提供一种传感器及混凝土结构水化和破坏监测系统，以实现长期的混凝土结构水化和破坏监测。为了解决上述技术问题，本实用新型实施例提出了一种传感器，包括由PMN陶瓷块及填充于该PMN陶瓷块间的环氧树脂-水泥基体形成的复合材料片、形成于该复合材料片上下表面的正负电极、封装于所述复合材料片外且设置有电磁屏蔽层的封装结构，以及与所述正负电极、电磁屏蔽层连接的线缆。进一步地，所述封装结构包括由水泥及环氧树脂混合而成的第一封装层及第二封装层，以及形成于所述第一封装层与第二封装层之间的所述电磁屏蔽层。进一步地，所述线缆为包括内芯及金属屏蔽层的同轴电缆，所述正电极连接至所述内芯，所述负电极及电磁屏蔽层均连接至所述金属屏蔽层。进一步地，所述复合材料片为长方体形，所述封装结构为圆柱形或长方体形。相应地，本实用新型实施例还提供了一种混凝土结构水化和破坏监测系统，其特征在于，包括由植入被监测物的接收器组成的监测端，该接收器均采用上述的传感器；与所述监测端相连的、用于根据所述接收器的侦测信号分析得到所述被监测物的声学参数的处理端。 进一步地，所述处理端包括用于进行信号采集的数据采集器；与所述接收器的线缆相连的，用于对所述接收器的侦测信号进行调整并发送到所述数据采集器的前置放大及滤波模块；与所述数据采集器相连的，用于对所述数据采集器采集的数据进行分析得到所述声学参数的主机。进一步地，该系统还包括植入所述被监测物的、由所述处理端触发产生超声波信号以供所述接收器接收的发射器。进一步地，所述处理端包括用于产生三角脉冲信号并进行信号采集的数据采集器；分别与所述数据采集器及发射器的线缆相连的，用于对所述三角脉冲信号进行放大并将得到的触发信号同时发送到所述数据采集器及发射器的功率放大及滤波模块；分别与所述接收器的线缆及数据采集器相连的，用于对所述接收器的侦测信号进行调整并发送到所述数据采集器的前置放大及滤波模块；与所述数据采集器相连的，用于对所述数据采集器采集的数据进行分析得到所述声学参数的主机。进一步地，所述发射器由圆柱形的功能陶瓷柱，以及封装于该功能陶瓷柱外的、与所述传感器的封装结构采用相同材料的封装结构组成，所述功能陶瓷柱的上下圆面分别形成有与线缆相连的正负电极。进一步地，所述发射器连接的线缆为包括内芯及外芯的同轴电缆，所述发射器的正电极连接至该同轴电缆的内芯，负电极连接至该同轴电缆的外芯，该同轴电缆连接至所述功率放大及滤波模块。本实用新型实施例通过提供一种传感器及应用该传感器的混凝土结构水化和破坏监测系统，传感器包括由PMN陶瓷块及填充于该PMN陶瓷块间的环氧树脂-水泥基体形成的复合材料片、形成于该复合材料片上下表面的正负电极、封装于所述复合材料片外且设置有电磁屏蔽层的封装结构，以及与所述正负电极、电磁屏蔽层连接的线缆，而所述系统可依据传感器反馈信号进行被监测物声学参数的分析，从而实现长期的混凝土结构水化和破坏监测1、在土木工程的广泛应用在建筑的开始和成熟阶段均可适用，并可用于私有建筑、公共建筑的使用周期内检测和安全性追踪；2、采用水泥基压电传感器可保证高敏感度和高信噪比，传感器植入技术可进行大范围监测；3、、有益于频谱分析的水泥基压电传感器的使用可保证较宽的频域响应范围；4、可适用于实验和实体建筑；5、与传统超声波监测技术相比，可获得如超声波速度、衰减系数指标和频谱变化
参数等大量信息。

图1是本实用新型第一实施例的混凝土结构水化和破坏检测系统的结构图。图2是本实用新型实施例的传感器的复合材料片4的接线图。图3是本实用新型实施例的复合材料片4的结构图。图4是本实用新型实施例的传感器的第一结构图。[0033]图5是本实用新型实施例的传感器的第二结构图。图6是本实用新型实施例的发射器2的结构示意图。图7是本实用新型实施例的复合材料的配置图。图8是本实用新型实施例的复合材料切割示意图。图9是本实用新型实施例的传感器的成品图。图10是本实用新型第二实施例的混凝土结构水化和破坏检测系统的结构图。图11是本实用新型实施例的接收器3采用传感器接收到的混凝土结构破坏标准信号时域图。图12是本实用新型实施例的接收器3采用传感器接收到的混凝土结构破坏标准信号频域图。图13是本实用新型实施例的接收器3采用传感器接收到的混凝土结构破坏标准信号振幅-距离-频率图。
具体实施方式
以下结合附图，对本实用新型实施例进行详细说明。图1是本实用新型第一实施例的混凝土结构水化和破坏检测系统的结构图，参照该图，该系统主要包括由植入被监测物1的发射器2与接收器3组成的监测端，该接收器3采用如图2 至图5所示结构的传感器；与监测端相连的、用于触发发射器2产生超声波信号并根据接收器3的侦测信号分析得到被监测物1的声学参数的处理端。具体地，上述传感器主要包括由PMN陶瓷块及填充于该PMN陶瓷块间的环氧树脂-水泥基体形成的长方体形复合材料片4、分别形成于该复合材料片4上、下表面的正电极5、负电极6、封装于复合材料片4外且设置有电磁屏蔽层的封装结构7，以及与正电极5、 负电极6及电磁屏蔽层连接的线缆8，其中，复合材料片4可如图3所示，封装结构7包括由水泥及环氧树脂混合而成的第一封装层15及第二封装层16，以及形成于第一封装层15与第二封装层16之间的电磁屏蔽层，而线缆8为包括内芯9及金属屏蔽层10的同轴电缆，上述正电极5连接至内芯9，负电极6及电磁屏蔽层均连接至金属屏蔽层10，复合材料片4及封装结构7均可采用如图4所示的圆柱形或如图5所示的长方体形。上述发射器2如图6所示，由圆柱形的功能陶瓷柱18及封装于该功能陶瓷柱18 外的封装结构19组成，功能陶瓷柱18的上下圆面分别形成有与同轴电缆20相连的正负电极，发射器2的正电极连接至同轴电缆20的内芯，负电极连接至该同轴电缆20的外芯，该同轴电缆另一端连接至后续功率放大及滤波模块12，具体地，功能陶瓷柱18采用PZT陶瓷材料，封装结构19与接收器3传感器所用封装结构7材料相同，功能陶瓷柱18的几何形状为长圆柱形，圆面所对方向为超声波的主要发射方向，上下圆面均均勻涂有一层导电用银浆作为正负电极，同时上下圆面分别与传递信号用同轴电缆20的内芯及外芯连接。上述处理端包括如下结构用于产生三角脉冲信号并进行信号采集的数据采集器11 ；分别与数据采集器11及发射器2的线缆8相连的，用于对三角脉冲信号进行放大并将得到的触发信号同时发送到数据采集器U及发射器2的功率放大及滤波模块12 ；分别与接收器3的线缆8及数据采集器11相连的，用于对接收器3的侦测信号进行调整并发送到数据采集器11的前置放大及滤波模块13 ；与数据采集器11相连的，用于对数据采集器11采集的数据进行分析得到被监测物1的声学参数的主机14。上述系统在具体处理时，发射器2与接收器3被置于被监测物1 (建筑样品)中， 并且发射器2与接收器3之间具有确定的距离。之后，在主机14的控制和管理下，发射器 2开始产生超声波信号，接收器3即可接收到该超声波信号。超声波扫描会以几分钟一次的频率进行。主机14控制数据采集器11产生三角脉冲信号并发送到功率放大及滤波模块 12，然后功率放大及滤波模块12即会对三角脉冲信号进行放大，得到的触发信号会被同时传送到发射器2及数据采集器11。发射器2则在触发信号触发下向被监测物1产生相应的超声波。接收器3在接收到由发射器2传送的超声波后，接收器3会将其转换为侦测信号并发送到前置放大及滤波模块13进行调整。主机14会根据数据采集器11的数据，记录发射器2发射超声波时间及接收器3接收超声波时间的时间差，并依据发射器2与接收器3 之间的确定距离计算超声波的速度。由于波速是材料的固有参数，并直接与材料弹性模量成比例，那么，当速度变化反应出弹性模量变化时，水泥基材料的水化过程或微观结构也发生了变化。因此，波速变化可以解释水化过程。对于成熟建筑的破坏监测，道理也是一样。 当建筑内发生细微龟裂、错位等缺陷，弹性模量就会发生变化，所测得的波速也会发生相应变化。因此，波速变化可以解释建筑内的破坏过程。显然，在建筑结构的使用周期内，植入建筑结构中用于水化监测的传感器也可以用于破坏监测。另外，采用相同原理，这种监测机制还可以用于其它材料的固化和破坏监测。上述传感器可采用如下过程进行制造(1)复合材料片4的制备水泥基压电复合材料片4的原料是PMN陶瓷块、环氧树脂及硅酸盐水泥。PMN的化学方程式为1 (Mgl73Nb273 ) O3 · PbTiO3 · m^r03。经实验研究结果证明，制备成型的水泥基压电复合材料中PMN陶瓷的体积比应当在45%左右。因此，根据1-3型的复合材料连接模式，复合材料的配置如图7所示。在PMN陶瓷块是方形截面的情况下，环氧树脂-水泥基体厚度需等于PMN陶瓷块的厚度。也就是说，如果PMN棒的厚度是1毫米，则环氧树脂-水泥基体的厚度也相应地控制在1毫米。这里采用切割-填充的制作工艺来制备这一复合材料。如图8所示，用切割机在X、Y轴两个相互垂直的方向上切出多道平行的空隙(空隙宽度为1毫米)。在切割出如图8所示的空隙后，往其中缓慢填充环氧树脂和水泥的混合物，整个过程需保证该混合物密实而完全地填充所有空隙。所用的环氧树脂和水泥的混合物的质量配比是，水泥环氧树脂为1. 5:1。所选用的环氧树脂应具有足够的流动性以避免在混合及填充过程中产生气泡。填充完后，需等待环氧树脂完全固化，需至少三天。复合材料固化成型后再切割成一系列复合材料片4，如图3所示，切片面应与Z轴方向保持精确垂直。薄片的厚度应在4毫米，长和宽大约在18毫米。新制备的复合材料片4需要在温度65°C和相对湿度98%的条件下养护超过72小时。养护期过后，复合材料片4的顶部和底部表面应使用lOOOcc的砂纸适当打磨，使其上下表面光滑便于极化。用银或镍浆均勻涂再复合材料片4的上下表面，形成一层薄薄的正电极5及负电极6。该正电极5及负电极6应保证和复合材料片4上下表面保持紧凑良好的物理接触； 电极应尽可能薄；避免由于不适当的电极安装操作而使正电极5和负电极6短路。电极制作完成后，复合材料片4应移到温度超过110°C的干燥箱内干燥超过M小时以完全消除复合材料片4中所含水分。干燥后，可以进行极化，极化过程需要在温度80°C 的硅油浴中，在复合材料片4的正电极5和负电极6间施加20分钟的8000V直流电压。极化后，复合材料片4需迅速沉浸在室温下的硅油中快速冷却，以保持极化状态。随后，复合材料片4应完全由锡纸盖住，以消除表面积累的静电。(2)传感器的接线与封装复合材料片4的正电极5应连接至同轴电缆的内芯9，负电极6则应连接至同轴电缆的金属屏蔽层10，同时，同轴电缆的金属屏蔽层10还需要和上述电磁屏蔽层连接。应避免复合材料片4上下表面电极由于持续振动或冲击而导致脱落，以确保传感器工作性能的稳定。此外，应避免正电极5与负电极6短路。接线后，复合材料片4应进行封装处理。封装材料是水泥和环氧树脂的混合物。封装后的形状和封装尺寸因模具而已。通常情况下，有圆柱形和长方体形两种封装模具。封装材料水泥和环氧树脂混合质量比为1.5:1。封装材料的固化期一般在3天以上。整个封装过程分两次进行一次封装后的传感器厚度为10毫米。圆柱形传感器的直径为40毫米，长方体形传感器的宽度和长度均为40毫米。封装在传感器中的复合材料片4的表面和封装后的传感器上下表面应保证严格平行。复合材料片4应保证在封装后传感器的正中央。锡或银浆体应全面涂在封装材料固化后的传感器的外表面形成电磁屏蔽层。上述过程完成后进行二次封装，封装过程与一次封装过程相同。复合材料片4同样需要位于二次封装后传感器的正中央。然而，二次封装后不需要再涂覆电磁屏蔽层。二次封装后的传感器的厚度为15毫米。二次封装后的圆柱形传感器直径为50毫米。二次封装后的长方体形传感器的长度和宽度均为50毫米。BNC或SMA焊接接头17应接在同轴电缆的另一端。最后，圆柱形的传感器成品可如图9所示。(3)传感器性能测试与标定质量检测1 确保制备的水泥基压电复合材料片4在压电应变常数d33、介电常数以及机电耦合系数等性能指标上符合要求；质量检测2 确保传感元件电极安装及接线合格，无短路或断路情况；质量检测3:确保传感器工作正常。同时通过标定描述其输入(压力或速度)-输出(电流)关系(从1牛顿到30千牛顿)及标准频域响应曲线，制成传感器性能指标数据表。复合材料片4中1-3型水泥基压电复合材料压电性能参数如下表1所示
权利要求1.一种传感器，其特征在于，包括由PMN陶瓷块及填充于该PMN陶瓷块间的环氧树脂-水泥基体形成的复合材料片、形成于该复合材料片上下表面的正负电极、封装于所述复合材料片外且设置有电磁屏蔽层的封装结构，以及与所述正负电极、电磁屏蔽层连接的线缆。
2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述线缆为包括内芯及金属屏蔽层的同轴电缆，所述正电极连接至所述内芯，所述负电极及电磁屏蔽层均连接至所述金属屏蔽层。
3.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述复合材料片为长方体形，所述封装结构为圆柱形或长方体形。
4.一种混凝土结构水化和破坏监测系统，其特征在于，包括由植入被监测物的接收器组成的监测端，该接收器均采用如权利要求1至3中任一项所述的传感器；与所述监测端相连的、用于根据所述接收器的侦测信号分析得到所述被监测物的声学参数的处理端。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述处理端包括用于进行信号采集的数据采集器；与所述接收器的线缆相连的，用于对所述接收器的侦测信号进行调整并发送到所述数据采集器的前置放大及滤波模块；与所述数据采集器相连的，用于对所述数据采集器采集的数据进行分析得到所述声学参数的主机。
6.如权利要求4所述的系统，其特征在于，该系统还包括植入所述被监测物的、由所述处理端触发产生超声波信号以供所述接收器接收的发射器。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述处理端包括用于产生三角脉冲信号并进行信号采集的数据采集器；分别与所述数据采集器及发射器的线缆相连的，用于对所述三角脉冲信号进行放大并将得到的触发信号同时发送到所述数据采集器及发射器的功率放大及滤波模块；分别与所述接收器的线缆及数据采集器相连的，用于对所述接收器的侦测信号进行调整并发送到所述数据采集器的前置放大及滤波模块；与所述数据采集器相连的，用于对所述数据采集器采集的数据进行分析得到所述声学参数的主机。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述发射器由圆柱形的功能陶瓷柱，以及封装于该功能陶瓷柱外的、与所述传感器的封装结构采用相同材料的封装结构组成，所述功能陶瓷柱的上下圆面分别形成有与线缆相连的正负电极。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述发射器连接的线缆为包括内芯及外芯的同轴电缆，所述发射器的正电极连接至该同轴电缆的内芯，负电极连接至该同轴电缆的外芯，该同轴电缆连接至所述功率放大及滤波模块。
专利摘要本实用新型实施例公开了一种传感器及应用该传感器的混凝土结构水化和破坏监测系统，传感器包括由PMN陶瓷块及填充于该PMN陶瓷块间的环氧树脂-水泥基体形成的复合材料片、形成于该复合材料片上下表面的正负电极、封装于所述复合材料片外且设置有电磁屏蔽层的封装结构，以及与所述正负电极、电磁屏蔽层连接的线缆，而所述系统可依据传感器反馈信号进行被监测物声学参数的监测与分析，从而实现长期的混凝土结构水化和破坏实时监测。
文档编号G01N29/04GK202305478SQ201120289538
公开日2012年7月4日 申请日期2011年8月10日 优先权日2011年8月10日
发明者李宗津, 秦磊, 陆有源 申请人:建维科技(深圳)有限公司