专利名称：用于混凝土结构的现场水化监视和损伤检测的系统和方法及其使用的传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于混凝土结构的现场水化监视和损伤检测的系统和方法及其使用的传感器，更具体地，本发明涉及一种利用超声波技术进行混凝土结构的现场水化监视和损伤检测的系统和方法，以及用于该系统和方法的传感器。
背景技术：
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在有水的情况下，水泥颗粒中的各种化合物将会水化形成新的化合物，这些化合物逐步形成混凝土结构中硬化的水泥浆的基层结构。水泥中的C3S和C2S形成最重要的强度贡献物，水化硅酸钙，其非晶质的特性是众所周知的。它们的反应还产生带有与众不同的六边形片状形态的氢氧化钙。c3A、硫酸盐和水形成名为硫化铝酸钙的六边形晶体。通常，它们被观察到呈长的细长针状。除了水化化合物之外，微孔是水化混凝土结构的另一个主·要部分。根据它们的尺寸，微孔可被分类为凝胶微孔、毛细管微孔和圈闭微孔。水化化合物和微孔结构组成水化混凝土结构的基本微观结构。由于混凝土结构的微观结构确定其机械特性，所以目前做出了大量努力来研究和评估混凝土结构水化期间的微观结构发展的过程和机理。已经有多种方法来探查早期混凝土结构的微观结构变化。由于在混凝土结构水化期间的化学反应会引起混凝土结构温度的上升，因而，混凝土结构的温度表明了水化的程度。当混凝土结构的温度下降时，就认为其水化程度接近稳定程度。因此，可以采用温度监视方法来探测混凝土结构的微观结构变化。此外，非接触式电阻率方法由Li等人引入以评估早期混凝土结构的水化过程(参见Z. Li,X. ffei,ff. Li,“Preliminary Interpretation ofPortland Cement Hydration Process using Resistivity Measurements”,ACIMaterialsJournal，100 (3) ,253-257 (2003))。已经发现非接触式电阻率测量适合于处于非常早的时期的混凝土结构的详细监视，因为它对液体与孔隙溶液中的离子浓度和迁移率十分敏感，并且各种截然不同的水化阶段能被识别出来(参见L. Xiao, Z. Li, “Early-age Hydrationof Fresh Concrete Monitored by Non-contact Electrical Resistivity Measurement，，，Cement and Concrete Research, Volume 38，Issue 3，March 2008，Pages 312-319)。此夕卜，Sayers和Dahlin讨论了连续测量超声压缩波的速度和幅度以反映水泥衆微观结构发展的演变的可能性(参见C. Sayers, A. Dahlin, “Propagation of UltrasoundThrough Hydrating Cement Pastes at Early Times”， Advanced Cement BasedMaterials, 1993 ；1 :12-21)。基于它们的结果，水泥浆的微观结构发展被看待为在没有体积消失和剪切模量的情况下从不规则形状水泥颗粒的粘性悬浮液到多孔弹性固体的过程。受该思想的启发，Grosse等人制造和改进了一系列的超声波测试装置，旨在表现水泥基材料的水化过程的特性(参见 C. Grosse, “About the Improvement of US MeasurementTechniques for the Quality Control of Fresh Concrete，，，Otto-Graf-Journal,Vol. 13,2002)。Ye等人借助于HYM0STRUC模型仿真和超声波脉冲速度测量研究了水泥基材料的微观结构的发展(参见 G.Ye, P. Lura, K. Breugel, A. Fraai j, “Study on theDevelopment of the Microstructure in Cement-based Materials by means ofNumerical Simulation and Ultrasonic Pulse Velocity Measurement，，，Cement andConcrete Composites, 26 (2004) 491-497),他们清楚地识别并生动地说明了微观结构发展和渗透概念。此外,相比传统的非接触式复电阻率监视方法和温度监视方法,超声波水化监视方法能更令人满意地探查早期混凝土的微观结构发展和水化程度。但是，对于混凝土材料和结构的水化过程和损伤检测的现场监视，传统上，依赖对混凝土结构温度演变的检测或目测。然而，这些方法可能导致误解或容易受环境影响。在目前已有的三种方法(超声波监视方法、非接触式复电阻率监视方法和温度监视方法)中，超声波监视技术能最有效地现场探查水泥浆或混凝土结构的水化过程。但该超声波技术仅仅可用于小尺寸的水泥或混凝土样本，对大型混凝土材料和结构的现场水化监视从未被操作或研究出来。其原因是，在传统的超声波监视技术中安装在外面的传感器和系统设计不能保证长的超声波检测范围，因而，传感器的距离有限，这妨碍了它用于监视现场的大尺寸 混凝土材料和结构的水化过程。传统的超声波技术通常用于容纳在金属外壳中且安装在待评估物体外面的压电传感器。这种结构设计会在超声波传输期间引起大量能量损失并且由于传感器和待评估主体之间的耦合而导致灵敏度低。此外，由于安装在外面的传感器可能容易受环境变化的影响，所以仅仅能昂贵地获得超声波的速度，难以得到其他信息。并且安装在外面的传感器不适合对混凝土材料和结构进行长期的水化和损伤监视。此外，到目前为止，对混凝土结构的水化监视和损伤检测的功能仍未被整合到单个系统中，这是因为基于超声波的水化监视系统和损伤检测系统的工作机理具有很大差别。因此，需要一种不受环境影响、且可长期用于大尺寸混凝土结构材料和结构的、基于超声波技术的现场水化监视和损伤检测的系统和方法，以及能整合到该系统中的传感器。

发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于混凝土结构的现场水化监视和损伤检测的系统和方法。更进一步地，该系统和方法基于超声波技术、不受环境的影响、可长期用于现场监视大尺寸混凝土材料和结构的水化过程和损伤检测，并且该系统包括整合到其中的传感器。为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于混凝土结构的现场水化监视和损伤检测的系统，其包括信号发生模块、发射传感器和接收传感器，其中信号发生模块用于产生信号，该信号作为激励信号发送给发射传感器并作为触发信号反馈给处理器，发射传感器接收到激励信号后向接收传感器发射超声波，接收传感器接收超声波后产生检测信号，并反馈给处理器，其特征在于所述发射传感器和接收传感器是嵌入混凝土结构的传感器。作为本发明的一种优选结构，该系统中的所述传感器是水泥基压电复合材料的传感器。作为本发明的一种优选结构，该系统中的所述信号发生模块包括信号发生器和功率放大器，所述信号发生器产生并发送脉冲信号，该功率放大器用于将接收的脉冲信号放大并作为激励信号发送给发射传感器。
作为本发明的一种优选结构，该系统中的所述激励信号是三角形电信号。作为本发明的一种优选结构，该系统还包括前置放大器，该前置放大器用于将接收传感器发出的检测信号在反馈给处理器之前先进行调制。作为本发明的一种优选结构，该系统中的所述处理器和所述信号发生器位于计算机中。同时，本发明提供了一种用于混凝土结构的现场水化监视和损伤检测的方法，其包括信号发生模块产生信号，该信号作为激励信号发送给发射传感器并作为触发信号反馈给处理器；发射传感器接收到激励信号后向接收传感器发射超声波；接收传感器将接收到的超声波转变为检测信号并反馈给处理器；处理器通过比较和分析发送给发射传感器的激励信号和接收传感器反馈的信号获得水化监视和损伤检测相关的信息；将所述信息与监视目标的暂时状态相互关联；其特征在于所述发射传感器和接收传感器嵌入所述监视目标的混凝土结构中。 作为本发明的一种优选方式，该方法中的所述传感器是水泥基压电复合材料的传感器。作为本发明的一种优选方式，该方法中的所述信息包括超声波速度、衰减系数指标和功率谱的信息。作为本发明的一种优选方式，该方法中的所述的功率谱的信息是时域信号波形的傅里叶变换的估计结果。作为本发明的一种优选方式，该方法中的所述信号发生模块包括信号发生器和功率放大器，所述信号发生器产生并发送脉冲信号，该功率放大器将接收的脉冲信号放大并作为激励信号发送给发射传感器。作为本发明的一种优选方式，该方法中的所述激励信号是三角形脉冲电信号。作为本发明的一种优选方式，该方法中的接收传感器将接收到的超声波转变为检测信号后，前置放大器将检测信号进行调制并反馈给处理器。此外，本发明还提供了一种用于上述系统和方法的传感器，其包括功能核和包覆在功能核外部的绝缘层，其中功能核是水泥基压电复合材料。作为本发明的一种优选结构，该传感器中的所述绝缘层是水泥和环氧树脂的混合物。作为本发明的一种优选结构，该传感器中的所述功能核是圆柱形。作为本发明的一种优选结构，该传感器中的所述水泥基压电复合材料是压电陶瓷颗粒和硅酸盐水泥的混合物。作为本发明的一种优选结构，该传感器中的所述功能核是立方体形。作为本发明的一种优选结构，该传感器中的所述水泥基压电复合材料是PMN陶瓷块、环氧树脂和硅酸盐水泥的混合物。除此以外，本发明还提供了一种用于上述系统和方法的传感器的制造方法，其包括制备水泥基压电复合材料片；将复合材料片的正负电极接线以形成传感元件；将传感元件封装并进行电磁屏蔽处理以形成传感器。作为本发明的一种优选方式，该方法中的制备水泥基压电复合材料片的步骤包括1)制备压电陶瓷颗粒及水泥粉末步骤；2)将步骤I)中得到混合物充模与挤压处理步骤；3)养护与极化步骤。作为本发明的一种优选方式，该方法中的制备压电陶瓷颗粒及水泥粉末步骤包括将压电陶瓷颗粒和水泥粉末按照质量比4I混合。作为本发明的一种优选方式，该方法中的进行充模与挤压处理步骤后得到圆片状
0-3型水泥基压电复合材料片。作为本发明的一种优选方式，该方法中的制备水泥基压复合材料片的步骤包括PMN立方块加工与极化步骤、PMN切割-填充处理步骤和将加工后的复合材料按特定尺寸切片步骤。作为本发明的一种优选方式，该方法中的所述水泥基压电复合材料片的原料是 PMN陶瓷块、环氧树脂和硅酸盐水泥。作为本发明的一种优选方式，该方法中的进行PMN切割-填充处理步骤中得到方形截面的PMN棒。上述用于混凝土结构的现场水化监视和损伤检测的系统和方法，由于已经将混凝土结构的水化监视和损伤检测的功能整合到了单个系统中，因而本发明的系统和方法不仅能用于处于生阶段中的混凝土结构的水化监视，而且能用于处于熟阶段中的混凝土结构的损伤检测，并且整个监视过程不受环境影响。由于采用了嵌入式超声波技术，本发明的系统和方法可以在超声波速度、衰减、频域内容演变方面获得来自混凝土的微观结构发展的大量信息。通过算出这些获得的参数的特性，能清楚识别一系列截然不同的水化阶段并且能表现它们的微观结构发展对应状况的特点。而且，该系统和方法可长期用于大尺寸混凝土材料和结构，能实现私人建筑物和基层结构的寿命监视和安全性跟踪，并且能同时在实验室中进行试验研究。此外，由于该系统和方法中采用了水泥基压电传感器，水泥基压电传感器能够满足传感器和混凝土结构之间在声阻抗方面的相容性匹配的需求。而且，水泥基压电复合材料的g33值比传统的压电陶瓷材料的g33值高。因此，当水泥基压电传感器被用作感测器时，具有更好的灵敏度。在被嵌入混凝土结构中之后，由于极好的声阻抗匹配和高的g33值，所以水泥基压电复合材料传感器比放在混凝土结构外面的传统压电传感器执行得好得多，能进行长期的水化监视和损伤检测，并且能在具有高灵敏度和高信噪比的情况下检测覆盖宽频带范围的超声波信号。并且嵌入的传感器本身不会给结构带来额外的伤害。同时，由于采用水泥基压电传感器而具有宽频响应范围，有益于功率谱分析。


附图仅出于图示的目的，然而，通过参考结合所附附图进行的下面的详细描述，可以更好地理解本发明本身，其中图I表示用于混凝土结构的现场水化监视和损伤检测的系统的功能框图；图2示出了在混凝土结构浇注之前的混凝土结构的现场监视的图片；图3示出了在混凝土结构浇注之后的混凝土结构的现场监视的图片；图4表示现场试验中在水化过程期间混凝土结构的超声波速度的演变趋势；图5示出了混凝土结构的损伤检测的波速度变化曲线图；图6表示实验室监视结果中的超声波速度和衰减系数指标的演变趋势；
图7表示实验室监视结果中的超声频域谱的演变趋势；图8示出了非接触式电阻率测试系统的示意图；图9a_9d示出了在水化过程的四个阶段混凝土材料的水泥相中的模拟微观结构图；图IOa-IOc示出了混凝土材料样本WC_0. 45在水化过程的四个阶段获得的参数的变化趋势图；图Ila-Ilc示出了混凝土材料样本WC_0. 55在水化过程的四个阶段获得的参数的变化趋势图；图12表示样本WC_0. 45在水化过程的四个阶段中传输的超声波的频域谱；图13表示样本WC_0. 55在水化过程的四个阶段中传输的超声波的频域谱；
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图14示出了示例性传感器的内部结构图；图15表示0-3型水泥基压电传感器的制造方法流程；图16示出了压电陶瓷颗粒和水泥粉末颗粒的直径-体积分布图；图17a示出了填充基压混合物的示意图；图17b示出了模具分解后的部件示意图；图18示出了圆片状复合材料片的示意图；图19示出了复合材料片正负极接线示意图；图20a和图20b示出了传感器一次封装示意图；图21a和图21b示出了传感器二次封装示意图；图22表示1-3型水泥基压电复合材料传感器的制造方法流程；图23a和图23b示出了复合材料配置的示意图；图24示出了复合材料切割示意图；图25示出了复合材料切片示意图；图26示出了复合材料片正负极接线示意图；图27a和27b示出了传感器一次封装示意图；图28a和28b示出了传感器二次封装示意图。
具体实施例方式图I示出了用于混凝土结构的现场水化监视和损伤检测的系统的功能框图。该系统包括内嵌传感器的局部混凝土结构I、发射传感器2、接收传感器3、位于计算机内的信号发生器、功率放大滤波器和前置放大滤波器。在该系统中，分别以预定的距离内嵌发射传感器2和接收传感器3在混凝土结构I中。图2示出了在混凝土结构浇注之前的混凝土结构的现场监视的图片。图3表示在混凝土结构浇注之后的混凝土结构的现场监视的图片。继续参考图1，利用该系统进行用于混凝土结构的现场水化监视和损伤检测的步骤如下。在铸造之后，发射传感器2用于产生超声波信号，而接收传感器3在计算机的控制下接收发射出的超声波信号。具体地，可以预先设定超声波扫描每几分钟重复一次，计算机的信号发生器产生三角形的脉冲信号并且该脉冲信号被发送到系统中的功率放大滤波器，该脉冲信号被功率放大滤波器放大并作为激励信号发送给发射传感器、作为触发信号反馈给计算机的处理器。然后发射传感器2接收到激励信号后产生进入监视目标的对应的超声波。在接收传感器3接收到发射传感器2发射出的超声波之后，超声波被转变成电的检测信号，然后被前置放大滤波器调制，调制后的调制信号反馈到计算机的处理器。计算机的处理器根据记录的发送给发射传感器2的信号和接收传感器3接收到的信号之间的时差和发射传感器2与接收传感器3之间已知的距离计算出波速度。由于波速度是材料的特性参数并且与材料的弹性模量成正比，所以波速度变化或发展反映了基于水泥的材料的模量发展和微观结构发展，其中模量发展是水化过程的结果。当然，处理器也可以根据信号得到衰减系数指标和功率谱等信息，其中功率谱可以是时域信号波形的傅里叶变换的估计结果。图4示出了现场试验中在水化过程期间混凝土结构的超声波速度的演变趋势。同时，该系统也可用于基于水泥的材料的实验室研究。通过上述系统可以通过获得的波速度来现场监视混凝土结构的水化过程。同样，该系统也能用于熟混凝土结构的损伤检测，工作原理是相同的。因为如果存在某些缺陷，如在混凝土结构中出现微裂纹和断层，则模量将会改变，所以测量到的波速度将会相应地改变。如图5所示，当混凝土结构出现损伤时，波速度的曲线会出现图5中箭头4所指的很明 显地变化，因而，波速度的改变能用来说明混凝土结构的损伤过程。明显地，嵌入混凝土结构内用于现场水化监视的传感器同时能用于混凝土结构在服务期间内的损伤监视。此外，利用相同的基本原理，该监视机构也能用来监视其他材料的固化和损伤过程。本发明公开的用于混凝土结构的现场水化监视和损伤检测的系统不仅能通过测量波速度来对混凝土结构进行水化监视和损伤检测，而且可以通过测量衰减系数指标和频域谱来对混凝土结构进行水化监视和损伤检测。图6和图7示出了实验室试验中实时绘制的基于混凝土材料的水化过程期间的超声波速度、衰减系数指标和频域谱的演变趋势的曲线图。其中图6表示实验室监视结果中的超声波速度和衰减系数指标的演变趋势的曲线图。图7表示实验室监视结果中的超声频域谱的演变趋势的曲线图。对于衰减系数指标按照如下公式(I)获得
t A ,
water
A ,
vy—_concrete +
concrete0water
s(I)其中，awate表示纯净水在20°C时的衰减系数，AwatCT是被探测的超声波在纯净水中传输S距离后被评估的均方根值，Aconcrete是在监测期间评估的临时超声波均方根值。由于混凝土基质的水化是一个动态过程，混凝土基质的声阻抗会一直改变，持续到水化过程结束，因此，在水化期间传感器和基质接触面处不同的声阻抗变化是应该被考虑的，从而表示混凝土的真实变化趋势。因此，用于A’。。―的回归程序是必需的。公式
(I)的另一个简化形式是公式(2)，其表示了衰减的变化而不是衰减的绝对值。由公式(2)计算的值表示衰减系数指标。a ' cmcrete = -In A1 ⑶ncrete (2)在监测过程中，传感器和混凝土基质的接触面处出现裂纹时，衰减系数指标会出现显著变化，通过观察衰减系数指标的变化趋势来实时监测生阶段的水化过程和熟阶段的损伤检测。在实际操作中，隔一定距离放置一个传感器，特别是将传感器放置在最容易发生破坏的地方。
而对于超声波的频域谱可通过如下的公式(3)和公式(4)中描述的一系列单个传输过程的卷积对监视期间中超声波的全部传输过程建模。可以认为，假如发射传感器和接收传感器的状态不变，则在混凝土材料水化期间在传输介质内发生的微观结构的变化将会相应地主动调整传输的超声波的频谱(参见P. Daponte, F. Maceri, R. Olivito,“Ultrasonic Signal-Processing Techniques for the Measurement of Damage Growthin Structural Materials，，IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,Vol. 44,No. 6,December 1995和F. Lamonaca,A. Carrozzini,“Nondestructive Monitoringof Civil Engineering Structures by Using Time Frequency Representation，，IEEEInternational Workshop on Intelligent Data Acquisition and Advanced ComputingSystems !Technology and Applications, 21_23September 2009, Rende, Italy),因此，频
域谱的演变是微观结构中介质变化的指标。V(t) = T(t)*[G(t)*M(t)](3)
其中V(t)是在时域内检测到的超声波的函数，T(t)是监视系统的响应函数，G(t)是用于传输介质的弹性动力学的格林函数，M(t)是超声波源的时域函数，*表示卷积积分。V(s) =T(S) [G(S) M(s) ] (4)公式⑷为公式(3)的拉普拉斯变换以便阐明在S域中检测到的超声波和超声波源之间的关系，已知S = j ，则可以根据公式4通过变量替换来确定频域谱。此外，可在标准的4°C蒸馏水中执行校准过程，因为超声波速度和衰减系数在标准的4°C蒸馏水中是已知的。为了便于理解本发明，并进一步地阐述本发明的系统和方法的效果和作用，以两种混凝土材料样本WC_0. 45和WC_0. 55的水化过程的监测为例，将超声波方法与传统的非接触式电阻率和温度监视方法进行了比较。其中传统的非接触式电阻率测试系统如图8所示，该系统包括初级线圈5、变压器的铁芯7，变压器的次级线圈是注入模具中的水泥浆样本6，通过测量次级线圈的环形电压V以及电流I获得水泥浆样本的电阻率实时数据。利用超声波监视方法与传统的非接触式电阻率方法和温度监视方法监测水化程度的比较由于超声波在固相中具有较高的传播速度和较低的衰减损失，所以它们倾向于在固相微观结构中传播(参见 A. Boumiz, C. Vernet, F. Tenoudjit, “Mechanical Propertiesof Cement Pastes and Mortars at Early Ages”Advanced Cement Based Materials,1996 ；3 :94-106)。相反，电阻率由混凝土材料的导电性能支配。在混凝土材料中，固相被看作绝缘体，而液相被看作良好的导体。混凝土材料中的液相由微孔结构中的空隙溶液的复杂系统构成，因此，电阻率监视方法由混凝土材料中的微孔结构的状况和形态支配地确定(参见 L. Xiao, “Interpretation of hydration process ofconcrete based on electricalresistivity measurement”HKUST Thesis Civil and Environemntal Engineering,2007)。在这个过程中监视两种混凝土材料样本WC_0. 45和WC_0. 55的水化过程(两种样本的成分见表I)，基于监视结果，能识别早期混凝土材料的水化程度的四个特征阶段。表I.用于水化试验的混凝土的混合比(重量比)
权利要求
1.一种用于混凝土结构的现场水化监视和损伤检测的系统，其包括信号发生模块、发射传感器和接收传感器，其中信号发生模块用于产生信号，该信号作为激励信号发送给发射传感器并同时作为触发信号反馈给处理器，发射传感器接收到激励信号后向接收传感器发射超声波，接收传感器接收超声波后产生检测信号，并反馈给处理器，其特征在于所述发射传感器和接收传感器是嵌入混凝土结构内部的传感器。
2.如权利要求I所述的用于混凝土结构的现场水化监视和损伤检测的系统，其特征在于所述发射传感器和接收传感器均是利用水泥基压电复合材料制作的传感器。
3.如权利要求I所述的用于混凝土结构的现场水化监视和损伤检测的系统，其特征在于所述信号发生模块包括信号发生器和功率放大器，所述信号发生器产生并发送脉冲信号，该功率放大器用于将接收的脉冲信号放大并作为激励信号发送给发射传感器。
4.如权利要求3所述的用于混凝土结构的现场水化监视和损伤检测的系统，其特征在于所述激励信号是三角形脉冲信号。
5.如权利要求I至3任一项所述的用于混凝土结构的现场水化监视和损伤检测的系统，其特征在于该系统还包括前置放大器，该前置放大器用于将接收传感器发出的检测信号在反馈给处理器之前先进行调制。
6.如权利要求3所述的用于混凝土结构的现场水化监视和损伤检测的系统，其特征在于所述处理器和所述信号发生器置于计算机中。
7.一种用于混凝土结构的现场水化监视和损伤检测的方法，其包括 处理器指示信号发生模块产生信号，该信号作为激励信号发送给发射传感器，并同时作为触发信号反馈给处理器； 发射传感器接收到激励信号后向接收传感器发射超声波； 接收传感器将接收到的超声波转变为检测信号并反馈给处理器； 处理器通过比较和分析发送给发射传感器的激励信号和接收传感器反馈的信号获得混凝土结构的水化监视和损伤检测相关的信息； 将所述信息与监视目标的暂时状态紧密相互关联； 其特征在于所述发射传感器和接收传感器嵌入所述监视目标的混凝土结构中。
8.如权利要求7所述的用于混凝土结构的现场水化监视和损伤检测的方法，其特征在于所述发射传感器与接收传感器均是利用水泥基压电复合材料制作的传感器。
9.如权利要求7所述的用于混凝土结构的现场水化监视和损伤检测的方法，其特征在于其中所述信息包括超声波速度、衰减系数指标和功率谱的信息。
10.如权利要求9所述的用于混凝土结构的现场水化监视和损伤检测的方法，其特征在于其中所述的功率谱的信息是时域信号波形的傅里叶变换的估计结果。
11.如权利要求7至10任一项所述的用于混凝土结构的现场水化监视和损伤检测的方法，其特征在于所述信号发生模块包括信号发生器和功率放大器，所述信号发生器产生并发送脉冲信号，该功率放大器将接收的脉冲信号放大并作为激励信号发送给发射传感器。
12.如权利要求11所述的用于混凝土结构的现场水化监视和损伤检测的方法，其特征在于所述激励信号是三角形脉冲信号。
13.如权利要求7至10任一项所述的用于混凝土结构的现场水化监视和损伤检测的方法，其特征在于接收传感器将接收到的超声波转变为检测信号后，前置放大器将检测信号进行调制并反馈给处理器。
14.一种用于权利要求1-6所述的系统和7-13所述的方法的传感器，其包括功能核和包覆在功能核外部的绝缘层，其中功能核是水泥基压电复合材料。
15.如权利要求14所述的传感器，其特征在于所述绝缘层是水泥和环氧树脂的混合物。
16.如权利要求13或14所述的传感器，其特征在于所述功能核是圆柱形。
17.如权利要求16所述的传感器，其特征在于所述水泥基压电复合材料是压电陶瓷颗粒和硅酸盐水泥的混合物。
18.如权利要求13或14所述的传感器，其特征在于所述功能核是立方体形。
19.如权利要求18所述的传感器，其特征在于所述水泥基压电复合材料是PMN陶瓷块、环氧树脂和硅酸盐水泥的混合物。
20.一种用于权利要求1-6所述的系统和7-13所述的方法的传感器的制造方法，其包括 制备水泥基压电复合材料片； 将复合材料片的正负电极接线以形成传感元件； 将传感元件封装并进行电磁屏蔽处理以形成传感器。
21.如权利要求20所述的传感器的制造方法，其特征在于其中制备水泥基压电复合材料片的步骤包括 1)制备压电陶瓷颗粒及水泥粉末步骤； 2)将步骤I)中得到混合物充模与挤压处理步骤； 3)养护与极化步骤。
22.如权利要求21所述的传感器的制造方法，其特征在于制备压电陶瓷颗粒及水泥粉末步骤包括将压电陶瓷颗粒和水泥粉末按照质量比4I混合。
23.如权利要求21所述的传感器的制造方法，其特征在于进行充模与挤压处理步骤后得到圆片状0-3型水泥基压电复合材料片。
24.如权利要求20所述的传感器的制造方法，其特征在于其中制备水泥基压复合材料片的步骤包括PMN立方块加工与极化步骤、PMN切割-填充处理步骤和将加工后的复合材料按特定尺寸切片步骤。
25.如权利要求24所述的传感器的制造方法，其特征在于其中所述水泥基压电复合材料片的原料是PMN陶瓷块、环氧树脂和硅酸盐水泥。
26.如权利要求24或25所述的传感器的制造方法，其特征在于进行PMN切割-填充处理步骤中得到方形截面的PMN棒。
全文摘要
本发明涉及一种用于混凝土结构的现场水化监视和损伤检测的系统和方法，以及用于该系统和方法的内嵌式传感器。其中，所述系统包括位于计算机内的信号发生器、发射传感器和接收传感器，其特征在于所述发射传感器和接收传感器是嵌入混凝土结构的传感器。其中，所述方法包括计算机通过比较和分析发送给发射传感器的信号和接收传感器接收到的信号获得水化监视和损伤检测的信息；将所述信息与监视目标的暂时状态相互关联；其特征在于所述发射传感器和接收传感器嵌入所述监视目标的混凝土结构中。其中所述传感器包括由水泥基压电复合材料制成的功能核。该系统和方法基于超声波技术、不受环境影响、且可长期用于大尺寸混凝土材料和结构的现场监测。
文档编号G01N29/34GK102749386SQ201210117329
公开日2012年10月24日 申请日期2012年4月19日 优先权日2011年4月19日
发明者李宗津, 汤盛文, 陆有源 申请人:香港科技大学