一种声发射传感器及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种声发射传感器，包括压电元件、背衬层和屏蔽外界干扰的封装层，所述压电元件和背衬层位于封装层内，压电元件的上表面为正极，下表面为负极，压电元件的下表面直接与封装层相连，压电元件的其他面与背衬层相连，背衬层直接与封装层相连。本发明专利技术还公开了该传感器的制备方法和应用。本发明专利技术传感器与混凝土结构相容性好，抗干扰效果好，灵敏度高，响应频带宽，制作工艺简单，结构合理，价格低，使用方便，并适合埋入混凝土结构内部，对声发射技术在土木工程结构健康监/检中的应用研究与发展具有重要的意义。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种声发射传感器及其制备方法和应用，特别涉及一种抗干扰能力强、灵敏度高、与混凝土结构相容性好的以压电复合材料为元件的声发射传感器及其制备方法和在混凝土结构健康监/检测中的应用。
技术介绍
声发射作为一种动态的无损监/检测技术，在混凝土结构健康检测方面有着广泛的应用。声发射是一种常见的物理现象，如果释放出的应变能足够大，就会产生可以听得见的声音，大多数材料塑性变形和断裂时都会有声发射发生，但是材料内部应力的释放产生的声发射信号很微弱，其频率范围处于听觉之外的超声频率范围内，而且声发射信号的产生和传播具有很大的复杂性，需要借助于一定的传感器才能检测出来。因此，研制高灵敏度、宽频带的传感器，用于获取大量结构或材料缺陷信息是声发射技术的关键。目前在混凝土结构的健康监/检测中一般使用商用声发射探头(其结构如图9所示)，其多采用压电陶瓷作为压电元件，具有金属或塑料外壳，往往由于探头与混凝土结构相容性差、易受腐蚀、耐久性差等各方面因素的限制使其只能外贴于结构表面进行使用。而将传感器粘贴于结构表面对其实施监/检测，粘贴层厚度、环境条件的变化、人为因素的损坏等均会直接影响监/检测精度，以致对工程质量作出错误评估。因此，研究与混凝土结构相容性好，抗电磁干扰能力强，灵敏度高，并适合埋入结构内部的声发射传感器对声发射技术在土木工程结构健康监/检中的应用研究与发展具有重要的意义。
技术实现思路
本专利技术针对上述不足，提供了一种声发射传感器，具有抗电磁干扰能力强，灵敏度高、与混凝土相容性好等优点。本专利技术还提供了该声发射传感器的制备方法，该方法步骤简单，易于操作。本专利技术还提供了该声发射传感器在土木工程领域健康监/检中的的应用，灵敏度高，响应频带宽，性能优异。本专利技术是通过以下措施实现的: 一种声发射传感器，其特征是:包括压电元件、背衬层和屏蔽外界干扰的封装层，所述压电元件和背衬层位于封装层内，压电元件的上表面为正极，下表面为负极，压电元件的下表面直接与封装层相连，压电元件的其他面与背衬层相连，背衬层直接与封装层相连。本专利技术声发射传感器的封装层使用自行研发的混合物制成，所述封装层为水泥、环氧树脂和石墨的混合物，或者是防腐抗渗型水泥与石墨的混合物。其中，当封装层由水泥、环氧树脂和石墨组成时，所用环氧树脂优选为AB-灌浆树脂、E-55环氧树脂、731环氧树月旨、AG80环氧树脂或W95环氧树脂，所用水泥可以是普通的水泥，也可以是具有特殊性能的水泥，例如硫铝酸盐水泥、硫铝酸钡钙水泥、硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥等。当封装层由水泥和石墨组成时，所用水泥则需要选取具有防腐抗渗性能的防腐抗渗型水泥，例如硫铝酸盐水泥等，普通水泥不能满足要求。优选的，封装层为质量比为7:7:广7:7:6的水泥、环氧树脂和石墨的混合物，或者是质量比为1:广3:1的防腐抗渗型水泥和石墨的混合物。本专利技术的封装层具有很好的屏蔽作用，因此也可以称之为屏蔽层。封装层通过在其中添加石墨的方法来减弱噪声的影响，使传感器能够更好的屏蔽环境噪音，具有更好的信噪比。除此之外，封装层具有绝缘防水的特性，防水效果好，可以对传感器进行很好的封装，使传感器埋入混凝土结构内部进行使用，减少了外界环境对传感器性能的影响。并且，本专利技术传感器所使用的封装层取代传统的金属和塑料外壳，进一步提高了传感器与混凝土之间的力学及声学相匹配，使传感器与混凝土结构具有更好的相容性。因为1-3型压电复合材料以及封装材料和混凝土材料具有很好的声阻抗匹配性，相容性好，因此本专利技术也可以作为一种埋入式声发射传感器使用。此外，本专利技术的封装层直接与压电元件的负极接触，也可以起到匹配层的作用，封装层为水泥、聚合物、石墨的混合物或防腐抗渗型水泥与石墨的混合物，这种混合物具有强度高、绝缘性好、匹配性好的特点，有效的改善了传感器与混凝土之间的力学及声学相容性。为了使封装层很好的起到匹配层的作用，我们从声波在介质中传播时的透射和反射现象出发，给出传感器匹配层在满足声学匹配厚度值，一般为lmm-5mm。本专利技术声发射传感器的背衬材料不仅能够吸收多余的声波，使传感器的在实际应用中有较好的发射响应及接收分辨率，并能在一定程度上拓展传感器的带宽。背衬层为水泥、环氧树脂和钨粉的混合物，所述水泥可以是普通水泥，也可以是特殊性能的水泥，例如硫铝酸盐水泥、硫铝酸钡钙水泥、硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥等，所述环氧树脂优选为AB-灌浆树脂、E-55环氧树脂、731环氧树脂、AG80环氧树脂或W95环氧树脂。优选的，背衬层为质量比为1:1:1的水泥、环氧树脂和钨粉的混合物。本专利技术所用压电元件优选为1-3型水泥/聚合物基压电复合材料，最优选为申请人在自行研发的1-3型水泥/聚合物基压电复合材料，该压电复合材料以聚合物和水泥的混合物为基体，以压电陶瓷为功能体，所述功能体被切割成多排竖直柱，功能体的四周及内部填充有基体；其中，聚合物与水泥的质量比为0.15、.7:1，压电陶瓷与基体的体积比为f 4:5，所述聚合物可以为环氧树脂或硅橡胶，所述环氧树脂包括AB-灌浆树脂、E-55环氧树脂、731环氧树脂、AG80环氧树脂、W95环氧树脂等，所述硅橡胶包括RTV硅橡胶、TG-8402硅橡胶、甲基乙烯基110-2硅橡胶等，所述压电陶瓷包括铌镁锆钛酸铅压电陶瓷、锆钛酸铅压电陶瓷、锆钛酸铅压电陶瓷等，所述水泥包括硫铝酸盐水泥、硫铝酸钡钙水泥、硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥等。该1-3型水泥/聚合物基压电复合材料已于2011年5月24日申报了专利技术专利，申请号为201110134231.8，该专利于2011年11月30日公开，属于现有技术，本领域技术人员可以根据专利中记载的内容得到1-3型水泥/聚合物基压电复合材料。所述压电复合材料的谐振频率、声阻抗等参数是针对混凝土结构材料的特性而设计的，从而使制作的声发射传感器具有与混凝土结构相容性好、灵敏度高、频带宽等特点。除此以外，本专利技术所用的压电元件还可以是1-3型水泥基压电复合材料，该1-3型水泥基压电复合材料除了所用基体为纯水泥外，与201110134231.8中记载的1_3型水泥/聚合物基压电复合材料的结构和组成完全一致。本专利技术的声发射传感器还包括屏蔽线，所述屏蔽线的正极与压电元件的正极相连，屏蔽线的外层屏蔽线(即屏蔽线的负极)与压电元件的负极相连，屏蔽线的另一端连接有屏蔽接头。屏蔽线是将信号传出的导线，它能降低信号干扰，所用屏蔽线一般为屏蔽作用良好的铜芯屏蔽线，因压电元件的负极与封装层相连接触，从而使屏蔽线的外层屏蔽线和传感器的封装层相连接，有效地屏蔽外界电磁干扰。本专利技术传感器结构独特，由压电元件、背衬层、封装层、屏蔽线、屏蔽接头五部分组成，封装层位于传感器的最外层，与压电元件的负极直接接触，既屏蔽了外界干扰又同时作为匹配层，大大提高了传感器的使用性能，使传感器灵敏度提高、与混凝土的匹配性更好，还能屏蔽外界干扰，使传感器可以作为埋入式传感器使用。本专利技术还提供了上述声发射传感器的制备方法，其特征是包括以下步骤: (1)将压电元件的正极与屏蔽线的正极相连，压电元件的负极与屏蔽线的外层屏蔽线相连； (2)将连接好屏蔽线的压电元件负极向下，固定于模具底部； (3)先将水泥和环氧树脂混合，然后加本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种声发射传感器，其特征是：包括压电元件、背衬层和屏蔽外界干扰的封装层，所述压电元件和背衬层位于封装层内，压电元件的上表面为正极，下表面为负极，压电元件的下表面直接与封装层相连，压电元件的其他面与背衬层相连，背衬层直接与封装层相连。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：黄世峰，徐东宇，叶正茂，芦令超，李蜜蜜，程新，
申请(专利权)人：济南大学，
类型：发明
国别省市：