專利名稱：一種用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的壓電傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種傳感器，具體涉及一種用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的壓電傳感器。
背景技術(shù)：
土木工程結(jié)構(gòu)的安全直接關(guān)系到人民生命財(cái)產(chǎn)的安全，工程失效會(huì)造成災(zāi)難性的后果。以橋梁為例，早在1967年12月，西弗吉尼亞州的錫爾弗(Silver)橋垮塌，導(dǎo)致46人喪生；美國(guó)的塔科瑪海峽大橋，我國(guó)重慶市綦江縣的彩虹橋，臺(tái)灣省連接高雄與屏東重要通道上的高屏大橋，都發(fā)生了突然斷裂事件，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。及時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)健康狀況，對(duì)結(jié)構(gòu)早期損傷進(jìn)行維修，不僅能夠顯著降低維護(hù)費(fèi)用，而且能夠保證結(jié)構(gòu)性能，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)壽命。 對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)，需要通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)特性的變化并進(jìn)行相應(yīng)處理與分析來(lái)實(shí)現(xiàn)。將壓電元件粘貼于結(jié)構(gòu)表面或埋入結(jié)構(gòu)中，作為傳感器和驅(qū)動(dòng)器，使得采用壓電阻抗技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)成為可能(Smart Materials and Structures, 1998， 7(5):599-605)。當(dāng)壓電元件受壓的時(shí)候，它將產(chǎn)生電場(chǎng)，如果對(duì)壓電元件施加電場(chǎng)，它將產(chǎn)生機(jī)械拉伸。對(duì)線性壓電材料(如壓電陶瓷，簡(jiǎn)稱PZT)來(lái)說(shuō)，電變量和機(jī)械變量之間的關(guān)系可以通過(guò)線性方程來(lái)描述。通過(guò)利用PZT的正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)，能夠獲取結(jié)構(gòu)機(jī)械阻抗信息。對(duì)PZT施加正弦電壓，由于PZT與結(jié)構(gòu)粘結(jié)在一起，所以結(jié)構(gòu)也會(huì)隨其一起發(fā)生振動(dòng)變形。結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)反饋給PZT，又導(dǎo)致了 PZT的電響應(yīng)，由于不同程度的結(jié)構(gòu)損傷導(dǎo)致的電響應(yīng)不同，所以可以通過(guò)分析這種電響應(yīng)的變化來(lái)判斷結(jié)構(gòu)受損情況。電響應(yīng)反映出來(lái)的就是PZT的電阻抗，結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷會(huì)造成PZT電阻抗幅值和相角的變化。[0004] PZT材料較脆，若直接將其埋入混凝土結(jié)構(gòu)，在施工過(guò)程中極易造成損壞而失效。同時(shí)，PZT材料本身具有吸水特性，導(dǎo)致PZT在潮濕或水環(huán)境下其壓電參數(shù)會(huì)發(fā)生改變，從而引起測(cè)試結(jié)果不準(zhǔn)確。因而，將PZT埋入到混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部之前，就必須對(duì)它進(jìn)行防水處理與封裝。目前正處于申請(qǐng)公開(kāi)階段的專利"一種用于土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的壓電智能骨料"(專利申請(qǐng)?zhí)?00810010010)中，智能骨料以PZT片為核心，采用了硅膠進(jìn)行防水。研究發(fā)現(xiàn)，硅膠涂到PZT傳感器表面后，容易流走，很難成型。而且，在硅膠干燥后，外涂硅膠PZT傳感器表面有較大的彈性，應(yīng)用到實(shí)際工程中容易造成PZT本身與混凝土結(jié)構(gòu)之間力的傳遞難以實(shí)現(xiàn)(碩士論文，混凝土中壓電傳感器防水及封裝技術(shù)，華中科技大學(xué)，2008)。

發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于通過(guò)提供一種用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的壓電傳感器，該壓電傳感器不會(huì)使PZT片發(fā)生損壞，并且能夠保持穩(wěn)定的壓電參數(shù)，從而使PZT片能夠可靠有效地應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。 本實(shí)用新型提供的用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的壓電傳感器，它包括壓電陶瓷片，其特征在于壓電陶瓷片與連接導(dǎo)線的一端連接，壓電陶瓷片表面涂抹有瀝青漆防水層，壓電陶瓷片和瀝青漆防水層包裹在砂漿外包層內(nèi)。[0007] 壓電陶瓷片最好位于砂漿外包層的中部。 本實(shí)用新型的壓電傳感器是在PZT片埋入混凝土結(jié)構(gòu)之前，在其表面涂抹防水材料并用砂漿進(jìn)行封裝來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)在PZT片表面涂抹防水材料形成防水層，隔絕外部潮濕或水環(huán)境對(duì)PZT片性能的影響，保持穩(wěn)定的壓電參數(shù)。研究表明，相對(duì)于硅膠和普通瀝青，外涂瀝青漆的PZT片在潮濕或水環(huán)境下其本身屬性穩(wěn)定，能夠作為有效的防水材料。通過(guò)用砂漿對(duì)進(jìn)行防水處理過(guò)的PZT片封裝，能夠防止PZT片在埋入混凝土的過(guò)程中發(fā)生損壞。封裝后的PZT傳感器形狀和大小與PZT片的大小和模具的大小形狀有關(guān)?？傊緦?shí)用新型的防水處理與封裝措施簡(jiǎn)便易于操作，同時(shí)很好保持了PZT片的原有壓電效應(yīng)特性，并能夠防止PZT傳感器在結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中損壞。

圖1為封裝后PZT傳感器的縱向剖面示意圖 圖中1.PZT片，2.瀝青漆防水層，3.連接導(dǎo)線，4.砂漿外包層。
具體實(shí)施方式圖l為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)組成的縱向剖面示意圖。封裝后PZT傳感器包括PZT片1、瀝青漆防水層2、連接導(dǎo)線3、砂漿外包層4。 PZT片1位于PZT傳感器內(nèi)部，其上涂有瀝青漆防水層2， PZT片與連接導(dǎo)線3的一端連接。監(jiān)測(cè)時(shí)，通過(guò)連接導(dǎo)線3將壓電傳感器與外接的信號(hào)發(fā)射及采集系統(tǒng)相連。 本實(shí)用新型的制作過(guò)程分六步。第一步將PZT片1與連接導(dǎo)線3的一端焊接，做
成PZT傳感器；第二步在PZT片表面均勻涂抹一層瀝青漆，并晾干；第三步根據(jù)PZT片的形狀與大小制作模具；第四步攪拌制作砂漿；第五步在模具內(nèi)添加砂漿至模具深度約一半的位置，振搗密實(shí)后將PZT傳感器平放入其內(nèi)，再繼續(xù)添加砂漿并振搗密實(shí)；第六步將
上述處理后的PZT傳感器進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，待水泥砂漿達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，脫模即為經(jīng)過(guò)防水處理
與封裝的傳感器。
權(quán)利要求一種用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的壓電傳感器，它包括壓電陶瓷片(1)，其特征在于壓電陶瓷片(1)與連接導(dǎo)線(3)的一端連接，壓電陶瓷片(1)表面涂抹有瀝青漆防水層(2)，壓電陶瓷片(1)和瀝青漆防水層(2)包裹在砂漿外包層(4)內(nèi)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的壓電傳感器，其特征在于壓電陶瓷片(1)位于砂漿外包層(4)的中部。
專利摘要本實(shí)用新型提供的用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的壓電傳感器，它包括壓電陶瓷片，壓電陶瓷片與連接導(dǎo)線的一端連接，壓電陶瓷片表面涂抹有瀝青漆防水層，壓電陶瓷片和瀝青漆防水層包裹在砂漿外包層內(nèi)。相對(duì)于硅膠和普通瀝青，外涂瀝青漆的PZT片在潮濕或水環(huán)境下其本身屬性穩(wěn)定，能夠作為有效的防水材料。通過(guò)用砂漿對(duì)進(jìn)行防水處理過(guò)的PZT片封裝，能夠防止PZT片在埋入混凝土的過(guò)程中發(fā)生損壞。封裝后的PZT傳感器形狀和大小與PZT片的大小和模具的大小形狀有關(guān)?？傊?，本實(shí)用新型的防水處理與封裝措施簡(jiǎn)便易于操作，同時(shí)很好保持了PZT片的原有壓電效應(yīng)特性，并能夠防止PZT傳感器在結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中損壞。
文檔編號(hào)G01M99/00GK201476978SQ20092030716
公開(kāi)日2010年5月19日 申請(qǐng)日期2009年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月31日
發(fā)明者何波, 朱宏平, 李林, 王丹生, 金柯 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)