[实用新型]一种用于结构健康监测的压电传感器

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种传感器，具体涉及一种用于结构健康监测的压电传感器。

背景技术

土木工程结构的安全直接关系到人民生命财产的安全，工程失效会造成灾难性的后果。以桥梁为例，早在1967年12月，  西弗吉尼亚州的锡尔弗(Silver)桥垮塌，导致46人丧生；美国的塔科玛海峡大桥，我国重庆市綦江县的彩虹桥，台湾省连接高雄与屏东重要通道上的高屏大桥，都发生了突然断裂事件，造成了巨大的经济损失和人员伤亡。及时监测结构健康状况，对结构早期损伤进行维修，不仅能够显著降低维护费用，而且能够保证结构性能，延长结构寿命。

对结构进行健康监测，需要通过实时监测结构特性的变化并进行相应处理与分析来实现。将压电元件粘贴于结构表面或埋入结构中，作为传感器和驱动器，使得采用压电阻抗技术进行结构健康监测成为可能(Smart Materials and Structures， 1998， 7(5)：599-605)。当压电元件受压的时候，它将产生电场，如果对压电元件施加电场，它将产生机械拉伸。对线性压电材料(如压电陶瓷，简称PZT)来说，电变量和机械变量之间的关系可以通过线性方程来描述。通过利用PZT的正压电效应和逆压电效应，能够获取结构机械阻抗信息。对PZT施加正弦电压，由于PZT与结构粘结在一起，所以结构也会随其一起发生振动变形。结构的振动响应反馈给PZT，又导致了PZT的电响应，由于不同程度的结构损伤导致的电响应不同，所以可以通过分析这种电响应的变化来判断结构受损情况。电响应反映出来的就是PZT的电阻抗，结构发生损伤会造成PZT电阻抗幅值和相角的变化。

PZT材料较脆，若直接将其埋入混凝土结构，在施工过程中极易造成损坏而失效。同时，PZT材料本身具有吸水特性，导致PZT在潮湿或水环境下其压电参数会发生改变，从而引起测试结果不准确。因而，将PZT埋入到混凝土结构内部之前，就必须对它进行防水处理与封装。目前正处于申请公开阶段的专利“一种用于土木工程结构健康监测的压电智能骨料”(专利申请号：200810010010)中，智能骨料以PZT片为核心，采用了硅胶进行防水。研究发现，硅胶涂到PZT传感器表面后，容易流走，很难成型。而且，在硅胶干燥后，外涂硅胶PZT传感器表面有较大的弹性，应用到实际工程中容易造成PZT本身与混凝土结构之间力的传递难以实现(硕士论文，混凝土中压电传感器防水及封装技术，华中科技大学，2008)。

发明内容

本实用新型的目的在于通过提供一种用于结构健康监测的压电传感器，该压电传感器不会使PZT片发生损坏，并且能够保持稳定的压电参数，从而使PZT片能够可靠有效地应用于混凝土结构健康监测。

本实用新型提供的用于结构健康监测的压电传感器，它包括压电陶瓷片，其特征在于：压电陶瓷片与连接导线的一端连接，压电陶瓷片表面涂抹有沥青漆防水层，压电陶瓷片和沥青漆防水层包裹在砂浆外包层内。

压电陶瓷片最好位于砂浆外包层的中部。

本实用新型的压电传感器是在PZT片埋入混凝土结构之前，在其表面涂抹防水材料并用砂浆进行封装来实现。通过在PZT片表面涂抹防水材料形成防水层，隔绝外部潮湿或水环境对PZT片性能的影响，保持稳定的压电参数。研究表明，相对于硅胶和普通沥青，外涂沥青漆的PZT片在潮湿或水环境下其本身属性稳定，能够作为有效的防水材料。通过用砂浆对进行防水处理过的PZT片封装，能够防止PZT片在埋入混凝土的过程中发生损坏。封装后的PZT传感器形状和大小与PZT片的大小和模具的大小形状有关。总之，本实用新型的防水处理与封装措施简便易于操作，同时很好保持了PZT片的原有压电效应特性，并能够防止PZT传感器在结构施工过程中损坏。

附图说明

图1为封装后PZT传感器的纵向剖面示意图

图中1.PZT片，2.沥青漆防水层，3.连接导线，4.砂浆外包层。

具体实施方式

图1为本实用新型结构组成的纵向剖面示意图。封装后PZT传感器包括PZT片1、沥青漆防水层2、连接导线3、砂浆外包层4。PZT片1位于PZT传感器内部，其上涂有沥青漆防水层2，PZT片与连接导线3的一端连接。监测时，通过连接导线3将压电传感器与外接的信号发射及采集系统相连。

本实用新型的制作过程分六步。第一步：将PZT片1与连接导线3的一端焊接，做成PZT传感器；第二步：在PZT片表面均匀涂抹一层沥青漆，并晾干；第三步：根据PZT片的形状与大小制作模具；第四步：搅拌制作砂浆；第五步：在模具内添加砂浆至模具深度约一半的位置，振捣密实后将PZT传感器平放入其内，再继续添加砂浆并振捣密实；第六步：将上述处理后的PZT传感器进行养护，待水泥砂浆达到设计强度后，脱模即为经过防水处理与封装的传感器。