[发明专利]一种用于混凝土结构检/监测的超声换能器

说明书

技术领域

本发明涉及一种超声换能器及其制备方法，具体涉及一种用于混凝土结构检/监测的、圆管状超声换能器及其制备方法，属于压电换能器技术领域。

背景技术

混凝土结构内部可能在其制备过程中出现不密实、裂缝及空洞状况，或在其服役过程中，由于外部环境、荷载等因素的影响会产生一些损伤，出现上述情况往往会引起一些事故的发生，危害人民的生命财产，因此，对混凝土结构进行实时的健康监测尤为重要。

超声波检测是无损检测中发展最快、应用最广泛的无损检测技术，也是在混凝土结构检测中最有效的无损检测方法之一。传统的混凝土结构健康监测技术多是自外而内的，大多采用外贴超声换能器对混凝土健康状态在某一时间下某一部位进行检测，获取的信息也只是片面的、局部的，难以实现混凝土结构连续的、在线的实时监测，另一方面，外贴式超声换能器与混凝土结构之间存在声耦合问题，如果选择耦合剂不当或耦合效果不好，往往在混凝土表面和传感器之间存在一些空气缝隙，由于混凝土与空气两者的声阻抗率相差很大，此时超声波的反射率几乎为 100％，这在一定程度上会大大减弱超声波的穿透能力，降低探测的距离和检测效率，因此，为了真实反映混凝土结构内部物理性能的变化和损伤状况，需要研制与混凝土相容性好的埋入式超声换能器。

近年来，埋入式水泥基传感器因与混凝土材料具有更好地相容性，且更有利于准确获得混凝土结构内部应力变化及损伤情况而备受关注。然而, 目前的水泥基传感器多以片状压电陶瓷或压电复合材料为元件，大多利用其厚度振动模，仅在一方向指向性较好，无法实现水平360°方向上辐射或接收声波，辐射面积小，尤其是对一些大型混凝土结构和一些基桩检/监测时，布阵复杂，更需要埋设多个传感器，这样费时、费力，因此，研制具有大功率、大辐射面积以及径向辐射等独特优点的水泥基埋入式超声换能器，对混凝土结构检/监测具有重要意义。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的不足，提供了一种用于混凝土检/监测的超声换能器，该换能器具有与混凝土相容性好、灵敏度高、辐射面积大、可实现水平360°方向上辐射、径向辐射均匀、电声转换效率高、布阵方便等优点，非常适合于一些大型混凝土结构和一些基桩检/监测。

本发明采用圆管形的压电材料为压电元件，克服片状压电元件辐射面积小、仅在一方向指向性较好，无法实现水平360°方向上辐射或接收声波的缺点。目前，对圆管形的换能器或传感器虽然报道的较多，但是用于混凝土检/监测领域的报道却很少，尤其是埋入混凝土内部的圆管形换能器的更少。在制备方面，圆管形压电元件由于曲率半径大，压电元件内表面和外表面所受的应力和张力不同，因此在进行匹配和封装时与片状压电元件相比更加困难和复杂，要得到合适的匹配层需要大量的实验研究和筛选。此外，在性能方面，还要求匹配材料和封装材料要具有绝缘、防水和耐腐蚀效果，便于埋入混凝土内部，而且它们的力学、声学和电学性能要与混凝土和传感元件具有好的相容性，这样才能确保换能器具有大的功率容量、高的辐射效率和灵敏度；另外，它们与压电元件的收缩率要有较好的匹配，防止从压电元件上开裂和剥离，保证换能器的使用寿命和性能。

由于本发明所用的传感元件为压电陶瓷圆管或压电复合材料圆管，所述压电复合材料圆管包括水泥基压电复合材料圆管或聚合物基压电复合材料圆管。传感元件曲率半径大，在进行封装时，若选用封装材料的收缩率过大，就会造成压电陶瓷圆管的外表面封装材料开裂，内表面水泥封装材料脱落，若选用封装材料的收缩率太小，不利于换能器性能的提高。鉴于此，本发明选取水泥和聚合物的混合物作为封装材料，一方面水泥是混凝土结构的基体材料之一，二者的相容性较好，同时的水泥加入可有效调整聚合物的收缩率；另一方面聚合物在固化过程中具有一定的收缩性，且绝缘和抗渗性较好。同时，在压电元件内外表面选择不同的封装材料，以水泥和收缩率较大的聚合物的混合物作为压电元件外表面（也可称为外层）封装材料，由于混合物在固化过程中伴随一定的收缩，可提供由外向内的径向预压应力，从而提高了此类径向复合压电换能器的功率密度。以水泥和收缩率较小的聚合物的混合物作为压电元件内表面（也可称为内层）封装材料，起到保护内电极的作用。

此外，本发明封装材料还同时起到匹配层和背衬层的作用，在压电元件外表面的封装层同时作为匹配层，在压电元件内表面的封装层和压电元件中间的空气层作为背衬层。由于封装材料本身性能、厚度及收缩时压应力对换能器的频率、机电耦合系数、带宽和灵敏度等性能都有很大影响， 因此在材料的选择、配方和工艺的优化、结构的设计等方面更需要系统研究与严格筛选，只有这样才能得到性能优异的产品。