[发明专利]一种用于混凝土结构健康监测/检测的植入式压电加速度传感器及其制备方法和应用

权利要求书

1.一种用于混凝土结构监测/检测的植入式压电加速度传感器，其特征是：包括压电元件、钨块、基座、电荷适调器、封装层外壳和屏蔽层；所述的封装层外壳包括封装层A和封装层B两部分；所述的屏蔽层采用化学镀法镀于封装层A的内表面；

所述的基座上覆盖封装层A，基座与封装层A形成内部中空结构，压电元件和钨块位于形成的中空结构中；基座上表面有化学镀镍法制备的镍电极；基座正中固定有一体浇注的螺杆；

所述的压电元件和钨块均为圆环形，依次套设于螺杆上，并用螺母固定，压电元件和钨块轴向方向一致；

所述的压电元件的上下表面设有电极，上表面为正极，下表面为负极，钨块和压电元件之间设有导电片，导电片上连接有正极导线，基座上表面的镍电极上连接有负极导线，正、负极导线与电荷适调器正负极相连接；

所述的电荷适调器外表面覆有封装层B，并与基座及基座上覆盖的封装层A浇注为一体；所述的负极导线上引出一条屏蔽线接于封装层A内表面的屏蔽层上；所述的电荷适调器连接有BNC外接接头。

2.根据权利要求1所述的植入式压电加速度传感器，其特征是：所述的压电元件材料尺寸为：厚度2～4mm、外径14～16mm、内径5.0～5.4mm；压电元件材料为压电陶瓷或1-3-2型水泥/聚合物基压电复合材料。

3.根据权利要求2所述的植入式压电加速度传感器，其特征是：所述的1-3-2型水泥/聚合物基压电复合材料，以质量比为4:4:1的聚合物、水泥和固化剂的混合物为基体，以压电陶瓷为功能体；所述的压电陶瓷为锆钛酸铅压电陶瓷或铌镁锆钛酸铅压电陶瓷，所述聚合物为环氧树脂或酚醛树脂，所述的水泥为普通硅酸盐水泥或硫铝酸盐水泥；其制备过程为：将圆环型压电陶瓷沿与压电陶瓷极化轴相平行的方向分别进行横向与纵向切割，依次切割出一系列均匀排列的网格状压电陶瓷柱，切割缝隙0.5mm，底座厚度1mm；然后将灌浆树脂、水泥和固化剂的混合物充分搅拌均匀后浇注于切割出的压电陶瓷柱的切割缝隙中，并进行抽真空处理；浇注结束后，置于恒温养护箱中待其完全固化后，按尺寸切割；超声清洗，干燥后对上表面进行被银处理，即可。

4.根据权利要求1所述的植入式压电加速度传感器，其特征是：所述的钨块尺寸为：厚度4～6mm，外径14～16mm，内径5.0～5.4mm。

5.根据权利要求1所述的植入式压电加速度传感器，其特征是：所述的基座，厚度为4～6mm，原料成分为水泥、环氧树脂、固化剂和氧化铝粉，各成分质量比为4：2：0.5：1.0～2。

6.根据权利要求1所述的植入式压电加速度传感器，其特征是：所述的螺杆为M5螺杆，直径为4.83～4.98mm，所述的螺母选用与螺杆相配套的轻质六角螺母。

7.根据权利要求1所述的植入式压电加速度传感器，其特征是：所述的封装层外壳厚度为2～2.5mm，封装层A原料成分为水泥、环氧树脂、固化剂、钨粉、铁粉和水，各成分的质量比为4:4:1:4:4:0.2～0.25，封装层B原料为水泥、环氧树脂和固化剂，各成分的质量比为4:4:1；所述的水泥为硫铝酸盐水泥、硫铝酸钡钙水泥或铁铝酸盐水泥；所述的钨粉和铁粉，粒径均为200目。

8.根据权利要求7所述的植入式压电加速度传感器，其特征是：所述的封装层外壳厚度为2mm。

9.根据权利要求1所述的植入式压电加速度传感器，其特征是：所述的屏蔽层材料为铜系、银系或镍系屏蔽材料。

10.根据权利要求9所述的植入式压电加速度传感器，其特征是：所述的屏蔽层材料为镍系屏蔽材料，通过化学镀镍法镀于封装层A的内表面上。

11.一种权利要求1所述植入式压电加速度传感器的制备方法，其特征是，包括以下步骤：

（1）浇注法制基座和压制成型法制封装层A，备用；浇注基座：原料成分为水泥、环氧树脂、固化剂和氧化铝粉，各成分质量比为4:2:0.5:1.0～2，浇注之前涂抹硅油，原料各成分按比例混合后，浇注于模具内，模具内中心位置固定螺杆，固化脱模，得带有螺杆的基座；压制封装层A：原料成分为水泥、环氧树脂、固化剂、钨粉、铁粉和水，封装层A原料各成分的质量比为4:4:1:4:4:0.2～0.25，首先将原料水泥、钨粉、铁粉和水按比例充分混合均匀，再加入环氧树脂和固化剂后放入模具中，压制成型，得封装层A，然后在封装层 A内表面化学镀屏蔽材料；

（2）基座上表面采用化学镀镍法制备镍电极，在镍电极上连接负极导线，并从负极导线引出一条屏蔽线；依次将压电元件、导电片和钨块套设于基座螺杆上，并用与螺杆配套的螺母固定，然后用步骤（1）的基座原料浇注在压电元件周围及负极导线上，将负极导线固定于基座上表面，再将正极导线焊接在钨块与压电元件之间的导电片上；

（3）将步骤（1）压制成型的封装层A覆盖于步骤（2）组装后的基座上，再将从负极导线引出的屏蔽线接于封装层A内表面的屏蔽层上；正、负极导线穿过封装层A后，分别与电荷适调器相连接，然后将电荷适调器焊接连接BNC外接接头，再用质量比为4:4:1的水泥、环氧树脂和固化剂，在电荷适调器外表面浇注形成封装层B，并将包裹封装层B的电荷适调器与基座及基座上覆盖的封装层A浇注为一体，形成完整的封装层外壳，即为植入式压电式加速度传感器。