基于埋入式超声压电传感器的水泥基材料性能监测研究

发布时间：2020-05-07 10:00

【摘要】：混凝土结构是当前主要建筑结构形式之一,但在其使用周期内,受环境侵蚀、材料老化及荷载的长期效应等因素影响,会导致结构的损伤积累和抗力衰减,耐久性和安全性降低,容易引发灾难性事故。因此,对混凝土结构进行健康监测和破坏预警具有极端重要性。超声检测作为一种动态无损检测技术,能够保证结构完整性的同时对混凝土质量进行在线检测。以往的超声监测多是基于纵波,但纵波在固体、液体、气体中都能传播,当受损结构中有液体存在时监测结果的准确性大幅降低。横波靠介质的剪切弹性传播,流体不能传播横波,故能够克服纵波受液体影响这一缺点,对结构进行准确监测。且横波波速低,衰减小,用它来进行超声监测可以缩小监测盲区,增加监测距离。因此,开展横波监测技术的研究有重要的工程应用价值。基于此,本文制备了能够感知纵横波的2-2型压电复合材料传感器和感知纵波的PZT-5压电陶瓷片传感器,结合商用的横波传感器,测试制备的传感器的性能,并将传感器应用于水泥基材料的性能监测,具体研究内容如下:(1)压电传感器的制备。以PZT压电陶瓷为功能体,普通硅酸盐水泥为基体,制备2-2型压电复合材料传感器和PZT-5压电陶瓷片传感器,并对两种传感器性能进行测试。结果表明:两种传感器的谐振频率均在100 kHz~150 kHz之间,符合监测要求的频率;激励频率设为100 kHz时接收波幅值最高,是最佳监测频率;传感器经屏蔽处理后产生的波波形清晰,首波明显,适用于信号监测。(2)测试两种传感器的收发特性及产生波的类型。超声标准测试中,纵波通过标定棒的时间是21μs。试验中,PZT-5压电陶瓷片传感器用凡士林直接耦合于超声标定棒两端,2-2型压电复合材料传感器加压后经多层铜箔屏蔽后耦合于超声标定棒两端,测试波传播时间,根据纵横波速比判断波的类型。结果表明:PZT-5压电陶瓷片传感器可以产生纵波,2-2型压电复合材料传感器可以产生横波,且收发性能良好,可用于超声监测。(3)对水泥基材料的性能监测。试验分为两部分,首先,将2-2型压电复合材料传感器、PZT-5压电陶瓷片传感器和商用横波传感器埋于水泥浆内部,监测水化过程。结果表明:三种传感器都可较好的监测水泥水化过程,2-2型压电复合材料传感器能同时接收到纵横波,且纵横波分离明显。其次,将2-2型压电复合材料传感器、PZT-5压电陶瓷片传感器埋入混凝土试块内部,对混凝土试块泡水饱和前后、混凝土裂缝充水前后进行测试,结果表明:纵波传播受水的影响较大,损伤监测结果不准确,而横波基本不受影响,监测结果准确性高。综上,2-2型压电复合材料传感器可用于水泥基材料的性能监测,且有液体存在时横波对混凝土损伤的监测更具优势。
【图文】：

超声技术,超声传感器,超声波检测,无损检测

图 1.1 超声波检测工程实例在基于超声技术的无损检测过程中，超声传感器是使用的最核心部件。目前市面上用的超声传感器一般有金属材料或塑料外壳封装，当使用这种有外壳包裹的传感器贴在结构表面进行检测时，检测结果容易受环境温度、粘贴层厚度、人为因素等影响；把传感器埋入混凝土结构内部检测，则容易出现成本高、与混凝土结构相容性差等问，影响结果的准确性受及长期使用的耐久性。同时，现在常用的传感器多为基于厚度动模态的压电式传感器。这种类型的传感器适于接收纵波，而抑制横波的接收。但当凝土损伤部位有水或夹杂泥浆等物质时，纵波能够通过裂缝中的内含物直接传播，监结构的准确性大幅降低。由于横波不能在液体中传播，，此时横波监测的准确性和可靠远高于纵波。相比纵波，横波波速低，衰减小，用横波进行超声监测，可以缩小监测区，增加监测距离[17]。基于横波监测技术的超声无损检测将是未来混凝土结构检测的个重要发展方向，具有重要的科研价值和实用价值。基于此，本论文制备一种能够感知纵横波的可埋入式压电传感器，并将其应用于水

压电复合材料

基于埋入式超声压电传感器的水泥基材料性能监测研究连接模式。压电陶瓷与外加电场方向垂直时为串联模式，与外加电场方向平行时为并模式[26-27]。2-2 型压电复合材料具有一般压电材料不具有的许多优点，例如具有良好柔顺性和力学性能，可塑性好，机械加工性能得到提高，可根据需要加工成各种形状聚合物的加入使 2-2 型压电复合材料的密度和声阻抗降低，易于与低声阻抗的结构物行匹配；压电、介电、机电耦合性能得提高[28]，制备的传感器的灵敏度更高，应用更泛。以下学者的研究对我们了解 2-2 型压电复合材料的发展与应用具有重要借鉴意义
【学位授予单位】：济南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU528

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