專利名稱：一種用于土木工程結構健康監測的壓電智能骨料的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種土木工程結構健康監測元件，特別是涉及一種 用于對混凝土結構進行健康監測的壓電智能骨料。
技術背景混凝土結構一般使用年限長，并且一旦建造很難替換。但任何混 凝土結構的性能都會隨時間劣化，這主要由于材料本身老化、過度使 用、超載、環境侵蝕、缺乏維護和檢測手段難以滿足要求等因素造成 的。混凝土結構健康檢測系統能夠及時地診斷缺陷(裂紋、銹蝕等) 的位置和程度，使結構得到及時的修復和加固，以確保結構的完整性 和可靠性。目前，有很多的結構損傷檢測方法用到各種混凝土結構和它們的構件中，如經典的靜態應變(或位移)測試和振動識別方法； 非破壞性檢測方法，如聲發射技術、超聲法、紅外熱像法、脈沖雷達 法和X射線等。但多數方法都是定性的，而且在進行結構損傷檢測 的時候要使用沉重的設備，有時候還需要中斷正常的生產活動。這些 方法也最終難以實現結構健康狀態的實時監測。然而，智能材料的出現(如壓電材料、光纖傳感器、磁致伸縮材 料和水泥基智能復合材料等)為混凝土結構長期的、實時的健康監測 提供了新的方法。以壓電陶瓷(學名鋯鈦酸鉛，簡稱PZT)為代表的壓電智能材料 具有一項實用性很強的特殊功能，即壓電效應，包括正壓電效應和逆壓電效應。當對壓電原件施加機械變形時，就會引起內部正負電荷中 心發生相對移動而產生點的極化，從而導致元件兩個表面上出現符號 相反的束縛電荷，且電荷密度與外力成正比例，這種現象稱為正壓電 效應。正壓電效應反映了壓電材料具有將機械能轉變為電能的能力。利用壓電材料的正壓電效應，可將其制成傳感器(信號接收器)；反 之，在壓電元件上下表面上施加電壓，由于電場的作用，造成壓電元 件內部正負電荷中心產生相對位移，導致壓電元件的變形，即逆壓電 效應。逆壓電效應反映了壓電材料具有將電能轉化為機械能的能力。 利用壓電材料的逆壓電效應，可將其制成做動器(信號發生器)。利 用PZT的壓電效應制成傳感器和作動器并與結構相互作用，可以實 現對結構的健康監測。由于外界環境如溫度、濕度等對壓電材料的影響較大，將PZT 埋入到結構當中去可以排除外界對其的影響，大大延長其使用壽命。 但是PZT材料質地較脆，如果直接將其埋入結構中，主體結構的施 工過程極易造成其損壞。 發明內容本發明的目的在于提供一種用于對混凝土結構進行健康監測的 壓電智能骨料。該壓電智能骨料包括PZT片、硅膠防水層、屏蔽導 線、屏蔽接頭、細石混凝土或砂漿外包層。本發明為混凝土結構健康 監測的主要元件，具有靈敏度高、體積小、重量輕、強度大、不影響 結構整體受力性能的特點。本發明的目的是通過以下技術方案實現的一種用于土木工程結構健康監測的壓電智能骨料，該智能骨料包括PZT片、硅膠防水層、屏蔽導線、屏蔽接頭、細石混凝土或砂漿 外包層；智能骨料的外部為細石混凝土或砂漿外包層，PZT片位于智 能骨料的內部，其上涂有硅膠防水層，PZT片與屏蔽導線的一端相連 接，屏蔽導線的另一端與屏蔽接頭相連接，屏蔽接頭與信號發射及采 集系統相連接。如上所述的一種用于土木工程結構健康監測的壓電智能骨料，該 壓電智能骨料為圓柱形，其體積為8 15cm3。如上所述的一種用于土木工程結構健康監測的壓電智能骨料，該 壓電智能骨料的制作方法為先將PZT片與屏蔽導線的一端焊接在一 起，再將焊接屏蔽導線后的PZT片表面均勻涂抹一層硅膠作為防水 層；待硅膠風干后，將PZT片放入在填裝有部分細石混凝土或砂漿的 鋼模中，然后在其上面繼續添加細石混凝土或砂漿，待細石混凝土或 者砂槳振搗密實后，將其放入養護室內養護28天，待骨料達到一定強 度后脫模即為壓電智能骨料。本發明的優點與效果是1. 本發明的砂漿塊或細石混凝土塊可以起到保護PZT片的作用， 避免其PZT片在結構施工過程中受到破壞；同時，可有效減小外界環 境如溫度、濕度的改變對其檢測造成影響。2. 本發明的體積小、重量輕，且具有一定的強度，將其埋入混 凝土結構當中不會影響結構的整體受力性能，還可以起到與普通骨料 相同的作用。3. 本發明采用屏蔽導線與PZT片連接，有助于PZT片抵抗噪聲 的干擾。4. 本發明可以作為傳感器和作動器使用，在結構健康監測中不 必再使用其它結構驅動裝置，且能耗小，可節約資金。


圖l為正壓電效應原理示意圖；圖2為逆壓電效應原理示意圖；圖3為本發明壓電智能骨料的縱向剖面示意圖；圖4為本發明對混凝土結構進行健康監測的原理示意圖；圖5為本發明對混凝土結構進行健康監測的檢測信號圖。
具體實施方式
下面參照附圖對本發明進行詳細說明。如圖所示，圖l表示正壓電效應過程，當對壓電原件施加機械變 形時，就會引起內部正負電荷中心發生相對移動而產生點的極化，從 而導致元件兩個表面上出現符號相反的束縛電荷，且電荷密度與外力 成正比例，這種現象稱為正壓電效應。正壓電效應反映了壓電材料具 有將機械能轉變為電能的能力。利用壓電材料的正壓電效應，可將其 制成傳感器(信號接收器)；圖2表示逆壓電效應過程，在壓電元件 上下表面上施加電壓，由于電場的作用，造成壓電元件內部正負電荷 中心產生相對位移，導致壓電元件的變形，即逆壓電效應。逆壓電效 應反映了壓電材料具有將電能轉化為機械能的能力。利用壓電材料的 逆壓電效應，可將其制成作動器(信號發生器)。壓電材料的正、逆壓電效應均可以用壓電方程來描述。通常情況下，根據埋置有PZT片的結構或構件振動時的邊界條件，選用e型 壓電方程。在不考慮溫度應力和熱位移的情況下，e型壓電方程可以 用方程組(1)表示式中，T、 D、 S及E分別為應力、電位移、應變及電場強度向量， c￡為短路狀態下彈性剛度矩陣，e為機械夾持時的介電常數矩陣，e 和et分別為壓電應力常數矩陣及其轉置矩陣。圖3為本發明結構組成的縱向剖面示意圖。該壓電智能骨料包括 PZT片1、硅膠防水層2、屏蔽導線3、屏蔽接頭4、細石混凝土或砂 漿外包層5;本發明的壓電智能骨料呈圓柱形，骨料外部為細石混凝 土或砂漿外包層5， PZT片1位于骨料內部，其上涂有硅膠防水層2， PZT片與屏蔽導線3的一端相連接，屏蔽導線3的另一端與屏蔽接頭 4相連接，屏蔽接頭4與信號發射及采集系統相連接。采用屏蔽導線 及屏蔽接頭可以抵抗噪聲的干擾。本發明的制作過程共分七步。第一步將PZT片1與屏蔽導線3 的一端焊接，屏蔽導線的另一端與屏蔽接頭4焊接。然后在PZT片 表面涂抹硅膠作為防水層，并將硅膠防水層2在自然狀態下風干24 小時；第二步準備好制作本發明的工具，包括骨料成型鋼模，木底 座等；第三步在鋼模底部包裹一層塑料薄膜，然后將其固定于木支 座內；第四步攪拌細石混凝土或砂漿，當被監測體結構的混凝土強 度等級較低時，可采用砂漿作為主料。反之，當主體結構的混凝土強度較高時，可采用細石混凝土作為主料；第五步為方便脫模，在成 型鋼模內均勻涂抹一層機油作為脫模劑；第六步向鋼模內添加少量 細石混凝土或者砂漿，振搗密實后將PZT片平放入其內。再繼續向 鋼模內添加細石混凝土或者砂漿，用小鐵棒沿鋼模四周輕輕敲打，待 細石混凝土或者砂漿振搗密實后即可；第七步將骨料放入養護室內 養護28天，骨料達到一定強度后脫模即可使用。如圖4、 5所示，在混凝土結構內部埋置本發明的壓電智能骨料， 其中一端作為信號發射器，另一端作為信號接收器。結構在荷載作用 下，損傷程度不斷的增加。在發射信號幅值不變的情況下，由于損傷 程度加重，本發明的壓電智能骨料接收信號的幅值不斷減小，從而實 現對混凝土結構健康狀況的有效監測。
權利要求
1.一種用于土木工程結構健康監測的壓電智能骨料，其特征在于，該智能骨料包括PZT片(1)、硅膠防水層(2)、屏蔽導線(3)、屏蔽接頭(4)、細石混凝土或砂漿外包層(5)；智能骨料的外部為細石混凝土或砂漿外包層(5)，PZT片(1)位于智能骨料的內部，其上涂有硅膠防水層(2)，PZT片(1)與屏蔽導線(3)的一端相連接，屏蔽導線(3)的另一端與屏蔽接頭(4)相連接，屏蔽接頭(4)與信號發射及采集系統相連接。
2. 根據權利要求1所述的一種用于土木工程結構健康監測的壓 電智能骨料，其特征在于，該壓電智能骨料為圓柱形，其體積為8 15cm3。
3. 根據權利要求1所述的一種用于土木工程結構健康監測的壓電智能骨料，其特征在于，該壓電智能骨料的制作方法為先將PZT片與屏蔽導線的一端焊接在一起，再將焊接屏蔽導線后的PZT片表 面均勻涂抹一層硅膠作為防水層；待硅膠風干后，將PZT片放入在 填裝有部分細石混凝土或砂漿的鋼模中，然后在其上面繼續添加細石 混凝土或砂漿，待細石混凝土或者砂漿振搗密實后，將其放入養護室 內養護28天，待骨料達到一定強度后脫模即為壓電智能骨料。
全文摘要
一種用于土木工程結構健康監測的壓電智能骨料，涉及一種結構健康監測元件，該智能骨料包括PZT片、硅膠防水層、屏蔽導線、屏蔽接頭、細石混凝土或砂漿外包層；智能骨料的外部為細石混凝土或砂漿外包層，PZT片位于智能骨料的內部，其上涂有硅膠防水層，PZT片與屏蔽導線的一端相連接，屏蔽導線的另一端與屏蔽接頭相連接，屏蔽接頭與信號發射及采集系統相連接。本發明為混凝土結構健康監測的主要元件，具有靈敏度高、體積小、重量輕、強度大、不影響結構整體受力性能的特點。
文檔編號G01N27/00GK101216443SQ200810010010
公開日2008年7月9日 申請日期2008年1月2日 優先權日2008年1月2日
發明者威 孫, 石 閻 申請人:沈陽建筑大學