專利名稱：用于混凝土結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場水化監(jiān)視和損傷檢測的系統(tǒng)和方法及其使用的傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于混凝土結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場水化監(jiān)視和損傷檢測的系統(tǒng)和方法及其使用的傳感器，更具體地，本發(fā)明涉及一種利用超聲波技術(shù)進行混凝土結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場水化監(jiān)視和損傷檢測的系統(tǒng)和方法，以及用于該系統(tǒng)和方法的傳感器。
背景技術(shù)：
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在有水的情況下，水泥顆粒中的各種化合物將會水化形成新的化合物，這些化合物逐步形成混凝土結(jié)構(gòu)中硬化的水泥漿的基層結(jié)構(gòu)。水泥中的C3S和C2S形成最重要的強度貢獻物，水化硅酸鈣，其非晶質(zhì)的特性是眾所周知的。它們的反應(yīng)還產(chǎn)生帶有與眾不同的六邊形片狀形態(tài)的氫氧化鈣。c3A、硫酸鹽和水形成名為硫化鋁酸鈣的六邊形晶體。通常，它們被觀察到呈長的細長針狀。除了水化化合物之外，微孔是水化混凝土結(jié)構(gòu)的另一個主·要部分。根據(jù)它們的尺寸，微孔可被分類為凝膠微孔、毛細管微孔和圈閉微孔。水化化合物和微孔結(jié)構(gòu)組成水化混凝土結(jié)構(gòu)的基本微觀結(jié)構(gòu)。由于混凝土結(jié)構(gòu)的微觀結(jié)構(gòu)確定其機械特性，所以目前做出了大量努力來研究和評估混凝土結(jié)構(gòu)水化期間的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)展的過程和機理。已經(jīng)有多種方法來探查早期混凝土結(jié)構(gòu)的微觀結(jié)構(gòu)變化。由于在混凝土結(jié)構(gòu)水化期間的化學(xué)反應(yīng)會引起混凝土結(jié)構(gòu)溫度的上升，因而，混凝土結(jié)構(gòu)的溫度表明了水化的程度。當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)的溫度下降時，就認為其水化程度接近穩(wěn)定程度。因此，可以采用溫度監(jiān)視方法來探測混凝土結(jié)構(gòu)的微觀結(jié)構(gòu)變化。此外，非接觸式電阻率方法由Li等人引入以評估早期混凝土結(jié)構(gòu)的水化過程(參見Z. Li,X. ffei,ff. Li,“Preliminary Interpretation ofPortland Cement Hydration Process using Resistivity Measurements”,ACIMaterialsJournal，100 (3) ,253-257 (2003))。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)非接觸式電阻率測量適合于處于非常早的時期的混凝土結(jié)構(gòu)的詳細監(jiān)視，因為它對液體與孔隙溶液中的離子濃度和遷移率十分敏感，并且各種截然不同的水化階段能被識別出來(參見L. Xiao, Z. Li, “Early-age Hydrationof Fresh Concrete Monitored by Non-contact Electrical Resistivity Measurement，，，Cement and Concrete Research, Volume 38，Issue 3，March 2008，Pages 312-319)。此夕卜，Sayers和Dahlin討論了連續(xù)測量超聲壓縮波的速度和幅度以反映水泥衆(zhòng)微觀結(jié)構(gòu)發(fā)展的演變的可能性(參見C. Sayers, A. Dahlin, “Propagation of UltrasoundThrough Hydrating Cement Pastes at Early Times”， Advanced Cement BasedMaterials, 1993 ；1 :12-21)。基于它們的結(jié)果，水泥漿的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)展被看待為在沒有體積消失和剪切模量的情況下從不規(guī)則形狀水泥顆粒的粘性懸浮液到多孔彈性固體的過程。受該思想的啟發(fā)，Grosse等人制造和改進了一系列的超聲波測試裝置，旨在表現(xiàn)水泥基材料的水化過程的特性(參見 C. Grosse, “About the Improvement of US MeasurementTechniques for the Quality Control of Fresh Concrete，，，Otto-Graf-Journal,Vol. 13,2002)。Ye等人借助于HYM0STRUC模型仿真和超聲波脈沖速度測量研究了水泥基材料的微觀結(jié)構(gòu)的發(fā)展(參見 G.Ye, P. Lura, K. Breugel, A. Fraai j, “Study on theDevelopment of the Microstructure in Cement-based Materials by means ofNumerical Simulation and Ultrasonic Pulse Velocity Measurement，，，Cement andConcrete Composites, 26 (2004) 491-497),他們清楚地識別并生動地說明了微觀結(jié)構(gòu)發(fā)展和滲透概念。此外,相比傳統(tǒng)的非接觸式復(fù)電阻率監(jiān)視方法和溫度監(jiān)視方法,超聲波水化監(jiān)視方法能更令人滿意地探查早期混凝土的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)展和水化程度。但是，對于混凝土材料和結(jié)構(gòu)的水化過程和損傷檢測的現(xiàn)場監(jiān)視，傳統(tǒng)上，依賴對混凝土結(jié)構(gòu)溫度演變的檢測或目測。然而，這些方法可能導(dǎo)致誤解或容易受環(huán)境影響。在目前已有的三種方法(超聲波監(jiān)視方法、非接觸式復(fù)電阻率監(jiān)視方法和溫度監(jiān)視方法)中，超聲波監(jiān)視技術(shù)能最有效地現(xiàn)場探查水泥漿或混凝土結(jié)構(gòu)的水化過程。但該超聲波技術(shù)僅僅可用于小尺寸的水泥或混凝土樣本，對大型混凝土材料和結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場水化監(jiān)視從未被操作或研究出來。其原因是，在傳統(tǒng)的超聲波監(jiān)視技術(shù)中安裝在外面的傳感器和系統(tǒng)設(shè)計不能保證長的超聲波檢測范圍，因而，傳感器的距離有限，這妨礙了它用于監(jiān)視現(xiàn)場的大尺寸 混凝土材料和結(jié)構(gòu)的水化過程。傳統(tǒng)的超聲波技術(shù)通常用于容納在金屬外殼中且安裝在待評估物體外面的壓電傳感器。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計會在超聲波傳輸期間引起大量能量損失并且由于傳感器和待評估主體之間的耦合而導(dǎo)致靈敏度低。此外，由于安裝在外面的傳感器可能容易受環(huán)境變化的影響，所以僅僅能昂貴地獲得超聲波的速度，難以得到其他信息。并且安裝在外面的傳感器不適合對混凝土材料和結(jié)構(gòu)進行長期的水化和損傷監(jiān)視。此外，到目前為止，對混凝土結(jié)構(gòu)的水化監(jiān)視和損傷檢測的功能仍未被整合到單個系統(tǒng)中，這是因為基于超聲波的水化監(jiān)視系統(tǒng)和損傷檢測系統(tǒng)的工作機理具有很大差別。因此，需要一種不受環(huán)境影響、且可長期用于大尺寸混凝土結(jié)構(gòu)材料和結(jié)構(gòu)的、基于超聲波技術(shù)的現(xiàn)場水化監(jiān)視和損傷檢測的系統(tǒng)和方法，以及能整合到該系統(tǒng)中的傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種用于混凝土結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場水化監(jiān)視和損傷檢測的系統(tǒng)和方法。更進一步地，該系統(tǒng)和方法基于超聲波技術(shù)、不受環(huán)境的影響、可長期用于現(xiàn)場監(jiān)視大尺寸混凝土材料和結(jié)構(gòu)的水化過程和損傷檢測，并且該系統(tǒng)包括整合到其中的傳感器。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種用于混凝土結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場水化監(jiān)視和損傷檢測的系統(tǒng)，其包括信號發(fā)生模塊、發(fā)射傳感器和接收傳感器，其中信號發(fā)生模塊用于產(chǎn)生信號，該信號作為激勵信號發(fā)送給發(fā)射傳感器并作為觸發(fā)信號反饋給處理器，發(fā)射傳感器接收到激勵信號后向接收傳感器發(fā)射超聲波，接收傳感器接收超聲波后產(chǎn)生檢測信號，并反饋給處理器，其特征在于所述發(fā)射傳感器和接收傳感器是嵌入混凝土結(jié)構(gòu)的傳感器。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)中的所述傳感器是水泥基壓電復(fù)合材料的傳感器。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)中的所述信號發(fā)生模塊包括信號發(fā)生器和功率放大器，所述信號發(fā)生器產(chǎn)生并發(fā)送脈沖信號，該功率放大器用于將接收的脈沖信號放大并作為激勵信號發(fā)送給發(fā)射傳感器。
作為本發(fā)明的一種優(yōu)選結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)中的所述激勵信號是三角形電信號。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)還包括前置放大器，該前置放大器用于將接收傳感器發(fā)出的檢測信號在反饋給處理器之前先進行調(diào)制。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)中的所述處理器和所述信號發(fā)生器位于計算機中。同時，本發(fā)明提供了一種用于混凝土結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場水化監(jiān)視和損傷檢測的方法，其包括信號發(fā)生模塊產(chǎn)生信號，該信號作為激勵信號發(fā)送給發(fā)射傳感器并作為觸發(fā)信號反饋給處理器；發(fā)射傳感器接收到激勵信號后向接收傳感器發(fā)射超聲波；接收傳感器將接收到的超聲波轉(zhuǎn)變?yōu)闄z測信號并反饋給處理器；處理器通過比較和分析發(fā)送給發(fā)射傳感器的激勵信號和接收傳感器反饋的信號獲得水化監(jiān)視和損傷檢測相關(guān)的信息；將所述信息與監(jiān)視目標的暫時狀態(tài)相互關(guān)聯(lián)；其特征在于所述發(fā)射傳感器和接收傳感器嵌入所述監(jiān)視目標的混凝土結(jié)構(gòu)中。 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方式，該方法中的所述傳感器是水泥基壓電復(fù)合材料的傳感器。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方式，該方法中的所述信息包括超聲波速度、衰減系數(shù)指標和功率譜的信息。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方式，該方法中的所述的功率譜的信息是時域信號波形的傅里葉變換的估計結(jié)果。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方式，該方法中的所述信號發(fā)生模塊包括信號發(fā)生器和功率放大器，所述信號發(fā)生器產(chǎn)生并發(fā)送脈沖信號，該功率放大器將接收的脈沖信號放大并作為激勵信號發(fā)送給發(fā)射傳感器。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方式，該方法中的所述激勵信號是三角形脈沖電信號。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方式，該方法中的接收傳感器將接收到的超聲波轉(zhuǎn)變?yōu)闄z測信號后，前置放大器將檢測信號進行調(diào)制并反饋給處理器。此外，本發(fā)明還提供了一種用于上述系統(tǒng)和方法的傳感器，其包括功能核和包覆在功能核外部的絕緣層，其中功能核是水泥基壓電復(fù)合材料。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選結(jié)構(gòu)，該傳感器中的所述絕緣層是水泥和環(huán)氧樹脂的混合物。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選結(jié)構(gòu)，該傳感器中的所述功能核是圓柱形。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選結(jié)構(gòu)，該傳感器中的所述水泥基壓電復(fù)合材料是壓電陶瓷顆粒和硅酸鹽水泥的混合物。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選結(jié)構(gòu)，該傳感器中的所述功能核是立方體形。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選結(jié)構(gòu)，該傳感器中的所述水泥基壓電復(fù)合材料是PMN陶瓷塊、環(huán)氧樹脂和硅酸鹽水泥的混合物。除此以外，本發(fā)明還提供了一種用于上述系統(tǒng)和方法的傳感器的制造方法，其包括制備水泥基壓電復(fù)合材料片；將復(fù)合材料片的正負電極接線以形成傳感元件；將傳感元件封裝并進行電磁屏蔽處理以形成傳感器。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方式，該方法中的制備水泥基壓電復(fù)合材料片的步驟包括1)制備壓電陶瓷顆粒及水泥粉末步驟；2)將步驟I)中得到混合物充模與擠壓處理步驟；3)養(yǎng)護與極化步驟。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方式，該方法中的制備壓電陶瓷顆粒及水泥粉末步驟包括將壓電陶瓷顆粒和水泥粉末按照質(zhì)量比4I混合。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方式，該方法中的進行充模與擠壓處理步驟后得到圓片狀
0-3型水泥基壓電復(fù)合材料片。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方式，該方法中的制備水泥基壓復(fù)合材料片的步驟包括PMN立方塊加工與極化步驟、PMN切割-填充處理步驟和將加工后的復(fù)合材料按特定尺寸切片步驟。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方式，該方法中的所述水泥基壓電復(fù)合材料片的原料是 PMN陶瓷塊、環(huán)氧樹脂和硅酸鹽水泥。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方式，該方法中的進行PMN切割-填充處理步驟中得到方形截面的PMN棒。上述用于混凝土結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場水化監(jiān)視和損傷檢測的系統(tǒng)和方法，由于已經(jīng)將混凝土結(jié)構(gòu)的水化監(jiān)視和損傷檢測的功能整合到了單個系統(tǒng)中，因而本發(fā)明的系統(tǒng)和方法不僅能用于處于生階段中的混凝土結(jié)構(gòu)的水化監(jiān)視，而且能用于處于熟階段中的混凝土結(jié)構(gòu)的損傷檢測，并且整個監(jiān)視過程不受環(huán)境影響。由于采用了嵌入式超聲波技術(shù)，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法可以在超聲波速度、衰減、頻域內(nèi)容演變方面獲得來自混凝土的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)展的大量信息。通過算出這些獲得的參數(shù)的特性，能清楚識別一系列截然不同的水化階段并且能表現(xiàn)它們的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)展對應(yīng)狀況的特點。而且，該系統(tǒng)和方法可長期用于大尺寸混凝土材料和結(jié)構(gòu)，能實現(xiàn)私人建筑物和基層結(jié)構(gòu)的壽命監(jiān)視和安全性跟蹤，并且能同時在實驗室中進行試驗研究。此外，由于該系統(tǒng)和方法中采用了水泥基壓電傳感器，水泥基壓電傳感器能夠滿足傳感器和混凝土結(jié)構(gòu)之間在聲阻抗方面的相容性匹配的需求。而且，水泥基壓電復(fù)合材料的g33值比傳統(tǒng)的壓電陶瓷材料的g33值高。因此，當(dāng)水泥基壓電傳感器被用作感測器時，具有更好的靈敏度。在被嵌入混凝土結(jié)構(gòu)中之后，由于極好的聲阻抗匹配和高的g33值，所以水泥基壓電復(fù)合材料傳感器比放在混凝土結(jié)構(gòu)外面的傳統(tǒng)壓電傳感器執(zhí)行得好得多，能進行長期的水化監(jiān)視和損傷檢測，并且能在具有高靈敏度和高信噪比的情況下檢測覆蓋寬頻帶范圍的超聲波信號。并且嵌入的傳感器本身不會給結(jié)構(gòu)帶來額外的傷害。同時，由于采用水泥基壓電傳感器而具有寬頻響應(yīng)范圍，有益于功率譜分析。


附圖僅出于圖示的目的，然而，通過參考結(jié)合所附附圖進行的下面的詳細描述，可以更好地理解本發(fā)明本身，其中圖I表示用于混凝土結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場水化監(jiān)視和損傷檢測的系統(tǒng)的功能框圖；圖2示出了在混凝土結(jié)構(gòu)澆注之前的混凝土結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場監(jiān)視的圖片；圖3示出了在混凝土結(jié)構(gòu)澆注之后的混凝土結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場監(jiān)視的圖片；圖4表示現(xiàn)場試驗中在水化過程期間混凝土結(jié)構(gòu)的超聲波速度的演變趨勢；圖5示出了混凝土結(jié)構(gòu)的損傷檢測的波速度變化曲線圖；圖6表示實驗室監(jiān)視結(jié)果中的超聲波速度和衰減系數(shù)指標的演變趨勢；
圖7表示實驗室監(jiān)視結(jié)果中的超聲頻域譜的演變趨勢；圖8示出了非接觸式電阻率測試系統(tǒng)的示意圖；圖9a_9d示出了在水化過程的四個階段混凝土材料的水泥相中的模擬微觀結(jié)構(gòu)圖；圖IOa-IOc示出了混凝土材料樣本W(wǎng)C_0. 45在水化過程的四個階段獲得的參數(shù)的變化趨勢圖；圖Ila-Ilc示出了混凝土材料樣本W(wǎng)C_0. 55在水化過程的四個階段獲得的參數(shù)的變化趨勢圖；圖12表示樣本W(wǎng)C_0. 45在水化過程的四個階段中傳輸?shù)某暡ǖ念l域譜；圖13表示樣本W(wǎng)C_0. 55在水化過程的四個階段中傳輸?shù)某暡ǖ念l域譜；
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圖14示出了示例性傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；圖15表示0-3型水泥基壓電傳感器的制造方法流程；圖16示出了壓電陶瓷顆粒和水泥粉末顆粒的直徑-體積分布圖；圖17a示出了填充基壓混合物的示意圖；圖17b示出了模具分解后的部件示意圖；圖18示出了圓片狀復(fù)合材料片的示意圖；圖19示出了復(fù)合材料片正負極接線示意圖；圖20a和圖20b示出了傳感器一次封裝示意圖；圖21a和圖21b示出了傳感器二次封裝示意圖；圖22表示1-3型水泥基壓電復(fù)合材料傳感器的制造方法流程；圖23a和圖23b示出了復(fù)合材料配置的示意圖；圖24示出了復(fù)合材料切割示意圖；圖25示出了復(fù)合材料切片示意圖；圖26示出了復(fù)合材料片正負極接線示意圖；圖27a和27b示出了傳感器一次封裝示意圖；圖28a和28b示出了傳感器二次封裝示意圖。
具體實施例方式圖I示出了用于混凝土結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場水化監(jiān)視和損傷檢測的系統(tǒng)的功能框圖。該系統(tǒng)包括內(nèi)嵌傳感器的局部混凝土結(jié)構(gòu)I、發(fā)射傳感器2、接收傳感器3、位于計算機內(nèi)的信號發(fā)生器、功率放大濾波器和前置放大濾波器。在該系統(tǒng)中，分別以預(yù)定的距離內(nèi)嵌發(fā)射傳感器2和接收傳感器3在混凝土結(jié)構(gòu)I中。圖2示出了在混凝土結(jié)構(gòu)澆注之前的混凝土結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場監(jiān)視的圖片。圖3表示在混凝土結(jié)構(gòu)澆注之后的混凝土結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場監(jiān)視的圖片。繼續(xù)參考圖1，利用該系統(tǒng)進行用于混凝土結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場水化監(jiān)視和損傷檢測的步驟如下。在鑄造之后，發(fā)射傳感器2用于產(chǎn)生超聲波信號，而接收傳感器3在計算機的控制下接收發(fā)射出的超聲波信號。具體地，可以預(yù)先設(shè)定超聲波掃描每幾分鐘重復(fù)一次，計算機的信號發(fā)生器產(chǎn)生三角形的脈沖信號并且該脈沖信號被發(fā)送到系統(tǒng)中的功率放大濾波器，該脈沖信號被功率放大濾波器放大并作為激勵信號發(fā)送給發(fā)射傳感器、作為觸發(fā)信號反饋給計算機的處理器。然后發(fā)射傳感器2接收到激勵信號后產(chǎn)生進入監(jiān)視目標的對應(yīng)的超聲波。在接收傳感器3接收到發(fā)射傳感器2發(fā)射出的超聲波之后，超聲波被轉(zhuǎn)變成電的檢測信號，然后被前置放大濾波器調(diào)制，調(diào)制后的調(diào)制信號反饋到計算機的處理器。計算機的處理器根據(jù)記錄的發(fā)送給發(fā)射傳感器2的信號和接收傳感器3接收到的信號之間的時差和發(fā)射傳感器2與接收傳感器3之間已知的距離計算出波速度。由于波速度是材料的特性參數(shù)并且與材料的彈性模量成正比，所以波速度變化或發(fā)展反映了基于水泥的材料的模量發(fā)展和微觀結(jié)構(gòu)發(fā)展，其中模量發(fā)展是水化過程的結(jié)果。當(dāng)然，處理器也可以根據(jù)信號得到衰減系數(shù)指標和功率譜等信息，其中功率譜可以是時域信號波形的傅里葉變換的估計結(jié)果。圖4示出了現(xiàn)場試驗中在水化過程期間混凝土結(jié)構(gòu)的超聲波速度的演變趨勢。同時，該系統(tǒng)也可用于基于水泥的材料的實驗室研究。通過上述系統(tǒng)可以通過獲得的波速度來現(xiàn)場監(jiān)視混凝土結(jié)構(gòu)的水化過程。同樣，該系統(tǒng)也能用于熟混凝土結(jié)構(gòu)的損傷檢測，工作原理是相同的。因為如果存在某些缺陷，如在混凝土結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)微裂紋和斷層，則模量將會改變，所以測量到的波速度將會相應(yīng)地改變。如圖5所示，當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷時，波速度的曲線會出現(xiàn)圖5中箭頭4所指的很明 顯地變化，因而，波速度的改變能用來說明混凝土結(jié)構(gòu)的損傷過程。明顯地，嵌入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)用于現(xiàn)場水化監(jiān)視的傳感器同時能用于混凝土結(jié)構(gòu)在服務(wù)期間內(nèi)的損傷監(jiān)視。此外，利用相同的基本原理，該監(jiān)視機構(gòu)也能用來監(jiān)視其他材料的固化和損傷過程。本發(fā)明公開的用于混凝土結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場水化監(jiān)視和損傷檢測的系統(tǒng)不僅能通過測量波速度來對混凝土結(jié)構(gòu)進行水化監(jiān)視和損傷檢測，而且可以通過測量衰減系數(shù)指標和頻域譜來對混凝土結(jié)構(gòu)進行水化監(jiān)視和損傷檢測。圖6和圖7示出了實驗室試驗中實時繪制的基于混凝土材料的水化過程期間的超聲波速度、衰減系數(shù)指標和頻域譜的演變趨勢的曲線圖。其中圖6表示實驗室監(jiān)視結(jié)果中的超聲波速度和衰減系數(shù)指標的演變趨勢的曲線圖。圖7表示實驗室監(jiān)視結(jié)果中的超聲頻域譜的演變趨勢的曲線圖。對于衰減系數(shù)指標按照如下公式(I)獲得
t A ,
water
A ,
vy—_concrete +
concrete0water
s(I)其中，awate表示純凈水在20°C時的衰減系數(shù)，AwatCT是被探測的超聲波在純凈水中傳輸S距離后被評估的均方根值，Aconcrete是在監(jiān)測期間評估的臨時超聲波均方根值。由于混凝土基質(zhì)的水化是一個動態(tài)過程，混凝土基質(zhì)的聲阻抗會一直改變，持續(xù)到水化過程結(jié)束，因此，在水化期間傳感器和基質(zhì)接觸面處不同的聲阻抗變化是應(yīng)該被考慮的，從而表示混凝土的真實變化趨勢。因此，用于A’。。―的回歸程序是必需的。公式
(I)的另一個簡化形式是公式(2)，其表示了衰減的變化而不是衰減的絕對值。由公式(2)計算的值表示衰減系數(shù)指標。a ' cmcrete = -In A1 ⑶ncrete (2)在監(jiān)測過程中，傳感器和混凝土基質(zhì)的接觸面處出現(xiàn)裂紋時，衰減系數(shù)指標會出現(xiàn)顯著變化，通過觀察衰減系數(shù)指標的變化趨勢來實時監(jiān)測生階段的水化過程和熟階段的損傷檢測。在實際操作中，隔一定距離放置一個傳感器，特別是將傳感器放置在最容易發(fā)生破壞的地方。
而對于超聲波的頻域譜可通過如下的公式(3)和公式(4)中描述的一系列單個傳輸過程的卷積對監(jiān)視期間中超聲波的全部傳輸過程建模?？梢哉J為，假如發(fā)射傳感器和接收傳感器的狀態(tài)不變，則在混凝土材料水化期間在傳輸介質(zhì)內(nèi)發(fā)生的微觀結(jié)構(gòu)的變化將會相應(yīng)地主動調(diào)整傳輸?shù)某暡ǖ念l譜(參見P. Daponte, F. Maceri, R. Olivito,“Ultrasonic Signal-Processing Techniques for the Measurement of Damage Growthin Structural Materials，，IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,Vol. 44,No. 6,December 1995和F. Lamonaca,A. Carrozzini,“Nondestructive Monitoringof Civil Engineering Structures by Using Time Frequency Representation，，IEEEInternational Workshop on Intelligent Data Acquisition and Advanced ComputingSystems !Technology and Applications, 21_23September 2009, Rende, Italy),因此，頻
域譜的演變是微觀結(jié)構(gòu)中介質(zhì)變化的指標。V(t) = T(t)*[G(t)*M(t)](3)
其中V(t)是在時域內(nèi)檢測到的超聲波的函數(shù)，T(t)是監(jiān)視系統(tǒng)的響應(yīng)函數(shù)，G(t)是用于傳輸介質(zhì)的彈性動力學(xué)的格林函數(shù)，M(t)是超聲波源的時域函數(shù)，*表示卷積積分。V(s) =T(S) [G(S) M(s) ] (4)公式⑷為公式(3)的拉普拉斯變換以便闡明在S域中檢測到的超聲波和超聲波源之間的關(guān)系，已知S = j ，則可以根據(jù)公式4通過變量替換來確定頻域譜。此外，可在標準的4°C蒸餾水中執(zhí)行校準過程，因為超聲波速度和衰減系數(shù)在標準的4°C蒸餾水中是已知的。為了便于理解本發(fā)明，并進一步地闡述本發(fā)明的系統(tǒng)和方法的效果和作用，以兩種混凝土材料樣本W(wǎng)C_0. 45和WC_0. 55的水化過程的監(jiān)測為例，將超聲波方法與傳統(tǒng)的非接觸式電阻率和溫度監(jiān)視方法進行了比較。其中傳統(tǒng)的非接觸式電阻率測試系統(tǒng)如圖8所示，該系統(tǒng)包括初級線圈5、變壓器的鐵芯7，變壓器的次級線圈是注入模具中的水泥漿樣本6，通過測量次級線圈的環(huán)形電壓V以及電流I獲得水泥漿樣本的電阻率實時數(shù)據(jù)。利用超聲波監(jiān)視方法與傳統(tǒng)的非接觸式電阻率方法和溫度監(jiān)視方法監(jiān)測水化程度的比較由于超聲波在固相中具有較高的傳播速度和較低的衰減損失，所以它們傾向于在固相微觀結(jié)構(gòu)中傳播(參見 A. Boumiz, C. Vernet, F. Tenoudjit, “Mechanical Propertiesof Cement Pastes and Mortars at Early Ages”Advanced Cement Based Materials,1996 ；3 :94-106)。相反，電阻率由混凝土材料的導(dǎo)電性能支配。在混凝土材料中，固相被看作絕緣體，而液相被看作良好的導(dǎo)體?；炷敛牧现械囊合嘤晌⒖捉Y(jié)構(gòu)中的空隙溶液的復(fù)雜系統(tǒng)構(gòu)成，因此，電阻率監(jiān)視方法由混凝土材料中的微孔結(jié)構(gòu)的狀況和形態(tài)支配地確定(參見 L. Xiao, “Interpretation of hydration process ofconcrete based on electricalresistivity measurement”HKUST Thesis Civil and Environemntal Engineering,2007)。在這個過程中監(jiān)視兩種混凝土材料樣本W(wǎng)C_0. 45和WC_0. 55的水化過程(兩種樣本的成分見表I)，基于監(jiān)視結(jié)果，能識別早期混凝土材料的水化程度的四個特征階段。表I.用于水化試驗的混凝土的混合比(重量比)
權(quán)利要求
1.一種用于混凝土結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場水化監(jiān)視和損傷檢測的系統(tǒng)，其包括信號發(fā)生模塊、發(fā)射傳感器和接收傳感器，其中信號發(fā)生模塊用于產(chǎn)生信號，該信號作為激勵信號發(fā)送給發(fā)射傳感器并同時作為觸發(fā)信號反饋給處理器，發(fā)射傳感器接收到激勵信號后向接收傳感器發(fā)射超聲波，接收傳感器接收超聲波后產(chǎn)生檢測信號，并反饋給處理器，其特征在于所述發(fā)射傳感器和接收傳感器是嵌入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的傳感器。
2.如權(quán)利要求I所述的用于混凝土結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場水化監(jiān)視和損傷檢測的系統(tǒng)，其特征在于所述發(fā)射傳感器和接收傳感器均是利用水泥基壓電復(fù)合材料制作的傳感器。
3.如權(quán)利要求I所述的用于混凝土結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場水化監(jiān)視和損傷檢測的系統(tǒng)，其特征在于所述信號發(fā)生模塊包括信號發(fā)生器和功率放大器，所述信號發(fā)生器產(chǎn)生并發(fā)送脈沖信號，該功率放大器用于將接收的脈沖信號放大并作為激勵信號發(fā)送給發(fā)射傳感器。
4.如權(quán)利要求3所述的用于混凝土結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場水化監(jiān)視和損傷檢測的系統(tǒng)，其特征在于所述激勵信號是三角形脈沖信號。
5.如權(quán)利要求I至3任一項所述的用于混凝土結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場水化監(jiān)視和損傷檢測的系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)還包括前置放大器，該前置放大器用于將接收傳感器發(fā)出的檢測信號在反饋給處理器之前先進行調(diào)制。
6.如權(quán)利要求3所述的用于混凝土結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場水化監(jiān)視和損傷檢測的系統(tǒng)，其特征在于所述處理器和所述信號發(fā)生器置于計算機中。
7.一種用于混凝土結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場水化監(jiān)視和損傷檢測的方法，其包括 處理器指示信號發(fā)生模塊產(chǎn)生信號，該信號作為激勵信號發(fā)送給發(fā)射傳感器，并同時作為觸發(fā)信號反饋給處理器； 發(fā)射傳感器接收到激勵信號后向接收傳感器發(fā)射超聲波； 接收傳感器將接收到的超聲波轉(zhuǎn)變?yōu)闄z測信號并反饋給處理器； 處理器通過比較和分析發(fā)送給發(fā)射傳感器的激勵信號和接收傳感器反饋的信號獲得混凝土結(jié)構(gòu)的水化監(jiān)視和損傷檢測相關(guān)的信息； 將所述信息與監(jiān)視目標的暫時狀態(tài)緊密相互關(guān)聯(lián)； 其特征在于所述發(fā)射傳感器和接收傳感器嵌入所述監(jiān)視目標的混凝土結(jié)構(gòu)中。
8.如權(quán)利要求7所述的用于混凝土結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場水化監(jiān)視和損傷檢測的方法，其特征在于所述發(fā)射傳感器與接收傳感器均是利用水泥基壓電復(fù)合材料制作的傳感器。
9.如權(quán)利要求7所述的用于混凝土結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場水化監(jiān)視和損傷檢測的方法，其特征在于其中所述信息包括超聲波速度、衰減系數(shù)指標和功率譜的信息。
10.如權(quán)利要求9所述的用于混凝土結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場水化監(jiān)視和損傷檢測的方法，其特征在于其中所述的功率譜的信息是時域信號波形的傅里葉變換的估計結(jié)果。
11.如權(quán)利要求7至10任一項所述的用于混凝土結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場水化監(jiān)視和損傷檢測的方法，其特征在于所述信號發(fā)生模塊包括信號發(fā)生器和功率放大器，所述信號發(fā)生器產(chǎn)生并發(fā)送脈沖信號，該功率放大器將接收的脈沖信號放大并作為激勵信號發(fā)送給發(fā)射傳感器。
12.如權(quán)利要求11所述的用于混凝土結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場水化監(jiān)視和損傷檢測的方法，其特征在于所述激勵信號是三角形脈沖信號。
13.如權(quán)利要求7至10任一項所述的用于混凝土結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場水化監(jiān)視和損傷檢測的方法，其特征在于接收傳感器將接收到的超聲波轉(zhuǎn)變?yōu)闄z測信號后，前置放大器將檢測信號進行調(diào)制并反饋給處理器。
14.一種用于權(quán)利要求1-6所述的系統(tǒng)和7-13所述的方法的傳感器，其包括功能核和包覆在功能核外部的絕緣層，其中功能核是水泥基壓電復(fù)合材料。
15.如權(quán)利要求14所述的傳感器，其特征在于所述絕緣層是水泥和環(huán)氧樹脂的混合物。
16.如權(quán)利要求13或14所述的傳感器，其特征在于所述功能核是圓柱形。
17.如權(quán)利要求16所述的傳感器，其特征在于所述水泥基壓電復(fù)合材料是壓電陶瓷顆粒和硅酸鹽水泥的混合物。
18.如權(quán)利要求13或14所述的傳感器，其特征在于所述功能核是立方體形。
19.如權(quán)利要求18所述的傳感器，其特征在于所述水泥基壓電復(fù)合材料是PMN陶瓷塊、環(huán)氧樹脂和硅酸鹽水泥的混合物。
20.一種用于權(quán)利要求1-6所述的系統(tǒng)和7-13所述的方法的傳感器的制造方法，其包括 制備水泥基壓電復(fù)合材料片； 將復(fù)合材料片的正負電極接線以形成傳感元件； 將傳感元件封裝并進行電磁屏蔽處理以形成傳感器。
21.如權(quán)利要求20所述的傳感器的制造方法，其特征在于其中制備水泥基壓電復(fù)合材料片的步驟包括 1)制備壓電陶瓷顆粒及水泥粉末步驟； 2)將步驟I)中得到混合物充模與擠壓處理步驟； 3)養(yǎng)護與極化步驟。
22.如權(quán)利要求21所述的傳感器的制造方法，其特征在于制備壓電陶瓷顆粒及水泥粉末步驟包括將壓電陶瓷顆粒和水泥粉末按照質(zhì)量比4I混合。
23.如權(quán)利要求21所述的傳感器的制造方法，其特征在于進行充模與擠壓處理步驟后得到圓片狀0-3型水泥基壓電復(fù)合材料片。
24.如權(quán)利要求20所述的傳感器的制造方法，其特征在于其中制備水泥基壓復(fù)合材料片的步驟包括PMN立方塊加工與極化步驟、PMN切割-填充處理步驟和將加工后的復(fù)合材料按特定尺寸切片步驟。
25.如權(quán)利要求24所述的傳感器的制造方法，其特征在于其中所述水泥基壓電復(fù)合材料片的原料是PMN陶瓷塊、環(huán)氧樹脂和硅酸鹽水泥。
26.如權(quán)利要求24或25所述的傳感器的制造方法，其特征在于進行PMN切割-填充處理步驟中得到方形截面的PMN棒。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于混凝土結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場水化監(jiān)視和損傷檢測的系統(tǒng)和方法，以及用于該系統(tǒng)和方法的內(nèi)嵌式傳感器。其中，所述系統(tǒng)包括位于計算機內(nèi)的信號發(fā)生器、發(fā)射傳感器和接收傳感器，其特征在于所述發(fā)射傳感器和接收傳感器是嵌入混凝土結(jié)構(gòu)的傳感器。其中，所述方法包括計算機通過比較和分析發(fā)送給發(fā)射傳感器的信號和接收傳感器接收到的信號獲得水化監(jiān)視和損傷檢測的信息；將所述信息與監(jiān)視目標的暫時狀態(tài)相互關(guān)聯(lián)；其特征在于所述發(fā)射傳感器和接收傳感器嵌入所述監(jiān)視目標的混凝土結(jié)構(gòu)中。其中所述傳感器包括由水泥基壓電復(fù)合材料制成的功能核。該系統(tǒng)和方法基于超聲波技術(shù)、不受環(huán)境影響、且可長期用于大尺寸混凝土材料和結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場監(jiān)測。
文檔編號G01N29/34GK102749386SQ201210117329
公開日2012年10月24日 申請日期2012年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月19日
發(fā)明者李宗津, 湯盛文, 陸有源 申請人:香港科技大學(xué)