[發(fā)明專利]一種用于土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的壓電智能骨料

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200810010010.8
• 申請日: 2008-01-02
• 公開（公告）號: CN101216443A
• 公開（公告）日: 2008-07-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 閻石;孫威
• 申請（專利權(quán)）人: 沈陽建筑大學(xué)
• 主分類號: G01N27/00
• 分類號: G01N27/00;G01B7/16
• 代理公司: 沈陽技聯(lián)專利代理有限公司
• 代理人: 王德榮

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測元件，特別是涉及一種用于對混凝土結(jié)構(gòu)進行健康監(jiān)測的壓電智能骨料。

背景技術(shù)

混凝土結(jié)構(gòu)一般使用年限長，并且一旦建造很難替換。但任何混凝土結(jié)構(gòu)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(huán)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(jié)構(gòu)健康檢測系統(tǒng)能夠及時地診斷缺陷(裂紋、銹蝕等)的位置和程度，使結(jié)構(gòu)得到及時的修復(fù)和加固，以確保結(jié)構(gòu)的完整性和可靠性。目前，有很多的結(jié)構(gòu)損傷檢測方法用到各種混凝土結(jié)構(gòu)和它們的構(gòu)件中，如經(jīng)典的靜態(tài)應(yīng)變(或位移)測試和振動識別方法；非破壞性檢測方法，如聲發(fā)射技術(shù)、超聲法、紅外熱像法、脈沖雷達法和X射線等。但多數(shù)方法都是定性的，而且在進行結(jié)構(gòu)損傷檢測的時候要使用沉重的設(shè)備，有時候還需要中斷正常的生產(chǎn)活動。這些方法也最終難以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的實時監(jiān)測。

然而，智能材料的出現(xiàn)(如壓電材料、光纖傳感器、磁致伸縮材料和水泥基智能復(fù)合材料等)為混凝土結(jié)構(gòu)長期的、實時的健康監(jiān)測提供了新的方法。

以壓電陶瓷(學(xué)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(yīng)，包括正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。當(dāng)對壓電原件施加機械變形時，就會引起內(nèi)部正負(fù)電荷中心發(fā)生相對移動而產(chǎn)生點的極化，從而導(dǎo)致元件兩個表面上出現(xiàn)符號相反的束縛電荷，且電荷密度與外力成正比例，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。正壓電效應(yīng)反映了壓電材料具有將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿哪芰Α＠脡弘姴牧系恼龎弘娦?yīng)，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(nèi)部正負(fù)電荷中心產(chǎn)生相對位移，導(dǎo)致壓電元件的變形，即逆壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)反映了壓電材料具有將電能轉(zhuǎn)化為機械能的能力。利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，可將其制成做動器(信號發(fā)生器)。利用PZT的壓電效應(yīng)制成傳感器和作動器并與結(jié)構(gòu)相互作用，可以實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測。

由于外界環(huán)境如溫度、濕度等對壓電材料的影響較大，將PZT埋入到結(jié)構(gòu)當(dāng)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(zhì)地較脆，如果直接將其埋入結(jié)構(gòu)中，主體結(jié)構(gòu)的施工過程極易造成其損壞。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種用于對混凝土結(jié)構(gòu)進行健康監(jiān)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(dǎo)線、屏蔽接頭、細(xì)石混凝土或砂漿外包層。本發(fā)明為混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)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(jié)構(gòu)整體受力性能的特點。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種用于土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)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(dǎo)線、屏蔽接頭、細(xì)石混凝土或砂漿外包層；智能骨料的外部為細(xì)石混凝土或砂漿外包層，PZT片位于智能骨料的內(nèi)部，其上涂有硅膠防水層，PZT片與屏蔽導(dǎo)線的一端相連接，屏蔽導(dǎo)線的另一端與屏蔽接頭相連接，屏蔽接頭與信號發(fā)射及采集系統(tǒng)相連接。

如上所述的一種用于土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)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(jié)構(gòu)健康監(jiān)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(dǎo)線的一端焊接在一起，再將焊接屏蔽導(dǎo)線后的PZT片表面均勻涂抹一層硅膠作為防水層；待硅膠風(fēng)干后，將PZT片放入在填裝有部分細(xì)石混凝土或砂漿的鋼模中，然后在其上面繼續(xù)添加細(xì)石混凝土或砂漿，待細(xì)石混凝土或者砂漿振搗密實后，將其放入養(yǎng)護室內(nèi)養(yǎng)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(fā)明的優(yōu)點與效果是：

1.本發(fā)明的砂漿塊或細(xì)石混凝土塊可以起到保護PZT片的作用，避免其PZT片在結(jié)構(gòu)施工過程中受到破壞；同時，可有效減小外界環(huán)境如溫度、濕度的改變對其檢測造成影響。

2.本發(fā)明的體積小、重量輕，且具有一定的強度，將其埋入混凝土結(jié)構(gòu)當(dāng)中不會影響結(jié)構(gòu)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(fā)明采用屏蔽導(dǎo)線與PZT片連接，有助于PZT片抵抗噪聲的干擾。

4.本發(fā)明可以作為傳感器和作動器使用，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中不必再使用其它結(jié)構(gòu)驅(qū)動裝置，且能耗小，可節(jié)約資金。

附圖說明

圖1為正壓電效應(yīng)原理示意圖；

圖2為逆壓電效應(yīng)原理示意圖；

圖3為本發(fā)明壓電智能骨料的縱向剖面示意圖；

圖4為本發(fā)明對混凝土結(jié)構(gòu)進行健康監(jiān)測的原理示意圖；