[發明專利]一種傳感器匹配層材料及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 201410322450.2
• 申請日: 2014-07-08
• 公開（公告）號: CN104064669A
• 公開（公告）日: 2014-09-24
• 發明（設計）人: 黃世峰;徐躍勝;徐東宇;王蕾;李超;程新
• 申請（專利權）人: 濟南大學
• 主分類號: H01L41/18
• 分類號: H01L41/18;H01L41/27
• 代理公司: 濟南泉城專利商標事務所 37218
• 代理人: 賈波

技術領域

本發明涉及一種傳感器匹配層材料，具體涉及一種用于混凝土監/檢測的傳感器的匹配層材料、該材料的制備方法以及應用，屬于傳感器技術領域。

背景技術

近年來，隨著混凝土結構廣泛使用的同時，許多混凝土結構由于設計缺陷、施工質量不達標、自然災害、化學侵蝕、應力疲勞等各方面的原因而產生損傷或開裂，性能發生退化，承受載荷能力和使用壽命大幅度下降，甚至倒塌，給人們生命和財產帶來重大損失，因此，對混凝土結構進行在線健康監測尤為重要。目前,混凝土結構健康監測常用的一種傳感器是壓電傳感器，其包括傳感元件、匹配層、背襯層、封裝層等多個組成部分，其中傳感元件是傳感器的核心，其性能的好壞直接影響著傳感器的靈敏度、工作帶寬等性能。但是傳感元件不能單獨使用，必須進行匹配或封裝制備成傳感器才能發揮其作用。

匹配層在壓電傳感器中有著不可或缺的作用，不僅起著保護傳感元件（壓電元件）的作用，而且合理的匹配層能夠提高傳感器的聲阻抗匹配能力，提高傳感器的靈敏度，同時還能夠有效的拓寬傳感器的工作帶寬，增加傳感器收發信息量，使傳感器分辨率和工作適應能力得到改善。

壓電傳感器常用的傳感元件為壓電陶瓷、壓電復合材料等，但不管是壓電陶瓷還是壓電復合材料，均與混凝土之間存在聲阻抗不匹配的問題。目前匹配層的制備方法主要是澆注成型法，即將呈流動狀態的匹配層材料澆注到模具中，固化形成。這種方法雖然操作簡單，但是制備的匹配層致密度較低，聲阻抗不易調節,不能有效提高聲波能量的透射效率，因此研制一種聲阻抗介于傳感元件聲阻抗與混凝土聲阻抗之間的匹配層材料，解決傳感器與混凝土之間的相容性對實現混凝土結構健康監測具有非常重要意義。

發明內容

針對現有技術中存在的不足，本發明提供了一種能夠作為匹配層的傳感器匹配層材料，該匹配層材料作為壓電復合材料的匹配層時能增強壓電復合材料與混凝土的聲阻抗匹配性，有效提高聲波能量的透射效率、傳感器的靈敏度，拓寬傳感器的工作帶寬。

本發明還提供了含有上述匹配層材料的壓電傳感器，該傳感器靈敏度高，透射能量高，工作頻帶寬，工作能力高。

本發明還提供了上述匹配層材料和傳感器的制備方法，該方法操作簡便，制備的匹配層具有較高的強度，較好的均勻性，抗滲能力強，孔隙率低，與澆注法相比，本發明方法所得的傳感器性能好。

發明人根據壓電復合材料傳感元件和混凝土的特性，選擇氮化硅作為匹配層的原料，制成了性能良好的匹配層，解決了傳感元件與混凝土匹配性不好，影響傳感器性能的問題，具有技術方案如下：

一種傳感器匹配層材料（也可簡稱為匹配層材料或匹配材料，下同），其特征是：由質量比為1:2.5～4的水泥和氮化硅組成。該材料可以作為傳感器的匹配層，能解決壓電傳感元件與混凝土不匹配的問題。

上述匹配層材料中，所述水泥為普通硅酸鹽水泥或硫鋁酸鹽水泥。

上述匹配層材料優選采用壓制成型法壓制成型，壓制壓力為30～50MPa。這樣得到的匹配層致密、均勻，性能更好。

本發明匹配層材料的制備方法具體包括以下步驟：

（1）將水泥與氮化硅粉末按配比混合，過0.02mm的方孔篩，然后充分混合，再過篩2～3次；

（2）將步驟（1）混合好的物料加水造粒（加入物料3～5wt%的水），得到粒徑為2.5～2.8mm的物料顆粒；

（3）將物料顆粒放入模具中，采用30～50MPa的壓力壓制成型；

（4）成型后脫模養護28天，即得匹配層材料。

本發明匹配層材料可以用作壓電傳感器的匹配層，所得壓電傳感器具有以下結構：

一種壓電傳感器，其特征是：包括傳感元件、匹配層和封裝層，所述傳感元件為1-3型壓電復合材料(包括水泥基壓電復合材料、聚合物基壓電復合材料)，傳感元件的上、下表面均鍍有電極，在傳感元件的一個側面的下部也鍍有電極，位于側面的電極與下表面的電極接觸良好，與上表面的電極不接觸；所述傳感元件的上表面電極和側面電極上均焊接有導線；所述匹配層與傳感元件的下表面緊密連接，匹配層材質為本發明壓制成型法壓制成型的匹配層材料；所述封裝層與傳感元件的其他面緊密連接，封裝層為質量比為1:1:1.5的環氧樹脂、水泥和鎢粉的混合物。

上述壓電傳感器中，傳感元件的上表面為正極，下表面為負極。所述電極為銀電極或鎳電極。

上述壓電傳感器中，傳感元件下表面電極通過電極引到側面一端，并和上表面電極分割，導線分別焊接到上表面電極部分和側面的電極部分，以保持傳感元件的負極面平整、與匹配層緊密結合。