一种可植入钢筋混凝土结构的压电陶瓷传感单元及模块

1.本实用新型涉及结构健康监测领域。


背景技术：

2.快速检测和精准诊断钢筋混凝土结构内部损伤一直是土木工程领域的难题。当前，采用智能传感设备对处于服役期的土木工程结构内部损伤进行健康监测和诊断已成为未来发展的重要方向。
3.压电陶瓷传感器在结构健康监测中应用广泛，该可植入式传感模块是由压电陶瓷球壳和高强保护材料构成。
4.最接近现有技术之一：外贴式压电片。布设于结构表面，为系统采集和感应到的结构信息很局限，传感器与混凝土材料不融合。
5.最接近现有技术之二：嵌入式智能骨料。采用高强材料包裹、保护压电片，完全预埋于混凝土结构中，构建监测系统后一旦传感单元发生故障，易损难更换，导致整个监测系统失效甚至瘫痪。


技术实现要素：

6.为将来构建对钢筋混凝土结构内部进行损伤诊断和三维成像的监测系统，本申请发明任务在于公开一种与混凝土材料融合、结构统一、生命周期兼容的可植入式传感模块。从根本上解决土木工程结构健康监测领域传感器与混凝土材料不融合、易损难更换等问题。
7.为此，本申请首先的发明任务在于公开一种可向空间均匀激发或者感应能量信号的传感单元，为所述可植入式传感模块的基本组成部分。进一步的，可植入式传感模块应用时可以成对的插入墙体，同时兼具传感和激发两种应用功能。
8.技术方案一
9.一种可植入钢筋混凝土结构的压电陶瓷传感单元，包括压电球壳(2)、金属铜管(3)、导线(4)、保护层(1)，压电球壳(2)采用压电陶瓷(pzt)球壳；压电球壳(2)与金属铜管(3)一端相连，导线(4)穿过金属铜管(3)与压电球壳(2)相连，保护层(1)包裹在压电球壳(2)最外层，共同构成“球棍式”压电传感单元；
10.所述保护层(1)，选择要求：交界面处胶体与原材料相适配。举例而非限定，压电球壳外表面用环氧树脂ab胶封裹，ab胶硬化后强度高(抗拉≥13kg/cm2,抗压≥17kg/cm2)，弹性模量大(22～35gpa)，从而既保护压电球壳防水绝缘，又保证构建的嵌入的压电传感单元，与土木结构领域的灌浆料和混凝土的声阻抗更匹配，从而增强透射波，减少反射信号。
11.上述技术方案一种传感单元，为嵌入土木结构(墙、梁、柱、楼板等)的压电传感单元，具有应力波探伤功能。它既可以作为主动探测装置向结构中发射应力波探测混凝土损伤，又可以作为被动接收装置接收结构动力响应信号，监测结构多种动力参数的变化。
12.技术方案二
13.一种可植入钢筋混凝土结构的压电陶瓷传感模块，该模块包括若干“球棍式”压电传感单元(即：技术方案一的传感单元)、灌浆料基质(5)和航空公插头(7)，其中：
14.若干传感单元(举例6组单元)在三位空间上均匀对称分布，灌浆料(5)作为基质将若干“球棍式”压电传感单元浇筑封装成一方形模块，若干“球棍式”压电传感单元的金属铜管(3)中的导线(4)汇集并连接至航空公插头(7)；通过航空公插头(7)可以实现可植入式传感模块(9)接入外部系统。
15.技术方案还可以包括端板(8)，安装于方形模块接合面；所述方形模块包括5个嵌入面，一个接合面，通过接合面与端板(8)固结；传感模块(9)植入墙体中，可以通过航空公插头(7)与外部监测系统相连。
16.技术方案还可以包括金属把手(6)，安装于端板(8)外侧，方便施工时操作。
17.端板(8)可以选择塑料板，其上安装金属把手(6)和航空公插头(7)，可以理解为模块对外部设备的接口。
18.传感模块(9)通过植入式的方式插入混凝土结构中，灌浆料作为模块保护层，灌浆料的强度高(抗压≥80gpa)，密实性好，与实际混凝土材料性能相似，界面相融，能起到保护压电球壳(2)的作用。
附图说明
19.图1：“球棍式”压电传感单元图；
20.图2：压电小球空间阵列图；
21.图3：传感模块组装图；
22.图4：压电传感模块示意图；
23.图5：传感模块与监测系统连接图；
24.图6：传感模块植入墙体示意图；
25.数字标识：
26.1—保护层；2—压电球壳；3—铜管；4—导线；
27.5—灌浆料基质；6—金属把手；7—航空公插头；8—端板；
28.9—传感模块；10—航空母插头；11—监测系统；12—bnc接口；
29.13—墙体；14—损伤裂缝；15—预留洞口。
具体实施方式
30.应用实施例
31.推荐方案，该模块中六个小球排成阵列同时工作，通过波的叠加方式，能激发出穿透性更强的应力波，减少信号在波场中的衰减，扩大在混凝土中的监测范围。每个小球都作为激励单元，6个小球同时发出6条探测波。三维空间中，每个维度均布设2个激励单元，共6条探测波以叠加方式向外传播。
32.6个压电小球排成列阵(图2所示)为空间体，具有三维方向的工作能力。
33.传感器模块具有良好的机电耦合性能，同时，具备定期更换维修的功能，更具较强的工程应用性。
34.所述机电耦合性：应力与电信号相互转换的能力，是压电材料特有的属性。
35.如图6所示，将两个(或多个)传感模块(9)植入预留洞口的墙体中，用于构建监测系统。
36.可植入钢筋混凝土结构的压电陶瓷传感模块，它的创新点在于“可植入式”，既能插入到结构内部，使传感器与混凝土结构相融合，又能安全拔出，便于定期更换维修。它具有以下几个关键点：
37.(1)模块与混凝土结构相融合。选择灌浆料作为模块的基质，一方面它自密实、高强度，防止压电陶瓷球壳脆性破坏；另一方面它与混凝土材料相似，声阻抗匹配，应力波在交界面处的反射弱、透射强，相较于传统的传感器能探测到更远范围的信号。
38.(2)模块可以智能的“插拔”。可插拔式的设计便于模块在长期监测使用中更换维修，解决了目前传感器不能更替的问题。
39.(3)模块以阵列形式植入结构。阵列布设可以增强激励信号，同时，应力波在空间中更加分散。
40.(4)压电小球的位置固定。浇筑混凝土时需将小球定位，常用的拉线法不能完全将小球固定。该发明提出“定位屏蔽”一体式的双功能设计，用铜管固定小球，同时屏蔽噪声。


技术特征：
1.一种可植入钢筋混凝土结构的压电陶瓷传感单元，其特征在于，包括压电球壳(2)、金属铜管(3)、导线(4)、保护层(1)，压电球壳(2)采用压电陶瓷(pzt)球壳；压电球壳(2)与金属铜管(3)一端相连，导线(4)穿过金属铜管(3)与压电球壳(2)相连，保护层(1)包裹在压电球壳(2)最外层，共同构成“球棍式”压电传感单元；所述保护层(1)，选择要求：交界面处胶体与原材料相适配。2.一种可植入钢筋混凝土结构的压电陶瓷传感模块，其特征在于，包括若干“球棍式”压电传感单元、灌浆料基质(5)和航空公插头(7)，其中：若干传感单元在三位空间上均匀对称分布，灌浆料(5)作为基质将若干“球棍式”压电传感单元浇筑封装成一方形模块，若干“球棍式”压电传感单元的金属铜管(3)中的导线(4)汇集并连接至航空公插头(7)；通过航空公插头(7)实现可植入式传感模块(9)接入外部系统。3.根据权利要求2所述的一种可植入钢筋混凝土结构的压电陶瓷传感模块，其特征在于，包括端板(8)，安装于方形模块接合面；所述方形模块包括5个嵌入面，一个接合面，通过接合面与端板(8)固结；传感模块(9)植入墙体中，通过航空公插头(7)与外部监测系统相连。4.根据权利要求2所述的一种可植入钢筋混凝土结构的压电陶瓷传感模块，其特征在于，包括金属把手(6)，安装于端板(8)外侧，方便施工时操作。5.根据权利要求2所述的一种可植入钢筋混凝土结构的压电陶瓷传感模块，其特征在于，端板(8)选择塑料板，其上安装金属把手(6)和航空公插头(7)，成为模块对外部设备的接口。6.根据权利要求2所述的一种可植入钢筋混凝土结构的压电陶瓷传感模块，其特征在于，传感模块(9)通过植入式的方式插入混凝土结构中。

技术总结
一种可植入钢筋混凝土结构的压电陶瓷传感单元及模块，其中压电陶瓷传感单元包括压电球壳(2)、金属铜管(3)、导线(4)、保护层(1)，压电球壳(2)采用压电陶瓷(PZT)球壳，其中压电陶瓷传感模块包括若干“球棍式”压电传感单元、灌浆料基质(5)和航空公插头(7)。所述压电陶瓷传感单元可向空间均匀激发或者感应能量信号，为所述压电陶瓷传感模块的基本组成部分。本申请从根本上解决土木工程结构健康监测领域传感器与混凝土材料不融合、易损难更换等问题。易损难更换等问题。易损难更换等问题。


技术研发人员：杨子谦 孔庆钊 李修权 张明辉 贺畅
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：2021.08.13
技术公布日：2022/3/8