背衬对埋入混凝土中压电陶瓷激励声能的影响.pdf
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1、第 2 4卷 第 1 2期 2 0 1 1年 1 2月 传 感 技 术 学 报 C HI NE S E : J O UR NA L O F S E NS OR S AND AC T UA T O RS V0 l I 2 4 No 1 2 De c 2 01 1 Ba c k i n g f o r t h e I n flu e n c e o f t he En e r g y o f Ac o us t i c S i g n a l o f t h e P i e z o e l e c t r i c S e n s o r Emb e d d e d i n Co n c r e t
2、 e T AN Bi n , CHEN , HUANG Ru n , L I Pe n g c h e n g , C HEN Ha o ! , s n Un i v e r s i t y, C h e n g d u 61 0 0 6 5, C h i n a; 2 C o l l e g e o fO mo e l e c t r o n icE n g i n e e r i n g T h e L a b o r a t o r y f o rO p t o e l e c t r o n i c T e c h n o l o g y o fMi n t r y o fE d u
3、c a t i o n, f 一 , 研 一 , f C h o n g q in g U n i v e r s i t y , C h o n g q i n g 4 0 0 0 4 4 , C h i n a Ab s t r a c t : T h e p i e z o e l e c t ric ma t e r i a1 c o n c r e t e mo d u l e i S a n i n t e l l i g e n t s t r u c t u r e o f a p i e z o e l e c t ri c u n i t c o mb i n e d w
4、i t h c o n c r e t e i n t o wh i c h t h e u ni t wa s e mb e d d e d S u c h mo du l e c a n b e u s e d t o mo n i t o r t h e h e a l t h o f t h e c o n c r e t e s t ruc t u r e I n o r d e r t o e n h a n c e t h e a c o u s t i c s i g n a l c r e a t e d b y t h e i e z o e l e c t r i c m
5、a t e ri a l , a p i e c e o f me t a l b a c k i n g s t i c k s o n t h e p i e z o e l e c t ric c e r a mi c d i s c t o c o n s t ruc t a p i e z o e l e c t r i c u n i t T h e me t h o d all o ws t h e r e c e i v e r o n t h e a x i a l d i r e c t i o n o f t h e e mb e d d e d i e z o e l
6、e c t r i c u n i t r e c e i v e d t h e a c o u s t i c s i g n al e n e r g y e n h a n c e d mo r e t h a n 1 0 t i me s We g o t a c u r v e o f t h e r e l a t i v e a c o u s t i c s i gna l e n e r gy i n c r e me n t v e r s u s t h e p r o d u c t s o f b a c k i n g me t al t h i c k n e
7、s s a n d t h e e x c i t e d a c o u s t i c fre q u e n c y Fr o m t h e a n a l y s i s o f t h e p o we r s p e c t rum o f a c o us t i c s i gn a l , t h e t h i c k n e s s o f t h e me t al b a c k i n g d o e s n o t ma k e c h a n g e t h e p e a k p o w e r fr e q u e n c y a n d t h e fr
8、e q u e n c y b a n d w i d t h r a n g e o f t h e a c o u s t i c s i gnal p o w e r s p e c t rum Ke y wo r ds: c o n c r e t e; u l t r a s o n i c t e s t i n g; p i e z o e l e c t r i c; me t a l b a c k i n g; s p e c t ru m a n a l y s i s E E AC C: 2 8 6 0 ; 7 8 1 0 C d o i : 1 0 3 9 6 9 j
9、 i s s n 1 0 0 4 1 6 9 9 2 0 1 1 1 2 0 0 7 背衬对埋人混凝土中压 电陶瓷激励声能的影响水 谭 斌 , 陈 雨 , 黄 润 , 李鹏程 , 陈 浩 f , 1 四J I I 大学电子信息学院, 成都 6 1 0 0 6 4 ; 、 重庆大学光电 工程学院 光电 技术及系统教育部重点实验室, 重庆4 0 0 0 4 4 ) 摘 要: 压电埋人式混凝土敏感模块是利用在混凝土中埋入的压电陶瓷形成的一种复合式智能单元。该敏感模块可以对混 凝土结构的健康状况进行检测。为了提高埋人混凝土中的压电陶瓷所激励声能的效率从而提高检测的准确性 , 提出了一种 在压电陶瓷圆片
10、一侧用硅橡胶层和金属背衬的方法。 该方法能将压电陶瓷双侧的声能集中到一侧从而充分利用声信号能量 提高声激励效率。实验表明, 该方法能使接收端同距离下压电陶瓷圆片轴向声信号的能量提高 1 O 倍以上。 并得到了声信号能 量的相对增量随埋入混凝土中压电陶瓷一侧的背衬厚度与声激励频率之积变化的特性曲线。对声信号进行功率谱分析还表 明 背衬没有改变声信号功率谱的主频和主峰区间的频率带宽。 关 键词 : 混凝土; 超声检测; 压电; 金属背衬; 谱分析 中图分类号: 0 4 8 2 4 1 文献标识码 : A 文章编号 : 1 0 0 4 1 6 9 9 ( 2 0 1 1 ) 1 2 1 6 9 1
11、0 5 混凝土是现代工程 中最重要 的建筑材料之一。 由于各种原因, 混凝土在浇筑和使用过程 中, 其内部 会产生不同程度的缺陷 从而影响了混凝土的力学性 质 , 给工程安全带来 了隐患 , 因此 , 有必要采取有效的 手段对混凝 土建筑结构 的健康状 况进行检测 I l 。 超声无损检测是混凝土结构健康状况检测的主要方 法。重庆大学对埋人混凝土 中压 电陶瓷 的特性进行 了研究, 提出通过埋入的压电陶瓷激励声信号用以检 测混凝土内部健康状况的方法 3 。在这种方法 中 埋入混凝土中的压 电陶瓷圆片在厚度振动模态下辐 射 的声波 被垂直于混凝土表面 的压电换能器所接 收, 通过分析声信号可以判
12、断混凝土内部的健康状 态。由于压电陶瓷埋入混凝土后 , 其电一 声特性受到 混凝土凝 固收缩的影响, 使得压电陶瓷声激励效率降 低, 采集到的声信号微弱、 信噪比低, 且在激励、 传输、 检测过程还容易受到噪声的干扰 。 这些噪声会对数据 分析以及检测结果的准确性产生影响。 因此, 提高声 激励效率和声信号的信噪比对提高超声无损检测的 项 目来源: 国家 自然科学青年基金( 5 0 8 0 8 1 8 6 ) ; 重庆市 自然科学基金( C S T C, 2 0 0 8 B B 0 1 5 5 ) 收稿 日期 : 2 0 1 1 0 7 2 2 修改 日期 : 2 0 1 1 0 8 2 5
13、1 69 2 传感技术学报 W W W c h i n a t r a n s d u c e r s c o m 第 2 4卷 准确性和可靠性起着至关重要 的作用 5 j 。本文提 出了一种在压电陶瓷圆片一侧用硅橡胶层合金属背 衬的方法 该方法将压电陶瓷双侧 的声能集中到一侧 从而充分利用声信号能量提高声激励效率, 介绍了声 波在双层介质分界面上的传播特性 , 然后设计了埋人 混凝土中压电陶瓷的背衬结构。实验表明, 声信号能 量的相对增量与背衬厚度和声信号激励频率相关 , 并 通过高斯曲线拟合得到了两者之间的关系, 即在埋人 条件下。 接收端声信号能量相对增量随背衬厚度与声 激励频率之积变化
14、的特性曲线 , 并得出了在压电陶瓷 谐振点使得接收端声信号能量取最大值的最优背衬 厚度。同时, 对声信号进行功率谱分析还表明, 背衬 没有改变声信号功率谱主峰区间的频率带宽 以及压 电陶瓷的谐振频率。 1 声波在 双介质分界面 的传播特性 压电陶瓷与金属背衬层合后成为一种双层介质 的压电陶瓷单元, 声波在双层介质中传播时表现出 与在均匀介质 中传播时不同的特性 , 如图 1 所示。 Y 入射 波 射 波 Z I 界 面 、( 兰 学cosO 2 2 实验样 品和原理 本文研究了与金属背衬层合的 P Z T 5 H压电陶 瓷埋人混凝土后对接收端声信号能量和声信号指向 性的影响 对 比了在 4种
15、不 同厚 度 的金 属背衬 ( 0 mm, 1 2 m m, 2 4 m m, 3 6 ra m) 作用下 , 接收端声信 号能量和声信号指 向性的变化规律 。埋人混凝土中 作为声源的压电陶瓷采用圆片结构 其振动模式为 厚度振动模式 , 在压 电陶瓷圆片上下端面上各镀有 一 层银电极 。压电陶瓷圆片的厚度为 2 m m, 半径为 1 2 m m, 其结构如图2 ( a ) 所示。在压电陶瓷圆片的 两极焊接同轴电缆作为信号线, 并在其表面覆盖一 层的硅橡胶层并与金属背衬层合 , 从而制作成压 电 陶瓷单元, 其实物图如图2 ( b ) 所示。 _ _ j ( a ) 压 电陶瓷圆片结构示意 图
16、( b ) 压 电陶瓷圆片和金属背衬实物图 图 2 压 电陶瓷 圆片的背衬结构 P Z T 5 H压电陶瓷具有较高的压 电常数、 弹性 系 数及介电常数 , 有利于在埋入条件下压电陶瓷辐射更 强的声信号 , 该压电陶瓷的出厂参数如表 1 所示_ 9 。 表 1 P Z T 5 H压电陶瓷性能参数 密度 ( k g m3 居里温度 相对介电常数 机电耦合系数 7 6 00 3 00 3 40 0 0 6 6 压电陶瓷是一种脆性 的物质 为了避免埋入混 凝土中压电陶瓷在混凝土干缩效应产生的应力作用 下受到损伤 压 电陶瓷和金属背衬 的外围均覆盖了 一 层厚度约为 1 2 m m硅橡胶( 单组分室温
17、硫化硅 橡胶) , 橡胶层不仅能够保护压 电陶瓷 和减小混凝 土夹持力对其的影响, 同时还起到声 阻抗匹配的作 用_ 1 “ 。压电陶瓷 圆片的尺寸为 2 5 ram 2 m m, 金属背衬圆片的尺寸为 + 2 5 m m 1 2 m m。 第 1 2期 谭斌, 陈 雨等:= 背衬对埋入混凝土中压电陶瓷激励声能的影响 1 6 9 3 如图 3所示 , 压 电陶瓷单元埋人在混凝土立方 块中心位置。 混凝土立方块的尺寸为 1 0 0 m m 1 0 0 m mx l O 0 m m。实验原理如 图 4所示 , 在压电陶瓷上 通过同轴电缆接一声激励信号( 正弦脉冲电压) 驱 动压电陶瓷的两侧辐射声波
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