背衬对埋入混凝土中压电陶瓷激励声能的影响.pdf

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 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 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 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 ma 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 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 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 fre 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 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 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 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 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 ( 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， 经混凝土传播后被换 能器接收 。且金属背衬能将压电陶瓷一侧 的声波反 射到另一侧能够提高声信号指向性， 从而：达到充分 利用声信号能量提高声激励效率的目的。 金属 图 3埋入压 电陶瓷的混凝 土模 块 信号 的提取和重建 函数信 号发生器 量 蕾 触发信号 金属背衬 压 电陶瓷 消噪 数字滤波器显示和记录 接收换能器 图 4 实验原理框 图 3 声信号能量和声指向性实验及分析 在声信号能量实验 中， 埋人混凝土 中压电陶瓷 圆片厚度振 动模 式下声激励 ( 正 弦脉冲 ) 频率 以 2 k Hz 的间隔从 2 0 k H z 到 5 0 0 k H z 变化 ， 埋人混凝土 中的压电陶瓷圆片在厚度方 向上振动辐射声波 ， 经 混凝土传播后， 在压电陶瓷圆片轴向方向上被垂直 于混凝土表面的压 电换能器所接 收。 通过计算可得 在不同发射频率的声激励信号下接收端声信号的能 量 改变背衬厚度进行相 同的实验可以得到 图 5所 示的特性曲线。 即接收端声信号能量的归一化值随 声激励频率变化的特性曲线。 Ac o u s t i c a l e n e f n o r ma liz e d 删c h a me c c f k Hz 图5 声信号能量实验 中声能的归一化频率特性曲线 在声指 向性实验中， 在离压电敏感元件 5 c m处 端面内布置 了7个测点( L 1 ， ， L 3 ， 0， R 1 ， R 2 ， R 3 ) ， 测试点位置的分布如图 6 ( a ) 所示 ， 并根据 圆盘活塞 声场指 向性函数的定义计算并绘制了当激励频率 厂 为 7 9 k Hz 在不同厚度背衬下声指 向性对 比曲线如 图 6 ( b ) 所示。 辍 陵 厘 墨 迎 里 怄 ( a ) $ 1J 试点位置示意图 测试点 的位置 ( b ) 不同背衬厚度下声信号指向性对比曲线( 户7 9 k H z ) 图6 声指向性实验中测试点位置和声指向性的对比 由图5可知 ， 相 比于不层合背衬的情况下， 对埋 人混凝土中的压电陶瓷层合背衬后， 接收端声信号 能量增大 且当声激励频率为压 电陶瓷的谐振频率 ( 约为 7 9 k H z ) 时 ， 接收端声信号能量取极大值。同 时。 层合2片金属背衬时接收端声信号的能量最大， 此时的背衬厚度为谐振点下的最优背衬厚度 ( 即当 声激励频率一定时。 使得接收端声信号能量取最大 值的背衬厚度) ， 其值为2 4 m m 。当减小或增加背 衬厚度时 ， 相同声激励频率下 ， 声信号 的能量反而减 小 可见 ， 最优 的背衬厚度同声激励频率相关。并 且， 压电陶瓷的谐振频率( 7 9 k H z ) 不会因为埋人混 凝土 中而发生改变 即应力的变化不会影响压 电陶 瓷的谐振点 ， 文献 1 2 也得出了相同的结论 。 由图 6 ( b ) 可知， 相比于不层合背衬 的情况 ， 当埋 入混凝土中的压电陶瓷层合背衬后， 声指向性更加集 中， 在实验中还发现， 随着声激励频率不断的增大， 声 指向性有所提高， 即声信号的能量分布更加集中， 并 且声辐射平面最大振幅区域都集中在中心位置。结 合图5和图6 可知， 背衬将压电陶瓷辐射一侧的声能 反射到另一侧， 且声信号的指向性也有所提高， 使得 射 波 辐 声 、， 、， ， 、 ， 1 69 4 传感技术学报 W W W e h i n a t r a n s d u c e r s e o m 第2 4卷 原来向压电陶瓷圆片两侧不同方向传播的声波由于 背衬的反射而在同一侧叠加。 从而提高了声信号激励 的效率， 增大了单侧声信号的能量， 并且声信号能量 的相对增量( 层合背衬前后声能之差与无背衬时声能 的比值) 是随背衬厚度和声激励频率变化 的。同时， 通过对实验和计算所得数据进行高斯拟合可得声信 号能量的相对增量随背衬厚度与声激励频率的乘积 d f变化的特性曲线， 如图7所示。 1 2 1 0 婴s 釜 4 2 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 dx f mmk Hz 图7 声信号能量的相对增量随背衬厚度 与激励频 率之积 d f变化的特性 曲线 4 声信号的功率谱分析 功率谱分析可以有效的研究信号在频域上的特 征以及提取有用的信号成分_ 1 。从声信号能量的 归一化频率特性曲线可知 ， 最优背衬厚度同声激励 频率相关 ， 对接收端声信号去噪后进行功率谱分析 如图 8所示 可以进一 步观察在埋入混凝土 中的压 电陶瓷层合背衬后接收端声信号能量变化的规律和 其在频域上的特征 。 从图 8 ( a ) 可知， 当声激励频率 厂 为 3 3 5 k H z ， 压电陶瓷层合 l 块背衬时( 即d 厂 = 4 0 2 ) ， 声信号 能量的相对增量取极大值 1 0 4 3 ， 但 此时的声 信号 能量并不是最大值 ， 因为声激励频率并不是压电陶 瓷的谐振频率。由前文 已知 ， 当声激励频率为压 电 陶瓷谐振频率点 7 9 k H z时 ， 最优背衬厚度 约为 2 4 mm， 此时。 声信号能量的相对增量只有 3 3 2 6 8 。 从图8 ( b ) 可知， 当声激励频率 厂 为 4 7 8 k H z ， 压 电陶瓷层合2 块背衬时( 即d 厂 = 1 1 4 7 2 ) ， 声信号能 量的相对增量取极大值 8 7 3 6 7 ， 分别大于当声激励 频率为4 7 8 k H z ， 压电陶瓷不层合背衬， 层合 1 块背 衬， 层合3 块背衬时( 即d 厂 = 0 ， 5 7 3 6和 1 7 2 0 8 ) ， 声 信号能量的相对增量0 ， 6 9 5 2 1 和0 5 6 3 8 。 从图8 ( e ) 可知， 当声激励频率 厂 为 7 9 k H z ， 压 电陶瓷层合2块背衬时( 即 d 厂 = 1 8 9 6 ) ， 声信号能 量的相对增量取极大值 3 3 2 6 8 分别大于当声激励 频率为7 9 k H z ， 压电陶瓷不层合背衬， 层合 1 块背 衬， 层合 3 块背衬( 即 d = 0 ， 9 4 8 和 2 8 4 4 ) 时， 声 f Hz 1 0 ( a ) f = 3 3 5 k Hz 图 8 不 同厚度背衬下声信 号的归一化功 率谱对 比图 信号能量 的相对增量 的值 0 ， 1 0 6 6 4和 1 5 3 1 2 。 同时， 结合图8 ( a ) 和图8 ( b ) 可知， 声信号能量大其 声信号能量的相对增量并不一定大， 且背衬没有改 变声信号功率谱的主频和主峰区间的频率带宽。 图7 表明声信号能量的相对增量是由d f 决定 的， 结合前文的声信号能量的归一化频率特性曲线 可知 ， 声信号的能量与声信号能量的相对增量并不 成线性关系 ， 声信号 的能量大其声能量 的相对增量 并不一定大， 为提高声信号的信噪比应同时考虑金 属背衬厚度 d和声激励频率 厂 对声 信号 能量 的影 响， 选择适 当的 d和 厂 。 5 结论 超声无损检测是混凝土结构健康检测中广泛使 用 的方法， 在埋人条件下， 由于压电陶瓷的电一 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， 且容易受到噪声的干扰。本文提出了一种用 金属背衬将压电陶瓷圆片厚度模式下双侧 的声信号 集中到同一侧 从而提高声信号的指向性增强压电陶 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 5 IfJ 声波能量的方法 。 并利用信号处理技术对接 号进行谱分析可以得出以下结论： 在埋入混凝土 中的压 电陶瓷圆片的一侧层 衬层后 ， 可以有效 的将压 电陶瓷双侧声 能 一 侧 ， 从而充分利用声能提高接收端声信号 匕 ， 且没有改变声信号功率谱主峰区间的频 及压电陶瓷 的谐振频率 ， 这对于超声无损 i 重要的实际意义。 接收端声信号能量 的大小与背衬厚度和声 要 相关 ， 实验表明， 当声激励频率为7 9 k H z ( 压 9 谐振频率) 时 ， 最优背衬厚度约为 ：2 4 m E。 声信号的能量与声信号能量的相对增量并 关系， 要提高接收端声信号的信噪比应同 属背衬厚度 d和声激励频率 厂 对声信号能 句 ， 选择适 当的背衬厚度 d和声激励频率 呋 ： tl W a s h e r P a u l F u c h s o f Ul t r a s o n i c Te s t i n g o f Re a c t i v e P o wd e r r e t e J I E E E T r a n s a c t i o n o n U h r a s o n i c F e r r e l e c t r i c s ， a n d a e n c y C o n t r o l ， 2 0 0 4 ， 5 1 ( 2 )： 1 9 3 1 9 4 ，文玉梅 ， 李平 埋 人混凝 土 中压 电陶 瓷应力 及温度 特性 J 应用力学报 ， 2 0 0 6 ， 2 3 ( 4 )： 6 5 8 6 6 1 谭斌( 1 9 8 8 一 ) ， 男， 湖南省衡南县人 ， 四川大学 硕士 研究 生 。主 要研 究方 向 为信号与信息处理、 结构健康监测、 计 算机编程 ， j i m m y 1 6 6 1 6 3 一c o n； 3 田卉 ， 文玉梅 ， 李平 ， 等 埋人混凝 土结构 中的 P Z T压电陶瓷温 度特性研究 J 传感技术 学报， 2 0 0 7， 2 0 ( 9 ) ： 1 9 7 8 1 9 8 0 4 陈雨 ， 文玉梅 ， 李平 ， 等 混凝土中压电陶瓷在变载荷作 用下的 特性研究 J 压电与声光， 2 0 0 5 ， 2 7 ( 6 ) ： 7 0 1 7 0 2 5 郭浩 ， 李平 ， 文玉梅 ， 等 埋人压 电材料的机敏混凝 土研究 J 传感技术学报 2 0 0 7 ， 2 0 ( 1 ) ： 2 0 4 2 0 6 6 朱建林， 向礼丹， 柳莎莎， 等 超声波传感器在混凝土无损检测 系统 中的应用 J 传感技术学报 2 0 0 8 ， 2 1 ( 7 ) ： 1 2 8 1 2 9 7 吴慧敏 结构混凝 土现场检 测新技 术混 凝土非破 损检测 M 湖南 ： 湖南大学 出版社 ， 1 9 9 8 7 8 美国无损检测学会 美 国无损检测手册 ： 超声卷 M 北京 ： 世 界图书出版公 司北京公 司 1 9 9 6 1 9 陈雨， 文玉梅， 李平， 等 压电埋人式混凝土应力及温度传感 器 微纳电子技术 J 2 0 0 7 ， 7 8 ： 2 04 2 0 5 1 0Y u C h e rt ， Y u m e i We n ， P i n g L i C h a r a c t e r i z a t i o n of D i s s i p a t i o n F a c t o r s i n T e r m s o f P i e z o e l e c t r i c E q u i v a l e n t C i r c u i t P a r a me t e r s J I E E E Tr a n s a c t i o n s o n Ul t r a s o n i c， F e r r o e l e c t r i c s ，and F r e q u e n c y Co n t r o l ， 2 O O 6 ， 5 3 ( 4 ) ：2 3 6 7 2 3 6 9 1 1 We n Y， C h e n Y， L i P C h a r a c t e ri z a t i o n o f P Z T C e r a mi c T r a n s d u c e r E mb e d d e d i n C o n c r e t e J S e n s o rs A c t u a t o r s ： A P h y s i c al， 2 0 0 6 ， 1 2 8 ( 1 ) ： 1 1 6 - 1 2 4 1 2 陈雨 混凝 土压 电陶瓷 敏感 模 块特 性研 究 D 重 庆大 学 ， 2 0 0 6 6 1 3 高全西 ， 丁玉美 数字信号处理 M 西安 ： 西安 电子科 大出版 社 2 0 0 9 1 卫 陈雨(1976一)，男，1999年获重庆大 学动力工程学院电厂专业学士学位， 2002年获重庆大学动力工程学院动力 机械及系统专业硕士学位。2006年获重 庆大学光电工程学院仪器科学与技术 专业博士学位，副教授职称，20062009 年在重庆大学任教2009年至今工作于 四川大学电子信息学院。主要研究方 向为结构健康监测、 混凝土压 电机敏结构、 压 电传感器， y c h e n S C U e d u C B 。