一種混凝土中鋼筋銹蝕超聲監測傳感器及用法
【專利摘要】本發明涉及一種混凝土中鋼筋銹蝕超聲監測傳感器，其特征描述于：該傳感器設有鋼筋（1），鋼筋（1）的一端設有發射用壓電陶瓷柱（2），用于發射超聲波，鋼筋（1）的另一端設有接收用壓電陶瓷柱（3），用于接收超聲波，且壓電陶瓷柱（2）和壓電陶瓷柱（3）的軸向方向與鋼筋的軸向方向一致，發射用壓電陶瓷柱（2）和接收用壓電陶瓷柱（3）上分別設有發射用屏蔽引線（4）和接收用屏蔽引線（5），所說的發射用壓電陶瓷柱（2）和接收用壓電陶瓷柱（3）的外面分別設有樹脂絕緣層（6），樹脂絕緣層（6）外設有屏蔽層（7），使用時，將混凝土中鋼筋銹蝕超聲監測傳感器埋入建筑時的混凝土中，發射用壓電陶瓷柱（2）接信號發生器（8），產生超聲波，另一端接收用屏蔽引線（5）接信號接收器（9），接收超聲波，依據接收超聲波信號的變化監測鋼筋在混凝土（10）中的銹蝕情況。
【專利說明】
一種混凝土中鋼筋銹蝕超聲監測傳感器及用法
技術領域
[0001]本發明涉及混凝土中鋼筋銹蝕的監測裝置及監測方法，具體的說是一種混凝土中鋼筋銹蝕超聲監測傳感器及用法。
【背景技術】
[0002]大量的工程實踐表明，在鋼筋混凝土結構中，鋼筋銹蝕是影響在役結構耐久性的主要因素。鋼筋的銹蝕會導致受力鋼筋截面面積減小，鋼筋與混凝土之間的黏結力下降，混凝土保護層開裂，結構強度降低等，從而使結構耐久性降低，結構的抗力隨時間衰減，可靠度也相應地降低，使得混凝土結構在使用性和安全性上存在著極大的隱患。隨著我國社會經濟的不斷發展，各種大型復雜工程結構不斷涌現，土木工程結構健康監測技術逐漸成為學術界的研究熱點。近十幾年來，智能材料結構在工程領域中的成功應用，為實現真正意義上的結構健康監測提供了有效的途徑。目前常用鋼筋銹蝕監測方法有電化學法，光纖監測，聲發射監測與超聲監測等。電化學方法是通過測定鋼筋混凝土腐蝕體系的電化學特性來確定鋼筋的銹蝕程度或速度，主要有半電池電位法、線性極化法、恒電量法、電化學噪聲法、交流阻抗法等。光纖傳感器是近十多年來迅速發展起來的一種新型傳感器。基本傳感原理是當光波在光纖中傳輸時，表征光波的特征參量(振幅、相位、偏振態、波長等)會由于被測量(如應變、位移、溫度、壓力、加速度、電場等)對光纖的作用而發生變化，從而引起光波的強度、干涉效應、偏振面發生變化，使光波成為被調制的信號，再經過光探測器和解調儀后實現對建筑物的監測。此外還有聲發射與超聲波法。聲發射也稱為應力波發射，作為一種常用的無損檢測技術已經有30多年的歷史。結構在受力過程中會釋放出能量，一些腐蝕歷程如應力腐蝕開裂、空泡腐蝕等都伴隨著聲能的釋放，換能器可將接收到的聲信號轉換成電信號進行分析，通過監測和記錄這種聲波便可得到結構中缺陷和腐蝕損傷的發生及發展狀況，并確定他們所在位置。聲發射法需要進行連續監測，易受環境噪音干擾。超聲波方法是一種主動監測方法，利用超聲波探頭發射與接收超聲波，對鋼筋所在位置混凝土進行掃描，檢測雖然簡單方便，但是監測鋼筋腐蝕精確度不高，對于未發生明顯銹脹裂縫時檢測的結果不夠精準。上述監測方法都有其優點，也有其局限性。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是提供一種結構簡單方便鋼筋銹蝕監測的適于埋入混凝土中的鋼筋銹蝕超聲監測傳感器及用法。實現本發明的目的所采取的技術方案是:該混凝土中鋼筋銹蝕超聲監測傳感器設有一鋼筋，鋼筋的一端設有發射用壓電陶瓷柱，用于發射超聲波，鋼筋的另一端設有接收用壓電陶瓷柱，用于接收超聲波，且壓電陶瓷柱和壓電陶瓷柱的軸向方向與鋼筋的軸向方向一致，發射用壓電陶瓷柱和接收用壓電陶瓷柱上分別設有發射用屏蔽引線和接收用屏蔽引線，所說的發射用壓電陶瓷柱和接收用壓電陶瓷柱的外面分別設有樹脂絕緣層，樹脂絕緣層外設有屏蔽層。在近年來，壓電陶瓷以其特有的傳感和驅動功能成為土木工程界廣泛研究和應用的智能材料之一。因其具有響應速度快、線性關系好、頻響范圍寬、能耗低、易剪裁、造價低廉且易加工成型等優點而在工程結構健康監測方面存在著巨大的應用潛力。因此，將壓電材料作為基本元件，方便實用。該傳感器的使用方法是:將該傳感器埋入建筑時的混凝土中。監測時，一端的壓電陶瓷柱接信號發生器產生超聲波，另一端的壓電陶瓷柱接信號接收器，接收超聲波。依據接收超聲波信號的變化監測鋼筋在混凝土中的銹蝕情況。本方法中，超聲波在鋼筋中傳播，將有部分波在鋼筋與混凝土的界面位置發生波的折射與透射。鋼筋與混凝土將形成一個界面，因為鋼筋與混凝土材料性能不同，波在界面上將會發射與透射。當鋼筋發生銹蝕后，鋼筋的表面將產生銹蝕產物鋼筋銹蝕產物會體積膨脹，這樣聲波透射入混凝土的將會減少通過鋼筋的將會增加，隨著腐蝕程度的加深，通過鋼筋的聲波將會增強。當銹蝕到一定程度時，鋼筋周圍混凝土的拉應力超過極限拉應力，鋼筋周圍的混凝土開始出現細微裂縫，一旦出現裂縫，由鋼筋透射入混凝土的聲波將減至最小。接收到的超聲波的幅值也將最大。
[0004]本發明利用鋼筋作為超聲波傳播的介質，克服了普通超聲監測方法以混凝土作為傳播介質的局限性。在施工過程中，將傳感器埋入混凝土中，能夠對鋼筋銹蝕實時、長期的在線監測。本方法最大的優點在于既能監測鋼筋的銹蝕程度又能監測混凝土損傷，能夠表征鋼筋、銹蝕產物與混凝土三者之間的相互作用。
【附圖說明】
[0005]圖1是本發明的結構示意圖；
圖2是本發明監測時的連接示意圖；
圖3是本發明在實驗中的波形圖；
圖4是本發明在實驗中超聲波幅值與時間的關系曲線圖。
[0006]圖中，1、鋼筋，2發射用壓電陶瓷柱，3、接收用壓電陶瓷柱，4、發射用屏蔽引線，5、接收用屏蔽引線，6、樹脂絕緣層，7、屏蔽層，8、信號發生器，9、信號接收器9，10、混凝土，
11、接收波，12、發射波。
【具體實施方式】
[0007]參照附圖，該混凝土中鋼筋銹蝕超聲監測傳感器傳感器設有一鋼筋I，鋼筋I的一端設有發射用壓電陶瓷柱2，用于發射超聲波，鋼筋I的另一端設有接收用壓電陶瓷柱3，用于接收超聲波，且壓電陶瓷柱2和壓電陶瓷柱3的軸向方向與鋼筋的軸向方向一致，發射用壓電陶瓷柱2和接收用壓電陶瓷柱3上分別設有發射用屏蔽引線4和接收用屏蔽引線5，所說的發射用壓電陶瓷柱2和接收用壓電陶瓷柱3的外面分別設有樹脂絕緣層6，樹脂絕緣層6外設有屏蔽層7。所說的屏蔽層7是涂覆銀漿。所說的鋼筋I直徑為:10?20mm，長度為:100?200mm。本發明中，制作壓電傳感器選擇合適的壓電陶瓷柱是關鍵。目前，在工程領域應用最廣泛的壓電陶瓷材料主要是二元系的鋯鈦酸鉛，簡稱PZT。主要有三種類型:PZT-4、PZT-5和ΡΖΤ-8。其中，ΡΖΤ-8是大功率發射型壓電陶瓷，主要用于超聲波清洗、超聲波美容、超聲波手術刀、超聲波潔牙、超聲波焊接等。ΡΖΤ-5是高靈敏度接收型壓電陶瓷，主要用于電聲器件、加速度計、壓力計、流量計和風速計水、聲換能器、傳感器等。ΡΖΤ-4是中功率發射、接收兩用型壓電陶瓷，主要用于需要發射和接收兩用功能的換能器。本發明中發射用壓電陶瓷柱2和接收用壓電陶瓷柱3采用ΡΖΤ-4或ΡΖΤ-5壓電陶瓷柱。壓電陶瓷柱2和接收用壓電陶瓷柱3的極化方向與長方向一致。
該混凝土中鋼筋銹蝕超聲監測傳感器的使用方法是:將混凝土中鋼筋銹蝕超聲監測傳感器埋入建筑時的混凝土中。監測時，發射用壓電陶瓷柱2利用發射用屏蔽引線4接信號發生器8，產生超聲波，另一端的接收用壓電陶瓷柱3利用接收用屏蔽引線5接信號接收器9，接收超聲波，，依據接收超聲波信號的變化監測鋼筋在混凝土 10中的銹蝕情況。
[0008]下面以試驗室實施例對本發明的工作原理加以說明。
[0009]本試驗為加速實驗，鋼筋通直流電以加速銹蝕。本試驗研究的主要內容是利用壓電陶瓷傳感器監測銹蝕鋼筋的信號隨時間的變化趨勢，探討壓電元件對于監測鋼筋銹蝕的有效性。試驗設計如下:首先，將本發明的傳感器置于混凝土中制成模塊，制備好的模塊放入盛有5%NaCl溶液的容器中，將連接鋼筋的導線與直流電源的正極相連，直流電源的負極與放入溶液中的銅棒相連接。然后，將粘貼在鋼筋斷面的發射傳感器與信號發生器的一個通道相連，接收傳感器與示波器的一個通道相連，并將信號發生器的另一通道與示波器的另一通道相接，以便從示波器上能清楚的看到傳感器發出的超聲波波形。調整信號發生器的頻率使其處在發射壓電陶瓷傳感器的諧振頻率范圍內(本試驗所用頻率為10kHz)，并將發射電壓的幅值調到最大，信號發生器上調用方形波，同時保證示波器的兩個通道同步，直至接收到的波形能夠清晰的顯示于示波器上。加速銹蝕試驗的直流電源的電壓調至2V，電阻為100 Ω，通電后便開始測量。由于所通電壓比較小，銹蝕過程較慢，所以測量時每隔3小時取一次數據，取數據時，將試塊拿出液面，以避免超聲波幅值在溶液中衰減而使數據不準確。直到試塊表面出現明顯裂縫時，便停止測量。實驗中得到的波形如圖3所示，圖中的實線為接收波，虛線為發射波。由波形圖可知，超聲波幅值從通電開始測量便逐漸增大，大約120h后，幅值變化很小，開始趨于穩定。這是因為通電前的砂漿試塊，鋼筋與水泥砂漿的粘結比較緊密，兩端的壓電傳感器發出的超聲波通過鋼筋與砂漿的界面時，會有一部分信號透射到砂漿內，使得超聲波的幅值比埋入之前有所降低。試驗中，隨著通電后鋼筋的不斷銹蝕，銹蝕產物不停出現且開始膨脹，在鋼筋與混凝土的界面上生成疏松的銹蝕層，鋼筋與砂漿的粘結性有所降低，界面開始漸漸走向脫離的狀態，此時，超聲波信號在鋼筋與砂漿界面間傳播時透射到砂漿的信號數逐漸減少，所以自加速銹蝕開始，超聲波幅值開始逐漸升高。當銹蝕產物的生成使得鋼筋與水泥砂漿完全脫離，超聲波信號只沿鋼筋自身傳播，不再透射到砂漿內。所以，120h以后，超聲波幅值在某一數值間波動，逐漸趨于穩定。實驗結果分析如圖4。
【主權項】
1.一種混凝土中鋼筋銹蝕超聲監測傳感器，其特征在于:該傳 感器設有鋼筋(I)，鋼筋(I)的一端設有發射用壓電陶瓷柱(2)，用于發射超聲波，鋼筋(I)的另一端設有接收用壓電陶瓷柱(3)，用于接收超聲波，且壓電陶瓷柱(2)和壓電陶瓷柱(3)的軸向方向與鋼筋的軸向方向一致，發射用壓電陶瓷柱(2)和接收用壓電陶瓷柱(3)上分別設有發射用屏蔽引線(4)和接收用屏蔽引線(5)，所說的發射用壓電陶瓷柱(2)和接收用壓電陶瓷柱(3)的外面分別設有樹脂絕緣層(6)，樹脂絕緣層(6)外設有屏蔽層(7)。2.按照權利要求1所說的混凝土中鋼筋銹蝕超聲監測傳感器，其特征在于:所說的屏蔽層(7)是涂覆銀漿。3.按照權利要求1所說的混凝土中鋼筋銹蝕超聲監測傳感器，其特征在于:所說的鋼筋(I)直徑為:1?20mm，長度為:100?200mm。4.按照權利要求1所說的混凝土中鋼筋銹蝕超聲監測傳感器，其特征在于:所說的發射用壓電陶瓷柱(2)和接收用壓電陶瓷柱(3)采用PZT-4或PZT-5壓電陶瓷柱。5.—種按照權利要求1所說的混凝土中鋼筋銹蝕超聲監測傳感器的使用方法是:其特征在于;將混凝土中鋼筋銹蝕超聲監測傳感器埋入建筑時的混凝土中，監測時，發射用壓電陶瓷柱(2)利用發射用屏蔽引線(4)接信號發生器(8)，產生超聲波，另一端的接收用壓電陶瓷柱(3)利用接收用屏蔽引線(5)接信號接收器(9)，接收超聲波，，依據接收超聲波信號的變化監測鋼筋在混凝土 (10)中的銹蝕情況。
【文檔編號】G01N29/04GK106066364SQ201210155635
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2012年5月19日 公開號201210155635.X, CN 106066364 A, CN 106066364A, CN 201210155635, CN-A-106066364, CN106066364 A, CN106066364A, CN201210155635, CN201210155635.X
【發明人】秦磊, 仲倩倩, 劉昱清, 黃世峰, 程新
【申請人】秦磊