背衬对埋人混凝土中压电陶瓷电一声特性的影响.pdf

第2 5卷 第 1 期 2 0 1 2年 1月 传 感 技 术 学 报 C HI N E S E J OU R NAL O F S E NS OR S A ND A CT UA T OR S Vo 1 2 5 No 1 J a n 2 0 1 2 Re s e a r c h o n t h e I n flu e nc e o f t h e Ba c k i n g t o t h e El e c t r i c i t y Ac o u s t i c Ch a r a c t e r i s t i c s o f t h e Pi e z 0 e l e c t r i c Ce r a mi c Emb e d d e d i n Co n c r e t e L Pe n gc h e n g， CHEN ， T AN Bi n， C HEN Ha o ( E l e c t r o n i c s a n d I n f o r ma t i o n E n g i n e e r i n g， S i c h u a n U n i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 0 6 5 ) Abs t r a c t ： Co n v e n t i o n a l u l t r a s o n i c p u l s e me t h o d c a n n o t p r o c e s s r e a l t i me h e a l t h mo n i t o rin g t o t h e c o n c r e t e q u a l i t y， i n s t e a d p i e z o e l e c t ric e mb e d d e d c o n c r e t e a l e r t mo d u l e t h a t e mb e d d e d t h e p i e z o e l e c t r i c c e r a mi c i n c o n c r e t e， c a n a c h i e v e t h e o n l i n e mo n i t o rin g o n c o n c r e t e s t r uc t u r e s B u t be c a u s e t h e e l e c t ric a c o u s t i c p e r f o r ma n c e wa s s e v e r e l y a f f e c t e d aft e r t h e p i e z o e l e c t ric c e r a mi c e mb e d d e d i n c o n c r e t e， i n c l u d i n g we a k e n e r g y o f a c o u s t i c s i g n a l wh i c h c a n be s t i mu l a t e d， l o w S NR， i t i s d i f fi c u l t t o a p p l y t o t h e o c c a s i o n s w h i c h h a s s t r o n g n o i s e a n d t h i c k s t ruc t u r e t o b e d e t e c t e d T o s o l v e t h i s p r o b l e m ， me t h o d s t ha t c o mb i n e d me t al b a c k i n g u p o n t he p i e z o e l e c t r i c c e r a mi c e mb e d d e d i n c o n c r e t e t o i mp r o v e e n e r gy e ffic i e n c y a n d s o u n d d i r e c t i v i t y i s p r o p o s e d T i me d o ma i n a n d f r e q u e n c y do ma i n c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e r e c e i v e d s i g n a l u n d e r t he c o n d i t i o ns d i f f e r e n t o f b a c k i n g t h i c k n e s s a n d d i f f e r e n t e x c i t a t i o n f r e q u e n c y a r e a n a l y z e d Th e r e s ul t s s h o w t h a t ， aft e r p r o c e s s i n g o f me t a l b a c k i n g t h e e n e r gy o f u l t r a s o un d s i g n a l i n c r e a s e s 26 t i me s ， a n d t h i s me t h o d d o e s n o t aff e c t wa v e f o rm a n d fre q ue n c y c o mp o n e n t s o f t h e u l t r a s o n i c s i g n al wi t h h i g h f e a s i b i l i t y Ke y wo r d s： u l t r a s o n i c t e s t i n g； c o n c r e t e； p i e z o e l e c t ric s u b me r g e d； me t a l b a c k i n g； e n e r gy E E AC C： 2 8 6 0 ； 7 2 3 0 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 2 0 1 0 0 9 背衬对埋人混凝土 中压 电陶瓷 电一 声特性 的影 响 李鹏程 ， 陈 雨 ， 谭 斌 ， 陈 浩 ( 13 J l 大学电子信息学院， 成都 6 1 0 0 6 5 ) 摘 要 ： 传统超声脉冲法不能对混凝土质量进行实时健康监测， 将压电陶瓷埋入混凝土中构成的压电埋入式混凝土机敏模 块能够进行混凝土结构的在线监测 ， 但由于压电陶瓷在埋入混凝土后其电一 声性能受到较大影响， 能够激励的声信号能量弱、 信噪比低， 很难应用于噪声干扰强、 待检测结构厚的场合。针对这一问题， 提出了通过在埋入混凝土中的压电陶瓷上层合金 属背衬的方法， 提高声能的利用率和指向性。分析了在不同背衬厚度和不同激励频率条件下接收信号的时、 频域特征。结果 表明， 经过层合金属背衬处理后的超声信号的能量提高了26 倍 ， 且这种方法并没有影响超声检测信号的波形及频率成分 ， 具有较高的可行性。 关键词 ： 超声检测； 混凝土； 压电埋入式； 金属背衬； 能量 中图分类号 ： 0 3 4 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 4 1 6 9 9 ( 2 0 1 2 ) 0 1 0 0 4 4 0 5 混凝土结构内部可能出现 的不密实、 裂缝及空 洞区往往会影响结构的承载力和耐久性而造成不 同 程度的事故 ， 所以需要对混凝土结构进行无损检测 以监测其健康状况。超声 脉冲法具 有 良好方 向 性与几何特性， 而且检测灵敏度高 ， 在工程 中得到了 广泛的应用 2 - 4 。但是 ， 这种方法不能对混凝土结 构健康状况进行在线监测， 难以承担大型建筑设施 长期安全监测 的重 任_ 5 j 。为实现混凝 土结 构的实 时超声无损监测， 文玉梅等提出了一种将压 电材料 埋入混凝土中以实现对混凝土健康状况进行实时监 测的方法l 6 。陈雨等研究 了埋人 条件 下压电元件 在应力和温度作用下其耗散因子 、 损失特性的变化， 制作了压电埋人式混凝土机敏模块r 。该模块可 以实现对混凝土结构应力和温度的实时监测 。但该 项目来源： 国家自然科学基金项 目( 5 0 8 0 8 1 8 6 ) ； 重庆市自然科学基金项 目( C S T C， 2 0 0 8 B B 0 1 5 5 ) 收稿 日期 ： 2 0 1 1 0 7 0 3 修改 日期 ： 2 0 1 1 1 0 2 6 第 1期 李鹏程 ， 陈 雨等 ： 背衬对埋入混凝土中压电陶瓷 电一 声特性的影响4 5 方法通过检测埋入混凝土中压 电元件的等效参数对 应力和温度进行反推 是一种被动检测 无法实现对 混凝土 内部缺陷的主动检测。 压 电陶瓷具有逆压 电效应 ， 所 以通过激励埋入 混凝土中的压电元件产生声波并通过压电换能器接 收声信号可以实现对声波传播路径上混凝土内部缺 陷的检测 。但是 ， 埋人过程中， 压电陶瓷在混凝土干 缩应力的作用下 ， 其 电一 声转换能性能降低 ， 使产生 的声信号能量减小。声信号还会在混凝土内部传播 过程中进一步衰减 ， 使接受到的声信号信噪比降低 ， 增加混凝土缺陷检测的误差 。文献 1 0 对埋入条 件下 的压电陶瓷圆片振 动模态进行 了仿真研究 ， 研 究表 明， 薄圆片压电陶瓷厚度振动模态下声场关于 中心圆面对称分布， 而声波则沿轴向相反方向传播。 根据埋人混凝土中圆片形压 电陶瓷厚度振动模态下 声信号关于圆面对称的特性 ， 本文利用声波 的反射 和透 射 特 性 ， 在埋 人 混 凝 土 中的 P Z T压 电 陶瓷 ( P Z T 5 H铌镁锆钛 酸铅三元系压 电陶瓷) 一侧层合 一 定厚度的金属背衬 ， 制成 了层合金属背衬 的压电 埋入式混凝土机敏模块 。分析了接收信号的能量和 时、 频域特性 。分析结果表明 特定厚度 的背衬能改 善 电一 声特性产生 的声信号指 向性 ， 增强接 收信 号 的能量提高其信噪比； 可使接收信 号能量增幅最大 的背衬最佳厚度同激励的声信号频率有关。 1 声压反射率 声波在传播的过程中遇到由声阻抗不同的介质 构成的界面时， 会产生反射现象。埋入混凝土中的 P Z T压电陶瓷特性受到混凝 土复杂力学环境 的影 响。实验表明， 压电陶瓷 圆片厚度振动模态下产生 的声波主要沿轴向往相反方 向传播 ， 在压电陶瓷一 侧设计适当的背衬可以将一侧的声波部分反射到另 一 侧 ， 从而提高声波指 向性 ， 增加单侧声波 的能量。 图 1为埋人混凝土中压电陶瓷背衬对声波反射的示 意图， ( a ) 是层合金属背衬后 的压 电陶瓷模块示 意 图， ( b ) 压电陶瓷单侧声波被背衬反射的示意图( 压 电陶瓷 同背衬间的间隔被夸大画出) 。 固 日 ( a ) 层合金属背衬的 ( b ) 内部反射过程放大 压电陶瓷模块 示意图 图 1 金属背衬反射声波示意图 根据文献 1 1 的双界面反射公式以及在第一、 三介质 中有第二介质层这一情况 的反射公式 ， 考虑 到本研究中混凝土、 压电陶瓷及金属背衬所形成的 多介质单元 的具体情况 ， 得到求解声波反射率的修 正式( 1 ) 。 P r R Z 1 一 22) s i n 2 仃( 一 ) 其 中 尺为声压反射率 ， P 为入射波的声压 ， P 为反 射波的声压 ， z 为 P Z T压电陶瓷声阻抗 ， 为金属 背衬声阻抗 ， 为混凝土声 阻抗 ， d为金属背衬厚 度 ， A= c f为声波在金属背衬 中的波长 C为声波在 金属背衬 中波速 ， 厂 为频率。 层合金属背衬的压电埋入式混凝土机敏模块选 用的 P Z T 5 H铌镁锆钛酸铅三元系压电陶瓷声 阻抗 为 5 9 x l O g n ( c m s ) 。水泥砂浆的抗压等级 M1 0 ， 声阻抗为 6 3 4 1 0 g ( a m s ) 。金属背衬为直径 2 5 c m， 厚 1 2 m l n的合金金属圆片 ， 主要成分为铅、 铝、 镍 ， 声阻抗为4 3 x l O g n ( c m s ) ， 声波在构成金 属背衬的金属圆片中的传播速度为 4 5 0 0 m s 为了 研究一定频率下不同厚度的金属背衬与声压反射率 的关系 ， 利用式( 1 ) 对 P Z T S H压电陶瓷的谐振频率 7 9 k H z ( 压电陶瓷 的谐振频率不会 因为埋人而发生变 化 1 。 。 ) 以及非谐振频率 4 7 8 k H z 进行仿真 图2为根 据式( 1 ) 得到的不同厚度的金属背衬与声压反射率 的关系。当激励频率为 7 9 k H z 时 ， 最大反射率对应 的背衬厚度为2 2 7 m m。当频率为 4 7 8 k H z 时 最大 反射率对应的背衬厚度为 2 1 1 mm 褂 虹 斛 甚 恤 金属背衬厚度 mm 金属背衬厚度 n u n ( a ) 激励频 率为7 9 k H z f b ) 激励频率为4 7 8 k H z 图2 不同厚度的金属背衬与声压反射率的关系 2 压 电埋入式混凝土模块 设计 。 使用起声阻抗 匹配作用 的硅橡胶 ( 单组份室温 量 耋 譬 硫化硅橡胶) 将一片至数片金属圆片与压电陶瓷层合 圈 r - - 1鎏 圭 至一起， 可构成不同厚度的金属背衬。另外， 压电陶 圜 蓊 霉 蓍 篙 翥 毫 嘉 冀 鐾 保护、 绝缘和防腐蚀的作用 。图 3 为覆盖橡胶层 的 P Z T压电陶瓷及实验中所用到的金属背衬。 46 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 rn 第 2 5卷 图 3 覆盖橡胶层的 P Z T压电陶瓷及金属 背衬 实验所用水泥强度 等级 为 3 2 5 R， 水泥砂浆 的 抗压等级为 M1 0 ， 混凝土抗压模规格为 1 0 0 mmx 1 0 0 m mx 1 0 0 mm。层合金属背衬的压 电埋入式混凝土 机敏模块超声无损检测系统的工作示意图及制作好 的层合金属背衬的压电埋人式混凝土机敏模块如图 4所示。由信号发生器发出的频率范围为 2 0 k H z 2 5 0 k H z的正弦脉冲信号驱动混凝土模块中的压电 陶瓷发出超声波l l 。超声波通 过混凝土后携带 了 混凝土的信息 ， 使用 3号通用锂基脂作为耦合剂 ， 由 外部的接收换能器接收携带 混凝 土信息的超声信 号 ， 并将信号传人示波器进行分析。 _ ( a ) 系统 的工作不意 图 ( b ) 机敏模块实物图 图 4 系统的工作示意图及 实物 图 文献 1 0 对埋人状态下的压电陶瓷谐振频率 的研究表明： 压 电陶瓷在埋人状态下谐振频率不发 生改变。所 以选取 P Z T 5 H的谐振频率 7 9 k Hz 以及 以另一可使压电陶瓷产生较大能量 的参考频率作为 激励频率 。通过信号发生器扫频得到参考频率的值 为 4 7 8 k H z 。所以 对层合金属背衬 的压 电埋人式 混凝土机敏模块 的研究主要 围绕这两个频率点进 行 。图 5为扫频后各频率点对应的峰峰值曲线图。 姜 频 率 Hz 图 5 各频率对应峰 峰值曲线 为研究不同厚度金属背衬在不同频率的激励信 号下的声指 向性 ， 针对两种激励频率下的最优厚度 ， 分别设计了 0 3块金属圆片作为金属背衬 的四组 P Z T压电陶瓷模块 ， 其 中 1块及 3块金属 背衬 为对 应最优厚度 2块金属背衬 的对 照组 。其剖面 图如 图 6 ( a ) 6 ( d ) 所示 。 ( a ) 零块金 ( b ) 一块金 ( c ) 三块金 ( d ) 四块金 属圆片 属 圆片 属圆片 属 圆片 口硅胶层 口压电陶瓷 曩金属圆片 图 6层 合 金 属 背 衬 的 P Z T压 电陶 瓷模 块剖 面 图 由于埋人混凝 土中 的压 电陶瓷模块 为图 6所 示 的复合 结构 ， 不能确定 该复合 结构是 否会影 响 压 电陶瓷 的谐振频 率 ， 所 以对层 合不 同厚度金 属 背衬的压 电埋人式 混凝土机 敏模块 进行 扫频 得 到不同背衬厚度条件下各频率对应峰峰值 曲线 如 图 7所示 童 图7不 同背衬厚度条件下各频率对应峰峰值 曲线 由图 7可 以看 出 层合不同厚度的金属背衬并 没有改变压电陶瓷 的谐振频率 ， 各压 电陶瓷模块 的 峰峰值在参考频率点处均取得 了较大的值 ， 所以层 合背衬后并没有改变压 电陶瓷 的频率特性 。 可以对 压电埋入式混凝土机敏模块在谐 振频率点 7 9 k H z 和参考频率点 4 7 8 k H z 处进行分析研究 。 3 信 号时域 图及幅度谱分析 分别对 2 8 d的层合 四种不同厚度金属背衬 的 水泥砂浆试模在 7 9 k H z 、 4 8 k H z 两种激励频率下进 行实验 并利用信号时域图及幅度谱对实验数据进 行信号能量 、 波形及频率成分三方面进行分析 ， 以确 定在压 电埋人式混凝土机敏模块中层合金属背衬对 检测信号能量及频率等参数 的影 响。图 8 、 图 9为 不同金属背衬厚度的机 敏模块 分别在激励频率 为 7 9 k Hz 、 4 7 8 k Hz 条件下的超声无损检测接收信号 的归一化信号时域 图及幅度谱 ， 其中用于频谱分析 的数据长度为 6 0 0 0点 ， 采样频率为 5 MH z 。 第 1期 李鹏程 ， 陈 雨等 ： 背衬对埋入混凝土中压电陶瓷电一 声特性的影响 4 7 茬 a o 一 1 蔷 1 萋 -0 1 0 1 蔷 1 _ 0 7 9 k Hz 信号时域图 一5 4 3 2 1 ( a ) T i me s 1 旷4 5 4 3 2 - 1 0 ( b ) T i me s 1 0 5 4 3 2 - 1 0 ( c ) T i me s 1 0 - 一 4 3 2 1 ( d ) T i me s 1 1 0 0 5 O 1 0 O 5 O 1 O O 5 0 1 0 05 0 7 9 k Hz 幅度谱 2 4 6 8 l 0 ( e ) F r e q u e n c z 1 0 1 4 2 4 6 8 1 0 ( f ) F r e q u e n c z 1 2 4 6 8 1 0 ( g ) F r e q u e n c y Hz 1 O 一 2 4 6 8 1 0 ( h ) F r e q u e n c y Hz 1 0 a ( a ) ( d ) 0 3 块金属圆片作为背衬的信号时域图 ( e ) ( h ) 0 3 块金属圆片作为背衬的幅度谱 图 8 频 率为 7 9 k H z 的接 收信号时域 图及幅度谱 蕹 1 d 0 一1 蔷 1 0 一 1 蔷 1 。 一 1 蔷 - _ 0 4 7 8 k H z 信号时域图 2 0 ( a ) T i me s 2 l 0 5 4 3 2 1 0 ( b ) T j me s 1 0 - 4 2 O ( c ) Z i me s 1 0 - 4 2 0 ( d ) T i me s l O ( a ) ( d ) o 3 块金属圆片作为背衬的信号时域图 1 O 0 5 O 1 0 0 5 0 1 0 O 5 0 O 4 O 2 O 4 7 8 k H z 幅度谱 2 4 6 8 1 O ( e ) F r e q u e n c z 1 O 2 4 6 8 1 O ( f ) F r e q u e n c z l 0 2 4 6 8 t O ( g ) F r c q u e n c y Hz 1 2 4 6 8 l 0 ( h ) F r e q u e n c y Hz 1 0 ( e ) 一 ( h ) O 3 块金属圆片作为背衬 的幅度谱 图9 频 率为 4 7 8 k Hz 的接 收信 号时域 图及 幅度谱 从图 8 、 图 9中的( a )( d ) 可以看 出： 对于相同的激励频率 ， 各混凝土模块的无金属背衬-N对应的接 收信号的波形未发生畸变 、 幅度值明显提升。对( e )( h ) 进行对 比可以看出， 不层合背衬时， 无金属背衬一 侧接收到的超声信号的频率的主要成分分布在激励频率附近一定范围内， 而加入背衬之后 的频率成分并没 有发生改变 ， 主频仍然在 7 9 k H z 和 4 7 8 k Hz 处。这说明层合背衬模块的接收信号频率范围与无 背衬模块 的范围相同 ， 主频未发生频率漂移。为确定能量的具体变化情况 ， 理论计算得到的反射率与实验得到的接收 信号的峰峰值和总能量值如下表 1 所示。 表 1 不同频率、 不同背衬厚度条件下的接收信号幅度峰峰值及总能量值与理论反射率的关系表 匾哩 _【