CN109975409A - 基于水泥基压电复合材料的无线声发射传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于水泥基压电复合材料的无线声发射传感器，现有的声发射传感元件采用有线的方式进行信号传输，且需要额外配置采集仪，在大跨桥梁、超高层建筑、大跨建筑结构健康监测的应用中存在布线繁琐，施工难度大，费用大等等局限。在铁路跨线桥的监测应用中也存在诸多限制：铁路跨线桥(高铁线)不允许传感器线路跨越高压线。因此，本发明针对上述不足对水泥基压电声发射传感元件进行无线设计，能进一步扩大该类型传感元件的适用范围并减少施工部署难度和维护成本。本发明是一种基于水泥基压电复合材料的无线声发射传感器，包括传感元件、蓄电池、塑料顶盖、外壳、电路处理模块、无线发射天线。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，涉及一种基于水泥基压电复合材料的无线声发射传感器。
背景技术
混凝土被广泛的应用到道路、桥梁以及国防基础设施建设中。然而，混凝土工程通常服役在复杂的环境中，在混凝土工程服役过程中，往往因环境、荷载以及化学侵蚀等因素，造成混凝土结构被损伤侵蚀，引起混凝土材料产生损伤累积和破坏，严重情况下，甚至会导致灾难性事故的发生，给人们的生命财产安全带来隐患，给社会的稳定发展带来不良影响。因此，采取必要的监测手段对大型混凝土工程结构实施实时在线监测和预警，保障其安全运营显得极为重要。
此外，现有的传感器采用有线的方式进行信号传输，且需另外配置采集仪来采集信号，在大跨桥梁、超高层建筑结构和大跨建筑结构的健康监测***应用中存在布线繁琐，施工难度大，费用大等局限。在铁路跨线桥的监测应用也中存在诸多限制：铁路跨线桥(高铁线)不允许传感器线路跨高压线。
发明内容
本发明的内容针对现有技术中存在的技术问题，重新对水泥基压电声发射传感元件进行设计，能进一步扩大水泥基压电声发射传感元件的适用范围并减少施工部署难度和维护成本。
本发明采用的技术方案如下：
基于水泥基压电复合材料的无线声发射传感器，包括塑料顶盖、电源、固定支架、传感元件、传感器匹配层、固定螺孔、无线传输天线和外壳；
所述端盖设置在外壳的顶部，所述的端盖和外壳组合在一起形成传感器的壳体，所述的固定支架设置在端盖的下方与端盖相连，所述固定支架上设有卡口，电路板卡接在固定支架上，电源固定于塑料顶盖底部方和固定支架之间，用于为电路板供电；所述的传感元件为水泥基声发射传感元件，其设置在外壳底部上方，传感器元件与外壳底部之间设置传感器匹配层，所述的传感器匹配层起到保护传感元件以及声波透射作用；所述的所述外壳一侧安装有无线传输天线,用于无线信号传输。
作为进一步的技术方案，所述外壳底部设有四个固定螺孔，该螺栓孔用于实现整个无线传感器的安装。
作为进一步的技术方案，所述的电路板组件包含电源转换模块、A/D转换芯片、无线传输模块和微处理器；所述的电源转换模块用于将外部电源转换成微处理器、A/D转换芯片、无线传输模块所需要的电压，所述的传感元件与所述A/D转换芯片相连，所述的A/D转换芯片与微处理器相连，所述的微处理器通过无线传输模块将信号发出。
作为进一步的技术方案，所述水泥基声发射传感元件的材质为1-3型水泥/聚合物基压电复合材料，所述1-3型水泥/聚合物基压电复合材料以聚合物和水泥的混合物为基体，以压电陶瓷为功能体。
作为进一步的技术方案，所述传感器匹配层起到保护传感元件以及声波透射作用，其特征在于所述匹配层材料由质量比为1：2.5-4的水泥和氮化硅混合构成，匹配性能良好，能有效提高声波能量的透射效率，拓宽传感器的工作带宽，提高传感器的灵敏度。
本发明的有益效果如下：
与现有产品相比，本发明增加了数据处理功能、数据存储功能、数据无线传输功能，将水泥基压电声发射传感元件集成为一个完整的MEMS***。数据分析结果可由电脑端直接无线接收，且无需再额外配置采集仪采集信号。使该发明能够方便的应用于桥梁结构、高层建筑结构等重要、大型土木工程。
本发明中水泥基压电声发射传感器采用了无线通讯的方式，减少传感器安装布置难度，免除走线，极大方便了施工，降低了利用声发射传感器监测的整体成本；能进一步扩大水泥基压电声发射传感器的适用范围并减少施工部署难度和维护成本。
本发明的固定支架可连同塑料顶盖可以拆卸，其优势在于方便对电路板组件的拆装与检修。
本发明中所述传感元件采用水泥基声发射传感元件，其优势在于水泥基压电材料可有效地解决传统智能材料与混凝土结构材料的相容性问题；它不但具有感知功能,而且还具有驱动功能,非常适宜于监测混凝土的损伤、变形、内部应力和应变分布等情况。
本发明中的传感器匹配层起到保护传感元件以及声波透射作用，匹配层材料由质量比为1：2.5-4的水泥和氮化硅混合构成，匹配性能良好，能有效提高声波能量的透射效率，拓宽传感器的工作带宽，提高传感器的灵敏度。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明水泥基无线传感器的整体结构主视图。
图2为本发明水泥基无线传感器的整体结构俯视图。
图3为本发明水泥基无线传感器传感元件结构示意图。
图4为本发明水泥基无线传感器电路板组件结构示意图。
图5为本发明总体设计的原理图。
图中：1塑料顶盖、2蓄电池、3电路板组件，31电源转换模块、32A/D转换芯片、33无线传输模块、34微处理器、4固定支架、5传感元件，52压电陶瓷、51水泥基复合材料、6传感器匹配层、7固定螺孔、8无线传输天线、9不锈钢外壳。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在不足，为了保障混凝土工程安全，本发明利用声发射传感器监测混凝土裂缝，声发射传感器即为其中一种声学传感器，其主要是由传感元件、匹配层、背衬层、外壳、导线等组成。声发射传感器是利用了压电陶瓷的纵向振动模，压电陶瓷的电学性能影响压电传感器的传感性能。当声波到达传感器时，匹配层起到保护传感元件以及声波透射作用，合适的匹配层能够提高声波投射系数，提高传感器的灵敏度。由于正压电效应，声波作用于传感器时，声波透过匹配层作用于压电陶瓷使其振动产生电荷，通过导线将电荷信号输出至采集仪得到记录和分析，并能对混凝土的损伤、变形、内部应力和应变分布等情况等进行监控分析。
水泥基压电复合材料以水泥作为压电复合材料的基体,其主体材料与混凝土母体材料具有最大程度的相似性,可有效地解决传统智能材料与混凝土结构材料的相容性问题；它不但具有感知功能,而且还具有驱动功能,非常适宜于监测混凝土的损伤、变形、内部应力和应变分布等情况。
本申请基于上述技术提出了一种基于水泥基压电复合材料的无线声发射传感器；参考图1和图2，本发明实施例中，基于水泥基压电复合材料的无线声发射传感器包括塑料顶盖1、蓄电池2、电路板组件3、固定支架4、传感元件5、传感器匹配层6、固定螺孔7、无线传输天线8、不锈钢外壳9；所述塑料端盖1设置在不锈钢外壳9的顶部，两者之间通过螺钉可拆卸式连接；方便对电路板组件的拆装与检修。
所述的塑料端盖1和不锈钢外壳9组合在一起形成传感器的壳体，所述的固定支架设4置在塑料端盖1的下方与塑料端盖1相连，所述固定支架4上设有卡口，电路板组件3卡接在固定支架4上，蓄电池2固定于塑料顶盖底部方和固定支架之间，用于为电路板供电；所述的传感元件5为水泥基声发射传感元件，其设置在外壳底部上方，传感器元件5与不锈钢外壳9底部之间设置传感器匹配层6，所述的传感器匹配层6起到保护传感元件以及声波透射作用；所述的所述外壳一侧安装有无线传输天线8,用于无线信号传输。
无线传感器总体设计方案如图5所示，所述的电路板组件3包含电源转换模块31、A/D转换芯片32、无线传输模块33和微处理器34；所述的电源转换模块用于将外部电源转换成微处理器、A/D转换芯片、无线传输模块所需要的电压，所述的传感元件与所述A/D转换芯片相连，所述的A/D转换芯片与微处理器相连，所述的微处理器通过无线传输模块将信号发出。
传感元件5将电信号经A/D转换芯片32转换后送至微处理器34，经由无线传输模块33发至接收端；微处理器34对数据进行存储及处理；
塑料顶盖1下方设有可连同塑料顶盖拆卸的固定支架4；固定支架上4上固定有蓄电池2和电路板组件3，不锈钢外壳9底部设有固定螺孔7；安装时需将螺丝穿过固定螺孔7固定在待安装构件表面，匹配层6将夹于传感元件与构件表面之间；匹配层起到保护传感元件以及声波透射作用；无线传输天线9固定于主题外壳一侧用于无线信号传输。
传感元件5为水泥基声发射传感元件，水泥基声发射传感元件的材质为1-3型水泥/聚合物基压电复合材料，所述1-3型水泥/聚合物基压电复合材料以聚合物和水泥的混合物为基体，以压电陶瓷52为功能体；压电陶瓷52设置多个，具体的参见图3。
所述传感器匹配层起到保护传感元件以及声波透射作用，其特征在于所述匹配层材料由质量比为1：2.5-4的水泥和氮化硅混合构成，匹配性能良好，能有效提高声波能量的透射效率，拓宽传感器的工作带宽，提高传感器的灵敏度。
工作原理：在使用无线传感器的过程中，声波透过匹配层作用于传感元件内的压电陶瓷使其振动产生电信号，通过导线将电信号输出至微处理器进行初步数据处理后传输至微处理器进行本地存储，同时，将数据通过无线传输模块经由天线发送至接收端(电脑)。位于固定支架下方的电路板组件与电池模块可连同塑料顶盖一同拆卸便于检修和维护。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都在本发明要求的保护范围内。本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (6)
1.基于水泥基压电复合材料的无线声发射传感器，其特征在于，包括塑料顶盖、电源、固定支架、传感元件、传感器匹配层、固定螺孔、无线传输天线和外壳；
所述端盖设置在外壳的顶部，所述的端盖和外壳组合在一起形成传感器的壳体，所述的固定支架设置在端盖的下方与端盖相连，所述固定支架上设有卡口，电路板卡接在固定支架上，电源固定于塑料顶盖底部方和固定支架之间，用于为电路板供电；所述的传感元件为水泥基声发射传感元件，其设置在外壳底部上方，传感器元件与外壳底部之间设置传感器匹配层，所述的传感器匹配层起到保护传感元件以及声波透射作用；所述的所述外壳一侧安装有无线传输天线,用于无线信号传输。
2.如权利要求1所述的基于水泥基压电复合材料的无线声发射传感器，其特征在于，所述外壳底部设有四个固定螺孔，该螺栓孔用于实现整个无线传感器的安装。
3.如权利要求1所述的基于水泥基压电复合材料的无线声发射传感器，其特征在于，所述的电路板组件包含电源转换模块、A/D转换芯片、无线传输模块和微处理器；所述的电源转换模块用于将外部电源转换成微处理器、A/D转换芯片、无线传输模块所需要的电压，所述的传感元件与所述A/D转换芯片相连，所述的A/D转换芯片与微处理器相连，所述的微处理器通过无线传输模块将信号发出。
4.如权利要求1所述的基于水泥基压电复合材料的无线声发射传感器，其特征在于，所述水泥基声发射传感元件的材质为1-3型水泥/聚合物基压电复合材料，所述1-3型水泥/聚合物基压电复合材料以聚合物和水泥的混合物为基体，以压电陶瓷为功能体。
5.如权利要求1所述的基于水泥基压电复合材料的无线声发射传感器，其特征在于，所述传感器匹配层材料由质量比为1：2.5-4的水泥和氮化硅混合构成。
6.如权利要求1所述的基于水泥基压电复合材料的无线声发射传感器，其特征在于，所述的端盖通过螺栓固定在外壳的顶部。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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