背衬对埋入混凝土中压电陶瓷激励声能的影响

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发布时间：2021-09-06

资料介绍

Backing for the Influence of the Energy of Acoustic Signal of
the Piezoelectric Sensor Embedded in Concrete
TAN Bin ，CHEN ，HUANG Run ，LI Pengcheng ，CHEN Hao
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s ∞ n Univers
．
ity,Chengdu 610065,
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2 College ofOmo electronicEngineering The LaboratoryforOpto electronic Technology ofMin~try ofEducation，] f．一，研一＆ Ⅲ ，f Chongqing University，Chongqing 400044，China ／
Abstract：The piezoelectric materia1．concrete module iS an intelligent structure of a piezoelectric unit combined with
concrete into which the unit was embedded．Such module can be used to monitor the health of the concrete structure．
In order to enhance the acoustic signal created by the iezoelectric material，a piece of metal backing sticks on the pie—
zoelectric ceramic disc to construct a piezoelectric unit．The method allows the receiver on the axial direction of the
embedded iezoelectric unit received the acoustic signal energy enhanced more than 10 times．We got a curve of the
relative acoustic signal energy increment versus the products of backing metal thickness and the excited acoustic
frequency．From the analysis of the power spectrum of acoustic signal，the thickness of the metal backing does not
make change the peak power frequency and the frequency bandwidth range of the acoustic signal power spectrum．
Key words：concrete；ultrasonic testing；piezoelectric；metal backing；spectrum analysis
EEACC：2860；7810C doi：10．3969／j．issn．1004—1699．2011．12．007
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JII大学电子信息学院，成都610064；、
．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400044)
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1O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：0482．41 文献标识码：A 文章编号：1004—1699(2011)12—1691—05
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Il ]。
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(50808186)；重庆市自然科学基金(CSTC，2008BB0155)
收稿日期：2011—07—22 修改日期：2011—08—25
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传感技术学报
WWW．chinatransducers．com 第24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。
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＼入射波／射波
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2 实验样品和原理
本文研究了与金属背衬层合的PZT5H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 mm，2．4 mm，3．6 ram)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 mm，半径为
12 mm，其结构如图2(a)所示。在压电