一种前放集成声发射传感器及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于传感技术领域，涉及一种声发射传感器，具体涉及一种前放集成声发 射传感器及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 土木工程领域的众多混凝土结构一旦建成投入使用，其服役年限长达数十年甚至 上百年，例如桥梁、大坝、高层建筑等，而这些混凝土结构一旦出现损伤破坏，其后果不堪设 想，因此对混凝土结构进行实时在线健康监测以及寿命评估得到了人们的广泛关注，而水 泥基压电传感器在混凝土结构健康监测中得到了广泛的应用，在传感器长期服役过程中， 其与前置电荷放大器之间一般都是通过同轴屏蔽导线以及BNC接头相互连接，这种方法虽 然可以使采集到的信号得到放大并且传输，但是随着监测时间的不断延长，前置电荷放大 器与BNC接头的连接处会出现接触不佳或生锈现象，同时同轴屏蔽导线也会出现老化等现 象导致信号不能正常传输，尤其对一些服役在高温、高压、潮湿等特殊环境的传感器，同轴 屏蔽导线的使用寿命一般不能满足其服役时间，导致传感器的使用寿命达不到预期的使用 年限。对于高铁桥梁、高层建筑物、大体积混凝土等特殊环境下的混凝土结构，由于其特殊 性导致前置电荷放大器与传感器的距离较远，引起信号衰减过大，影响监测结果的准确性。
【发明内容】
[0003] 本发明针对上述不足，提供了一种声发射传感器，将前置电荷放大器与水泥基压 电传感器进行了集成，本发明中简称前放集成声发射传感器，具有抗干扰能力强、灵敏度及 信噪比高等优点，并且解决了导线接头引起的接触不良或生锈等问题。
[0004] 同时，本发明还提供了该前放集成声发射传感器的制备方法，该方法步骤简单，易 于操作。
[0005] 为了实现上述发明目的，本发明具体技术方案如下： 一种前放集成声发射传感器，其特征在于：包括前置电荷放大器、梯度材料封装层、水 泥基压电传感器和集成封装层，所述前置电荷放大器由梯度材料封装层封装；所述梯度材 料封装层由内至外依次包括第一、二、三梯度材料封装层；所述前置电荷放大器的输入端和 输出端分别连接有输入和输出导线，前置电荷放大器置于水泥基压电传感器的一端，水泥 基压电传感器的正负极与前置电荷放大器输入端正负极通过导线相连接；所述前置电荷放 大器和水泥基压电传感器外面表面包覆通过整体浇注形成的集成封装层。
[0006] 所述的第一梯度材料封装层材料为环氧树脂和普通硅酸盐水泥； 所述的第二梯度材料封装层材料为环氧树脂、普通硅酸盐水泥和碳纳米管； 所述的第三梯度材料封装层材料为环氧树脂、普通硅酸盐水泥、分散剂、碳纳米管和铁 氧体； 所述的集成封装层材料为环氧树脂、普通硅酸盐水泥和钨粉。
[0007] 所述的水泥基压电传感器已经于2014年7月8日申请了专利并已授权，申请号为 201410322450. 2,属于现有技术，本发明水泥基压电传感器与专利201410322450. 2中的压 电传感器结构和组成完全一致，按上述专利中所述的制备方法制备即可。
[0008] 2、上述前放集成声发射传感器的制备方法，包括以下步骤： 1) 将前置电荷电荷放大器固定在模具中，引出前置电荷放大器的输出与输入导线；将 环氧树脂与普通硅酸盐水泥混合，充分搅拌均匀，浇注于模具内，固化脱模，在前置电荷放 大器外表面形成第一梯度材料封装层； 2) 将步骤1)中得到的前置电荷放大器固定在模具中；将环氧树脂和普通硅酸盐水泥 混合，搅拌均勾后，加入分散剂，搅拌lmin，再加入碳纳米管继续搅拌3min，然后在20°C、 90W的条件下超声分散5min，浇注于模具内，固化脱模，在前置电荷放大器第一梯度材料封 装层的外表面形成第二梯度材料封装层； 3) 将步骤2)制备的前置电荷放大器固定在模具中，将环氧树脂、普通硅酸盐水泥、分散 剂和碳纳米管混合，然后加入铁氧体，搅拌5min，再超声分散lOmin，饶注于模具内，60°C固 化，脱模，在前置电荷放大器第二梯度材料封装层的外表面形成第三梯度材料封装层； 4) 制备水泥基压电传感器，将水泥基压电传感器的输出端与步骤3)制备的前置电荷放 大器的输入端导线连接，然后将传感器和前置电荷放大器固定在模具中，将环氧树脂、普通 硅酸盐水泥和钨粉混合，充分搅拌均匀，抽真空至没有气泡，浇注到模具中，固化脱模，在水 泥基压电传感器和前置电荷放大器第三梯度材料封装层的外表面形成集成封装层，即得到 前放集成声发射传感器。
[0009] 所述的，步骤1)中，环氧树脂与普通硅酸盐水泥质量比为1:0. 5-3,优选1:1。
[0010] 所述的，步骤1)中，第一梯度材料封装层厚度为5mm。
[0011] 所述的，步骤2)中，环氧树脂、普通硅酸盐水泥和分散剂的质量比为 1:1:0. 05-0.1〇
[0012] 所述的，步骤2)中，碳纳米管掺加量为普通硅酸盐水泥质量的0. 4%-0. 6%，优选 0. 50%〇
[0013] 所述的，步骤2)中，碳纳米管碳纳米管长度5-15μπκ直径20-40nm、比表面积 90-120m2/g。
[0014] 所述的，步骤2)中，第二梯度材料封装层厚度为5mm。
[0015] 所述的，步骤3)中，环氧树脂、普通硅酸盐水泥、分散剂和碳纳米管混合方法同步 骤2);铁氧体用量为普通硅酸盐水泥质量的8%-12%，优选10%。
[0016] 所述的，步骤3)中，铁氧体为FP型、形状为尖晶石状、平均粒径为17.6 μπι。
[0017] 所述的，步骤3)中，第三梯度材料封装层厚度为5mm。
[0018] 所述的，步骤4)中，环氧树脂、普通硅酸盐水泥和钨粉质量比为1:1:3-5。
[0019] 所述的，步骤4)中，集成封装层厚度为8-10_。
[0020] 本发明一种前放集成声发射传感器，其有益效果为：将前置电荷放大器与水泥基 压电传感器进行了集成，通过梯度材料对前置电荷放大电路进行封装，解决了电荷放大电 路对传感元件的电磁干扰以及电磁对电荷放大器的干扰。大大提高了传感器的抗干扰能 力，提高了传感器的灵敏度，以及信噪比。解决了导线接头引起的接触不良或生锈等问题， 减少了导线传输造成的信号的衰减以及传输干扰，确保了信号的真实性；同时在实际的工 程应用中，减少了传感器、前置电荷放大器施工的工作量，也避免了由于前置电荷放大器安 装存在的安全隐患，大大提高了传感器长期服役过程中使用寿命。
【附图说明】
[0021] 图1为本发明实施例1制备的前放集成声发射传感器结构示意图； 图2为5%碳纳米管掺加梯度材料封装层吸波系数； 图3为10%铁氧体掺加梯度材料封装层吸波系数； 图4为前放集成声发射传感器标定曲线； 图中：1、前置电荷放大器，2、集成封装层，3、第一梯度材料封装层，4、第二梯度材料 封装层，5、第三梯度材料封装层，6、输入端，7、输出端，8、输入导线，9、输出导线，10、导线， 11、传感元件，12、匹配层，13、背衬层。
【具体实施方式】
[0022] 下面通过附图及具体实施例对本发明进行进一步说明，下述说明仅是为了解释本 发明的优点和技术方案，并不对其内容进行限定。
[0023] 实施例1 一种前放集成声发射传感器，包括前置电荷放大器1、梯度材料封装层、水泥基压电传 感器和集成封装层2,前置电荷放大器1由梯度材料封装层封装；梯度材料封装层由内至外 依次包括第一、二、三梯度材料封装层3、4和5 ;前置电荷放大器1的输入端6和输出端7分 别连接有输入和输出导线8和9,前置电荷放大器1置于水泥基压电传感器的一端，水泥基 压电传感器的正负极与前置电荷放大器输入端正负极通过导线10相连接；前置电荷放大 器和水泥基压电传感器外面表面包覆通过整体浇注形成集成封装层2,结构如图1所示。
[0024] 其中，水泥基压电传感器：水泥基压电传感器：包括传感元件11、匹配层12和背衬 层13,所述传感元件11为1-3型压电复合材料，传感元件11的上、下表面均镀有电极，在传 感元件11的一个侧面的下部也镀有电极，位于侧面的电极与下表面的电极接触良好，与上 表面的电极不接触；所述传感元件11的上表面电极和侧面电极上均焊接有导线10 ;所述匹 配层与传感元件的下表面紧密连接，匹配层由质量比为1:2. 5~4的水泥和氮化硅经压制 成型法压制成型；所述封装层与传感元件的其他面紧密连接，封装层为质量比为1: 1:1. 5 的环氧树脂、水泥和钨粉的混合物。结构和组成与专利201410322450. 2中的压电传感器一 致，按专利中所述的制备方法制备即可。
[0025] 上述前放集成声发射传感器的制备方法，包括以下步骤： 1) 将前置电荷电荷放大器固定在模具中，引出前置电荷放大器的输出与输入导线；将 质量比为1:1的环氧树脂与普通硅酸盐水泥混合，充分搅拌均匀，浇注于模具内，固化脱 模，在前置电荷放大器外表面形成第一梯度材料封装层，厚度为5mm ; 2) 将步骤1)中得到的前置电荷放大器固定在模具中；将环氧树脂和普通硅酸盐 水泥混合，搅拌均匀后，加入分散剂，环氧树脂、普通硅酸盐水泥和分散剂的质量比为 1:1:0. 05-0. 1，磁力搅拌器上机械搅拌lmin，再加入普通娃酸盐水泥质量0. 50%的碳纳米 管，继续搅拌3min，然后在20°C、90W的条件下超声分散5min，饶注于模具内，固化脱模，在 前置电荷放大器第一梯度材料封装层的外表面形成厚度为5mm的第二梯度材料封装层；加 入的碳纳米管长度5-15 μ m、直径20-40nm、比表面积90-120m2/g ; 3) 将步骤2)制备的前置电荷放大器固定在模具中，将环氧树脂、普通硅酸盐水泥、分散 剂和碳纳米管混合，然后加入普通娃酸盐水泥质量10%的铁氧体，机械搅拌5min，再超声分 散lOmin，浇注于模具内，60°C固化，脱模，在前置电荷放大器第二梯度材料封装层的外表面 形成厚度为5_的第三梯度材料封装层；环氧树脂、普通硅酸盐水泥、分散剂和碳纳米管混 合方法同步骤2);铁氧体为FP型、形状为尖晶石状、平均粒径为17. 6 μ