用于鋼筋銹蝕監(jiān)測的聲表面波電容傳感器*

朱璽峰， 謝立強(qiáng)， 邢建春， 王添仙

(陸軍工程大學(xué) 國防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

0 引 言

鋼筋銹蝕為當(dāng)今世界上鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)破壞的最主要因素之一[1]，采取有效的手段實(shí)時監(jiān)測混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的鋼筋銹蝕狀況，對提高結(jié)構(gòu)的耐久性和運(yùn)營效率，保障人民生命財產(chǎn)安全，促進(jìn)社會和諧穩(wěn)定具有重大意義。目前鋼筋銹蝕監(jiān)測的非破壞性技術(shù)主要分為物理方法和電化學(xué)方法兩類，物理監(jiān)測方法主要是應(yīng)用于鋼筋銹蝕監(jiān)測的光纖傳感器。文獻(xiàn)[2]基于光時域反射(optical time domain reflectometry,OTDR) 測量原理提出一種光纖腐蝕傳感器，通過測量發(fā)射光的強(qiáng)度來表征鋼筋銹蝕程度；文獻(xiàn)[3]利用布里淵光時域分析技術(shù)開發(fā)分布式光纖應(yīng)變傳感器，通過感測鋼筋銹脹表征鋼筋銹蝕狀況；文獻(xiàn)[4]提出一種光纖Bragg光柵 (fiber Bragg grating,FBG)銹蝕傳感器，通過分析布拉格波長變化表征鋼筋銹蝕狀況。電化學(xué)方法主要有線性極化法[5]、半電池電位法[6]和交流阻抗法[7]等，這些方法可初步判斷鋼筋銹蝕情況。上述2類方法具有各自優(yōu)勢的同時也存在相應(yīng)的缺點(diǎn)。光纖傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、容易破碎，且需電源和電纜操作，布設(shè)困難，維護(hù)不便。電化學(xué)方法雖然可直接監(jiān)測鋼筋銹蝕情況，但不能有效地描述鋼筋受破壞程度，且受環(huán)境影響很大。因此，亟需一種結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、穩(wěn)定性好、成本低、可在線監(jiān)測鋼筋銹蝕程度的方法。

本文采用聲表面波 (surface acoustic wave,SAW)技術(shù)實(shí)現(xiàn)鋼筋銹蝕的在線監(jiān)測，并設(shè)計(jì)了傳感器結(jié)構(gòu)。SAW器件具有結(jié)構(gòu)簡單，可靠性好，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)勢，并可實(shí)現(xiàn)無源工作和無線傳輸，非常適用于土木結(jié)構(gòu)的在線監(jiān)測[8]。本文利用耦合模 (coupling of modes,COM)理論對傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析，利用微機(jī)電系統(tǒng) (micro-electro-mechanical system,MEMS)工藝制作了傳感器樣機(jī)，通過實(shí)驗(yàn)測試，得到了傳感器的初步性能參數(shù)，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和理論分析的正確性。

1 傳感器結(jié)構(gòu)

所設(shè)計(jì)的SAW電容傳感器如圖1所示，由SAW延遲線和平板電容器組成。其中SAW延遲線由壓電基片表面上的兩組梳齒電極組成，分別作為叉指換能器 (inter-digital transducer，IDT)與天線相連，和作為反射柵與平板電容器相連。平板電容器的兩個電極靠近鋼筋的表面，用來監(jiān)測鋼筋銹蝕引起的電容值變化。

圖1 SAW電容傳感器結(jié)構(gòu)示意

傳感器工作時，外部射頻詢問單元發(fā)射的電磁波經(jīng)天線傳遞到IDT，通過逆壓電效應(yīng)，IDT將電信號轉(zhuǎn)換為SAW并沿著壓電基片表面?zhèn)鞑?，遇到反射柵后，受到反射柵的作用，SAW被部分反射回IDT，IDT通過壓電效應(yīng)將反射信號轉(zhuǎn)換成電信號，并經(jīng)天線發(fā)射出去，射頻問詢單元解析回波信號實(shí)現(xiàn)傳感器的無源無線感測功能。鋼筋銹蝕會造成平板電容器間介電常數(shù)和極板間距的變化，導(dǎo)致電容器電容值的變化，從而引起反射柵反射特性的變化，導(dǎo)致傳感器回波信號的變化。因此，通過解析回波信號的振幅、相位信息可表征鋼筋銹蝕狀態(tài)。

2 傳感器的COM表征

COM理論廣泛用于模擬各類SAW器件，分析IDT和反射柵中正、反兩方向傳播的波之間的耦合，其將電極發(fā)射、傳播損耗、分布電容值和波速變化等二階效應(yīng)考慮在內(nèi)，使其分析和模擬結(jié)果更加準(zhǔn)確、有效。本文基于COM理論[9，10]，利用P—矩陣級聯(lián)方法模擬和計(jì)算SAW器件的頻域響應(yīng)特性，并通過傅里葉逆變換獲得時域中反射系數(shù)S11。

SAW延遲線器件中IDT的COM模型如圖2所示，其中V為IDT兩端的激勵電壓，I(x)為IDT坐標(biāo)x處所產(chǎn)生的電流，U+(x)和U-(x)分別為沿IDT正、反兩方向傳播的SAW。IDT的COM控制方程可表示為[11，12]

(1)

式中k和α分別為IDT的反射系數(shù)和換能系數(shù)，Cs為IDT單位換能周期的電極電容值，v和γ分別為SAW的傳播速度和傳播損耗，f0為中心頻率。通過求解式(1)可得到長度為L的IDT的P—矩陣為

(2)

圖2 IDT的COM模型

式中P12和P21為IDT的透射系數(shù)，P11和P22為IDT的反射系數(shù)，P13,P23,P32為IDT電端與左右聲端的傳遞函數(shù)，P33為IDT的輸入導(dǎo)納。

SAW延遲線器件中IDT和反射柵均由COM理論進(jìn)行建模與仿真，而反射柵與平板電容器相連，則外部阻抗負(fù)載的電壓和通過它的電流可表示為V=I×ZL,則可得長度為Lr的反射柵的P—矩陣[13]為

(3)

(4)

式中δ為調(diào)諧參數(shù)，q為波數(shù)。

根據(jù)P11(ZL)可準(zhǔn)確模擬和計(jì)算SAW延遲線器件的頻率響應(yīng)，并通過傅里葉逆變換獲得時域中的反射系數(shù)S11。

本文利用MATLAB軟件對中心頻率為184 MHz的SAW延遲線器件進(jìn)行COM分析和仿真，其中壓電基片采用厚度為500 μm的128°Y-X切向LiNbO3，IDT與反射柵的材料為鋁(Al)，仿真中所用COM參數(shù)如下：中心頻率f0為199 MHz，速度v為3 980 m/s，Al電極厚度為200 nm，Al電極電阻率為27×10-9Ω·m，反射系數(shù)k為-0.018 9，每單位長度電極電容值Cs為9.04×10-12F/cm，機(jī)電耦合系數(shù)K2為5.5 %，每單位長度傳播損耗γ為2.5×10-4dB/μm,IDT與反射柵間的距離L為4 mm。

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)則確定了IDT與反射柵的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)：叉指寬度為5 μm，叉指對數(shù)為20，孔徑長度為4 mm。SAW延遲線器件的頻域與時域仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 COM仿真結(jié)果

3 傳感器制作

基于COM理論分析結(jié)果，本文試制了184 MHz的SAW延遲線器件和平板電容器。對于SAW延遲線器件的制作，其工藝流程如圖4所示。

圖4 Lift-Off工藝

最終利用丙酮溶液剝離光刻膠及其上的Al層，保留與基片緊密接觸的Al層，完成了SAW器件的制作，樣品如圖5(a)。對于平板電容器，平板電極如圖5(b)。利用電鍍將平板電極鍍制在PCB上，其材料為銅，厚度為 35 μm，形狀為半徑25 mm的圓。為制作SAW電容傳感器，將平板電極焊接在PCB上，并將SAW延遲線器件固定在PCB上，通過引線將反射柵與平板電極相連，IDT與SMA接口相連, 如圖5(c)。

4 傳感器的測試

為了初步分析SAW電容傳感器性能，本文對其進(jìn)行了有線測試，所搭建的鋼筋銹蝕監(jiān)測平臺如圖6所示，由SAW電容傳感器、同軸電纜、50 mm鋼筋和安捷倫E5063A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀組成。網(wǎng)絡(luò)分析儀用于測試SAW器件反射系數(shù)S11，掃頻范圍為170～200 MHz，時域測試范圍為0～4 μs，所測實(shí)驗(yàn)均在室溫(25 ℃)下進(jìn)行。

圖5 傳感器結(jié)構(gòu)

圖6 鋼筋銹蝕測試平臺

初步測試時，電容器的兩個平板電極到鋼筋的水平距離均設(shè)置為0.1 mm，SAW電容傳感器頻域下S11的測試結(jié)果如圖7(a)，其中心頻率為183.7 MHz，幅值為-0.609 dB；COM仿真結(jié)果如圖7(b)所示，其中心頻率為183.5 MHz，幅值為-29.95 dB。兩者中心頻率基本一致，近似于設(shè)計(jì)值184 MHz，幅值卻相差較大。測試的SAW傳感器的特性阻抗值為圖7(c)中的點(diǎn)N1，未達(dá)到系統(tǒng)的特性阻抗值50 Ω(點(diǎn)N3)，因此，需對SAW傳感器進(jìn)行阻抗匹配。本文利用史密斯(Smith)阻抗圖進(jìn)行匹配，如圖7(c)，通過串聯(lián)8.5 pF電容器和并聯(lián)94.5 nH電感器可使點(diǎn)N1移動到點(diǎn)N3，即SAW傳感器特性阻抗達(dá)到50 Ω。圖7(d)為匹配后的測試結(jié)果，中心頻率為183.7 MHz，振幅為-30.94 dB，與仿真結(jié)果相近，驗(yàn)證了COM理論分析的準(zhǔn)確性。

圖7 頻域下S11測試結(jié)果與仿真結(jié)果對比

SAW電容傳感器時域結(jié)果如圖8所示。圖中可觀察到3個明顯的反射峰信號，1.1 μs處的反射峰是反射柵第一次反射得到的，2.2 μs和3.3 μs處的反射峰則是反射柵二次反射和三次反射得到的。為了描述第一個反射峰的頻域特性，本文利用窗函數(shù)將時域中第一個反射峰單獨(dú)取出，再利用傅里葉變換將其轉(zhuǎn)到頻域，從而得到帶有窗函數(shù)特性的第一反射峰的頻域特性，其振幅和相位如圖9所示。由此，可以得到中心頻率下第一反射峰的振幅和相位。因此，感測外部電容值引起反射柵的反射特性變化可通過檢測第一反射峰的幅值相位來實(shí)現(xiàn)。

圖8 時域下S11測試結(jié)果與仿真結(jié)果對比

圖9 頻域下第一個回波信號的振幅和相位

鋼筋到兩側(cè)平板電極間的初始距離均為0.1 mm，由于鋼筋銹蝕會導(dǎo)致鋼筋與電容器平板電極的水平距離增大，因此,通過同時向鋼筋兩側(cè)水平移動平板電極來模擬鋼筋銹蝕，移動距離為H。測試得到第一反射峰振幅與相位隨距離變化如圖10和圖11所示。由圖可知，反射峰振幅和相位均隨H的增加而增大，且兩者的測試結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，圖10中測試結(jié)果與仿真結(jié)果的平均誤差為0.086 dB，圖11中的平均誤差為1.696°。測試結(jié)果表明，反射峰振幅和相位與H近似為線性關(guān)系，可采用線性擬合求其回歸方程，從而得到振幅相對于H的靈敏度為0.731 4 dB/mm，非線性誤差為0.35 %；相位相對于H的靈敏度6.244°/mm，非線性誤差為1.04 %。

圖10 回波振幅隨距離變化

圖11 回波相位隨距離變化

5 結(jié) 論

本文提出并設(shè)計(jì)了一種用于鋼筋銹蝕監(jiān)測的聲表面波電容傳感器，實(shí)現(xiàn)鋼筋銹蝕感測。測試結(jié)果表明，SAW電容傳感器性能較好，但仍需更多研究驗(yàn)證該傳感器的準(zhǔn)確性，如需進(jìn)一步研究無線工作中的SAW電容傳感器性能。此外，實(shí)際應(yīng)用中鋼筋和平板電極是包裹在混凝土中的，混凝土的溫度、水分等因素，均可能會影響到電容值，需要進(jìn)行大量研究來解決這些問題。