朱璽峰， 謝立強(qiáng)， 邢建春， 王添仙

(陸軍工程大學(xué) 國(guó)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(shí)監(jiān)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的鋼筋銹蝕狀況，對(duì)提高結(jié)構(gòu)的耐久性和運(yùn)營(yíng)效率，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全，促進(jìn)社會(huì)和諧穩(wěn)定具有重大意義。目前鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)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(cè)方法主要是應(yīng)用于鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)的光纖傳感器。文獻(xiàn)[2]基于光時(shí)域反射(optical time domain reflectometry,OTDR) 測(cè)量原理提出一種光纖腐蝕傳感器，通過(guò)測(cè)量發(fā)射光的強(qiáng)度來(lái)表征鋼筋銹蝕程度；文獻(xiàn)[3]利用布里淵光時(shí)域分析技術(shù)開(kāi)發(fā)分布式光纖應(yīng)變傳感器，通過(guò)感測(cè)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(guò)分析布拉格波長(zhǎng)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(shì)的同時(shí)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(cè)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(jiǎn)單、可靠性高、穩(wěn)定性好、成本低、可在線監(jiān)測(cè)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(cè)，并設(shè)計(jì)了傳感器結(jié)構(gòu)。SAW器件具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性好，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，并可實(shí)現(xiàn)無(wú)源工作和無(wú)線傳輸，非常適用于土木結(jié)構(gòu)的在線監(jiān)測(cè)[8]。本文利用耦合模 (coupling of modes,COM)理論對(duì)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(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)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(gè)電極靠近鋼筋的表面，用來(lái)監(jiān)測(cè)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(shí)，外部射頻詢問(wèn)單元發(fā)射的電磁波經(jīng)天線傳遞到IDT，通過(guò)逆壓電效應(yīng)，IDT將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為SAW并沿著壓電基片表面?zhèn)鞑ィ龅椒瓷鋿藕?，受到反射柵的作用，SAW被部分反射回IDT，IDT通過(guò)壓電效應(yīng)將反射信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并經(jīng)天線發(fā)射出去，射頻問(wèn)詢單元解析回波信號(hào)實(shí)現(xiàn)傳感器的無(wú)源無(wú)線感測(cè)功能。鋼筋銹蝕會(huì)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(hào)的變化。因此，通過(guò)解析回波信號(hào)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(jí)聯(lián)方法模擬和計(jì)算SAW器件的頻域響應(yīng)特性，并通過(guò)傅里葉逆變換獲得時(shí)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(lì)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(guò)求解式(1)可得到長(zhǎng)度為L(zhǎng)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(guò)它的電流可表示為V=I×ZL,則可得長(zhǎng)度為L(zhǎng)r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(guò)傅里葉逆變換獲得時(shí)域中的反射系數(shù)S11。

本文利用MATLAB軟件對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)數(shù)為20，孔徑長(zhǎng)度為4 mm。SAW延遲線器件的頻域與時(shí)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(duì)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(duì)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(guò)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(cè)試

為了初步分析SAW電容傳感器性能，本文對(duì)其進(jìn)行了有線測(cè)試，所搭建的鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)平臺(tái)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(cè)試SAW器件反射系數(shù)S11，掃頻范圍為170～200 MHz，時(shí)域測(cè)試范圍為0～4 μs，所測(cè)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(cè)試平臺(tái)

初步測(cè)試時(shí)，電容器的兩個(gè)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(cè)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(cè)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(duì)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(guò)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(dòng)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(cè)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(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比

SAW電容傳感器時(shí)域結(jié)果如圖8所示。圖中可觀察到3個(gè)明顯的反射峰信號(hào)，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(gè)反射峰的頻域特性，本文利用窗函數(shù)將時(shí)域中第一個(gè)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(cè)外部電容值引起反射柵的反射特性變化可通過(guò)檢測(cè)第一反射峰的幅值相位來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖8 時(shí)域下S11測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比

圖9 頻域下第一個(gè)回波信號(hào)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(huì)導(dǎo)致鋼筋與電容器平板電極的水平距離增大，因此,通過(guò)同時(shí)向鋼筋兩側(cè)水平移動(dòng)平板電極來(lái)模擬鋼筋銹蝕，移動(dòng)距離為H。測(cè)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(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，圖10中測(cè)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(cè)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(duì)于H的靈敏度為0.731 4 dB/mm，非線性誤差為0.35 %；相位相對(duì)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(cè)的聲表面波電容傳感器，實(shí)現(xiàn)鋼筋銹蝕感測(cè)。測(cè)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(wú)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(huì)影響到電容值，需要進(jìn)行大量研究來(lái)解決這些問(wèn)題。