用于鋼筋銹蝕監測的聲表面波電容傳感器*

朱璽峰， 謝立強， 邢建春， 王添仙

(陸軍工程大學 國防工程學院，江蘇 南京 210007)

0 引 言

鋼筋銹蝕為當今世界上鋼筋混凝土結構破壞的最主要因素之一[1]，采取有效的手段實時監測混凝土結構內部的鋼筋銹蝕狀況，對提高結構的耐久性和運營效率，保障人民生命財產安全，促進社會和諧穩定具有重大意義。目前鋼筋銹蝕監測的非破壞性技術主要分為物理方法和電化學方法兩類，物理監測方法主要是應用于鋼筋銹蝕監測的光纖傳感器。文獻[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，通過測量發射光的強度來表征鋼筋銹蝕程度；文獻[3]利用布里淵光時域分析技術開發分布式光纖應變傳感器，通過感測鋼筋銹脹表征鋼筋銹蝕狀況；文獻[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類方法具有各自優勢的同時也存在相應的缺點。光纖傳感器結構復雜、容易破碎，且需電源和電纜操作，布設困難，維護不便。電化學方法雖然可直接監測鋼筋銹蝕情況，但不能有效地描述鋼筋受破壞程度，且受環境影響很大。因此，亟需一種結構簡單、可靠性高、穩定性好、成本低、可在線監測鋼筋銹蝕程度的方法。

本文采用聲表面波 (surface acoustic wave,SAW)技術實現鋼筋銹蝕的在線監測，并設計了傳感器結構。SAW器件具有結構簡單，可靠性好，環境適應性強的優勢，并可實現無源工作和無線傳輸，非常適用于土木結構的在線監測[8]。本文利用耦合模 (coupling of modes,COM)理論對傳感器結構進行了仿真分析，利用微機電系統 (micro-electro-mechanical system,MEMS)工藝制作了傳感器樣機，通過實驗測試，得到了傳感器的初步性能參數，驗證了結構設計和理論分析的正確性。

1 傳感器結構

所設計的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，用來監測鋼筋銹蝕引起的電容值變化。

圖1 SAW電容傳感器結構示意

傳感器工作時，外部射頻詢問單元發射的電磁波經天線傳遞到IDT，通過逆壓電效應，IDT將電信號轉換為SAW并沿著壓電基片表面傳播，遇到反射柵后，受到反射柵的作用，SAW被部分反射回IDT，IDT通過壓電效應將反射信號轉換成電信號，并經天線發射出去，射頻問詢單元解析回波信號實現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和極板間距的變化，導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。

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，其將電極發射、傳播損耗、分布電容值和波速變化等二階效應考慮在內，使其分析和模擬結果更加準確、有效。本文基于COM理論[9，10]，利用P—矩陣級聯方法模擬和計算SAW器件的頻域響應特性，并通過傅里葉逆變換獲得時域中反射系數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x處所產生的電流，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的反射系數和換能系數，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，P11和P22為IDT的反射系數，P13,P23,P32為IDT電端與左右聲端的傳遞函數，P33為IDT的輸入導納。

SAW延遲線器件中IDT和反射柵均由COM理論進行建模與仿真，而反射柵與平板電容器相連，則外部阻抗負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為調諧參數，q為波數。

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

本文利用MATLAB軟件對中心頻率為184 MHz的SAW延遲線器件進行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k為-0.018 9，每單位長度電極電容值Cs為9.04×10-12F/cm，機電耦合系數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。

根據設計規則確定了IDT與反射柵的基本結構參數：叉指寬度為5 μm，叉指對數為20，孔徑長度為4 mm。SAW延遲線器件的頻域與時域仿真結果如圖3所示。

圖3 COM仿真結果

3 傳感器制作

基于COM理論分析結果，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，本文對其進行了有線測試，所搭建的鋼筋銹蝕監測平臺如圖6所示，由SAW電容傳感器、同軸電纜、50 mm鋼筋和安捷倫E5063A矢量網絡分析儀組成。網絡分析儀用于測試SAW器件反射系數S11，掃頻范圍為170～200 MHz，時域測試范圍為0～4 μs，所測實驗均在室溫(25 ℃)下進行。

圖5 傳感器結構

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置為0.1 mm，SAW電容傳感器頻域下S11的測試結果如圖7(a)，其中心頻率為183.7 MHz，幅值為-0.609 dB；COM仿真結果如圖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，近似于設計值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N1，未達到系統的特性阻抗值50 Ω(點N3)，因此，需對SAW傳感器進行阻抗匹配。本文利用史密斯(Smith)阻抗圖進行匹配，如圖7(c)，通過串聯8.5 pF電容器和并聯94.5 nH電感器可使點N1移動到點N3，即SAW傳感器特性阻抗達到50 Ω。圖7(d)為匹配后的測試結果，中心頻率為183.7 MHz，振幅為-30.94 dB，與仿真結果相近，驗證了COM理論分析的準確性。

圖7 頻域下S11測試結果與仿真結果對比

SAW電容傳感器時域結果如圖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，本文利用窗函數將時域中第一個反射峰單獨取出，再利用傅里葉變換將其轉到頻域，從而得到帶有窗函數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現。

圖8 時域下S11測試結果與仿真結果對比

圖9 頻域下第一個回波信號的振幅和相位

鋼筋到兩側平板電極間的初始距離均為0.1 mm，由于鋼筋銹蝕會導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，且兩者的測試結果與仿真結果基本一致，圖10中測試結果與仿真結果的平均誤差為0.086 dB，圖11中的平均誤差為1.696°。測試結果表明，反射峰振幅和相位與H近似為線性關系，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 論

本文提出并設計了一種用于鋼筋銹蝕監測的聲表面波電容傳感器，實現鋼筋銹蝕感測。測試結果表明，SAW電容傳感器性能較好，但仍需更多研究驗證該傳感器的準確性，如需進一步研究無線工作中的SAW電容傳感器性能。此外，實際應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，需要進行大量研究來解決這些問題。