朱玺峰， 谢立强， 邢建春， 王添仙

(陆军工程大学 国防工程学院，江苏 南京 210007)

0 引 言

钢筋锈蚀为当今世界上钢筋混凝土结构破坏的最主要因素之一[1]，采取有效的手段实时监测混凝土结构内部的钢筋锈蚀状况，对提高结构的耐久性和运营效率，保障人民生命财产安全，促进社会和谐稳定具有重大意义。目前钢筋锈蚀监测的非破坏性技术主要分为物理方法和电化学方法两类，物理监测方法主要是应用于钢筋锈蚀监测的光纤传感器。文献[2]基于光时域反射(optical time domain reflectometry,OTDR) 测量原理提出一种光纤腐蚀传感器，通过测量发射光的强度来表征钢筋锈蚀程度；文献[3]利用布里渊光时域分析技术开发分布式光纤应变传感器，通过感测钢筋锈胀表征钢筋锈蚀状况；文献[4]提出一种光纤Bragg光栅 (fiber Bragg grating,FBG)锈蚀传感器，通过分析布拉格波长变化表征钢筋锈蚀状况。电化学方法主要有线性极化法[5]、半电池电位法[6]和交流阻抗法[7]等，这些方法可初步判断钢筋锈蚀情况。上述2类方法具有各自优势的同时也存在相应的缺点。光纤传感器结构复杂、容易破碎，且需电源和电缆操作，布设困难，维护不便。电化学方法虽然可直接监测钢筋锈蚀情况，但不能有效地描述钢筋受破坏程度，且受环境影响很大。因此，亟需一种结构简单、可靠性高、稳定性好、成本低、可在线监测钢筋锈蚀程度的方法。

本文采用声表面波 (surface acoustic wave,SAW)技术实现钢筋锈蚀的在线监测，并设计了传感器结构。SAW器件具有结构简单，可靠性好，环境适应性强的优势，并可实现无源工作和无线传输，非常适用于土木结构的在线监测[8]。本文利用耦合模 (coupling of modes,COM)理论对传感器结构进行了仿真分析，利用微机电系统 (micro-electro-mechanical system,MEMS)工艺制作了传感器样机，通过实验测试，得到了传感器的初步性能参数，验证了结构设计和理论分析的正确性。

1 传感器结构

所设计的SAW电容传感器如图1所示，由SAW延迟线和平板电容器组成。其中SAW延迟线由压电基片表面上的两组梳齿电极组成，分别作为叉指换能器 (inter-digital transducer，IDT)与天线相连，和作为反射栅与平板电容器相连。平板电容器的两个电极靠近钢筋的表面，用来监测钢筋锈蚀引起的电容值变化。

图1 SAW电容传感器结构示意

传感器工作时，外部射频询问单元发射的电磁波经天线传递到IDT，通过逆压电效应，IDT将电信号转换为SAW并沿着压电基片表面传播，遇到反射栅后，受到反射栅的作用，SAW被部分反射回IDT，IDT通过压电效应将反射信号转换成电信号，并经天线发射出去，射频问询单元解析回波信号实现传感器的无源无线感测功能。钢筋锈蚀会造成平板电容器间介电常数和极板间距的变化，导致电容器电容值的变化，从而引起反射栅反射特性的变化，导致传感器回波信号的变化。因此，通过解析回波信号的振幅、相位信息可表征钢筋锈蚀状态。

2 传感器的COM表征

COM理论广泛用于模拟各类SAW器件，分析IDT和反射栅中正、反两方向传播的波之间的耦合，其将电极发射、传播损耗、分布电容值和波速变化等二阶效应考虑在内，使其分析和模拟结果更加准确、有效。本文基于COM理论[9，10]，利用P—矩阵级联方法模拟和计算SAW器件的频域响应特性，并通过傅里叶逆变换获得时域中反射系数S11。

SAW延迟线器件中IDT的COM模型如图2所示，其中V为IDT两端的激励电压，I(x)为IDT坐标x处所产生的电流，U+(x)和U-(x)分别为沿IDT正、反两方向传播的SAW。IDT的COM控制方程可表示为[11，12]

(1)

式中k和α分别为IDT的反射系数和换能系数，Cs为IDT单位换能周期的电极电容值，v和γ分别为SAW的传播速度和传播损耗，f0为中心频率。通过求解式(1)可得到长度为L的IDT的P—矩阵为

(2)

图2 IDT的COM模型

式中P12和P21为IDT的透射系数，P11和P22为IDT的反射系数，P13,P23,P32为IDT电端与左右声端的传递函数，P33为IDT的输入导纳。

SAW延迟线器件中IDT和反射栅均由COM理论进行建模与仿真，而反射栅与平板电容器相连，则外部阻抗负载的电压和通过它的电流可表示为V=I×ZL,则可得长度为Lr的反射栅的P—矩阵[13]为

(3)

(4)

式中δ为调谐参数，q为波数。

根据P11(ZL)可准确模拟和计算SAW延迟线器件的频率响应，并通过傅里叶逆变换获得时域中的反射系数S11。

本文利用MATLAB软件对中心频率为184 MHz的SAW延迟线器件进行COM分析和仿真，其中压电基片采用厚度为500 μm的128°Y-X切向LiNbO3，IDT与反射栅的材料为铝(Al)，仿真中所用COM参数如下：中心频率f0为199 MHz，速度v为3 980 m/s，Al电极厚度为200 nm，Al电极电阻率为27×10-9Ω·m，反射系数k为-0.018 9，每单位长度电极电容值Cs为9.04×10-12F/cm，机电耦合系数K2为5.5 %，每单位长度传播损耗γ为2.5×10-4dB/μm,IDT与反射栅间的距离L为4 mm。

根据设计规则确定了IDT与反射栅的基本结构参数：叉指宽度为5 μm，叉指对数为20，孔径长度为4 mm。SAW延迟线器件的频域与时域仿真结果如图3所示。

图3 COM仿真结果

3 传感器制作

基于COM理论分析结果，本文试制了184 MHz的SAW延迟线器件和平板电容器。对于SAW延迟线器件的制作，其工艺流程如图4所示。

图4 Lift-Off工艺

最终利用丙酮溶液剥离光刻胶及其上的Al层，保留与基片紧密接触的Al层，完成了SAW器件的制作，样品如图5(a)。对于平板电容器，平板电极如图5(b)。利用电镀将平板电极镀制在PCB上，其材料为铜，厚度为 35 μm，形状为半径25 mm的圆。为制作SAW电容传感器，将平板电极焊接在PCB上，并将SAW延迟线器件固定在PCB上，通过引线将反射栅与平板电极相连，IDT与SMA接口相连, 如图5(c)。

4 传感器的测试

为了初步分析SAW电容传感器性能，本文对其进行了有线测试，所搭建的钢筋锈蚀监测平台如图6所示，由SAW电容传感器、同轴电缆、50 mm钢筋和安捷伦E5063A矢量网络分析仪组成。网络分析仪用于测试SAW器件反射系数S11，扫频范围为170～200 MHz，时域测试范围为0～4 μs，所测实验均在室温(25 ℃)下进行。

图5 传感器结构

图6 钢筋锈蚀测试平台

初步测试时，电容器的两个平板电极到钢筋的水平距离均设置为0.1 mm，SAW电容传感器频域下S11的测试结果如图7(a)，其中心频率为183.7 MHz，幅值为-0.609 dB；COM仿真结果如图7(b)所示，其中心频率为183.5 MHz，幅值为-29.95 dB。两者中心频率基本一致，近似于设计值184 MHz，幅值却相差较大。测试的SAW传感器的特性阻抗值为图7(c)中的点N1，未达到系统的特性阻抗值50 Ω(点N3)，因此，需对SAW传感器进行阻抗匹配。本文利用史密斯(Smith)阻抗图进行匹配，如图7(c)，通过串联8.5 pF电容器和并联94.5 nH电感器可使点N1移动到点N3，即SAW传感器特性阻抗达到50 Ω。图7(d)为匹配后的测试结果，中心频率为183.7 MHz，振幅为-30.94 dB，与仿真结果相近，验证了COM理论分析的准确性。

图7 频域下S11测试结果与仿真结果对比

SAW电容传感器时域结果如图8所示。图中可观察到3个明显的反射峰信号，1.1 μs处的反射峰是反射栅第一次反射得到的，2.2 μs和3.3 μs处的反射峰则是反射栅二次反射和三次反射得到的。为了描述第一个反射峰的频域特性，本文利用窗函数将时域中第一个反射峰单独取出，再利用傅里叶变换将其转到频域，从而得到带有窗函数特性的第一反射峰的频域特性，其振幅和相位如图9所示。由此，可以得到中心频率下第一反射峰的振幅和相位。因此，感测外部电容值引起反射栅的反射特性变化可通过检测第一反射峰的幅值相位来实现。

图8 时域下S11测试结果与仿真结果对比

图9 频域下第一个回波信号的振幅和相位

钢筋到两侧平板电极间的初始距离均为0.1 mm，由于钢筋锈蚀会导致钢筋与电容器平板电极的水平距离增大，因此,通过同时向钢筋两侧水平移动平板电极来模拟钢筋锈蚀，移动距离为H。测试得到第一反射峰振幅与相位随距离变化如图10和图11所示。由图可知，反射峰振幅和相位均随H的增加而增大，且两者的测试结果与仿真结果基本一致，图10中测试结果与仿真结果的平均误差为0.086 dB，图11中的平均误差为1.696°。测试结果表明，反射峰振幅和相位与H近似为线性关系，可采用线性拟合求其回归方程，从而得到振幅相对于H的灵敏度为0.731 4 dB/mm，非线性误差为0.35 %；相位相对于H的灵敏度6.244°/mm，非线性误差为1.04 %。

图10 回波振幅随距离变化

图11 回波相位随距离变化

5 结 论

本文提出并设计了一种用于钢筋锈蚀监测的声表面波电容传感器，实现钢筋锈蚀感测。测试结果表明，SAW电容传感器性能较好，但仍需更多研究验证该传感器的准确性，如需进一步研究无线工作中的SAW电容传感器性能。此外，实际应用中钢筋和平板电极是包裹在混凝土中的，混凝土的温度、水分等因素，均可能会影响到电容值，需要进行大量研究来解决这些问题。