一种高过载大量程的压电动态力传感器的制作方法

本发明涉及一种高过载大量程的压电动态力传感器，可用于大型工程中高冲击动态力的监测与预警，主要应用于传感器领域。

背景技术：

在矿山、边坡及巷道支护等大型工程中都要利用力学传感器对冲击型地应力进行测量，对可能发生的滑坡、岩爆及塌方等恶性灾害和事故进行监测和预警。静力传感器虽然能够有效测量地应力的大小，但是却不能实时对冲击型地应力做出响应，而一般的动力传感器的强度无法满足地下工程中高应力条件。

因此，适用于地下工程的动力传感器必须要满足两个指标：第一，高强度。传感器所处的地下工作环境使得其必须具有足够高的抗压强度来抵抗地应力。第二，大量程。正常的施工扰动也会产生地冲击力，但这些低幅值的动载并不足以产生危险，因此传感器必须能够测量足够引起危险的高冲击动态力，只有具备大量程的测量能力才能对高地冲击灾害进行预警。

目前，国内外尚未见有关此类高强度、大量程压电式单向动态力传感器的文献报导。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种高过载大量程的压电动态力传感器，该传感器能在高应力环境中测量高幅值动态力，动态特性好，可用于大型工程中高冲击动态力的监测与预警。

本发明要解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高过载大量程的压电动态力传感器，包括：底座、垫板、固定板、盖板、三组压电片组合、三个活动片、三个顶丝、六个螺钉以及数据采集系统，压电片组合采用第一电极片、第一压电片、第二电极片、第二压电片的顺序进行交替放置。底座的上表面存在三个等角度分布的圆形凹槽及六个等角度分布的螺纹孔，垫板中存在六个通孔和三个豁口，固定板中存在六个沉头孔和三个螺纹孔；底座中的三个圆形凹槽与垫板中的三个豁口及固定板中的三个螺纹孔位置一致，底座中的六个螺纹孔与垫板中的六个通孔及固定板中的六个沉头孔位置一致。活动片的形状与垫板中豁口的形状相似，但尺寸略小；将三组压电片组合中夹于第一压电片和第二压电片中间的第二电极片上各引出导线，导线经排线槽汇总于底座中的出线口并最终与数据采集系统相连。利用六个螺钉将底座、垫板、固定板固定，再用三个顶丝通过三个活动片将三组压电片组合压紧于底座的三个凹槽内，最后将盖板固定于固定板上。

进一步的，所述的传感器的整体结构为空心圆柱，目的是为了能够使传递静动态载荷的锚索从中穿过。

进一步的，所述的活动片的厚度略低于垫板厚度，压电片组合的厚度略高于圆形凹槽的深度，以保证螺栓拧紧后，底座上表面与压电片组合共同承受压力，提高了传感器的抗压强度，进而保证传感器能在高过载应力环境中正常工作。

进一步的，所述的压电片组合按照从上往下依次为第一电极片、第一压电片、第二电极片、第二压电片的顺序进行放置，第一压电片和第二压电片的正极相对，且正极都与第二电极片相连，以提高传感器的信噪比，其中，第一电极片、第二电极片都是铜制材料，与第一压电片、第二压电片的形状相同。

进一步的，所述的盖板为内六角形式是因为盖板与固定板之间的连接方式为螺纹连接，盖板下面具有一个外螺纹的凸台，能够与固定板内表面的螺纹相连，内六角形式便于拧紧螺纹。

进一步的，所述的底座的排线槽以及其它连接部位都会采取密封处理，以防传感器在恶劣的工程环境中因水汽入侵而影响测量精度。

进一步的，所述螺纹连接部分都需要在强度允许范围内尽量拧紧，以保证传感器的测量稳定性。

进一步的，所述的底座、垫板、固定板、盖板、三个活动片、三个顶丝、六个螺钉均为钢制材料。

进一步的，本发明适用于大型工程中高冲击动态力的监测和预警，能在超过压电片抗压强度的高过载环境中进行高幅值动态力测量。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)本发明能够在高静载条件下进行高幅值动载的测量，强度高，量程大，动态特性好；

(2)本发明为压电式传感器，稳定性高，灵敏度好，易于标定。

(3)本发明结构简单，通过传统的机械加工即可实现，易于安装，工艺性好。

(4)本发明的应用性强，不仅可被广泛应用于矿山、边坡、巷道支护等大型工程领域，还可被用于爆破监测、(核)爆炸试验、车辆抗撞击试验等领域中。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为本发明实施例1的结构分解图；

图3为本发明实施例1的压电片组合的示意图。

图4为本发明在1500kN静载时受到100kN阶跃动载时的时域电压信号。

图中附图标记含义为：1为底座，2为垫板，3为固定板，4为盖板，5为三组压电片组合，6为三个活动片，7为三个顶丝，8为六个螺钉，9为数据采集系统，10为第一电极片，11为第二电极片，12为第一压电片，13为第二压电片，14为圆形凹槽，15为底座螺纹孔，16为通孔，17为豁口，18为固定板沉头孔，19为固定板螺纹孔，20为排线槽，21为出线口。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。

基本实施例如图1、图2和图3所示，本发明由底座1、垫板2、固定板3、盖板4、三组压电片组合5、三个活动片6、三个顶丝7、六个螺钉8以及数据采集系统9，压电片组合采用第一电极片10、第一压电片12、第二电极片11、第二压电片13的顺序进行交替放置。底座1的上表面存在三个等角度分布的圆形凹槽14及六个等角度分布的底座螺纹孔15，垫板2中存在六个通孔16和三个豁口17，固定板3中存在六个固定板沉头孔18和三个固定板螺纹孔19；底座1中的三个圆形凹槽14与垫板2中的三个豁口17及固定板3中的三个固定板螺纹孔19位置一致，底座1中的六个底座螺纹孔15与垫板2中的六个通孔16及固定板中的六个固定板沉头孔18位置一致。活动片6的形状与垫板2中豁口17的形状相似，但尺寸略小。

具体安装时，将三组压电片组合5分别放置于底座1的圆形凹槽14内，将压电片组合5中夹于第一压电片12和第二压电片13中间的第二电极片11上各引出导线，导线经排线槽20汇总于底座1的出线口21并最终与数据采集系统相连；利用六个螺钉8将底座1、垫板2、固定板3紧密固定，将三个活动片6塞入垫板2的三个豁口17内，利用拧在固定板3螺纹孔19里的三个顶丝7将三个活动片6压紧于放置在底座1的三个圆形凹槽14内的三个压电片组合5的第一电极片10上；最后利用螺纹将盖板4固定于固定板3上。本发明适用于大型工程中高冲击动态力的监测和预警，能在超过压电片抗压强度的高过载环境中进行高幅值动态力测量。

具体测试时，首先对本发明施加静载，在此基础上再对本发明作用动载，如冲击、阶跃等，同时利用数据采集装置，从本发明的出线口21连接数据线对电压信号进行采集。当对本发明施加1500kN静载的基础上施加100kN阶跃动载时，采集的时域电压信号如图4所示。

所述的传感器的整体结构为空心圆柱形，空心的目的是为了能够使地下工程中支护用的锚索从中穿过。

所述的活动片6的厚度略低于垫板2厚度，压电片组合5的厚度略高于圆形凹槽14的深度，以保证螺钉8及顶丝7拧紧后，底座1上表面与压电片组合5共同承受压力，以提高传感器的抗压强度，进而保证传感器能在高过载应力环境中正常工作。

所述的压电片组合按照从上往下依次为第一电极片10、第一压电片12、第二电极片11、第二压电片13的顺序进行放置，第一压电片12和第二压电片13的正极相对，且正极都与第二电极片11相连，以提高传感器的信噪比，其中，第一电极片10、第二电极片11都是铜制材料，与第一压电片12、第二压电片13的形状相同。

所述的盖板4为内六角形式是因为盖板4与固定板3之间的连接方式为螺纹连接，盖板4下面具有一个外螺纹的凸台，能够与固定板3内表面的螺纹相连，内六角形式便于拧紧螺纹。

所述的底座1的排线槽20以及其它连接部位都会采取密封处理，以防传感器在恶劣的地下环境中因水汽入侵而影响测量精度。

所述螺纹连接部分都需要在强度允许范围内尽量拧紧，以保证传感器的测量稳定性。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。