一种埋入式混凝土剪应力传感器的制作方法

本发明属于传感技术领域，特别是涉及一种埋入式混凝土剪应力传感器。

背景技术：

混凝土结构的应力状态是反映其安全性的重要参数，因此对混凝土结构的应力测量是混凝土结构模型试验研究和现场监测中的重要内容。目前，混凝土结构试验一般仅局限于荷载、位移、应变等物理量的测量，而对应力的测量是通过在混凝土结构表面黏贴电阻应变片来测量混凝土表面的应变，然后通过估算的混凝土材料的弹性模量换算得到混凝土表面的应力，这种方法无法获得混凝土内部准确的应力状态。对于混凝土这类非均质材料，通常宏观层次上的力-变形关系并不能保证理论分析与试验结果在内力层次上的一致性，即使结构表面的荷载-应变曲线相同，但其构件内力分布却可能差异极大。因此，设计一种传感器实现对结构关键截面上内力的测量，为混凝土结构非线性受力行为的研究提供依据，是结构试验技术的重要研究任务之一。

混凝土结构的内力包括压应力、拉应力及剪应力等，混凝土材料的抗剪强度低，由剪应力引起的剪切破坏是土木工程中造成抗滑桩、挡土墙、支撑梁等混凝土结构发生损伤破坏的重要因素，因此，测量工作状态下混凝土结构内部的剪应力对混凝土结构来说至关重要，开发能嵌入混凝土内部、用于混凝土内部剪应力直接测量的传感器具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种测量混凝土内剪应力的传感器，使其具有结构简单、可嵌入式等优点。

本发明的目的可采用如下技术方案来实现：所述的一种埋入式混凝土剪应力传感器，包括上壳体、下壳体，所述的上壳体和下壳体的交界面一周分别设置有沟槽，在沟槽内设置有用于连接上、下壳体的软体胶层；所述的上壳体的下部设置有敏感梁，下壳体的上部设置有槽型挡板，所述的槽型挡板上设置有滑槽，敏感梁的一端位于槽型挡板的滑槽内；所述敏感梁上设置有用于感知敏感梁变形的应变敏感元件；所述的应变敏感元件通过引线与后续测量电路连接实现敏感梁应变的测量。

所述的敏感梁由不锈钢材料制成，整体为长条形，敏感梁的一端可通过焊接的方式与上壳体连接。

所述的敏感梁插入滑槽内的这一端面与滑槽底部之间具有一定间隙。

所述的上壳体和下壳体由不锈钢材料制成，整体外形为正方形，也可以为圆形。

所述的槽型挡板由不锈钢材料制成，槽型挡板可通过焊接的方式与下壳体连接，其上的滑槽的宽度与敏感梁一致，并保证敏感梁能够沿槽的长度方向移动，

所述的敏感梁和槽型挡板共同作用能保证该传感器只对一个方向的剪应力敏感，即当传感器受到x 方向剪应力时，敏感梁发生变形，而当其受到正交方向（y 方向）剪应力时，敏感梁仅在滑槽内移动，敏感梁不变形。

所述的应变敏感元件可采用电阻应变计或光纤Bragg光栅。

本发明所述的剪应力传感器埋入混凝土内，当传感器在一个方向受到剪应力作用使传感器上壳体和下壳体发生剪切错动时，内设的敏感梁发生变形，其上的应变敏感元件感知变形后输出信号，检测输出信号即可测量得到混凝土内该方向的剪切应力。本发明可实现混凝土内剪应力的直接测量，可用于混凝土结构受剪切破坏的试验研究，解决工程现场监测中剪应力测试的难题。

附图说明

图1为本发明的剪应力传感器的剖面结构示意图。

图2为图1的A-A视图。

图3为图1的B-B视图。

图4为固体内某截面上剪应力的示意图。

图中：1、上壳体，2、下壳体，3、敏感梁，4、槽型挡板，5、应变敏感元件，6、软体胶层，7、引线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细说明。

如图1、图2和图3所示，本发明公开的一种埋入式混凝土剪应力传感器，包括上壳体1、下壳体2、敏感梁3、槽型挡板4、应变敏感元件5、软体胶层6和引线7。上壳体1和下壳体2交界面设置沟槽，由软体胶层6填充连接。上壳体的内侧设敏感梁3，下壳体2的内侧设槽型挡板4，敏感梁3的一端插入槽型挡板4的滑槽内，且敏感梁3插入滑槽内的这一端面与滑槽底部之间有一定间隙。敏感梁3上设置应变敏感元件5，感知梁的变形，应变敏感元件5通过引线7与后续测量电路连接实现梁应变的测量。将所述的剪应力传感器埋入混凝土内，当传感器在一个方向受到剪应力作用使传感器上壳体1和下壳体2发生剪切错动时，内设的敏感梁3发生变形，其上的应变敏感元件5感知变形后输出信号，检测输出信号即可测量得到混凝土内该方向的剪切应力。所述的上壳体1和下壳体2均采用不锈钢材料，外形为正方形，也可以为圆形，本实施例为方形。所述的软体胶层6采用硅胶类材料，具有剪切强度低的特点，一方面起连接和密封作用，另一方面保证两个壳体因剪应力发生错动时减小阻力。所述的敏感梁3采用不锈钢材料，外形为长条形，尺寸根据剪应力传感器的量程确定，敏感梁3的一端可通过焊接的方式与上壳体1连接。所述的槽型挡板4采用不锈钢材料，其上的滑槽宽度与敏感梁一致，并保证梁能够沿槽的长度方向移动，槽型挡板可通过焊接的方式与下壳体2连接。

所述的敏感梁3和槽型挡板4共同作用能保证该传感器只对一个方向的剪应力敏感，即当传感器受到x 方向剪应力时，敏感梁发生变形，而当其受到正交方向（y 方向）剪应力时，敏感梁3仅在滑槽内移动，敏感梁不变形。

如图4所示，固体材料内某截面A 上的剪应力τ 为沿剪切方向的截面上所受到的总剪力F_s与截面A 的面积之比，即

τ =F_s/A （1）

本发明所述的剪应力传感器就是基于此基本原理进行设计的。当传感器加工好之后，其上壳体1的上表面或下壳体2的下表面的面积确定；当传感器埋入混凝土内部之后，通过检测传感器内敏感梁3的应变变化，即可反推出传感器承受的混凝土结构的总剪力，由上述式（1）即可得到传感器壳体所在表面内的剪应力。测得的敏感梁3的应变变化量与传感器承受的混凝土结构的总剪力之间的变换系数可通过将加工好的剪应力传感器在实验室内校准得到。由此可知，采用本发明所公开的剪应力传感器埋入混凝土后测量得到的剪应力为面积为传感器壳体表面大小的混凝土平均剪应力。