基于剪切型压电陶瓷的混凝土剪应力传感器和标定方法与流程

本发明涉及一种基于剪切型压电材料的混凝土结构内部冲击剪应力测量的传感器制作及其标定方法。

背景技术：

目前，在对混凝土结构的应力测量，一般通过在混凝土结构表面黏贴电阻式应变片来测量混凝土表面的应变，然后通过混凝土材料的弹性模量来换算成混凝土的应力。由于应变片无法直接埋入混凝土内部，测量所得混凝土的应力往往是混凝土表面的应力，而对混凝土内部的应力状态无法直接获得。其次，通过电阻应变片测量的是应变，应力无法直接测量，需要通过测量所得应变以及材料的弹性模量来换算得来，弹性模量的取值对换算结果有影响，特别是对于力学特性变异性较大的混凝土材料而言，弹性模量的变异对应力换算结果影响较大。此外，在地震等强动力荷载作用下，混凝土材料进入塑性阶段后，由于混凝土材料的应力应变关系不再保持线性，直接通过应变测量值获取应力会带来较大误差。最后，单独一个电阻式应变片只能测量拉应变，无法获得结构的剪应变，也无法获取剪应力。而剪应力的测量对混凝土结构来说至关重要，混凝土材料的抗剪强度小，混凝土的剪切破坏是一种典型的脆性破坏，在结构的设计中是应该避免的。所以，开发能够直接测量混凝土内部剪应力的传感器，用于在地震、爆炸和冲击等强动力荷载作用下的冲击剪应力的测量，具有十分重要的意义。

目前，尚无针对混凝土结构内部冲击剪应力测量的有效手段，本专利提出基于剪切型压电材料的混凝土结构内部冲击剪应力测量传感器以及其标定方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的主要技术问题是提供一种结构简单，体积小，制作工艺简单，造价低廉，与混凝土具有良好相容性，用于混凝土结构内部冲击剪应力的直接测量的基于剪切型压电陶瓷的剪应力传感器。

本发明所要解决的另一主要技术问题是提供上述的剪应力传感器的标定方法。

为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种基于剪切型压电陶瓷的混凝土剪应力传感器，包括：经过防水绝缘处理的剪切型压电陶瓷片、屏蔽导线、接头、两个封装传力块；

所述两个封装传力块层叠设置，并且其中一个封装传力块朝向另一个封装传力块的一面，设有凹槽；所述剪切型压电陶瓷片设置于所述凹槽内；所述两个封装传力块、以及剪切型压电陶瓷片通过粘接材料固定为一体；所述剪切型压电陶瓷片通过屏蔽导线与接头连接

所述两个封装传力块及剪切型压电陶瓷片通过环氧树脂粘结固定为一体，剪切型压电陶瓷片通过屏蔽导线与接头连接；所述接头与数据采集系统连接；

当基于剪切型压电陶瓷的混凝土剪应力传感器受到冲击剪应力作用时，引起剪切型压电陶瓷片内部中心正负电荷相对移动，导致剪切型压电陶瓷片表面出现符号相反的正负束缚电荷，并且电荷密度正比于所受到的冲击剪应力的大小；压电陶瓷的电荷输出转换成电压信号，通过数据采集系统采集。

在一较佳实施例中：所述封装传力块的形状为立方体形或者圆柱体形。

在一较佳实施例中：所述封装传力块采用与混凝土相容性较好的材料制作。

在一较佳实施例中：所述封装传力块采用模具浇筑高强度水泥砂浆制作。

在一较佳实施例中：所述模具包括卡子、模板层、底板层，所述模板层设有多个立方体形或者圆柱体形凹模，模具的尺寸可根据需要调整，与封装传力块所需要的外形尺寸相适应。底板层位于模板层下面，模板层由可拆分的单块模板层组成，模板层与底板层通过卡子连结。

本发明还提供了上述的基于剪切型压电陶瓷的混凝土剪应力传感器的标定方法，包括如下步骤：

1)将待标定的基于剪切型压电陶瓷的混凝土剪应力传感器埋置在空心薄壁圆筒的横截面上，薄壁空心圆筒的半径与壁厚的比应大于10，以保证薄壁上剪应力分布均匀；

2)将空心薄壁圆筒的一端端面固定，另一端端面通过连接钢板与一带悬臂钢梁连接；利用一小型落锤试验机的落锤冲击带悬臂钢梁的悬臂端部；在小型落锤试验机的锤头上安装标准标定用动态力传感器，测量冲击力的大小；

3)由于带悬臂钢梁端部与空心薄壁圆筒固结，作用在带悬臂钢梁悬臂端的冲击力对对空心薄壁圆筒产生扭矩作用，进而在剪应力传感器上产生均匀分布的剪应力作用；同步记录冲击力以及待标定的基于剪切型压电陶瓷的混凝土剪应力传感器的输出电压信号；通过带悬臂钢梁悬臂端上的冲击力计算作用在混凝土空心薄壁圆筒上的均匀分布剪应力大小，与待标定的混凝土剪应力传感器的电压信号进行线性拟合，得出剪应力传感器的灵敏度系数。

相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：

本发明提供的一种基于剪切型压电陶瓷的混凝土剪应力传感器及标定方法结构简单，剪应力传感器的体积小，制作工艺简便，造价低廉，性价比高。为混凝土结构在动力荷载作用下的冲击剪应力检测提供了有效手段。

附图说明

图1为本发明优选实施例中混凝土剪应力传感器实施例横截面示意图。

图2-3为本发明优选实施例中复合水泥砂浆封装传力块制作用的模具结构示意图。

图4为本发明优选实施例中剪切型压电陶瓷片在剪应力作用下的压电效应示意图。

图5为本发明优选实施例中混凝土剪应力传感器标定所用的混凝土薄壁圆筒以及带悬臂钢梁的安装示意图。

图6为本发明优选实施例中混凝土剪应力传感器标定用的小型落锤试验机结构示意图。

图7为本发明优选实施例中某压电陶瓷剪应力传感器的标定结果。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

参照图1，一种基于剪切型压电陶瓷的混凝土剪应力传感器，包括封装于防水绝缘胶中的剪切型压电陶瓷片2、接头4、形状为长方体型的两封装传力块1，两封装传力块1采用层叠设置，其中一块封装传力块1朝向另一块封装传力块1的一面设有凹槽，所述剪切型压电陶瓷片2置于所述凹槽中，两封装传力块1及剪切型压电陶瓷片2通过环氧树脂3粘结固定为一体，剪切型压电陶瓷片2通过屏蔽导线与接头4连接，所述接头4与数据采集系统相连。所述封装传力块1的形状可为圆柱体形，采用与混凝土材料相容的复合水泥砂浆并通过预制模具制造。

参照图2-3，本发明实施例之复合水泥砂浆封装传力块制造使用的一种模具，包括小型凸槽5，卡子7，模板层8、底板层9。模板层8上设有40个宽度为1.5cm，高度为0.5cm(该尺寸可以根据实际需要或者设计调整)的长方体形凹模6，其中一半模具上有一个小型凸槽，凸槽宽度为0.7cm,高度为0.1cm。底板层9位于模板层8下面，模板层8由可拆分的单块模板组成。模板层8与底板层9通过卡子7固定。使用复合水泥砂浆制作封装传力块1时，先将模具清洗干净，在凹模表面均匀涂抹润滑油，再将搅拌好的复合水泥浆浇注入模具中振捣密实，静置一天后拆模，得到长方体型复合水泥砂浆封装传力块，凝固后将其放入水中养护以备用。

参照图4，实施例的基本工作原理是：利用剪切型压电陶瓷的正压电效应，当剪切型压电陶瓷片2受到外界冲击剪应力作用时，会引起压电陶瓷内部中心正负电荷相对移动而在压电陶瓷表面产生符号相反的正负电荷，并且电荷密度正比于所受冲击剪应力的大小。

参照图5，上述的的一种基于剪切型压电陶瓷的混凝土剪应力传感器的标定方法：将待标定的基于剪切型压电陶瓷的混凝土剪应力传感器埋置在空心薄壁混凝土圆筒14的横截面上，薄壁空心混凝土圆筒的半径与壁厚的比应大于10，以保证薄壁上冲击剪应力分布均匀。将空心薄壁混凝土圆筒14的一端端面固定在钢板15上，钢板15固定在固定支座上，另一端端面通过连接钢板13与一带悬臂钢梁10连接。带悬臂钢梁10截面为圆柱形，圆柱轴心线与空心薄壁混凝土圆筒的轴心线重合。带悬臂钢梁10受两个支座12支持，并通过同轴的圆环11保证带悬臂钢梁10仅发生扭转运动。利用小型落锤试验机冲击带悬臂钢梁10的悬臂端，并在小型落锤试验机的锤头上面安装标定的动态力传感器19。带悬臂钢梁10悬臂端在落锤冲击力作用下，在空心薄壁混凝土圆筒14内产生扭矩，同步记录动态力传感器19的信号与待标定的空心薄壁混凝土圆筒横截面上剪应力传感器2的电压信号，计算由动态力传感器19的所测量的冲击力在空心薄壁混凝土圆筒14中产生的扭矩以及响应的剪应力大小，并和待标定的混凝土剪应力传感器2的电压信号进行线性拟合，得出待标定的混凝土剪应力传感器2的灵敏度系数，为了提高标定精度，同一组试验重复6次。

参照图6，本实施例使用的冲击剪应力标定装置：用一台小型落锤试验机进行标定，该试验机包括安装于锤头的标定用标准压电式力传感器19，锤头20上部通过质量块18、置于滑轮16上的拉线与拉环17连接，滑轮16安装于两立柱导轨21之间上部的横梁上，操作时，通过牵拉拉环17，将锤头20向上拉升，松开拉环17，锤头20经自由落体运动后冲击带悬臂钢梁10，对其带悬臂钢梁10的悬臂端施加冲击荷载，同时采集标定用标准压电式力传感器19的力信号与待标定的混凝土剪应力传感器2的电压信号。将标定用标准压电式力传感器19的力信号乘以落锤冲击力作用中心点到空心薄壁混凝土圆筒中心的距离得到扭矩，再转换成混凝土薄壁圆筒截面的冲击剪应力，和待标定的混凝土剪应力传感器2的电压信号幅值进行线性拟合，得到待标定的混凝土剪应力传感器2在冲击荷载作用下的灵敏度系数，如图7。

本发明具有结构简单，体积小，制作工艺简便，造价低廉，性价比高等特点，为一种混凝土结构的冲击剪应力的直接测量提供新手段。

以上所述仅为本发明较佳实施例，故不能依此限定本发明的技术范围，故凡依本发明的技术实质及说明书内容所作的等效变化与修饰，均应属本发明技术方案的范围内。