基于压电材料的混凝土平面动应力传感器的制作方法

本发明涉及一种传感器，尤其涉及一种基于压电材料的用于混凝土结构平面动应力测量的传感器。

背景技术：

目前，尚缺乏直接测量混凝土结构的应力的技术手段。对混凝土结构的应力测量，一般是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将所测量的应变换算成混凝土的应力。这种方法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。通过电阻应变片测量应变，通过材料的弹性模量来换算得到应力的方法存在应力结果受混凝土材料弹性模量的取值的影响的问题，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。所以，开发能够直接嵌入混凝土内部、直接测量混凝土内部应力状态的传感器，特别是测量在地震、爆炸和冲击等强动力荷载作用下的混凝土结构的平面动应力的传感器具有十分重要的意义。

目前，尚无针对混凝土结构内部平面动应力直接测量的有效手段，本专利提出基于伸缩型以及剪切型压电材料的混凝土结构内部平面动应力测量传感器。

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，与混凝土具有良好相容性，基于压电材料的混凝土平面动应力传感器。

为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种基于压电材料的平面动应力传感器，包括：立方体传感器基体、经过防水绝缘处理的伸缩型和剪切型压电材料片、屏蔽导线与接头、以及小钢片；

所述伸缩型压电材料片通过粘接材料固定在传感器基体的四个侧面中两个相互垂直的面上；所述剪切型压电材料片通过粘接材料固定在传感器基体的四个侧面中另两个相互垂直的面上；所述伸缩型和剪切型压电材料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；所述小钢片通过粘接材料固定在伸缩型和剪切型压电材料片的外侧面；

所述基于压电材料的平面动应力传感器埋入混凝土中的指定部位，当传感器受到外界动力荷载作用时，传感器处于一般平面应力状态，分别位于一组相邻且相互垂直的表面的伸缩型压电材料片以及位于另外一组相邻且相互垂直的表面的剪切型压电材料片均会由于正压电效应而产生电荷，并且电荷密度分别正比于相应表面所受到的动正应力和动剪应力的大小；其各片压电材料片的灵敏度系数可以通过所采用的压电材料的压电系数确定；四片压电材料片的电荷输出转换成电压信号输出，并通过数据采集系统采集；根据各压材料片的灵敏度系数就可以分别确定各表面的动正应力和动剪应力分量的大小。

在一较佳实施例中：所述立方体传感器由与混凝土材料具有相容性的复合水泥砂浆、或者天然岩石材料或者金属或非金属材料制作而成。

在一较佳实施例中：所述压电材料片压电材料为压电陶瓷或者压电薄膜。

在一较佳实施例中：所述立方体传感器基体由模具浇筑复合水泥砂浆制作而成。

在一较佳实施例中：所述模具包括隔板、模板层、底板层，所述模板层设有多个立方体形凹模；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隔板紧密连结。

相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：

本发明提供了一种基于压电材料的平面动应力传感器，结构简单，平面动应力传感器的体积小，制作工艺简便，造价低廉，该传感器为在动力荷载作用下混凝土结构内部一般平面动应力状态下的动正应力和动剪应力的测量提供了有效手段。

附图说明

图1为本发明优选实施例中混凝土平面动应力传感器中压电陶瓷片的布置方案。

图2为本发明优选实施例中压电材料片与立方体传感器基体表面粘结示意图。

图3为本发明优选实施例中采用复合水泥砂浆制作立方体传感器基体所使用的模具结构示意图。

图4为本发明优选实施例中混凝土平面动应力传感器标定所用的伸缩型和剪切型压电材料片的正压电效应示意图。

图5为本发明优选实施例中混凝土结构中内部某一点的平面应力状态示意图。

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,本实施例包括经过防水绝缘处理的伸缩型压电材料片1,2及剪切型压电材料片3,4、立方体传感器基体5，并按图中方式布置：在立方体传感器基体5的一组相邻其相互垂直的两个侧面上布置伸缩型压电材料片1,2，在另外一组相邻且相互垂直的两个侧面上布置剪切型压电材料片3,4。粘帖于立方体传感器基体5的两个相邻且相互垂直的表面上的两片伸缩型压电材料1,2分别测量测点所在位置平面动应力状态中的两个动正应力分量。粘帖于立方体传感器基体5的另外两个相互垂直的表面的两片剪切型压电材料片3,4分别测量测点所在位置平面动应力状态中的两个动剪应力分量。

参照图2，所述四片压电陶瓷片与所述立方体传感器基体5通过粘结且绝缘的材料如环氧树脂8粘结固定为一体，各压电材料片的正负极通过屏蔽导线与接头7连接。所述小钢片6分别通过粘结且绝缘的材料如环氧树脂8覆盖在各压电材料片上。所述立方体传感器基体5可采用与混凝土材料相容的复合水泥砂浆，通过所述模具来进行预制。当采用其他天然岩石材料或者金属材料与非金属材料制作时，通过机械加工手段来制作。

参照图3，本发明实施例之复合水泥砂浆立方体传感器基体5制造使用的一种模具，包括隔板9，模板层10、底板层11。模板层10上设有40个宽度为2cm，高度为2cm(该尺寸可以根据实际需要或者设计调整)的正方体形凹模，底板层11位于模板层10下面，模板层10由可拆分的单块模板组成。模板层10与底板层11通过隔板9固定。使用复合水泥砂浆制作立方体传感器基体5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倒入模具中振捣密实，静置一天后拆模，得到复合水泥砂浆立方体传感器基体5，然后将其放入水中养护以备用。

参照图4，图4a为伸缩型压电材料正压电效应原理图，图4b为剪切型压电材料的正压电效应原理图(均以3方向为极化方向)。实施例的基本工作原理是：利用压电材料的正压电效应，当伸缩型压电材料片1,2受到外界动正应力的作用时，会在其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动正应力的大小。当剪切型压电材料片3,4受到外界动剪应力的作用时，会在其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动剪应力的大小。各片压电材料片的灵敏度系数可以通过所采用的压电材料的压电系数确定。四片压电材料片的电荷输出转换成电压信号输出，并通过数据采集系统采集。根据各压材料片的灵敏度系数就可以分别确定传感器各表面的动正应力和动剪应力分量的大小。

参照图5，为混凝土结构内部某点的一般平面应力状态，包含两个动正应力和两个动剪应力。根据剪应力互等定力，这两个动剪应力相等。基于压电陶瓷片的平面动应力传感器实施的基本工作原理为压电材料片的正压电效应的压电方程(其中2方向垂直于1-3平面)，以压电陶瓷材料为例，其压电方程如下式(1)。将i方向上的电位移Di转换成电压U，如下式(2)。其中dij为在j方向的应力的作用下，垂直于i方向的电极面的压电系数。Ti(i＝1,2,3)为i方向的正应力，Ti(i＝4,5,6)分别为作用于1-2面，1-3面和2-3面的剪应力。Kij为压电陶瓷片的灵敏度系数，A为压电陶瓷的极化面面积，C为压电陶瓷片的电容量。处于混凝土结构内部的某一单元体平面应力分别为σx,σy,τxy和τyx，其中有τxy＝τyx。

U＝Qi/C＝Di×A/C＝∑(dij×Tj)×A/C＝∑(kij×Tj)(2)

对于伸缩型压电陶瓷1,2有如下方程(3)

U1＝k31×σx+k33×σy

U2＝k31×σy+k33×σx (3)

利用已知常数k31，k33以及数据采集系统所检测而得电压数据U1,U2可得σx与σy。

对于剪切型压电陶瓷3,4有如下方程(4)

U3＝k15×τxy

U4＝k15×τyx,且U3＝U4。 (4)

利用已知常数k15以及数据采集系统所检测而得电压数据U3,U4可得τxy与τyx，且τxy＝τyx。

本发明结构简单，体积小，制作工艺简便。该传感器为在动力荷载作用下混凝土结构内部一般平面动应力状态下的动正应力和动剪应力的测量提供了有效手段

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。