基于1-3型水泥基压电复合材料元件的全应力传感器的制作方法

本实用新型属于水泥基压电复合材料技术领域，尤其涉及一种基于1-3型水泥基压电复合材料元件的全应力传感器。

背景技术：

土木工程领域，混凝土结构是应用最广泛的土木结构。在混凝土结构的整体寿命中，结构的安全稳定是十分重要的一点。因此，近些年来，混凝土结构的健康监测越来越受到重视。目前土木工程领域中所用的传感元件，一般都是在其它领域已使用比较成熟的材料，如光导纤维、压电陶瓷、记忆合金等。这些材料与土木工程领域中最主要的结构材料—混凝土往往存在着非常明显的相容性问题。不能原位、真实的反映混凝土结构的应力应变情况。因此，开发能直接嵌入混凝土内部、直接用于混凝土内部三维应力测量的传感器十分必要。

水泥基压电复合材料是近几年发展起来的一种新型功能材料，具有压电性能好、机电耦合性能突出、与混凝土材料力学、声学性能匹配性好等特点，在土木工程结构的健康监测中具有潜在的应用前景。基于水泥基压电复合材料制成的水泥基压电复合材料传感器克服了传统传感器与混凝土结构不相容的问题，灵敏度高且耐久性好，可用于混凝土结构内部应力应变等情况的监测。但目前尚无能够直接测量出混凝土结构内部全部应力状态的有效手段，如果能开发出可直接嵌入混凝土内部、直接用于混凝土内部正应力与剪应力同时测量的全应力传感器，对于工作状态下的混凝土内部的应力测量具有重要的意义。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种基于1-3型水泥基压电复合材料元件的全应力传感器，该全应力传感器适用于混凝土结构内部的全应力测量。

本实用新型提供的基于1-3型水泥基压电复合材料元件的全应力传感器，至少包括三个d15模式元件、三个d33模式元件以及一长方体型的水泥基体；

d15模式元件和d33模式元件均由元件主体和工作电极构成；元件主体由压电陶瓷柱构成的陶瓷柱阵列和充填于陶瓷柱阵列间的水泥基材构成，陶瓷柱阵列通过对极化后的压电陶瓷块切割获得；其中，d15模式元件的切割方向与极化方向垂直；d33模式元件的切割方向与极化方向平行；工作电极涂覆于元件主体上与切割方向垂直的两相对表面上；

三个d15模式元件和三个d33模式元件分别布置于水泥基体两两相邻的三个面上，每一面上均布置一d15模式元件和一d33模式元件；

布置好后的三个d15模式元件，其极化方向两两垂直；布置好后的三个d33模式元件，其极化方向也两两垂直。

进一步的，所述d15模式元件和所述d33模式元件的规格相同。

进一步的，每一面上的一d15模式元件和一d33模式元件正布置，即，d15模式元件和d33模式元件的6个面分别与水泥基体的6个面平行。

进一步的，本实用新型全应力传感器还包括封装层和屏蔽层，封装层用来对水泥基体及其中布置的d15模式元件、d33模式元件进行封装；封装层外包覆屏蔽层；d15模式元件和d33模式元件的工作电极通过导线引出至屏蔽层外。

所述导线的另一端连接屏蔽线，另外，屏蔽线还通过另一导线连接屏蔽层。

和现有技术相比，本实用新型具有如下优点和有益效果：

(1)本实用新型全应力传感器灵敏度高，频带响应宽，抗干扰效果好，且与混凝土结构相容性好。

(2)将本实用新型全应力传感器粘贴于混凝土结构表面或置于混凝土结构内部，测量混凝土结构的正应力与剪应力，即可实现混凝土结构的全应力监测，对水泥基压电复合材料在混凝土结构健康监测中的应用具有重要意义。

附图说明

图1为实施例中d15模式元件的制备工艺流程；

图2为实施例中d33模式元件的制备工艺流程；

图3为实施例中全应力传感器的具体结构示意图；

图4为混凝土结构内任一空间点的三维应力示意图；

图5为本实用新型中d33模式元件和d15模式元件的压电效应原理图，其中，图(a)为d33模式元件的压电效应原理图，图(b)为d15模式元件的压电效应原理图；

图6为实施例中全应力传感器的制备工艺流程。

图中，1-压电陶瓷块，2-极化电极，3-陶瓷柱，4-底座，5-水泥基材，6-坯体，7-工作电极，8-第一d15模式元件，9-第二d15模式元件，10-第三d15模式元件，11-第一d33模式元件，12-第二d33模式元件，13-第三d33模式元件，14-水泥基体，15-封装层，16-屏蔽层，17-导线，18-屏蔽线，19-电荷；

a和f表示去掉极化电极步骤，b和g表示切割陶瓷柱步骤，c和h表示水泥基材浇注步骤，d和i表示切割底座和抛磨步骤，e和j表示制作工作电极步骤。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型和/或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本实用新型的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

本实用新型全应力传感器基于1-3型水泥基压电复合材料元件制作，所述1-3型水泥基压电复合材料元件包括相同规格的d15模式和d33模式的1-3型水泥基压电复合材料元件，分别简记为d15模式元件和d33模式元件。所述相同规格指尺寸相同。d15模式元件和d33模式元件均由元件主体和工作电极构成；其中，元件主体由压电陶瓷柱构成的陶瓷柱阵列和充填于陶瓷柱阵列间的水泥基材构成，陶瓷柱阵列是通过对极化后的压电陶瓷块切割获得；工作电极制作于元件主体的相对的两表面，该相对的两表面为压电陶瓷柱两端所在的表面，也即与压电陶瓷柱长度方向垂直的两表面。d15模式元件和d33模式元件的区别在于，对d15模式元件，切割方向与压电陶瓷块的极化方向垂直；而对d33模式元件，切割方向与压电陶瓷块的极化方向平行。

本具体实施方式中，采用切割-浇注法制备d15模式元件，其制备工艺见图1，具体步骤如下：

(101)对尺寸为8mm×8mm×8mm的压电陶瓷块1进行极化，压电陶瓷块1可以为锆钛酸铅压电陶瓷块、铌镁锆钛酸铅压电陶瓷块、铌锂锆钛酸铅压电陶瓷块等。

(102)去掉压电陶瓷块1的极化电极2。

(103)利用切割机，将压电陶瓷块1切割成若干均匀排列的陶瓷柱3，获得压电陶瓷柱阵列，切割方向与极化方向垂直。陶瓷柱3尺寸为2mm×2mm×7mm。

(104)将压电陶瓷柱阵列连底座4置入模具内，将水泥基材5浇注于模具中，浇注完成后，放入养护箱养护。

作为优选方案，实施本步骤前，可采用超声波清洗机对压电陶瓷柱阵列进行超声清洗，去除残留的陶瓷残渣，以避免影响元件的性能。之后，再将晾干后的压电陶瓷柱阵列置入模具内。

为消除水泥基材中的气泡，提高水泥基材的致密性，将配制的水泥基材进行充分搅拌后，放入真空设备中进行抽真空处理；同时，采用抽真空振动浇注法进行浇注，即浇注的同时进行抽真空并振动模具。

(105)养护完成后，取出坯体6，切割掉底座4，并对坯体6进行抛磨，直至坯体6的所有表面均完全露出陶瓷柱3的端头。本具体实施方式中，最终获得的坯体6中陶瓷柱3的尺寸为2mm×2mm×6mm。

(106)在坯体6中陶瓷柱3两端所露出的表面，即垂直于切割方向的两相对表面制作工作电极7，即获得d15模式元件。所述工作电极7包括正极和负极。本实施例所制作的d15模式元件中，陶瓷柱3的体积占比为20％～80％，工作电极7采用低温导电银浆。

本具体实施方式中，同样采用切割-浇注法制备d33模式元件，其制备工艺参见图2，具体步骤如下：

(201)对尺寸为8mm×8mm×8mm的压电陶瓷块1进行极化，压电陶瓷块1可以为锆钛酸铅压电陶瓷块、铌镁锆钛酸铅压电陶瓷块、铌锂锆钛酸铅压电陶瓷块等。

(202)去掉压电陶瓷块1的极化电极2。

(203)利用切割机，将压电陶瓷块1切割成若干均匀排列的陶瓷柱3，获得压电陶瓷柱阵列；切割方向与压电陶瓷块1的极化方向平行。陶瓷柱3尺寸为2mm×2mm×7mm。

(204)将压电陶瓷柱阵列连底座4置入模具内，将水泥基材5浇注于模具中，浇注完成后，放入养护箱养护。

作为优选方案，实施本步骤前，可采用超声波清洗机对压电陶瓷柱阵列进行超声清洗，去除残留的陶瓷残渣，以避免影响元件的性能。之后，再将晾干后的压电陶瓷柱阵列置入模具内。

为消除水泥基材中的气泡，提高水泥基材的致密性，将水泥基材进行充分搅拌后，放入真空设备中进行抽真空处理；同时，采用抽真空振动浇注法进行浇注，即浇注的同时进行抽真空并振动模具。

(205)养护完成后，取出坯体6，切割掉底座4，并对坯体6进行抛磨，直至坯体6的所有表面均完全露出陶瓷柱3。本实施例中，最终获得的坯体6中陶瓷柱3的尺寸为2mm×2mm×6mm。

(206)在坯体6中陶瓷柱3两端所露出的表面，即垂直于切割方向的两相对表面，制作工作电极7，即获得d33模式元件。所制作的d33模式元件中，陶瓷柱3的体积占比为20％～80％。本具体实施方式中，工作电极7采用低温导电银浆。

参见图3，所示为基于d15模式元件和d33模式元件制作的全应力传感器。所述全应力传感器主要包括三个d15模式元件和三个d33模式元件，三个d15模式元件分别记为第一d15模式元件8、第二d15模式元件9、第三d15模式元件10，三个d33模式元件分别记为第一d33模式元件11、第二d33模式元件12、第三d33模式元件13。三个d15模式元件和三个d33模式元件布置于一立方体型的水泥基体14两两相邻的三个面上，每一面上均布置一d33模式元件和一d15模式元件。本具体实施方式中，第一d15模式元件8和第一d33模式元件11布置于同一面上，第二d15模式元件9和第二d33模式元件12布置于同一面上，第三d15模式元件10和第三d33模式元件13布置于同一面上。本实施例中，每一面上的d15模式元件和d33模式元件的工作电极与所在面平行。

在水泥基体14上布置d15模式元件和d33模式元件时，布置好的d15模式元件和d33模式元件，极化方向应在空间两两相互垂直，即三个d15模式元件的极化方向应两两垂直，三个d33模式元件的极化方向也应两两垂直。举例说明，见图3，第一d15模式元件8的极化方向在x-y平面且平行于y方向，第二d15模式元件9的极化反向在x-z平面且平行于x方向，第三d15模式元件10的极化方向在y-z平面且平行于z方向。

三个d15模式元件和三个d33模式元件外封装有封装层15，封装层15外包覆有屏蔽层16，其中，三个d15模式元件和三个d33模式元件的工作电极均通过导线17引出至屏蔽层16外，并连接屏蔽线18，所述屏蔽线18还通过另一导线连接屏蔽层16。本具体实施方式中，导线17采用铜芯导线，屏蔽线18采用屏蔽铜芯线。

参见图4，所示为混凝土结构内任一空间点的三维应力示意图。根据材料力学理论可知，可通过对一空间点周围包围该空间点的微小正六面体单元体进行分析，来研究该空间点的空间应力状态。图4中，σx、σy、σz分别表示x、y、z三个方向的正应力；τxy、τyx、τyz、τzy、τxz、τzx分别为空间立方体受切应力，在数值上τxy＝τyx，τyz＝τzy，τxz＝τzx。因此，测得空间立方体相邻三个面上的正应力与剪应力，即可知道空间点的全部受力状态。本实用新型全应力传感器中，d33模式元件用来测量正应力，d15模式元件用来测量剪应力。在水泥基体的三个相邻面，每个面分别布置d15模式元件和d33模式元件，即可测得空间点的受力状态。

图5给出了d33模式元件和d15模式元件的压电效应原理图，见图5(a)，所示为d33模式元件的压电效应原理图，当正应力σ施加于元件主体上时，元件主体沿极化方向产生电位移，随之在两个工作电极7表面上累积等量但符号相反的电荷19，所施加的正应力σ可通过σ＝q/(d33*a)计算，q表示电荷量，d33表示d33模式元件的压电常数，a表示d33模式元件的工作电极表面的面积。因此，d33模式元件可监测正应力。

见图5(b)，所示为d15模式元件的压电效应原理图，当剪应力τ施加于元件主体上时，在两个平行于极化方向的工作电极7表面上，会累积等量但符号相反的电荷19，所施加的剪应力τ可通过τ＝q/(d15*a)计算，q表示电荷量，d15表示d15模式元件的压电常数，a表示d15模式元件的工作电极表面的面积。

所以，采用d33模式元件测量正应力，采用d15模式元件测量剪应力。在水泥基体的三个相邻面，每个面分别布置d33模式元件和d15模式元件，即可测得空间点的受力状态。

本具体实施方式中，基于d15模式元件和d33模式元件的全应力传感器，其制备工艺参见图6，具体步骤如下

(301)将d15模式元件和d33模式元件的工作电极均通过导线引出。

(302)将d15模式元件和d33模式元件布置在立方体的水泥基体两两相邻的三个表面上。

(303)采用封装材料对布置于水泥基体上的d15模式元件和d33模式元件进行整体封装，并固化。所用封装材料为环氧树脂基封装材料。

(304)采用屏蔽材料在封装层外制备屏蔽层，所采用屏蔽材料为水泥基屏蔽材料。

(305)将与d15模式元件和d33模式元件的工作电极连接的导线连接屏蔽线，另外，屏蔽线还通过另一导线连接屏蔽层。

本实用新型全应力传感器，可用于监测混凝土结构表面或内部的全应力，具体为：将全应力传感器粘贴于混凝土结构表面或置于混凝土结构内部，即可监测混凝土结构表面或内部的正应力与剪应力，从而实现混凝土结构的健康监测。

上述实施例所述是用以具体说明本实用新型，文中虽通过特定的术语进行说明，但不能以此限定本实用新型的保护范围，熟悉此技术领域的人士可在了解本实用新型的精神与原则后对其进行变更或修改而达到等效目的，而此等效变更和修改，皆应涵盖于权利要求范围所界定范畴内。