专利名称：一种免电磁干扰的埋入式混凝土结构多功能压电智能骨料的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种免电磁干扰的埋入式混凝土结构多功能压电智能骨料，尤其可以监测混凝土动力损伤过程中正应力及主动监测混凝土结构内部缺陷。
背景技术：
混凝土结构是量大面广的土木工程结构，在役期间可能遭受地震、台风、碰撞等动力灾变作用，造成结构损伤。因此及时准确地进行结构检测对于结构维修加固决策至关重要。目前，有很多结构局部损伤检测方法，如超声法、声发射、红外热像法、回弹法、同位素探测法等，这些检测方法的不足之处在于(1)只能定性检测，无法给出结构内部真实的应力信息；(2)检测时效性差，无法得出结构损伤演化过程；(3)设备笨重、成本高。压电智能骨料对混凝土结构的损伤监测提供了新的方法在不破坏原有结构的前提下，可以对混凝土结构进行被动、主动两种方式的损伤监测。本发明的核心元件为压电陶瓷(锆钛酸铅，简称PZT)，压电陶瓷具有正、逆压电效应。当对压电陶瓷施加外力时，压电陶瓷内部会因外力作用引起变形，压电陶瓷上下表面会产生等量且电性相反的电荷，且电荷量与外力成正比，即为正压电效应。利用正压电效应， 可将其制成动态应力传感器及信号接收器；相反，若在压电陶瓷表面施加电压，会导致压电陶瓷产生变形，即逆压电效应。利用逆压电效应，可以将压电陶瓷制成驱动器。利用正、逆压电效应制成的压电智能骨料与混凝土结构相互作用，即可对结构进行损伤监测。目前，埋入式混凝土损伤诊断传感元件主要有水泥基压电陶瓷传感元件和水泥基压电复合材料两种方式。中国专利200810010010. 8号中所提到的压电智能骨料是以水泥砂浆或细石混凝土做保护壳，其不足之处是(1)压电陶瓷片外部未做屏蔽，容易受到外界电磁干扰，影响测量精度；( 所用水泥砂浆或细石混凝土在混凝土结构处于高压应力水平下容易开裂，易导致内部压电陶瓷片损坏，不适合动力损伤全过程监测(2)压电陶瓷片的位置不能得到保证，应力传递路径不确定；C3)不容易振捣密实；济南大学黄世峰在复合材料学报上发表的《1-3型水泥基压电复合材料传感器的性能》一文中提到的1-3型水泥基压电复合材料传感元件制作工艺较复杂、成本高、不易于在土木工程中大量推广。本发明——一种免电磁干扰的埋入式混凝土结构多功能压电智能骨料，采用压电陶瓷(d33模式)材料为传感元件，并对其外部包装金属壳以屏蔽外界电磁干扰且可以保护压电陶瓷片进行混凝土损伤全过程监测。利用压电陶瓷的正压电效应原理，经过电荷放大器将电荷信号转换为电压信号，利用标定试验得到应力与电压之间的关系。对于普通混凝土及高强混凝土结构的动力损伤全过程，该埋入式传感器将保持完好并正常工作，因此可得出混凝土结构动力损伤全过程的应力时程；利用压电陶瓷的逆压电效应原理，对其施加电压激励，压电陶瓷会产生形变，产生以纵向振动为主的应力波，利用压电陶瓷的正压电效应原理，接收经过损伤而衰减的应力波转换的电压信号，通过与建立的初始值进行比对，评估混凝土结构内部的损伤，为混凝土结构损伤监测提供了一种新的方法。
发明内容
为了克服现有的混凝土损伤监测传感器在电磁屏蔽效果、应力传递路径可靠性、 高应力水平性能稳定性等问题，本发明提出一种免电磁干扰的埋入式混凝土结构多功能压电智能骨料，该发明有效地解决了上述问题，且制作简单，性能稳定，价格低廉，易于在土木工程领域大量推广应用。本发明的技术方案如下一种免电磁干扰的埋入式混凝土结构多功能压电智能骨料结构包括金属屏蔽底座、金属屏蔽盖、d33模式压电陶瓷片、绝缘橡圈、导电片、环氧树脂绝缘防水层、屏蔽导线及屏蔽接头，其中，金属屏蔽底座与金属屏蔽盖统称为金属屏蔽壳。压电陶瓷片位于金属屏蔽保护壳的内部，将两片压电陶瓷片正极相对放置，中间放置导电片，将导电片与屏蔽导线正极相连，金属屏蔽底座与屏蔽线外层屏蔽线相连，将金属屏蔽盖与金属底座通过螺纹连接， 并施加一定的预紧力，屏蔽导线另一端与屏蔽接头相连，屏蔽接头与数据采集系统相连接。上述的一种免电磁干扰的埋入式混凝土结构多功能压电智能骨料具体做法为将两片压电陶瓷片正极相对中间放置导电片，将导电片与屏蔽导线正极焊接为一体；将屏蔽导线的外围屏蔽线与金属屏蔽底座焊接一体；利用绝缘橡圈将压电陶瓷片侧面箍紧，将金属屏蔽底座与金属屏蔽盖通过螺纹连接一体，并在连接部位做焊接处理之后对其上下表面施加一定的预压力，最后在金属外壳上涂以环氧树脂绝缘防水层，并在表面粘砂，保证传感器与混凝土之间有良好的相容性二4小时风干后形成该压电智能骨料。本发明的有益效果1.本发明的金属屏蔽壳，可以有效的屏蔽外界电磁干扰，提高测量精度且可以对压电陶瓷片起到保护作用，可以对混凝土结构进行动力损伤全过程的应力监测。2.本发明的体积小、强度高，将其埋入混凝土结构中可以替代混凝土中的一颗粗骨料，不改变测量位置处应力分布。3.本发明构造简单、传力路径清晰、性能稳定、成本低廉，适用于土木工程中的广泛应用。
图1是一种免电磁干扰的埋入式混凝土结构多功能压电智能骨料结构示意图。图2是一种免电磁干扰的埋入式混凝土结构多功能压电智能骨料横截面图。图中1—金属屏蔽底座；2——金属屏蔽盖；3——d33模式压电陶瓷片；4—— 绝缘橡圈；5——导电片；6——环氧树脂绝缘防水层；7——屏蔽导线；8——屏蔽接头。
具体实施例方式以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施过程。本发明的结构如图1、图2所示，其结构包括金属屏蔽底座1、金属屏蔽盖2、d33模式压电陶瓷片3、绝缘橡圈4、导电片5、环氧树脂绝缘防水层6、屏蔽导线7及屏蔽接头8组成。将两片压电陶瓷片的正极对在一起，中间放置导电片，并与屏蔽导线的内芯焊接为一体；外部包以绝缘橡圈，并将屏蔽导线的屏蔽线与金属外壳焊接一体；将金属屏蔽底座与金属屏蔽盖利用螺纹连接一体，同时施加一定的预紧力，并将连接部分焊接处理，最后在金属外壳上涂以环氧树脂绝缘防水层二4小时风干后形成该压电智能骨料。当压电智能骨料埋入到混凝土结构中时，外部金属保护壳可以保证传感器在结构动力损伤全过程中正常工作且可以有效的屏蔽外界的电磁干扰，外部涂环氧树脂时可适当粘一些粗砂，保证传感器与混凝土之间有良好的相容性，减少由于界面分离造成的信号干扰。
将压电智能骨料埋入于混凝土结构中，使压电陶瓷片所在平面与被测结构主压应力方向垂直，当结构受到外部动力荷载作用时，根据正压电效应，压电陶瓷上下表面会产生等量且电性相反的电荷，电荷量与外力成正比，将此电荷通过电荷放大器转化为电压信号， 并通过相应的信号采集系统将电压信号存入计算机中，利用动态加载实验标定的传感器电压与受力截面应力之间的灵敏度系数，从而可实现对混凝土结构进行动力损伤全过程的监测；将两个传感器平行放置于可能出现损伤位置的两侧，对其中一个传感器进行电压激励， 根据逆压电效应，传感器会与周围混凝土作用产生纵向振动为主的应力波，另外一个传感器接到混凝土结构出现损伤衰减后的应力波，根据正压电效应，压电陶瓷的上下表面会产生等量相反的电荷，通过与建立的初始值进行比对，评估混凝土结构内部的损伤，实现对混凝土结构的主动损伤监测。
权利要求
1. 一种免电磁干扰的埋入式混凝土结构多功能压电智能骨料，其特征在于该传感器包括金属屏蔽底座(1)、金属屏蔽盖(2)、d33模式压电陶瓷片(3)、绝缘橡圈0)、导电片(5)、 环氧树脂绝缘防水层(6)、屏蔽导线(7)及屏蔽接头(8)；传感器的外部为金属屏蔽底座 (1)及金属屏蔽盖O)，两片d33模式压电陶瓷片(3)正极相对放置，中间放置导电片(5)， 将导电片(5)与屏蔽导线(7)正极相连，金属屏蔽底座(1)与屏蔽线外层屏蔽线相连，用绝缘橡圈(4)将压电陶瓷外侧箍紧，将金属屏蔽盖(2)与金属屏蔽底座(1)通过螺纹连接，并施加一定的预紧力，然后在其外部涂一层环氧树脂绝缘保护层(6)，屏蔽导线(7)另一端与屏蔽接头(8)相连，屏蔽接头与数据采集系统相连接。
全文摘要
本发明公开了一种免电磁干扰的埋入式混凝土结构多功能压电智能骨料，其组成包括金属屏蔽底座、金属屏蔽盖、d33模式压电陶瓷片、绝缘橡圈、导电片、环氧树脂绝缘层、屏蔽导线及屏蔽接头。将两片压电陶瓷片正极相对中间放置导电片，将导电片与屏蔽导线正极焊接为一体；将屏蔽导线的外围屏蔽线与金属屏蔽底座焊接一体；利用绝缘橡圈将压电陶瓷侧面箍紧，将金属屏蔽底座与金属屏蔽盖通过螺纹连接一体，并对其上下表面施加一定的预压力，在连接部位做焊接处理之后，最后在金属外壳上涂以环氧树脂绝缘防水层，24小时风干后形成该压电智能骨料。外部涂环氧树脂时可适当粘一些粗砂，保证传感器与混凝土之间有良好的相容性。本发明优点是屏蔽效果显著、混凝土内部应力场免干扰、混凝土内部动力损伤演化全过程监测、受力路径明确、构造简单、造价低廉。
文档编号H05K9/00GK102384803SQ20111022625
公开日2012年3月21日 申请日期2011年8月8日 优先权日2011年8月8日
发明者侯爽, 张海滨, 欧进萍, 聂长利 申请人:大连理工大学