CN102401707A - 基于压电陶瓷的混凝土动态应力传感器及标定方法 - Google Patents

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基于压电陶瓷的混凝土动态应力传感器及标定方法。包括经过防水绝缘处理的压电陶瓷片、屏蔽导线、接头、两封装传力块，两封装传力块相对的一侧中部分别设有凹槽，所述压电陶瓷片置于所述凹槽中，两封装传力块及压电陶瓷片通过掺有重量百分比为6-14%的水泥干粉的环氧树脂粘结固定成一体，压电陶瓷片通过屏蔽导线与接头连接。本发明还包括所述混凝土动态应力传感器标定方法及应用所述混凝土动态应力传感器的混凝土结构内部动态应力测量系统。本发明之动态应力传感器及标定设备结构简单，动态应力传感器的体积小，制作工艺简便，性价比高，适合大批量生产。

Description

基于压电陶瓷的混凝土动态应力传感器及标定方法
技术领域
本发明涉及一种传感器及标定方法，尤其涉及一种用于混凝土结构动态应力测量的基于压电陶瓷的混凝土动态应力传感器及标定方法。
背景技术
目前，在对混凝土等构件进行应力测量时，主要采用在构件表面粘贴混电阻应变片，通过应变大小来间接反映混凝土的应力大小。对于混凝土结构内部应力的分布情况，目前尚无有效的直接测量手段。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单，体积小，制作工艺简单，造价低廉，与混凝土具有良好相容性，基于压电陶瓷的混凝土动态应力传感器及标定方法。
本发明的技术方案是：
本发明之基于压电陶瓷的混凝土应力传感器，包括经过防水绝缘处理的压电陶瓷片、屏蔽导线、接头、两封装传力块，两封装传力块相对的一侧中部分别设有凹槽，所述压电陶瓷片置于所述凹槽中，两封装传力块及压电陶瓷片通过掺有重量百分比为6-14%（优选8-12 wt %，更优选10wt%）水泥干粉的环氧树脂粘结固定为一体，压电陶瓷片通过屏蔽导线与接头连接。
所述封装传力块的形状可为半圆柱体形或者立方体形，也可为棱柱体形。可采用与混凝土材料具有相容性的纤维增强复合水泥砂浆、金属材料、天然石材（如岩石）或者其它人工材料制造，只要其强度高于被监测对象的应力水平即可。
将本发明之混凝土动态应力传感器的接头与应力测量电路的高输入阻抗前置放大器连接，所述前置放大器通过屏蔽导线与电荷放大器连接，电荷放大器再通过屏蔽导线分别与重置/测量控制键、信号采集系统连接，即构成混凝土结构内部动态应力测量系统。
所述封装传力块采用纤维增强复合水泥砂浆制造时，可采用下述专用模具：该模具包括螺栓、模板层、底板层，所述模板层设有多个圆柱形凹模，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即可。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螺栓紧密连结。制作封装传力块时，先将模具清洗干净，在内侧表面均匀涂抹润滑油，以方便拆模，再将搅拌好的掺有增强纤维的水泥沙浆倒入模具中振捣密实，静置一天后拆模，即得到圆柱体或立方体水泥块，然后将其放入热水中养护，当其达到设计强度后备用。
本发明之基于压电陶瓷的混凝土动态应力传感器的标定方法是：用小型落锤试验机进行标定，将标准标定用动态应力传感器夹置于锤头上面，锤头从一定高度经自由落体运动后与待标定的混凝土动态应力传感器撞击，同步记录待标定的混凝土动态应力传感器的输出信号及标定用动态应力传感器的力的输出结果；为了提高标定精度，同一组试验重复3次以上。对同步采集的标准标定用动态力传感器的力信号与待标定的混凝土应力传感器的电压信号进行线性拟合，得到待标定的混凝土动态应力传感器灵敏度系数。
本发明之基于压电陶瓷的混凝土动态应力传感器的基本工作原理是：利用压电陶瓷的正压电效应，当压电传感器受到外界动力荷载作用时，会引起压电陶瓷材料内部中心正负电荷相对移动而产生点的极化，导致压电陶瓷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外力的大小。压电陶瓷的电荷输出经过电荷放大器放大并转换成电压信号，通过数据采集系统采集电压信号。运用标定所得的灵敏度系数即得到动态应力的大小。
本发明混凝土动态应力传感器的封装传力块既具有传递应力的功能，又有保护置于其中的压电陶瓷片不被损坏的功能。封装传力块的使用，使得本发明的动态应力传感器可以方便地在浇筑混凝土前预先安装在混凝土构件的指定位置，保护在混凝土浇筑和振捣过程中压电陶瓷片不被损坏，而且与混凝土有好的相容性。
在使用本发明混凝土动态应力传感器进行混凝土结构内部动态应力的直接测量时，其前置放大器具备两个功能：一、将混凝土动态应力传感器的微弱电荷信号放大；二、将混凝土动态应力传感器高阻抗输出转换成前置放大器的低阻抗输出。电荷放大器的作用是将电荷值                                                
Figure 62569DEST_PATH_IMAGE001
转换成电压值
Figure 754581DEST_PATH_IMAGE002
，电荷放大器采用积分电路的原理，其核心部件是一个内部高增益运算放大器、一个极高（通常>1000MW）的输入绝缘电阻
Figure 491593DEST_PATH_IMAGE003
和一个高精度低损耗的反馈电容
Figure 139612DEST_PATH_IMAGE004
。一般，使用下式(1)的近似公式即可准确计算电压信号大小。在每个测量周期结束以后，需要通过重置/测量控制键使反馈电容放电，将输出信号置零，防止测量过程中的零点漂移。反馈电容
Figure 257872DEST_PATH_IMAGE004
的绝缘电阻可以由下式(2)来确定电荷放大器较低的截止频率。
Figure 437181DEST_PATH_IMAGE005
                             (1)
Figure 712304DEST_PATH_IMAGE006
                        (2)
前置放大器后的测量电路具备放大、检波、数据处理等功能。
本发明之动态应力传感器及标定设备结构简单，动态应力传感器的体积小，制作工艺简便，造价低廉，性价比高，适合大批量生产。为土木结构的健康监测中的动态应力监测提供了有效手段。
附图说明
图1为本发明混凝土动态应力传感器实施例整体结构示意图。
图2(a)、(b)为本发明实施例之纤维增强复合水泥砂浆封装传力块制作使用的模具结构示意图。
图3为本发明混凝土动态应力传感器标定用的小型落锤试验机整体结构示意图。
图4为压电陶陶瓷正压电效应示意图。
图5为使用图1所示混凝土动态应力传感器的混凝土结构内部动态应力测量系统结构示意图。
图6为图5所示混凝土结构内部动态应力测量系统的电荷放大器一种电路结构图。
图7为某压电陶瓷动态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，本实施例包括封装于防水绝缘胶中的压电陶瓷片2、屏蔽导线3、接头5、形状为半圆柱体形的两封装传力块1，两封装传力块1平面一侧中间部位分别设有凹槽，所述压电陶瓷片2置于所述凹槽中，两封装传力块1及压电陶瓷片2通过掺有水泥干粉的环氧树脂（其中水泥干粉掺入量按重量百分比计算为10wt%）4粘结固定为一体，压电陶瓷片2通过屏蔽导线3与接头5连接。
所述封装传力块1的形状也可为长方体形。采用与混凝土材料相容的纤维增强复合水泥砂浆，通过预制模具制造。也可用强度大于本应力传感器所需要测量的动态应力范围的金属材料（如钢材）、天然石材或者其它人工材料，通过机械加工制成。
参照图5，混凝土动态应力传感器的接头5与高输入阻抗前置放大器即电荷放大器17连接，电荷放大器17再经屏蔽导线分别与重置/测量控制键18以及动态数据采集系统19 连接，电源20与电荷放大器17连接，为电荷放大器供电，由此构成混凝土结构内部动态应力测量系统。
图6为电荷放大器17的一种电路结构图。
参照图2(a)、(b)，本发明实施例之纤维增强复合水泥砂浆封装传力块制造使用的一种模具，包括螺栓7、模板层8、底板层9，模板层8上设有24个直径为3cm，高度为1.5cm（该尺寸可以根据实际需要或者设计调整）的圆柱形凹模6，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通过螺栓7固定。使用纤维增强复合水泥砂浆封装传力块制造时，先将模具清洗干净，在凹模表面均匀涂抹润滑油，再将搅拌好的高强复合水泥浆倒入模具中振捣密实，静置一天后拆模，得到圆柱体形纤维增强复合水泥砂浆封装传力块，然后将其放入热水中养护，当其达到设计强度后备用。
参照图3，本实施例使用的动态应力标定方法：用一台小型落锤试验机进行标定，该试验机包括夹置于锤头上面的标准压电式标定用力传感器13，力传感器13下部装有锤头14，上部通过质量块12、置于滑轮10上的拉线与拉环11连接，滑轮10安装于两立柱导轨16之间上部的横梁上，操作时，通过牵拉拉环11，将锤头14向上拉升，再经自由落体运动与待标定的混凝土动态应力传感器15撞击，对其施加冲击荷载，同时采集标准压电式标定应力传感器13的力信号与待标定的混凝土动态应力传感器15的电压信号。在同样的冲击高度下，每一组试验至少重复三次。将标准压电式标定用力传感器13的力信号除以待标定的混凝土动态应力传感器15的面积，得到应力信号，取应力信号和待标定的混凝土动态应力传感器15的电压信号进行线性拟合，得到待标定的混凝土动态应力传感器15在冲击荷载作用下的灵敏度系数。
图7表示的是某压电陶瓷动态应力传感器运用以上方法进行标定的结果。可见，传感器的输出电压与应力之间存在线性关系，通过传感器的输出电压可以得到传感器所受到的动态应力的水平。
参照图4，本实施例的基本工作原理是：利用压电陶瓷的正压电效应，当压电陶瓷片2受到外界应力的作用时，会引起压电陶瓷内部中心正负电荷相对移动而产生点的极化，导致压电陶瓷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外力的大小。
参照图5，采用本发明混凝土动态应力传感器的混凝土结构内部动态应力测量系统工作时，混凝土动态应力传感器的输出信号通过其接头5输入到高输入阻抗前置放大器电荷放大器17中,变换成为低阻抗的输出信号，再将其送到动态数据采集系统19，电荷放大器17具备两个功能：一是将混凝土动态应力传感器的微弱信号放大；二是将混凝土动态应力传感器高阻抗的输出转换成低阻抗输出；电荷放大器17的一种电路结构如图6所示，电荷放大器17采用了积分电路的原理，其核心部件是一个内部高增益运算放大器、一个极高（>1000MW）的输入绝缘电阻
Figure 480409DEST_PATH_IMAGE003
和一个高精度低损耗的反馈电容，电荷放大器17将电荷值
Figure 167666DEST_PATH_IMAGE001
转换成电压值
Figure 433431DEST_PATH_IMAGE002
。使用式(1)的近似公式即可准确计算电压值大小。在每个测量周期结束以后，需要通过重置/测量控制键18使反馈电容放电，将输出信号置零。
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，适合于大批量生产等特点，为一种土木结构的健康监测中的应力测量新手段。

Claims (5)

1.一种基于压电陶瓷的混凝土动态应力传感器，其特征在于，包括经过防水绝缘处理的压电陶瓷片、屏蔽导线、接头、两封装传力块，两封装传力块相对的一侧中部分别设有凹槽，所述压电陶瓷片置于所述凹槽中，两封装传力块及压电陶瓷片通过掺有重量百分比为6-14%的水泥干粉的环氧树脂粘结固定为一体，压电陶瓷片通过屏蔽导线与接头连接。
2.如权利要求1所述的基于压电陶瓷的混凝土动态应力传感器，其特征在于，所述封装传力块的形状为半圆柱体形、立方体形或棱柱体形。
3.如权利要求1或2所述的基于压电陶瓷的混凝土动态应力传感器，其特征在于，所述封装传力块采用与混凝土材料具有相容性，且强度高于被监测对象的应力水平的纤维增强水泥砂浆、金属材料、天然石材或者人工材料制造。
4.一种如权利要求1所述基于压电陶瓷的混凝土动态应力传感器的标定方法，其特征在于，用小型落锤试验设备进行标定，将权利要求1所述混凝土动态应力传感器夹置于锤头上面，锤头自高处经自由落体运动后与待标定的混凝土动态应力传感器撞击，同步记录标准标定用动力力传感器的力信号与待标定的混凝土动态应力传感器的电压信号，取标准标定用力传感器的力信号和待标定的混凝土动态应力传感器的电压信号进行线性拟合，得出待标定的混凝土动态应力传感器灵敏度系数。
5.一种使用权利要求1所述基于压电陶瓷的混凝土动态应力传感器的混凝土结构内部动态应力测量系统，其特征在于，将权利要求1所述混凝土应力传感器的接头与应力测量电路的高输入阻抗前置电荷放大器和重置/测量控制键连接，所述前置放大器通过屏蔽导线与高速数据采集系统连接。
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