CN102410893B - 一种埋入式混凝土结构动力损伤全过程空间应力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种埋入式混凝土结构动力损伤全过程空间应力传感器，其组成包括花岗岩基底、花岗岩保护壳、d33模式压电陶瓷片、d15模式压电陶瓷片、环氧树脂绝缘层、六芯屏蔽导线、屏蔽接头及环氧砂浆。压电陶瓷片位于花岗岩基底与花岗岩保护壳之间，且三个d33模式压电陶瓷片放在花岗岩石基的相邻位置，另外三个d15模式压电陶瓷片放置在其余三个面上，并在其表面涂有环氧树脂绝缘防水层，压电陶瓷片的正极与屏蔽导线内芯相连，负极与屏蔽导线的屏蔽线相连，屏蔽导线的另一端与屏蔽接头相连，屏蔽接头与数据采集系统相连接。本发明优点是：空间应力监测、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、界面相容性良好、构造简单、造价低廉。
Description
技术领域
本发明涉及一种埋入式混凝土动态空间应力的传感器，尤其是可以监测混凝土内部动力损伤全过程(微小应力至混凝土压溃阶段)的动态三向压应力、三向剪应力传感器。
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。
为了得到混凝土结构动力损伤过程中的内部的应力信息，最直接有效的方法就是在结构的关键部位如梁柱节点区域埋入应力传感器。一般情况下，电阻应变式力传感器存在动态响应滞后、使用寿命短的缺点；压阻式力传感器制作工艺复杂、成本高；电容式力传感器输出特性的非线性较严重、测量精度低；测量动态应力的压电型动态压应力传感器技术已很成熟，可制成体积较小的传感器埋入结构内部，但此种传感器外壳由金属制成，显著改变测点位置局部应力场而影响测量精度，且传感器与混凝土之间相容性差，在混凝土进入非线性阶段界面处容易分离失效，另外这类传感器通常使用石英材料作为敏感元件，价格昂贵，不易在土木工程结构中大量推广。
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。大连理工大学的赵晓燕博士论文《基于压电陶瓷的结构健康监测及损伤诊断》中所提到的水泥基压电陶瓷传感元件，其不足之处是(1)所用水泥砂浆在混凝土结构高压应力水平下容易开裂，导致内部压电陶瓷片损坏，不适合动力损伤过程监测(2)压电片的位置不能得到保证，应力传递路径不确定；(3)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。
本发明——一种埋入式混凝土结构动力损伤全过程空间应力传感器，采用压电陶瓷(d33模式及d15模式)材料为传感元件，使用花岗岩为封装材料，利用压电陶瓷的压电效应原理，经过电荷放大器将产生的电荷信号转换为电压信号，利用标定试验分别得到d33及d15模式压电陶瓷片的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空间应力时程，为混凝土地震损伤机制研究提供了一种新的方法。
发明内容
为了克服现有的混凝土压应力传感器在界面相容性、应力传递路径可靠性、高应力水平性能稳定性等问题，本发明提供一种埋入式混凝土结构动力损伤全过程空间应力传感器，该发明有效地解决了上述问题，并且制作简单，性能稳定，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：
一种埋入式混凝土结构动力损伤全过程空间应力传感器结构包括：花岗岩基底、花岗岩保护壳、d33模式压电陶瓷片、d15模式压电陶瓷片、环氧树脂绝缘防水层、六芯屏蔽导线、屏蔽接头及环氧砂浆。压电陶瓷片位于花岗岩基底与花岗岩保护壳之间，且三个d33模式压电陶瓷片放置于花岗岩石基的相邻位置，另外三个d15模式压电陶瓷片放置在其余的三个面上，并在其表面涂有环氧树脂绝缘防水层，压电陶瓷片的正极与屏蔽导线内芯相连，负极与屏蔽导线的屏蔽线相连，屏蔽导线的另一端与屏蔽接头相连，屏蔽接头与数据采集系统相连接。
上述的一种埋入式混凝土结构动力损伤全过程空间应力传感器具体做法为：将一片d33模式压电陶瓷片正极与屏蔽导线的内芯相连，负极与屏蔽导线的屏蔽线相连，用高强环氧树脂包裹压电陶瓷片，形成绝缘、防水的保护层；利用环氧树脂将压电陶瓷片与外部花岗岩保护壳粘接为一体，放入室内风干24小时；将另外两片d33模式压电陶瓷片与第一片相邻放置，另外三片d15模式压电陶瓷片放在花岗岩基底其余三个面上，重复以上做法至全部压电陶瓷片就位、成形；用环氧砂浆将花岗岩保护壳之间的连接处封装密实，室内风干24小时；将花岗岩表面进行粗糙化处理，以确保传感器与混凝土界面的相容性，形成具有高强度的动力损伤全过程空间应力传感器。
本发明的有益效果：
1.本发明可以同时监测混凝土结构局部空间应力。
2.本发明的花岗岩保护壳，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。
3.本发明的体积小、强度高，花岗岩保护壳与外部混凝土相容性好，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。
4.本发明构造简单、性能稳定、成本低廉，适于土木工程中的广泛应用。
附图说明
图1是一种埋入式混凝土结构动力损伤全过程空间应力传感器平面图。
图2是一种埋入式混凝土结构动力损伤全过程空间应力传感器剖面图。
图中：1花岗岩基底；2花岗岩保护壳；3d33模式压电陶瓷片；4d15模式压电陶瓷片；5环氧树脂绝缘防水层；6屏蔽导线；7屏蔽接头；8环氧砂浆。
具体实施方式
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，其结构包括花岗岩基底1、花岗岩保护壳2、d33模式压电陶瓷片3、d15模式压电陶瓷片4、环氧树脂绝缘防水层5、六芯屏蔽导线6、屏蔽接头7及环氧砂浆8。
将传感器埋入于混凝土结构中，使压电陶瓷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；若使压电陶瓷所在平面与被测结构主剪应力方向平行，当结构受到外部动力荷载作用时，根据压电效应，压电陶瓷的极化方向所垂直的前后表面产生等量且电性相反的电荷，电荷量与外力成正比，将上述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，可得到混凝土结构局部三向压应力及三向剪应力的空间应力信息，即可实现对混凝土结构进行动力损伤全过程的空间应力监测。
Claims (1)
1.一种埋入式混凝土结构动力损伤全过程空间应力传感器，其特征在于该传感器包括花岗岩基底（1）、花岗岩保护壳（2）、d33模式压电陶瓷片（3）、d15模式压电陶瓷片（4）、环氧树脂绝缘防水层（5）、六芯屏蔽导线（6）、屏蔽接头（7）及环氧砂浆（8）；压电陶瓷片位于花岗岩基底（1）与花岗岩保护壳（2）之间，且三个d33模式压电陶瓷片（3）放在花岗岩基底（1）的相邻位置的具有共同顶点的三个面上，另外三个d15模式压电陶瓷片（4）放置在其余三个面上，并在d33和d15模式压电陶瓷片表面涂有环氧树脂绝缘防水层（5），压电陶瓷片的正极与屏蔽导线内芯相连，负极与屏蔽导线的屏蔽线相连，六芯屏蔽导线（6）的另一端与屏蔽接头（7）相连，屏蔽接头与数据采集系统相连接，花岗岩保护壳之间的缺口用环氧砂浆（8）封装密实，室内风干24小时。
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