CN103674353A

CN103674353A - 利用pvdf薄膜压电特性的混凝土应力传感器

Info

Publication number: CN103674353A
Application number: CN201310712358.2A
Authority: CN
Inventors: 孟一; 鲁四平; 黄方林
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2013-12-20
Filing date: 2013-12-20
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2033-12-20
Also published as: CN103674353B

Abstract

本发明公开了一种利用PVDF（偏聚氟乙烯）薄膜压电特性的混凝土应力传感器，包括上、下两部分扣装在一起的传感器外壳以及设置在两部分传感器外壳之间的PVDF压电薄膜，所述PVDF压电薄膜周边套装有尼龙套筒将PVDF压电薄膜定位在所述凸台上，所述PVDF压电薄膜的上、下两端面分别设置绝缘层与上、下两部分传感器外壳之间紧密接触，所述尼龙套筒与绝缘层构成封闭的绝缘空间将PVDF压电层与传感器外壳绝缘分隔；所述PVDF压电薄膜的上、下表面分别设置接线电极将压电信号引出至传感器外。本发明将PVDF压电薄膜夹在两部分片金属外壳之间，通过传感器金属外壳将荷载传递至PVDF薄膜，传感灵敏，传感器结构简单，封装方便，体积小，可以预埋在混凝土材料中完成冲击应力测试。

Description

利用PVDF薄膜压电特性的混凝土应力传感器

技术领域

本发明涉及一种应力传感器，用于测量冲击荷载下混凝土材料应力的应力传感器，具体涉及一种利用有机压电材料的混凝土应力传感器，特别是一种利用PVDF（偏聚氟乙烯）薄膜压电特性的混凝土应力传感器，属于应力测量技术领域。

背景技术

目前，应用于冲击测试领域的传感器主要分为压阻式和压电式两类。

迄今为止，人们已发现了多种可用作压阻传感器的材料，如锰铜、碳、钙、锂、铟、铅、镉、铋和镱等，其中最常见的压阻式应力传感器为锰铜压阻计，尽管锰铜合金的压阻系数，即灵敏度不是很高，但由于它具有电阻温度系数小、响应快、线性度较好等特点，非常适合与制作超高压应力（力）传感器，到目前为止，锰铜压阻计仍然是量程最高的压力传感器，测试上限可达100GPa。

而压电传感器常用的敏感元件主要有石英、压电陶瓷以及近年来发展起来的偏聚氟乙烯（PVDF）。石英是最广泛采用的压电材料，压电信号的响应时间为3ns（若有放大器则为10ns），典型的记录时间为0.4μs，该类传感器在2.5GPa以下为弹性应变区，线性度好，精度可达±3%，但在2.5GPa以上时，非线性增强，精度明显下降。压电陶瓷的压电常数比石英要大得多，但由于压电陶瓷的机械强度小，居里点低，只能应用在低压力条件下应用。

上述传感器应用在混凝土材料的冲击测试领域各自存在着以下的不足。

对于压阻式的锰铜压阻计，在测试时需要外接相应的脉冲电源以及触发装置，测试中较为麻烦，并且应用在低应力冲击测试时（最大冲击应力不超过100MPa），锰铜压阻计的测试精度不能满足测试要求。

对于压电式的石英晶体传感器，一般只能测试试件表面的冲击波剖面，通过换算得到试件内部应力，限制了其应用范围

对于压电陶瓷，由于压电陶瓷的机械强度小，在较高的冲击应力水平下会碎掉，同时在测量时需要电荷放大器，结构较复杂，无法应用到试件内部的应力检测。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于测量混凝土材料在经受冲击荷载作用时，能够得到材料内部的应力分布的压电式应力传感器，从而解决现有的传感器不能有效地捕捉混凝土材料在经受冲击荷载作用时，材料内部测点处的应力时程的问题。

本发明利用PVDF（偏聚氟乙烯）薄膜的压电特性实现上述目的，具体的技术方案如下：一种利用PVDF薄膜压电特性的混凝土应力传感器，包括上、下两部分扣装在一起的传感器外壳以及设置在两部分传感器外壳之间的PVDF压电薄膜，其中下部传感器外壳内侧中心部位设有凸台，所述PVDF压电层设置在所述凸台上，所述上部传感器外壳的内侧中心对应部位设有凹槽并固定扣装在设有凸台的下部传感器外壳上，所述上、下两部分传感器外壳之间设有柔性垫圈，所述柔性垫圈给传感器内部提供一个微小的轴向位移行程，保证外部荷载能够有效的作用在PVDF压电薄膜上，保证测试精度并且具有一定的防水性能；所述PVDF压电薄膜周边套装有尼龙套筒将PVDF压电薄膜定位在所述凸台上，所述PVDF压电层的上、下两端面分别设置绝缘层与上、下两部分传感器外壳之间紧密接触，所述尼龙套筒与绝缘层构成封闭的绝缘空间将PVDF压电薄膜与传感器外壳绝缘分隔；所述PVDF压电薄膜的上、下表面分别设置接线电极将压电信号引出至传感器外。

其中，设有凹槽的上部传感器外壳在所述凹槽周边设有定位尼龙套筒的圈槽，两个所述柔性垫圈分别设置在所述尼龙套筒两端与上、下两部分传感器外壳紧密接触。

在本发明中，所述混凝土应力传感器还包括输出端子，所述输出端子一端穿过所述传感器外壳以及尼龙套筒与所述PVDF压电薄膜上下表面的接线电极电连接，另一端引出至传感器外壳外。

所述PVDF压电薄膜的厚度为25～100微米圆形薄膜，并且所述PVDF压电薄膜的上、下表面分别镀银处理。

作为本发明的优选方案，所述绝缘层采用厚度为25～100微米的聚酰亚胺膜。

所述尼龙套筒的厚度为1～5毫米。

在本发明中，所述上、下两部分传感器外壳为金属外壳，并且所述上、下两部分传感器外壳之间通过螺钉连接，确保外部荷载能够有效作用在PVDF压电薄膜上。

由于混凝土应力传感器通常是浇筑在混凝土试件中，在所述上、下两部分传感器外壳的连接处外圈设有柔性防水密封圈。

本实用新型具有如下有益效果：

1）PVDF压电薄膜压电系数高，在面对相同的应力水平作用下，比压电陶瓷输出强度要高10倍以上；采用PVDF压电薄膜为敏感元件的传感器具有极佳的信噪比，使得在实际测量中可以不需要噪声过滤；该压电薄膜具有纳秒级的响应速度、0～20GPa的宽幅测压范围，非常适合应用于瞬态高压的应用领域，比如爆炸与冲击作用下的应力测试；而且PVDF具有极佳的柔韧性，可以方便的加工成各种形状和厚度，机械强度高，耐久性好，质量轻，成本低廉，可重复使用。

2）本发明将PVDF压电薄膜夹在两部分片金属外壳之间，通过传感器金属外壳将荷载传递至PVDF薄膜，传感灵敏，传感器结构简单，封装方便，体积小，可以预埋在混凝土材料中完成冲击应力测试。

3）本发明采用上下两部分金属外壳将PVDF压电薄膜扣装在其内部，采用尼龙套筒和绝缘层形成封闭绝缘的电磁屏蔽空间，传感器外壳通过输出端子与双芯屏蔽导线的屏蔽层相连并接地，测试信号不受电磁环境的干扰，保证测试精度；采用扣装的封装工艺，以及柔性防水密封圈和柔性垫圈的使用，保证了传感器的防水性能和耐久性能，确保了在实际应用中，测试结果的稳定性和一致性。

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

附图说明

图1为本发明涉及的混凝土应力传感器的外观示意图。

图2为本发明涉及的混凝土应力传感器的仰视图。

图3为图2中的P-P剖视图。

图4为图3中的上、下两部分传感器外壳连接处结构示意图。

图5为图2中的Q-Q剖视图。

图6为本发明涉及的混凝土应力传感器各个零部件的分解示意图。

图7为本发明涉及的混凝土应力传感器的模拟电路图。

图中标号：01、传感器外壳上半部分，02、传感器外壳下半部分，03、绝缘层，04、PVDF压电薄膜，05、尼龙套筒，06、柔性垫圈，07、柔性防水密封圈，08、螺钉孔，09、螺钉，10、输出端子，11、接线电极。

具体实施方式

实施例

参见图1至图6，图示中的混凝土应力传感器利用PVDF（偏聚氟乙烯）薄膜的压电特性，其包括两面镀银的PVDF压电薄膜04作为传感器的敏感元件，用于保护敏感元件并将混凝土材料中的冲击荷载传递至敏感元件的金属传感器外壳，用于与测试电路相连接的输出端子10，用于PVDF压电薄膜04与传感器外壳之间绝缘的绝缘层03及尼龙套筒05，用于防水和密封的柔性垫圈06及柔性防水密封圈07，用于PVDF压电薄膜04与输出端子10电连接的接线电极11，用于封装固定传感器外壳的螺钉09。

具体参见图3至图6，上述混凝土应力传感器的具体结构如下：传感器外壳为圆柱形，由上、下两部分扣装在组成，其中传感器外壳下半部分02上设有凸台，所述PVDF压电薄膜04设置在所述凸台上，传感器外壳上半部分01设有凹槽并固定扣装在设有凸台的传感器外壳下半部分上，所述上、下两部分传感器外壳之间设有柔性垫圈06，所述柔性垫圈06给传感器内部提供一个微小的轴向位移行程，保证外部荷载能够有效的作用在PVDF压电薄膜上，避免部分被两部分传感器外壳抵消，保证传感器的测试精度并且还具有一定的防水性能；所述PVDF压电层04周边套装有尼龙套筒05将PVDF压电层定位在传感器外壳下半部分02的凸台上，所述PVDF压电薄膜04的上、下两面分别设置绝缘层03与上、下两部分传感器外壳之间紧密接触，所述尼龙套筒05与绝缘层03构成封闭的绝缘空间将PVDF压电薄膜04与传感器外壳绝缘分隔；所述PVDF压电薄膜04 的上、下两面分别设置接线电极11将压电信号引出至传感器外。

进一步的，传感器外壳上半部分01上的凹槽周边设有定位尼龙套筒05的圈槽，两个所述柔性垫圈06分别设置在所述尼龙套筒05的两端与上、下两部分传感器外壳紧密接触。

传感器的输出端子10一端穿过所述传感器外壳以及尼龙套筒与所述PVDF压电薄膜04上下两面的接线电极11电连接，另一端引出至传感器外壳外。所述尼龙套筒05和钢制传感器外壳在高度方向的中部位置开有圆形内部接线孔，用于PVDF压电薄膜的接线电极与输出端子的连接，本传感器在外部电路中可通过双芯屏蔽导线与测试电路连接，传感器外壳通过输出端子与导线屏蔽层连接，保证提供可靠的电气性能和电磁屏蔽。

所述PVDF压电薄膜04采用目前市场长常用到的厚度为25-100微米的薄膜，裁切成圆形，并且所述PVDF压电薄膜的上、下端面分别镀银处理。

作为本发明的优选方案，所述绝缘层03采用厚度为25-100微米的聚酰亚胺膜。钢制外壳内部通过聚酰亚胺薄膜与PVDF压电薄膜绝缘并压紧，试件中的应力通过钢制外壳传递至PVDF压电薄膜上，同时也为传感器内部组件提供保护，防水及电磁屏蔽。

所述尼龙套筒05的厚度为2毫米，所述尼龙圈为薄壁圆筒形，安装在钢制外壳内，径向包裹PVDF压电薄膜和聚酰亚胺薄膜，防止传感器内部元件与外壳发生短路。

在本发明中，所述上、下两部分传感器外壳为金属外壳，并且所述上、下两部分传感器外壳上设置螺钉孔08，其中传感器外壳上半部分01上的为设有内螺纹的螺纹孔，传感器下半部分02上的为阶梯通孔，传感器外壳上、下两部分通过螺钉09固连封装。

在测试时，混凝土应力传感器通常是浇筑在混凝土试件中测试冲击应力，因此在所述上、下两部分传感器外壳的连接处外圈还设有柔性防水密封圈07。用于在保证防水性能的基础上，同样可以像柔性垫圈06给传感器内部提供一个微小的轴向位移行程，保证外部荷载能够有效的作用在PVDF压电薄膜上。

具体参见图7，在实际的应用中，PVDF压电传感器在受到冲击荷载作用时，可视为串联着电容的电压源，其中电压源V_s代表PVDF薄膜，其输出值与传感器所经受的应力的变化成正比；而PVDF薄膜的电容c₀可以视为一个等效容抗，测量时与放电电阻R形成分压电路。然而c₀和R同样构成一个一阶的RC振荡电路，可以视为一个高通滤波器，过滤掉因冲击振动而产生的低频噪声，最大程度的减小输出信号中的干扰。

Claims

1.一种利用PVDF薄膜压电特性的混凝土应力传感器，其特征在于：包括上、下两部分扣装在一起的传感器外壳以及设置在两部分传感器外壳之间的PVDF压电薄膜，其中，下部传感器外壳内侧中心部位设有凸台，所述PVDF压电薄膜设置在所述凸台上，上部传感器外壳内侧中心对应部位设有凹槽并固定扣装在设有凸台的下部传感器外壳上，所述上、下两部分传感器外壳之间设有柔性垫圈；

所述PVDF压电薄膜周边套装有尼龙套筒将PVDF压电薄膜定位在所述凸台间，所述PVDF压电薄膜的上、下表面分别设置绝缘层与上、下两部分传感器外壳之间紧密接触，所述尼龙套筒与绝缘层构成封闭的绝缘空间将PVDF压电薄膜与传感器外壳绝缘分隔；

所述PVDF压电薄膜的上、下两表面分别设置接线电极将压电信号引出至传感器外。

2.根据权利要求1所述的一种利用PVDF薄膜压电特性的混凝土应力传感器，其特征在于：设有凹槽的传感器外壳在所述凹槽周边设有定位尼龙套筒的圈槽，两个所述柔性垫圈分别设置在所述尼龙套筒两端与上、下两部分传感器外壳紧密接触。

3.根据权利要求1所述的一种利用PVDF薄膜压电特性的混凝土应力传感器，其特征在于：所述混凝土应力传感器还包括输出端子，所述输出端子一端穿过所述传感器外壳以及尼龙套筒与所述PVDF压电层上下两端面的接线电极电连接，另一端引出至传感器外壳外。

4.根据权利要求1所述的一种利用PVDF薄膜压电特性的混凝土应力传感器，其特征在于：所述PVDF压电薄膜的厚度为25～100微米圆形薄膜。

5.根据权利要求4所述的一种利用PVDF薄膜压电特性的混凝土应力传感器，其特征在于：所述PVDF压电薄膜的上、下表面分别镀银处理。

6.根据权利要求1所述的一种利用PVDF薄膜压电特性的混凝土应力传感器，其特征在于：所述绝缘层采用厚度为25～100微米的聚酰亚胺薄膜。

7.根据权利要求1所述的一种利用PVDF薄膜压电特性的混凝土应力传感器，其特征在于：所述尼龙套筒的壁厚为1～5毫米。

8.根据权利要求1所述的一种利用PVDF薄膜压电特性的混凝土应力传感器，其特征在于：所述上、下两部分传感器外壳为金属外壳。

9.根据权利要求8所述的一种利用PVDF薄膜压电特性的混凝土应力传感器，其特征在于：所述上、下两部分传感器外壳之间通过螺钉连接固连。

10.根据权利要求1所述的一种利用PVDF薄膜压电特性的混凝土应力传感器，其特征在于：所述上、下两部分传感器外壳的连接处外圈设有柔性防水密封圈。