CN103808436A - 基于厚度切变型pzt的frp筋界面剪应力监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于厚度切变型PZT的FRP筋界面剪应力监测装置及方法，属于FRP筋界面剪应力状况的监测领域，具体方法为：在FRP筋表面开凹槽处粘贴多个厚度切变型压电陶瓷PZT传感器，通过高频信号激励厚度切变型压电陶瓷传感器，由电荷适配器和数据采集仪组成的数据采集系统采集FRP筋凹槽处粘贴的传感器的输出信号，并将该信号数据传至计算机分析系统。本发明选择厚度切变型压电陶瓷PZT作为驱动/传感器，实现了筋材界面剪应力状况的直接快速监测、能精确地确定FRP筋界面剪应力大小，具有灵敏度高、响应快、操作简便、价格低廉等特点。
Description
技术领域
本发明涉及厚度切变型压电陶瓷PZT以及FRP筋界面剪应力等监测领域,基于厚度切变型压电陶瓷PZT的FRP筋界面剪应力监测装置及方法。
背景技术
FRP筋作为主要承受拉力的构件，其中筋材界面剪应力可削弱构件的受力性能。目前，主要在筋材表面被测点粘贴电阻应变片通过测试筋材表面的轴向应力，然后再理论推导转换成筋材界面的剪应力。上述方法中不能直接测试FRP筋界面的剪应力，且应变片粘贴面积较大，对操作人员的技术水平有较高要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种基于厚度切变型PZT的FRP筋界面剪应力监测装置及方法，能快速直接监测FRP筋界面剪应力状况，精确地确定FRP筋界面剪应力大小。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于厚度切变型PZT的FRP筋界面剪应力监测装置，在FRP筋材外覆盖混凝土，将混凝土内的FRP筋材表面沿埋长方向开设多个凹槽，在两个以下所述凹槽内固定用作驱动器的厚度切变振动型压电陶瓷片，在其余所述凹槽内各固定一个用作传感器的厚度切变振动型压电陶瓷片；所述用作传感器的厚度切变振动型压电陶瓷片和用作驱动器的厚度切变振动型压电陶瓷片上均涂有防水层，且所有厚度切变振动型压电陶瓷片与所述凹槽之间均设有绝缘层；所述用作传感器的厚度切变振动型压电陶瓷片通过导线与数据采集仪连接，所述数据采集仪接入计算机；所述用作驱动器的的厚度切变振动型压电陶瓷片中的一个与任意信号函数发生器连接。
所述翻边压电陶瓷片包括压电陶瓷基本体，所述压电陶瓷基本体上表面固定上表面银电极，所述压电陶瓷基本体下表面的银电极向上折弯引至所述压电陶瓷基本体上表面，两个银电极之间通过一条无镀银的隔离带隔离；所述翻边压电陶瓷片厚度为0.3mm，长度为13mm，宽度为5mm。
所述凹槽深度为0.5mm～0.6mm，所述凹槽横截面长度和宽度比压电陶瓷片长度和宽度分别大0.2mm～0.3mm。
每一个用作压电陶瓷传感器的压电陶瓷片与所述数据采集仪之间均接有电荷适配器。
所述绝缘防水层为一层均匀的环氧树脂绝缘层，且所述绝缘防水层厚度为0.08～0.12mm。
本发明还提供了一种FRP筋界面压电陶瓷传感器的制作方法，该方法为：
1）在FRP筋表面沿埋长方向开设多个凹槽，在打磨光滑后的凹槽表面均匀涂上环氧树脂绝缘层；
2）将压电陶瓷片打磨平整，用无水酒精将压电陶瓷片的表面清洁干净,静置自然干燥；
3）用胶将压电陶瓷片粘贴至FRP筋表面处，并采用塑料薄膜轻压压电陶瓷片，使其粘结密实；
4）进行导线的焊接,为了保证焊接点尽可能的小和平整,使用少量的焊锡膏来助挥以提高焊接质量，并测试压电陶瓷片的导电性能；
5）使用防水层对焊接好的压电陶瓷片进行封装,在保证其密封性的前提下,应使防水层尽可能薄,静置使其在室温环境下固化一天。
所述导线为带屏蔽线的电缆。
所述防水层材料为环氧树脂。
所述压电陶瓷片通过KH502胶粘贴在FRP筋凹槽内。
本发明提供了一种利用上述监测装置监测FRP筋界面剪应力的方法，该方法为：
1）计算任一用作压电陶瓷传感器的压电陶瓷片表面产生的电荷量q：q=d15σ5A1；其中，d15为压电应变常数；σ5压电陶瓷片界面受到的剪应力；A1为压电陶瓷片的表面积。
2）测量FRP筋未被张拉时上述用作压电陶瓷传感器的压电陶瓷片两极板上的输出电压初始值U0，测量FRP筋被张拉后上述用作压电陶瓷传感器的压电陶瓷片两极板上的输出电压值Ui，得到输出电压改变量▽U；
3）利用上述输出电压改变量▽U计算压电陶瓷片界面受到的剪应力σ5，即得到FRP筋界面剪应力τ：
其中，Cp为压电传感器两极板间的电容量。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明的监测装置灵敏度高、响应快、操作简便、价格低廉；本发明的方法实现了FRP筋材界面剪应力状况的直接快速监测，能精确地确定FRP筋界面剪应力大小。
附图说明
图1为本发明一实施例筋内开凹槽内粘贴PZT主视图；
图2为本发明一实施例筋内开凹槽内粘贴PZT剖视图；
图3为本发明一实施例筋内开凹槽型检测系统结构示意图；
图4为本发明一实施例压电陶瓷传感器制作流程图；
图5为本发明一实施例测试原理图；
图6为本发明一实施例翻边压电陶瓷片主视图；
图7为本发明一实施例翻边压电陶瓷片俯视图。
具体实施方式
如图1～图3所示，本发明一实施例监测装置结构为：在FRP筋材1外覆盖混凝土4，将混凝土4内的FRP筋材1表面沿埋长方向开设多个凹槽，在两个以下所述凹槽内固定用作驱动器的厚度切变振动型压电陶瓷片2，在其余所述凹槽内各固定一个用作传感器的厚度切变振动型压电陶瓷片3；所述用作传感器的厚度切变振动型压电陶瓷片3和用作驱动器的厚度切变振动型压电陶瓷片2上均涂有防水层，且所有厚度切变振动型压电陶瓷片与所述凹槽之间均设有绝缘层；所述用作传感器的厚度切变振动型压电陶瓷片3通过导线与数据采集仪6连接，所述数据采集仪6接入计算机；所述用作驱动器的的厚度切变振动型压电陶瓷片2中的一个与任意信号函数发生器5连接。
本发明中，压电陶瓷片为厚度切变振动型。
如图6和图7所示，所述压电陶瓷片为翻边压电陶瓷片，即工厂加工时将普通压电陶瓷片下表面银电极10引至上表面，上表面银电极9与下表面银电极10之间通过一条无镀银的隔离带11隔离，焊导线时只需分别在上表面的两电极上引出导线即可；压电陶瓷片厚度为0.3mm，长度为13mm，宽度裁剪为5mm。
所述凹槽深度为0.5mm～0.6mm，所述凹槽横截面长度和宽度比压电陶瓷片长度和宽度均大0.2mm～0.3mm。
每一个用作压电陶瓷传感器的压电陶瓷片3与所述数据采集仪6之间均接有电荷适配器7，电荷适配器7可以将高内阻传感器的电荷源转换为低内阻输出的电压源，使电压输出与输入电荷成正比。
所述防水层为一层均匀的环氧树脂绝缘层（可以采用双酚A型环氧树脂），且所述防水层厚度为0.08～0.12mm，可以达到保护压电陶瓷片的目的。
本发明中，凹槽间距根据实际应用需要确定。对于一般直径为10mm的FRP筋，其凹槽间距可取20mm。
如图4所示，本发明压电陶瓷传感器制作方法如下：
1）在FRP筋表面沿埋长方向开设多个凹槽，在打磨光滑后的凹槽表面均匀涂上环氧树脂绝缘层；
2）将压电陶瓷片打磨平整，用无水酒精将压电陶瓷片的表面清洁干净,静置自然干燥；
3）用胶将压电陶瓷片粘贴至FRP筋表面处，并采用塑料薄膜轻压压电陶瓷片，使其粘结密实；
4）进行导线的焊接,为了保证焊接点尽可能的小和平整,使用少量的焊锡膏来助挥以提高焊接质量，并测试压电陶瓷片的导电性能；
5）使用防水层对焊接好的压电陶瓷片进行封装,在保证其密封性的前提下,应使防水层尽可能薄,静置使其在室温环境下固化一天。
本发明测试原理见图5，厚度切变型压电传感器表面产生的电荷量为：q=d15σ5A1，式中，d15为压电应变常数，σ5为压电陶瓷片界面受到的剪应力τ，A1为压电陶瓷片的表面积。
压电陶瓷片两极板上的输出电压为Cp为压电传感器两极板间的电容量。由此可得压电陶瓷片界面受到的剪应力，即FRP筋界面剪应力：
实际计算时，用压电陶瓷片的电压改变量▽U代替输出电压U。
FRP筋张拉受力之前选择一个性能最优驱动器的压电陶瓷片发生稳定的激励信号，测试并记录各个传感器的压电陶瓷片的初始电压U0。当FRP筋在拉伸力的作用下，FRP筋与混凝土界面产生剪切作用，该剪切作用必然导致传感器的压电陶瓷片接收到的信号发生变化，此时测试并记录各个传感器的压电陶瓷片的电压Ui，即可以得到传感器的压电陶瓷片的电压改变量▽U＝Ui－U0，再将电压改变量▽U代入FRP筋界面剪应力计算式U，即可得到FRP筋各个位置的剪切应力。
本发明中，任意信号函数发生器产生的信号的频率为500Hz—10KHz。
Claims (10)
1.一种基于厚度切变型PZT的FRP筋界面剪应力监测装置，其特征在于，在FRP筋材（1）外覆盖混凝土（4），将混凝土（4）内的FRP筋材（1）表面沿埋长方向开设多个凹槽，在两个以下所述凹槽内固定用作驱动器的厚度切变振动型压电陶瓷片（2），在其余所述凹槽内各固定一个用作传感器的厚度切变振动型压电陶瓷片（3）；所述用作传感器的厚度切变振动型压电陶瓷片（3）和用作驱动器的厚度切变振动型压电陶瓷片（2）上均涂有防水层，且所有厚度切变振动型压电陶瓷片与所述凹槽之间均设有绝缘层；所述用作传感器的厚度切变振动型压电陶瓷片（3）通过导线与数据采集仪（6）连接，所述数据采集仪（6）接入计算机；所述用作驱动器的的厚度切变振动型压电陶瓷片（2）中的一个与任意信号函数发生器（5）连接。
2.根据权利要求1所述的基于厚度切变型PZT的FRP筋界面剪应力监测装置，其特征在于，所有厚度切变振动型压电陶瓷片均为翻边压电陶瓷片，所述翻边压电陶瓷片包括压电陶瓷基本体（8），所述压电陶瓷基本体（8）上表面固定上表面银电极（9），所述压电陶瓷基本体（8）下表面的银电极（10）向上折弯引至所述压电陶瓷基本体（8）上表面，两个银电极之间通过一条无镀银的隔离带（11）隔离；所述翻边压电陶瓷片厚度为0.3mm，长度为13mm，宽度为5mm。
3.根据权利要求1或2所述的基于厚度切变型PZT的FRP筋界面剪应力监测装置，其特征在于，所述凹槽深度为0.5mm～0.6mm，所述凹槽横截面长度和宽度比压电陶瓷片长度和宽度分别大0.2mm～0.3mm。
4.根据权利要求3所述的基于厚度切变型PZT的FRP筋界面剪应力监测装置，其特征在于，每一个用作压电陶瓷传感器的压电陶瓷片（3）与所述数据采集仪（6）之间均接有电荷适配器（7）。
5.根据权利要求4所述的基于厚度切变型PZT的FRP筋界面剪应力监测装置，其特征在于，所述绝缘防水层为一层均匀的环氧树脂绝缘层，且所述绝缘防水层厚度为0.08～0.12mm。
6.一种FRP筋界面压电陶瓷传感器的制作方法，其特征在于，该方法为：
1）在FRP筋表面沿埋长方向开设多个凹槽，在打磨光滑后的凹槽表面均匀涂上环氧树脂绝缘层；
2）将压电陶瓷片打磨平整，用无水酒精将压电陶瓷片的表面清洁干净,静置自然干燥；
3）将压电陶瓷片粘贴至凹槽内，并采用塑料薄膜按压压电陶瓷片，使压电陶瓷片粘结密实；
4）在压电陶瓷片上焊接导线，并测试压电陶瓷片的导电性能；
5）使用防水层对焊接好的压电陶瓷片进行封装，静置封装后的压电陶瓷片，在室温环境下固化一天。
7.根据权利要求6所述的FRP筋界面压电陶瓷传感器的制作方法，其特征在于，所述导线为带屏蔽线的电缆。
8.根据权利要求6或7所述的FRP筋界面压电陶瓷传感器的制作方法，其特征在于，所述防水层材料为环氧树脂。
9.根据权利要求8所述的FRP筋界面压电陶瓷传感器的制作方法，其特征在于，所述压电陶瓷片通过KH502胶粘贴在FRP筋表面凹槽内。
10.一种利用权利要求1所述监测装置监测FRP筋界面剪应力的方法，其特征在于，该方法为：
1）计算任一用作压电陶瓷传感器的压电陶瓷片表面产生的电荷量q：q=d15σ5A1；其中，d15为压电应变常数；σ5压电陶瓷片界面受到的剪应力；A1为压电陶瓷片的表面积。
2）测量FRP筋未被张拉时上述用作压电陶瓷传感器的压电陶瓷片两极板上的输出电压初始值，测量FRP筋被张拉后上述用作压电陶瓷传感器的压电陶瓷片两极板上的输出电压值，得到输出电压改变量▽U；
3）利用上述输出电压改变量▽U计算压电陶瓷片界面受到的剪应力σ5，即得到FRP筋界面剪应力τ：
其中，Cp为压电传感器两极板间的电容量。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20140521 |