CN104458073A - 植入式混凝土三维空间应力监测传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种植入式混凝土三维空间应力监测传感器，属混凝土结构应力监测方法技术领域，其特征在于在立方体金属内核（1）的六个外表面采用AB胶（5）对称粘贴有三个d33型压电陶瓷片（3）和三个d15型压电陶瓷片（4）；并在立方体金属内核（1）的六个外表面和压电陶瓷片上涂有高强环氧树脂绝缘胶（6）作为绝缘层和防水保护层；将金属保护壳（2）依次粘贴于立方体金属内核（1）各面上的高强环氧树脂绝缘胶（6）层上；三芯屏蔽导线（7）的一端焊接在压电陶瓷片的正负极上，另一端与屏蔽接头（8）相连接。本发明可以动态监测混凝土结构内部的三维空间应力，体积小、强度高，具有可植入性好、抗外部干扰强、动态响应灵敏、造价低廉的特点。
Description
技术领域：
本发明涉及一种植入式混凝土三维空间应力监测传感器，属混凝土结构应力监测方法技术领域。
背景技术：
混凝土结构具有承载力高、耐久性好、经济性好等优点，是我国工程建设中采用的主要结构材料。
近年来，各种自然灾害和人为事故大多造成混凝土工程结构的严重破坏，还有一些灾害现象无法从现有的理论中得到很好的解释。由于试验客观条件的限制，目前还很难进行原型混凝土结构的灾害破坏试验，对工程结构进行灾害监测已成为了解结构损伤破坏机理的重要手段。目前常用的基于加速度的整体监测信息难以反映结构局部损伤机制，只有结合局部弹塑性应力演化过程才能够有效分析结构从材料、构件到结构系统等不同尺度下的损伤破坏动力学行为，揭示结构破坏的动力损伤演化机理。
最直接的混凝土结构应力监测方法就是埋入传感器测量结构内部的应力状态，进而判断结构局部的健康状况。常用的力传感器有电阻应变式力传感器、压阻式力传感器和电容式力传感器，但这些传感器存在动态响应滞后、使用寿命短、制作工艺复杂、线性关系不好、测量精度低等问题，况且不适于植入混凝土内部；传统的基于变形的传感器，如应变片、位移计、LVDT、光纤光栅等，都要结合材料的本构关系间接获得应力信息，一旦结构进入非线性阶段，得到的应力信息就不准确了；况且这些传感器也不适于植入钢管混凝土内部。
压电智能材料具有集传感和驱动于一体的优越特性，具有响应速度快、线性关系好、能耗低、造价低廉且易加工成型等优点，适合于结构健康监测领域。目前，利用压电材料制作的可植入混凝土内部的应力传感器主要有水泥基和大理石基两种；但这两种传感器存在的不足之处主要为：（1）水泥基传感器在高应力下容易开裂破坏，且压电片定位位置不易保证；（2）大理石基传感器加工制作困难，石材易碎；（3）现有的水泥基和大理石基应力传感器只适于监测单轴压应力或剪应力，尚未有可同时监测混凝土三轴应力的。
发明内容：
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种植入式混凝土三维空间应力监测传感器，可以动态监测混凝土结构内部某点的三维空间应力，埋入混凝土内可以等同于粗骨料，不会改变测点处的应力分布，体积小、强度高、与混凝土相容性好，具有原理和构造简单、可植入性好、抗外部干扰强、动态响应灵敏、造价低廉的特点。
本发明是通过如下技术方案来实现上述目的的。
在植入式混凝土三维空间应力监测传感器的结构中，设置有立方体金属内核、金属保护壳、d33型压电陶瓷片、d15型压电陶瓷片、AB胶、高强环氧树脂绝缘胶、三芯屏蔽导线、屏蔽接头；在立方体金属内核的六个外表面粘贴有三个d33型压电陶瓷片和三个d15型压电陶瓷片；三个d33型压电陶瓷片和三个d15型压电陶瓷片对称粘贴；压电陶瓷片采用AB胶粘贴在立方体金属内核上；在立方体金属内核的六个外表面和压电陶瓷片上涂有高强环氧树脂绝缘胶作为绝缘层和防水保护层；将金属保护壳依次粘贴于立方体金属内核各面上的高强环氧树脂绝缘胶层上；d33型压电陶瓷片和d15型压电陶瓷片为正负极在同一面上的压电陶瓷片；三芯屏蔽导线的一端焊接在压电陶瓷片的正负极上，另一端与屏蔽接头相连接。
本发明与现有的技术相比具有如下有益效果：
1、本发明的植入式混凝土三维空间应力监测传感器可以动态监测混凝土结构内部某点的三维空间应力。
2、本发明的植入式混凝土三维空间应力监测传感器体积小、强度高、与混凝土相容性好，埋入混凝土内可以等同于粗骨料，不会改变测点处的应力分布。
3、本发明的植入式混凝土三维空间应力监测传感器原理和构造简单、可植入性好、抗外部干扰强、动态响应灵敏、造价低廉，适于土木工程健康监测领域。
附图说明:
图1为本发明的传感器的总体结构示意图。
图2为本发明的传感器的断面结构示意图。
在图中:1.立方体金属内核、2.金属保护壳、3.d33型压电陶瓷片、4.d15型压电陶瓷片、5.AB胶、6.高强环氧树脂绝缘胶、7.三芯屏蔽导线、8.屏蔽接头。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明植入式混凝土三维空间应力监测传感器由立方体金属内核1、金属保护壳2、d33型压电陶瓷片3、d15型压电陶瓷片4、AB胶5、高强环氧树脂绝缘胶6、三芯屏蔽导线7、屏蔽接头8组成；在立方体金属内核1的六个外表面粘贴有三个d33型压电陶瓷片3和三个d15型压电陶瓷片4；三个d33型压电陶瓷片3和三个d15型压电陶瓷片4对称粘贴；压电陶瓷片采用AB胶5粘贴在立方体金属内核1上；在立方体金属内核1的六个外表面和压电陶瓷片上涂有高强环氧树脂绝缘胶6作为绝缘层和防水保护层；将金属保护壳2依次粘贴于立方体金属内核1各面上的高强环氧树脂绝缘胶6层上；d33型压电陶瓷片3和d15型压电陶瓷片4为正负极在同一面上的压电陶瓷片；三芯屏蔽导线7的一端焊接在压电陶瓷片的正负极上，另一端与屏蔽接头8相连接；屏蔽接头8与数据采集系统相连接。
本发明植入式混凝土三维空间应力监测传感器的制作方法是：利用数控机床预先加工好立方体金属内核1和金属保护壳2；选取正负极在同一面上的d33型压电陶瓷片3和d15型压电陶瓷片4，并焊接三芯屏蔽导线7，利用AB胶5将其分别粘贴于立方体金属内核1的各面上，2小时后，将高强环氧树脂绝缘胶6均匀涂抹于d33型压电陶瓷片3和d15型压电陶瓷片4的表面，形成绝缘层和防水保护层，将其放在通风干燥处等待24小时；将三芯屏蔽导线7沿立方体金属内核1预留线槽布置整理好，在立方体金属内核1的六个面上均匀涂抹高强环氧树脂绝缘胶6，将金属保护壳2依次粘贴于各面上，风干24小时，即形成一种植入式混凝土三维空间应力监测传感器。可在传感器表面用高强环氧树脂绝缘胶6做好防水和糙化处理，使之适用于植入混凝土内部，并确保与混凝土界面的相容性。
当传感器植入混凝土中时，外部金属保护壳2可以保证传感器在结构动力荷载作用下正常工作；表面糙化处理的高强环氧树脂绝缘胶6层及正六面体的边棱可与混凝土有效粘结保证良好的相容性，保证应力的传递过程。
将传感器植入混凝土内部监测动态应力时，应尽量保证传感器正六面体的边棱与构件的边棱平行或垂直，以利于所测应力方向的判断及主应力的求解。
当结构受外部动载作用时，根据压电效应，压电陶瓷片将产生电荷，电荷量与外力成正比关系；当压电陶瓷片受剪时，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关系；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，从而实现对混凝土动应力的监测。
Claims (4)
1.一种植入式混凝土三维空间应力监测传感器，由立方体金属内核（1）、AB胶（5）、高强环氧树脂绝缘胶（6）、三芯屏蔽导线（7）、屏蔽接头（8）组成，其特征在于在其结构中设置有金属保护壳（2）、d33型压电陶瓷片（3）、d15型压电陶瓷片（4）；在立方体金属内核（1）的六个外表面粘贴有三个d33型压电陶瓷片（3）和三个d15型压电陶瓷片（4）；在立方体金属内核（1）的六个外表面和压电陶瓷片上涂有高强环氧树脂绝缘胶（6）作为绝缘层和防水保护层；将金属保护壳（2）依次粘贴于立方体金属内核（1）各面上的高强环氧树脂绝缘胶（6）层上；三芯屏蔽导线（7）的一端焊接在压电陶瓷片的正负极上，另一端与屏蔽接头（8）相连接。
2.根据权利要求1所述的植入式混凝土三维空间应力监测传感器，其特征在于三个d33型压电陶瓷片（3）和三个d15型压电陶瓷片（4）对称粘贴在立方体金属内核（1）的六个外表面上。
3.根据权利要求2所述的植入式混凝土三维空间应力监测传感器，其特征在于压电陶瓷片采用AB胶（5）粘贴在立方体金属内核（1）的外表面上。
4.根据权利要求3所述的植入式混凝土三维空间应力监测传感器，其特征在于d33型压电陶瓷片（3）和d15型压电陶瓷片（4）为正负极在同一面上的压电陶瓷片。
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