CN105547532A - 一种基于压电元件的液态金属天线三向应力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于压电元件的液态金属天线三向应力传感器，包括有盒体，盒体为正方形六面体，其中有共顶点的三个面为受力面，三个受力面各有一个由盒体上盖覆盖的凹槽，凹槽内涂有绝缘材料，在凹槽中叠放有多个串联的圆形薄片式压电元件，所有压电元件夹在两个弹性膜片之间，最下层的压电元件底面和最上层的压电元件顶面分别与弹性膜片接触并引出输出引线，输出引线连接到盒体内的液态金属天线装置两端，液态金属天线装置为一根高强玻璃管，高强玻璃管两端各有一个储液器，底端的储存器存储有液态金属，顶端的储液器存储有电解液，液态金属与电解液在高强玻璃管中部接合。本发明的技术效果：实现了三向压力远程监测，保证了检测精度。
Description
技术领域
本发明属于土木工程压力测试技术领域，具体涉及一种三向应力传感器，通过该传感器实现远程无线监测一点的三向应力状态变化。
背景技术
土木工程中岩土体或混凝土体的三向应力测试是工程中的一项基础性工作，是对工程安全设计及评价的基础。尤其是能够准确测出三向应力状态并实现实时远程监测，对于土木工程、水利工程、交通工程等基础设施项目有着无可替代的作用。
现有的压力测试装置大多数只能测试一个方向的压力，只有少数的压力测试装置可以测试三向应力状态，中国专利201210097373.6、201410345195.3、201210097373.6公开了几种三向压力测试装置，各有特色。但综合比较后发现，现有的三向压力测试装置存在几个问题：(1)现有的三向压力测试装置主要都是基于传感式或振弦式土压力盒，该类测试装置精度不够高，量程不够大，长期稳定性不够好；(2)现有的三向压力测试装置都是有线传递测试数据，测试深度不够深，不能远程测试；(3)现有的三向压力测试装置都只能测试某一时刻的三向压力，而不能实时测试待测体的压力变化。
中国专利文献CN104037495A于2014年9月10日公开了一种用于滑坡监测的L型液态金属天线，它包括有弹性壳体、L型空心管、微型泵和馈电同轴线以及接地片，弹性壳体内部装满液态金属，L型空心管设置在弹性壳体顶部侧边，并连通弹性壳体内部，L型空心管向上延伸，L型空心管顶端安装微型泵，从L型空心管内部位于液态金属溢流口处有馈电同轴线引出，溢流口处的液态金属与接地片电连接。该专利能够进行实时的远程监测滑坡的状态变化，但是，该装置存在以下问题：
1)、该专利只能测试一个方向压力，不能测试三向压力；
2)、由于L型空心管顶端安装微型泵，该微型泵用于对L型空心管抽空气，以维持L型空心管气压平衡，因为L型空心管内的气压值无法检测并保持恒定，导致与气压值相关的液态金属流动受到微型泵控制，所以L型空心管的液态金属长短不能真实反映弹性壳体的受力变形，导致滑坡位移变形的监测错误；
3)、L型空心管设置在弹性壳体顶部侧边，细长的L型空心管强度较低，在与弹性壳体连接处的强度很薄弱，在实际使用中容易折断和损坏。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于压电元件的液态金属天线三向应力传感器，它能够实时、远程监测三向压力，并能提高检测的准确性，可靠性。
本发明所要解决的技术问题是通过这样的技术方案实现的，它包括有盒体，盒体为正方形六面体，其中有共顶点的三个面为受力面，三个受力面各有一个由盒体上盖覆盖的凹槽，凹槽内涂有绝缘材料，在凹槽中叠放有多个串联的圆形薄片式压电元件，所有压电元件夹在两个弹性膜片之间，最下层的压电元件底面和最上层的压电元件顶面分别与弹性膜片接触并引出输出引线，输出引线连接到盒体内的液态金属天线装置两端，液态金属天线装置与对应的受力面垂直放置，液态金属天线装置为一根高强玻璃管，高强玻璃管两端各有一个储液器，底端的储液器固定在与受力面相对的基座上，底端的储存器存储有液态金属，顶端的储液器存储有电解液，液态金属与电解液在高强玻璃管中部接合。
将本发明埋设于岩体中或土中后，开始受到挤压，盒体受力面受到压力作用，凹槽内的压电元件产生机械变形后产生电荷，电荷大小随压电元件机械变形变化而改变，所受压力与电荷之间成线性关系：Q＝KSP，其中Q是电荷量，K是压电常数，S是力的作用面积，P是压力。
电荷电压通过输出引线施加在液态金属天线装置两端，高强玻璃管中的液态金属长度也随之变化，根据“Areconfigurableliquidmetalantennadrivenbyelectrochemicallycontrolledcapillarity”，M.Wang,C.Trlica,M.R.Khan,M.D.DickeyandJ.J.Adams，JournalofAppliedPhysics，117，194901(2015)(一种电压控制的频率可调液态金属天线，M.Wang,C.Trlica,M.R.Khan,M.D.DickeyandJ.J.Adams，应用物理学杂志，117卷，194901(2015))中记载，施加一个低正电压使金属流入一个毛细管道，而低负电压会使金属从毛细管道里收缩回来。由此压电元件的电荷电压U与液态金属长度l的关系可以通过理论与试验结合，多次测试后，获得相应的关系表达式。
依据“基于液态金属的频率可重构天线研究与设计”，夏林艳，重庆邮电大学硕士学位论文，第34页公式(3.5)，记载了液态金属天线的频率与液态金属天线长度的关系：
液态金属天线的频率f与液态金属长度l成反比例关系，其中c是光速，a是l与波长间的关系系数，εp是有机聚合物介电常数。
由此，依据f-l-U-F的相互关系能够测得待测岩体或土体的三向应力状态。
本发明的技术效果：它将盒体上盖的受力变形转化为压电元件的电压值，电压值通过液态金属天线转化为频率变化信号，再经无线传送至接收端，实现了三向压力远程监测，它克服了L型液态金属天线的问题，保证了检测精度。
附图说明
本发明的附图说明如下：
图1为本发明的外形结构图；
图2为发明的内部结构示意图；
图3为图2中液态金属天线装置的结构图。
图中：1.盒体；2.盒体上盖；3.弹性膜片；4.压电元件；5.储液器；6.高强玻璃管；7.液态金属；8.电解液；9.输出引线。
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：
如图1所示，本发明包括有盒体1，盒体1为正方形六面体，其中有共顶点的三个面为受力面，三个受力面各有一个由盒体上盖2覆盖的凹槽；
如图2所示，凹槽内涂有绝缘材料，在凹槽中叠放有多个串联的圆形薄片式压电元件4；所有压电元件4夹在两个弹性膜片3之间，最下层的压电元件底面和最上层的压电元件顶面分别与弹性膜片3接触并引出输出引线9，输出引线9连接到盒体内的液态金属天线装置两端，液态金属天线装置与对应的受力面垂直放置，
如图3所示，液态金属天线装置为一根高强玻璃管6，高强玻璃管6两端各有一个储液器5，底端的储液器固定在与受力面相对的基座上，底端的储存器存储有液态金属7，顶端的储液器存储有电解液8，液态金属7与电解液8在高强玻璃管6中部接合。电解液8用于导电。
盒体1内部空隙填充有绝缘的硅胶材料，填充硅胶是为了固定盒体内的高强玻璃管，起保护作用。高强玻璃管为普通玻璃管或有机玻璃管。
盒体受力面为钢膜，能产生微量挠度，盒体非受力面为不变形的钢板。
Claims (2)
1.一种基于压电元件的液态金属天线三向应力传感器，包括有盒体，盒体为正方形六面体，其中有共顶点的三个面为受力面，其特征是：三个受力面各有一个由盒体上盖覆盖的凹槽，凹槽内涂有绝缘材料，在凹槽中叠放有多个串联的圆形薄片式压电元件，所有压电元件夹在两个弹性膜片之间，最下层的压电元件底面和最上层的压电元件顶面分别与弹性膜片接触并引出输出引线，输出引线连接到盒体内的液态金属天线装置两端，液态金属天线装置与对应的受力面垂直放置，液态金属天线装置为一根高强玻璃管，高强玻璃管两端各有一个储液器，底端的储液器固定在与受力面相对的基座上，底端的储存器存储有液态金属，顶端的储液器存储有电解液，液态金属与电解液在高强玻璃管中部接合。
2.根据权利要求1所述的基于压电元件的液态金属天线三向应力传感器，其特征是：盒体内部空隙填充有绝缘的硅胶材料。
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