CN105675180A - 基于压电元件的可重构液态金属天线单向应力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于压电元件的可重构液态金属天线单向应力传感器，它包括有盒体，盒体为圆柱体，盒体受力面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，左端的储液器固定在盒体侧面的基座上，该储存器存储有液态金属，右端的储液器存储有电解液，电解液与液态金属在玻璃管中部接合。本发明的技术效果：实现了压力远程监测，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，具体涉及一种单向应力传感器，通过该传感器能实现远程无线监测力的变化。
背景技术
现代城市建设、经济发展和技术进步对越来越多的岩土工程提出了更高水平的要求，这就需要对岩土工程中的土压力测试装置进行改进。测试土压力一直是岩土工程的一项重要课题，现在普遍采用的测试装置一般为振弦式压力盒及电阻应变式压力盒，然而这些测试装置都不能实现远程无线监控，并且测量精度不高。而土压力的监控对于基坑、大坝、路基、隧道等都有着重大的意义。
在实际应用中，还没有远程无线监测的压力测试传感器。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、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；
2、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可重构液态金属天线单向应力传感器，它能够实时、远程监测压力变化，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，包括有盒体，盒体为圆柱体，盒体受力面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受力面平行放置，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，左端的储液器固定在盒体侧面的基座上，该储存器存储有液态金属，右端的储液器存储有电解液，电解液与液态金属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，盒体上盖将所受压力传递至凹槽内的压电元件，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，JournalofAppliedPhysics117，194901(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)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：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长度转化为信号频率变化，再经无线传送至接收端，实现了压力远程监测，它克服了现有的L型液态金属天线存在的问题，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为圆柱体，盒体受力面有一个由盒体上盖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受力面平行放置；
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，左端的储液器固定在盒体侧面的基座上，该储存器存储有液态金属7，右端的储液器存储有电解液8，电解液8与液态金属7在高强玻璃管6中部接合。电解液8用于导电。
为了固定盒体内的高强玻璃管，对高强玻璃管起保护作用。盒体1内部空隙填充有绝缘的硅胶材料。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 (3)
1.基于压电元件的可重构液态金属天线单向应力传感器，包括有盒体，盒体为圆柱体，其特征是：盒体受力面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受力面平行放置，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，左端的储液器固定在盒体侧面的基座上，该储存器存储有液态金属，右端的储液器存储有电解液，电解液与液态金属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可重构液态金属天线单向应力传感器，其特征是：盒体内部空隙填充有绝缘的硅胶材料。
3.根据权利要求1所述的基于压电元件的可重构液态金属天线单向应力传感器，其特征是：盒体受力面为钢膜，盒体非受力面为钢板。
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