CN107991006B - 施加预紧力的压电陶瓷动态拉应力传感器及其标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种施加预紧力的压电陶瓷动态拉应力传感器,两个传力块层叠放置，其中一个传力块朝向另一个传力块的一面设有凹槽，两块钢垫板夹持压电陶瓷片后整体放置于该凹槽中，凹槽与钢垫板之间、钢垫板和压电陶瓷片的表面之间分别通过硅胶找平；两块传力块沿着厚度方向贯穿四根螺杆，螺杆沿着传力块的中心轴旋转对称分布，并对传力块施加预紧力；两个传力块相向的那面通过环氧树脂封装，压电陶瓷片通过导线和BNC接头连接，BNC接头连接数据采集系统；压电陶瓷片在外力的作用下，压电陶瓷片的正负电荷将沿着极化方向运动，电荷经过数据采集系统转化为电压信号，通过与力传感器的输出信号进行对比分析以实现对传感器的标定。
Description
技术领域
本发明涉及一种可施加预紧力的拉应力传感器及其标定装置，尤其是涉及一种施加预紧力的压电陶瓷动态拉应力传感器。
背景技术
目前，在土木工程领域，混凝土构件的应力测量主要是基于电阻式应变片或弦式应变计，基于应变反应构件表面及内部的应力水平。电阻式应变片一般预先黏贴在钢筋表面，受用寿命较低。弦式应变计使用寿命长，测量结果稳定，但是造价高昂。
发明内容
本发明所要解决的主要技术问题是提供一种施加预紧力的压电陶瓷动态拉应力传感器，造价低廉、体积小、生产制作工艺简单，稳定性好，使用寿命长并能够与混凝土较好地相容。
为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种施加预紧力的压电陶瓷动态拉应力传感器,包括：经过环氧树脂绝缘处理的压电陶瓷片、两块由混凝土基封装而成的传力块、两块钢垫板、预紧力螺杆；
所述两个传力块层叠放置，其中一个传力块朝向另一个传力块的一面设有凹槽，所述两块钢垫板夹持压电陶瓷片后整体放置于该凹槽中，所述凹槽与钢垫板之间、钢垫板和压电陶瓷片的表面之间分别通过硅胶找平；所述两块传力块沿着厚度方向贯穿四根螺杆，所述螺杆沿着传力块的中心轴旋转对称分布，并对传力块施加预紧力；
所述两个传力块相向的那面通过环氧树脂封装，所述压电陶瓷片通过导线和BNC接头连接，所述BNC接头连接数据采集系统；
所述压电陶瓷片在外力的作用下，压电陶瓷片的正负电荷将沿着极化方向运动，电荷经过数据采集系统转化为电压信号，通过与力传感器的输出信号进行对比分析以实现对传感器的标定。
在一较佳实施例中：所述传力块的形状为长方体或棱柱体或圆柱体。
在一较佳实施例中：所述传力块由无收缩自流密实水泥基高强浇注料封装而成。
本发明还提供了上述的施加预紧力的压电陶瓷动态拉应力传感器的标定方法，采用落锤反力装置进行拉应力的标定，具体包括如下步骤：
1)将待标定的施加预紧力的压电陶瓷动态拉应力传感器安置于落锤反力装置底板上；
2)剪断落锤的连接绳，使落锤自由下落；通过落锤自由落体运动产生的动能经转向滑轮转化为脉冲拉力，脉冲拉力作用线垂直于待标定的施加预紧力的压电陶瓷动态拉应力传感器的顶面，数据采集系统同时记录拉力传感器及施加预紧力的压电陶瓷动态拉应力传感器信号，通过数据分析实现对传感器的标定。
在一较佳实施例中：所述落锤反力装置包括一支架，所述支架的底部为底板；
所述待标定的施加预紧力的压电陶瓷动态拉应力传感器黏贴在支架的底板上，待标定的施加预紧力的压电陶瓷动态拉应力传感器的顶面与一个钢块相连；钢块通过钢绞线与拉力传感器相连；拉力传感器和待标定的施加预紧力的压电陶瓷动态拉应力传感器的信号分别通过屏蔽导线和被信号采集设备接收，最终通过数据连接线与计算机终端相连；
所述支架的顶端为横梁，一转向滑轮与横梁固定连接，所述落锤的连接绳通过转向滑轮后与所述拉力传感器远离钢绞线的一面相连。
在一较佳实施例中：所述支架上布置两个限位装置；所述连接绳通过限位装置后与所述拉力传感器的上表面保持垂直。
在一较佳实施例中：所述支架的两侧上设置有刻度标记；两侧的刻度标记通过水平绳和定位螺栓相连后确定出落锤的下落高度。
相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：
本发明提供的一种施加预紧力的压电陶瓷动态拉应力传感器，结构形式简单、体积小、制作方便，且与目前广泛应用的弦式应变计相比，造价低廉，适宜批量化生产，在较大程度上降低了混凝土结构的应力监测成本。
本发明提供的一种施加预紧力的压电陶瓷动态拉应力传感器，其中传力块及内置钢垫板，不仅在传感器使用过程中确保应力的有效传递，也是在预紧力施加过程中确保压电陶瓷片受力均匀的重要保证。为了降低混凝土传力块表面粗糙及绝缘处理后的压电陶瓷片硬化后局部不平整、压电陶瓷片与导线之间焊疤的影响，在钢垫板和陶瓷片之间、钢垫板与混凝土传力块均匀涂抹一定厚度 (≥0.55mm)的704硅胶进行找平。
附图说明
图1为本发明优选实施例中施加预紧力的压电陶瓷动态拉应力传感器，组装后的整体结构示意图。
图2(a)和(b)为本发明优选实施例中压电陶瓷工作原理示意图。
图3(a)和(b)为本发明优选实施例中传力块的制作模具。
图4为本发明优选实施例中落锤反力装置的示意图。
具体实施方式
以下结合图片对本发明中传感器的制作、预紧力施加方法、标定试验装置作系统的说明。
如图1所示，一种施加预紧力的压电陶瓷动态拉应力传感器,包括：经过环氧树脂绝缘处理的压电陶瓷片5、两块由混凝土基封装而成的传力块8、11、两块钢垫板3、7、四个预紧力螺杆1和配套的螺母12；
所述两个传力块8、11层叠放置，其中一个传力块8朝向另一个传力块 11的一面设有凹槽，所述两块钢垫板3、7夹持压电陶瓷片5后整体放置于该凹槽中，所述凹槽与钢垫板3之间、钢垫板3、7和压电陶瓷片5的表面之间分别通过硅胶4、6找平；所述两块传力块8、11沿着厚度方向贯穿四根螺杆1，所述螺杆1沿着传力块8、11的中心轴旋转对称分布，并通过落幕12对传力块施加预紧力；调整螺母12的位置就可以改变预紧力的大小。
所述两个传力块8、11相向的那面通过环氧树脂封装，所述压电陶瓷片通过屏蔽导线9和BNC接头10连接，所述BNC接头10连接数据采集系统；
如图2所述，上述的施加预紧力的压电陶瓷动态拉应力传感器的工作原理是：所述压电陶瓷片5在外力的作用下，压电陶瓷片5的正负电荷将沿着极化方向运动，因此在与极化方向垂直的两个表面产生正负约束电荷，在压电陶瓷的正常工作范围内，电荷密度与外力的大小成正比例相关性。电荷经过数据采集系统转化为电压信号，通过与力传感器的输出信号进行对比分析以实现对传感器的标定。
上述的施加预紧力的压电陶瓷动态拉应力传感器交界面采用硅胶涂层进行找平，结构形式简单、体积小、制作方便，且与目前广泛应用的弦式应变计相比，造价低廉，适宜批量化生产，在较大程度上降低了混凝土结构的应力监测成本。
此外，由于传力块8、11及内置的钢垫板3、7，不仅在传感器使用过程中确保应力的有效传递，也是在预紧力施加过程中确保压电陶瓷片5受力均匀的重要保证。为了降低混凝土传力块8、11表面粗糙及绝缘处理后的压电陶瓷片 5硬化后局部不平整、压电陶瓷片5与导线9之间焊疤的影响，在钢垫板3、7 和压电陶瓷片5之间、钢垫板压电陶瓷片5与混凝土传力块8之间均匀涂抹一定厚度(≥0.55mm)的704硅胶进行找平，这样可以避免预紧力作用下的应力集中。
在两个传力块8、11相向的一面通过涂抹掺有混凝土干粉的环氧树脂后形成粘结层2，能够使得4根螺杆均匀、对称地施加预紧力。
混凝土传力块8和11原材料可根据被检测对象的材质可进行适当调整，可采用机械精加工后的石材、纤维增强混凝土材料或其他的人工合成材料等。为了保证传感器在使用过程中稳定性和可靠性。混凝土传力块的强度应大于被检测构件的应力水平。
如图3所示，由于传力块8和传力块11的构造差异较大，因此本发明设计了两套分别适用于传力块8和传力块11的模具。模具1包括底板层、螺杆定位柱13，PVC套管14,该套模板一次可制作25个混凝土传力块8。每个传力块的外轮廓尺寸为30mm×30mm×10mm。与模具1不同，为了传力块11脱模后形成凹槽以布置压电陶瓷片5，钢垫板3和7，硅胶层4和6及屏蔽导线9，在模具2的底板上中设置如图所示的15、16和17对应的凸起。在无收缩自流密实水泥基高强浇注料入模前，应将模具1和2洗净并均匀涂抹润滑油，并在预紧力螺栓的定位柱上安装PVC套管14。在PVC套管14上涂抹润滑油后，即可将无收缩自流密实水泥基高强浇注料入模、振捣，顶面找平。在养护箱中标准养护24小时后即可拆模。拆模后的混凝土传力块8和11，放入温水中养护 14天后常温下风干。
上述的施加预紧力的压电陶瓷动态拉应力传感器的组装及预紧力施加方法：首先将压电陶瓷片5与屏蔽导线9、BNC接头10以锡焊的方法进行连接，并用环氧树脂对压电陶瓷片5进行防水绝缘处理。然后将风干后的混凝土传力块8和传力块11、钢垫板3和7的表面采用无水酒精擦拭干净，在钢垫板3、 7与压电陶瓷片5之间均匀涂抹硅胶，静置24小时，制作过程保证两个钢垫板 3、7的平面保持平行。
下一步在传力块8中的凹槽中均匀涂抹环氧树脂，并将钢垫板3、7、压电陶瓷片5安置在凹槽中，在粘结层2中均匀涂抹环氧树脂。最后将4根螺杆1 穿入传力块8和传力块11中的预制孔中，均匀对称地拧紧相应的螺栓。最后在传感器的外表面均匀涂抹一层环氧树脂，静置24小时。
上述的施加预紧力的压电陶瓷动态拉应力传感器的标定方法，采用落锤反力装置进行拉应力的标定，
所述落锤反力装置包括一支架21，所述支架21的底部为底板30；
所述待标定的施加预紧力的压电陶瓷动态拉应力传感器28黏贴在支架21 的底板30上，待标定的施加预紧力的压电陶瓷动态拉应力传感器28的顶面与一个钢块27相连；钢块27通过钢绞线23与拉力传感器26相连；拉力传感器 26和待标定的施加预紧力的压电陶瓷动态拉应力传感器28的信号分别通过屏蔽导线31、29和被信号采集设备32接收，最终通过数据连接线33与计算机终端34相连；必要时，可根据信号采集设备的32的功能增设电荷放大器。
所述支架21的顶端为横梁18，一转向滑轮19与横梁18固定连接，所述落锤22的连接绳23通过转向滑轮19后与所述拉力传感器26远离钢绞线的一面相连。
为保证落锤22自由下落后产生的瞬态拉应力的作用线垂直于压电传感器 26的上顶面，所述支架上布置两个限位装置24、25；所述连接绳23通过限位装置24、25后与所述拉力传感器26的上表面保持垂直。
为了进一步提高落锤22的定位精度，在支架21上设置响应的刻度标记。两侧的刻度标记通过水平绳和定位螺栓20相连后确定出落锤22的下落高度。
具体的标定步骤是：
1)将待标定的施加预紧力的压电陶瓷动态拉应力传感器28安置于落锤反力装置底板30上；
2)剪断落锤的连接绳23，使落锤22自由下落；通过落锤22自由落体运动产生的动能经转向滑轮19转化为脉冲拉力，脉冲拉力作用线垂直于待标定的施加预紧力的压电陶瓷动态拉应力传感器28的顶面，数据采集系统同时记录拉力传感器26及施加预紧力的压电陶瓷动态拉应力传感器28的信号，通过数据分析实现对传感器的标定。
正式标定时，落锤22的质量为5kg，每组试验应至少重复5次。正式标定前应采用质量为1kg的落锤22进行预加载试验，以消除各部件组装过程中的误差。通过对拉应力传感器和施加预紧力的压电陶瓷动态拉应力传感器28的信号分析，实现对施加预紧力的压电陶瓷动态拉应力传感器的标定。
本发明设备简单，加工制作方便。预紧力的施加，可最大程度上降低传感器在制作过程初始气泡、孔隙等缺陷的形成几率，较大程度上提高了传感器的成活率。由于排除了初始缺陷的影响，传感器的线性度将有较大的提升。设计的标定装置，通过切实有效的定位和限位装置，保证了对压电传感器的精确标定。本发明适合批量生产，可广泛应用于土木工程结构的混凝土应力水平监测和长期监控中。
以上所述仅为本发明较佳实施例，故不能依此限定本发明的技术范围，故凡依本发明的技术实质及说明书内容所作的等效变化与修饰，均应属本发明技术方案的范围内。
Claims (5)
1.一种施加预紧力的压电陶瓷动态拉应力传感器,其特征在于包括：经过环氧树脂绝缘处理的压电陶瓷片、两块由混凝土基封装而成的传力块、两块钢垫板、预紧力螺杆；
两个传力块层叠放置，其中一个传力块朝向另一个传力块的一面设有凹槽，所述两块钢垫板夹持压电陶瓷片后整体放置于该凹槽中，所述凹槽与钢垫板之间、钢垫板和压电陶瓷片的表面之间分别通过硅胶找平；所述两块传力块沿着厚度方向贯穿四根螺杆，所述螺杆沿着传力块的中心轴旋转对称分布，并对传力块施加预紧力；
所述两个传力块相向的那面通过环氧树脂封装，所述压电陶瓷片通过导线和BNC接头连接，所述BNC接头连接数据采集系统；
所述压电陶瓷片在外力的作用下，压电陶瓷片的正负电荷将沿着极化方向运动，电荷经过数据采集系统转化为电压信号，通过与力传感器的输出信号进行对比分析以实现对传感器的标定；
所述传力块的形状为长方体或棱柱体或圆柱体；
所述传力块由无收缩自流密实水泥基高强浇注料封装而成。
2.一种如权利要求1所述的施加预紧力的压电陶瓷动态拉应力传感器的标定方法，其特征在于：采用落锤反力装置进行拉应力的标定，具体包括如下步骤：
1)将待标定的施加预紧力的压电陶瓷动态拉应力传感器安置于落锤反力装置底板上；
2)剪断落锤的连接绳，使落锤自由下落；通过落锤自由落体运动产生的动能经转向滑轮转化为脉冲拉力，脉冲拉力作用线垂直于待标定的施加预紧力的压电陶瓷动态拉应力传感器的顶面，数据采集系统同时记录拉力传感器及施加预紧力的压电陶瓷动态拉应力传感器信号，通过数据分析实现对传感器的标定。
3.根据权利要求2所述的施加预紧力的压电陶瓷动态拉应力传感器的标定方法，其特征在于：所述落锤反力装置包括一支架，所述支架的底部为底板；
所述待标定的施加预紧力的压电陶瓷动态拉应力传感器黏贴在支架的底板上，待标定的施加预紧力的压电陶瓷动态拉应力传感器的顶面与一个钢块相连；钢块通过钢绞线与拉力传感器相连；拉力传感器和待标定的施加预紧力的压电陶瓷动态拉应力传感器的信号分别通过屏蔽导线和被信号采集设备接收，最终通过数据连接线与计算机终端相连；
所述支架的顶端为横梁，一转向滑轮与横梁固定连接，所述落锤的连接绳通过转向滑轮后与所述拉力传感器远离钢绞线的一面相连。
4.根据权利要求3所述的施加预紧力的压电陶瓷动态拉应力传感器的标定方法，其特征在于：所述支架上布置两个限位装置；所述连接绳通过限位装置后与所述拉力传感器的上表面保持垂直。
5.根据权利要求3所述的施加预紧力的压电陶瓷动态拉应力传感器的标定方法，其特征在于：所述支架的两侧上设置有刻度标记；两侧的刻度标记通过水平绳和定位螺栓相连后确定出落锤的下落高度。
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