CN110412091B - 一种可重复使用的损伤识别压电传感装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可重复使用的识别损伤的压电传感装置，包括压电陶瓷片，特点是还包括用于与被测构件表面粘结的金属盒体，金属盒体的顶板中央设置有导线穿出孔，金属盒体的一侧侧壁垂直向上延伸形成用于敲卸金属盒体与被测构件的敲击面，压电陶瓷片位于金属盒体内且紧密粘贴固定在金属盒体的底板上，压电陶瓷片的导线穿过导线穿出孔与外部的阻抗分析仪连接，优点是制作简易并且操作方便，能够有效消除压电陶瓷片自身差异带来的试验误差。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，尤其是涉及一种可重复使用的损伤识别压电传感装置。
背景技术
压电元件是一种具备机电转换特性并具有驱动与传感双重功能的器件。近年来，研究者们对于压电元件作为传感装置的开发尤为盛行。有基于3D打印自动化封装的压电陶瓷传感器、用于物流监控的拉伸式压电传感器、一种高灵敏度压电EMES传感器，还有压电加速度传感器等。
作为压电元件的压电体层材料，常见有锆钛酸铅压电陶瓷片（PZT）。基于自身压电效应与介电性，其作为传感元件在机械和土木工程领域具有巨大发展空间。压电阻抗技术便是利用了此特性在结构健康监测及损伤诊断方面得到大量应用。比如装配式钢筋套筒灌浆密实度识别、机械螺栓松动监测、混凝土裂缝深度发展研究、钢框架桁架损伤识别。该技术凭借压电传感器对损伤敏感度高、成本低效用好、可实时监测等优点，逐渐成为一种新型的无损检测技术。
由于压电阻抗技术是基于压电陶瓷片与构件耦合振动时模态参数的变化来识别结构损伤情况的，这就要求压电陶瓷片一端与主体构件粘结固定，形成一个一维压电阻抗模型以实现耦合振动，电能与机械能得以相互转换。如若探究结构不同部位的损伤特性或是对比不同结构之间损伤状况，原已粘结固定的压电片无法拆卸以重复利用，则需使用多片压电陶瓷片在不同点位上的粘结得以达到探究目的。但是压电陶瓷片作为一种压电晶体自身参数如压电常数、介电常数各不相同，自振频率更是不一，导致不同压电陶瓷片反馈的电信号有较大差异，这会对损伤识别结果带来不小的误差。因此，解决这一问题成为了当务之急。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种制作简易并且操作方便，能够有效消除压电陶瓷片自身差异带来的试验误差的可重复使用的识别损伤的压电传感装置。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种可重复使用的识别损伤的压电传感装置，包括压电陶瓷片，还包括用于与被测构件表面粘结的金属盒体，所述的金属盒体的顶板中央设置有导线穿出孔，所述的金属盒体的一侧侧壁垂直向上延伸形成用于敲卸所述的金属盒体与所述的被测构件的敲击面，所述的压电陶瓷片位于所述的金属盒体内且紧密粘贴固定在所述的金属盒体的底板上，所述的压电陶瓷片的导线穿过所述的导线穿出孔与外部的阻抗分析仪连接。
所述的金属盒体的底板为厚度0.4-0.6mm的薄铁片。易于与构件、压电陶瓷片粘结均匀充分，实现紧密贴合无缝隙，保证测量精度。经实验论证，薄铁片的粘结并不影响压电陶瓷片机电耦合效应，其仍能精确测量构件机械阻抗值的变化并反馈电阻抗信号达到识别构件损伤的目的。
所述的金属盒体均采用铁材料制作，所述的敲击面的厚度为1.5mm-2mm，所述的金属盒体的其余侧壁和顶板的厚度为1mm-1.5mm。确保结构的刚度，做到在敲卸过程中装置不破坏磨损，并间接保护盒内压电陶瓷片不受损坏。
所述的金属盒体的表面镀有一层锌。保证装置结构不会因腐蚀生锈而对试验测算结果带来影响。
所述的金属盒体的底板和顶板均为正方形，所述的压电陶瓷片为机电耦合系数不低于0.56，直径为16mm且厚度为0.4mm的圆片，所述的压电陶瓷片位于所述的金属盒体的底板中央。
所述的压电陶瓷片焊有两根所述的导线，两根所述的导线均为柔性材料并包裹有绝缘层。确保两根导线线芯不会与金属盒体触碰，避免信号的干扰。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明首次公开了一种可重复使用的识别损伤的压电传感装置，其金属盒体的底部与被测构件（混凝土、钢材）表面粘结，通过该装置与被测构件的反复粘结与拆卸，在无损检测的大前提下可实现用于损伤识别的压电陶瓷片的重复利用；整体结构加工方便，简单实用易操作，并且造价低廉，能节省压电陶瓷片的使用，符合经济效益。将所述压电陶瓷片安置于密封环境中，能够做到对检测元件的保护并能够有效减少外界噪音与振动带来的信号干扰，提高测量精度。将金属盒体一侧壁扩大设计成敲击面可用于此装置的敲卸，采用以上结构，加强装置抗击打能力，保证装置易于敲卸以达到装置重复使用的目的。
综上所述，本发明一种可重复使用的识别损伤的压电传感装置，相较于传统的压电陶瓷片直接作为驱动器与传感器来识别构件损伤相比，只要通过简单的粘结敲卸即可在构件多个点位重复测算，不仅减小了试验误差，而且提高了测算效率，节省了时间精力。另外，本装置结构小巧，便于携带，其重复利用的特点更是为试验节省了原材料，节约了成本。因此，本发明有极高的实用性，在土木工程、机械等领域具有广泛的应用价值。
附图说明
图1为本发明压电传感装置的外部结构示意图；
图2为本发明压电传感装置金属盒体的内部结构示意图；
图3为本发明压电传感装置的剖面示意图；
图4为本发明压电传感装置与被测构件粘贴应用结构示意图；
图5为直接采用压电陶瓷片粘结在混凝土试件表面用以测量在灌浆量20%、40%、60%、80%、100%时灌浆套筒的损伤电导曲线；
图6为采用本发明的可重复使用的识别损伤的压电传感装置粘结在混凝土试件表面用以测量在灌浆量20%、40%、60%、80%、100%时灌浆套筒的损伤电导曲线。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
一、具体实施例
一种可重复使用的识别损伤的压电传感装置，如图1、图2、图3和图4所示，包括压电陶瓷片1，还包括用于与被测构件2表面粘结的金属盒体3，金属盒体3的顶板中央设置有导线穿出孔4，金属盒体3的一侧侧壁垂直向上延伸形成用于敲卸金属盒体3与被测构件2的敲击面5，压电陶瓷片1位于金属盒体3内且紧密粘贴固定在金属盒体3的底板上，压电陶瓷片1的导线6穿过导线穿出孔4与外部的阻抗分析仪（图中未显示）连接。
在此具体实施例中，金属盒体3的底板为厚度0.5mm的薄铁片。金属盒体3其余部分均采用铁材料制作，金属盒体3的敲击面5的厚度为1.5mm，金属盒体3的其余侧壁和顶板的厚度为1mm。金属盒体3的表面镀有一层锌。金属盒体3的底板和顶板均为正方形，压电陶瓷片1为机电耦合系数不低于0.56，直径16mm，厚度0.4mm的圆片，压电陶瓷片1位于金属盒体3的底板中央。压电陶瓷片1焊有两根导线6，两根导线6均为柔性材料并包裹有绝缘层。压电陶瓷片1为本装置核心元件用于构件损伤识别。
如图4所示，金属盒体3在实际工作时与被测构件2的连接，金属盒体3的底板背面与被测构件2如混凝土、钢材表面上部点位用502胶紧密粘结。此时本装置进入工作状态，压电陶瓷片1通过导线6与阻抗分析仪相连，阻抗分析仪接收压电陶瓷片1反馈的电信号以识别该被测构件2上部点位损伤。在完成上部点位的损伤测算后，使用坚硬物如榔头、扳手击打敲击面5拆卸下金属盒体3。然后，将金属盒体3再次粘结于被测构件2下部点位重复上述步骤识别下部点位的损伤。通过以上方式对装置简单的粘结敲卸还可重复测算被测构件2的各个点位的损伤，实现该压电传感装置的重复使用。
除上述实施例外，金属盒体3的底板厚度还可以为0.4mm、0.6mm或者0.4-0.6mm内的任一值，敲击面5的厚度还可以为1.5mm、2mm或者1.5mm-2mm内的任一值，金属盒体3的其余侧壁和顶板的厚度还可以为1mm、1.5mm或者1mm-1.5mm内的任一值。
二、对比试验
图5为直接采用压电陶瓷片1和图6为采用本发明的可重复使用的识别损伤的压电传感装置均是粘结在同一混凝土试件表面用以测量在灌浆量20%、40%、60%、80%、100%时灌浆套筒的损伤电导曲线。通过精密阻抗分析仪测量，激励电压为1V，在测量频率为45k-85k选取800个点得到的电导曲线。对比图5和图6发现，虽然两幅图有差异，但都可得出同一结论，即在电导曲线峰值处，随着套筒灌浆量的增加，电导值逐渐减小；粘结在铁片上的压电陶瓷片1与未粘结铁片的压电陶瓷片1在识别损伤上电导曲线变化规律一致，本发明的可重复使用的识别损伤的压电传感装置可作为识别构件损伤的检测工具。
上述说明并非对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例。本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内，做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种可重复使用的损伤识别压电传感装置，包括压电陶瓷片，其特征在于：还包括用于与被测构件表面粘结的金属盒体，所述的金属盒体的顶板中央设置有导线穿出孔，所述的金属盒体的一侧侧壁垂直向上延伸形成用于敲卸所述的金属盒体与所述的被测构件的敲击面，所述的压电陶瓷片位于所述的金属盒体内且紧密粘贴固定在所述的金属盒体的底板上，所述的压电陶瓷片的导线穿过所述的导线穿出孔与外部的阻抗分析仪连接，所述的金属盒体的底板为厚度0.4-0.6mm的薄铁片，所述的金属盒体均采用铁材料制作，所述的敲击面的厚度为1.5mm-2mm，所述的金属盒体的其余侧壁和顶板的厚度为1mm-1.5mm，所述的压电陶瓷片焊有两根所述的导线，两根所述的导线均为柔性材料并包裹有绝缘层。
2.根据权利要求1所述的一种可重复使用的损伤识别压电传感装置，其特征在于：所述的金属盒体的表面镀有一层锌。
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