CN112082674B - 一种基于正挠曲电效应的土压力测量盒 - Google Patents

一种基于正挠曲电效应的土压力测量盒 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于正挠曲电效应的土压力测量盒，包括自上而下设置的盒盖、支杆、圆形敏感单元和盒体，圆形敏感单元的外圈固定在盒体的上沿，支杆一端固定在盒盖上，另一端固定在圆形敏感单元的中心位置；圆形敏感单元由挠曲电材料制成，其上下表面分别镀有上表面电极和下表面电极，所述的上表面电极和下表面电极分别通过引线连接至外部的信号处理单元；本发明的土压力测量盒可以消除环境干扰因素的影响，提高微小压力测量准确性，拓宽了土压力测量盒的使用范围。

Description

一种基于正挠曲电效应的土压力测量盒
技术领域
本发明涉及岩土工程技术领域，具体涉及一种基于正挠曲电效应的土压力测量盒。
背景技术
岩土体中的应力测试是岩土工程中重要的测试项目之一，是进行定量力学分析和工程安全评价的前提，作为岩土体应力测试的土压力测量盒已经被广泛地应用在了岩土工程领域。目前，常用是正弦式土压力测量盒，其原理当被测结构物内土应力发生变化时，土压力计感应板同步感受应力的变化，感应板将会产生变形，变形传递给振弦转变成振弦应力的变化，从而改变振弦的振动频率。电磁线圈激励振振弦并测量其振动频率，频率信号经电缆传输至读数装置，即可测出被测结构的压应力值。然而这种土压力测量盒在使用中存在一些问题：(1)结构设计复杂，需要电磁线圈等部件；(2)振弦随着时间推移频率会发生变化；(3)由于基于感应板的应变原理，微小压力测量准确度低。
挠曲电效应是指由非均匀应变场或应变梯度产生电极化现象，即使对于中心对称晶体，挠曲电效应同样可以使材料产生电极化。它描述的是应变梯度诱导的极化强度现象(正挠曲电效应)。由于对晶体结构对称性相对宽松的要求，挠曲电效应普遍存在于所有的电介质中，包括非压电材料和各向同性材料。另外，挠曲电效应具有长期稳定性，使之成为理想传感元件。
发明内容
基于以上现有振弦式土压力测量盒不足，本发明设计了一种基于正挠曲电效应的土压力测量盒，基于正挠曲电效应，采用圆形挠曲电材料制成压力测量盒，盒盖在重力作用下产生初始应变梯度，并在沙土压力作用下产生递增的应变梯度，利用挠曲电材料产生的电量与压力关系，获得施加在盒盖上的沙土压力。
为了达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于正挠曲电效应的土压力测量盒，包括自上而下设置的盒盖、支杆、圆形敏感单元和盒体，圆形敏感单元的外圈固定在盒体的上沿，支杆一端固定在盒盖上，另一端固定在圆形敏感单元的中心位置；圆形敏感单元由挠曲电材料制成，其上下表面分别镀有上表面电极和下表面电极，所述的上表面电极和下表面电极分别通过引线连接至外部的信号处理单元；
施加在盒盖上的外力通过支杆传递至圆形敏感单元，使得圆形敏感单元在盒体内部的空腔内产生形变，通过测量圆形敏感单元的上表面电极和下表面电极响应的电信号，得到施加在盒盖上的沙土压力。
上述基于正挠曲电效应的土压力测量盒中，所述的挠曲电材料为非极化聚偏氟乙烯。
上述基于正挠曲电效应的土压力测量盒中，圆形敏感单元为多层非极化聚偏氟乙烯和玻璃钢制成的复合结构。
上述基于正挠曲电效应的土压力测量盒中，圆形敏感单元通过绝缘粘接条固定在盒体的上沿。
上述基于正挠曲电效应的土压力测量盒中，绝缘粘接条采用圆环形硅橡胶制成。
上述基于正挠曲电效应的土压力测量盒中，盒盖和盒体之间设有密封圈。
上述基于正挠曲电效应的土压力测量盒中，密封圈粘接在盒体下端的内沿一圈或盒盖上端的外沿一圈上。
上述基于正挠曲电效应的土压力测量盒中，支杆为玻璃钢材料制成，盒盖和盒体为不锈钢制成。
上述基于正挠曲电效应的土压力测量盒中，上表面电极和下表面电极为厚度10nm的蒸镀银层。
上述基于正挠曲电效应的土压力测量盒中，盒体上设置有供引线穿出的导管。
和现有技术相比较，本发明具有以下优点：
1)本发明采用圆形敏感单元、盒体和盒盖结构，使用支杆一端粘接在圆形敏感单元的中心位置，另一端固定在盒盖上，依靠盒盖自身的重力使得敏感单元内部产生沿径向的初始应变梯度。当压力盒埋入沙土中测量时，沙土的压力沿支杆传输圆形敏感单元的中心位置，产生与盒盖重力方向和施力位置相同的压力，使得圆形敏感单元沿径向产生的应变梯度增大，故只要测出应力施加前后电量的变化，就可以通过敏感单元产生的应变梯度与基于挠曲电效应产生电荷之间的线性关系，推算出压力盒受力的大小。而预加初始应变梯度可以消除环境干扰因素的影响，提高微小压力测量准确性，拓宽了土压力测量盒的使用范围。
2)本发明采用多层非极化聚偏氟乙烯和玻璃钢制成的复合结构使得圆形敏感块产生的挠曲电效应增大，提高了作动器的灵敏度，易于精确控制。同时由于敏感单元内部产生沿径向的初始应变梯度，提高了微小压力测量准确度，拓宽了土压力测量盒的使用范围。
3)本发明所使用的挠曲电材料不受居里温度的限制，对外界环境温度使用范围广；土压力测量盒结构简单，易于制造。
附图说明
图1为本发明土压力测量盒结构剖视图。
图2为图1沿A-A的剖视图。
图3为本发明土压力测量盒复合式圆形挠曲电材料结构剖视图。
图4为本发明土压力测量盒复合式圆形挠曲电材料结构俯视图。
图5为本发明土压力测量盒测量土压力的测试原理图。
图6为本发明土压力测量盒受力分析示意图。
附图标记如下：1—盒体；2—密封圈；3—绝缘粘接条；4—盒盖；5—上表面电极；6—圆形敏感单元；7—下表面电极；8—支杆；9—引线；10—导管；11—高强度SMC绝缘球；12—柔性环氧树脂；21—沙土；22—土压力测量盒；23—土层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步详细说明。
如图1和图2所示，一种基于正挠曲电效应的土压力测量盒，包括盒体1、密封圈2、盒盖4、圆形敏感单元6，上表面电极5、下表面电极7、支杆8和引线9；圆形敏感单元6固定在盒体1上沿，支杆8一端粘接固定在盒盖4中心位置，另一端粘接在圆形敏感单元6的中心位置，引线9分别连接圆形敏感单元6的上表面电极5和下表面电极7，并从导管10引出盒体1。
盒盖4和盒体1之间设有密封圈2，密封圈2粘接在盒体4下端的内沿一圈或盒盖1上端的外沿一圈上，在不阻碍盒盖4和盒体1之间上下移动外，起到防止灰尘进入的密封作用。
密封圈2为柔性环氧树脂材料，绝缘粘接条3采用圆环形硅橡胶制成。所述支杆8为高强度SMC玻璃钢制成，盒盖4和盒体1为不锈钢制成。上表面电极5和下表面电极7为厚度10nm的蒸镀银层。盒体1上设置有引线9穿出的导管10。其中圆形敏感单元6由挠曲电材料制成，通过绝缘粘接条3固定在盒体1上。使用时施加在盒盖4上的外力通过支杆8传递至圆形敏感单元6，使得圆形敏感单元6在盒体1内部的空腔内产生形变，通过测量圆形敏感单元6的上表面电极5和下表面电极7响应的电信号，得到施加在盒盖4上的沙土压力。
如图3和图4所示，作为一种优选的实施方式，所述圆形敏感单元6为厚10mm、直径800mm的多层非极化聚偏氟乙烯-玻璃钢复合结构。具体结构为：圆形敏感单元6为三片层叠的非极化聚偏氟乙烯(PVDF)圆片，每两层圆片之间均匀间隔布置6个高强度SMC绝缘球11，中间空隙利用柔性环氧树脂12填充，上表面电极5和下表面电极7则分别镀制在多层非极化复合材料的上表面和下表面。这种结构与单层的非极化PVDF相比，可大大提高土压力测量盒的灵敏度。
本发明基于正挠曲电效应的土压力测量盒实现压力测量的方法如下：
如图5所示，正挠曲电效应是指应变梯度诱导的极化强度现象。当盒盖4表面受到沙土重力或外界压力作用时，压力通过支杆8传递到圆形敏感单元6，引起圆形敏感单元6变形增大，内部产生径向方向上的应变，每个切面上的应变值相同，从而导致沿径向产生均匀应变梯度。圆形敏感单元6的受力分析如图6所示。由于圆形的对称性和厚度、高度之间关系，产生的应变分布可以利用悬臂梁理论来求解。对于矩形截面梁来说，极性惯性矩I为
Figure BDA0002701054730000041
其中梁的宽度取为单位长度、h为梁的厚度。设梁的总长为l。而根据弹性力学相关理论对上述实验方法进行理论分析，悬臂梁的应变(ε0)沿厚度(x)和长度(z)方向的分布为
Figure BDA0002701054730000042
其中F为梁自由端施加的力，E为材料的弹性模量。
所以沿厚度方向产生的应变梯度的表达式为
Figure BDA0002701054730000051
梁的l0点到l点的产生的应变梯度表达式为
Figure BDA0002701054730000052
而对于图3和图4所示的层叠结构的圆形挠曲电材料的总应变梯度表达式为
Figure BDA0002701054730000053
其中，n为圆形挠曲电材料的层数，F为所受到的外力，R为圆形敏感单元的半径。
悬臂梁沿厚度方向产生挠曲电效应，产生极化电荷，其表达式为
Figure BDA0002701054730000054
其中μ是挠曲电系数，ε是材料的弹性应变，x是梯度的方向，
Figure BDA0002701054730000055
是沿径向产生的应变梯度，P是由挠曲电效应导致的应变梯度产生的极化，Q是传感器的总输出电荷，A为挠曲电介电材料的表面面积。
通过上面公式推导，得出层叠结构传感器所受到力的表达式为
Figure BDA0002701054730000056
以上公式能够看出，只要测量初始、输出电荷值，通过在圆形敏感单元产生沿着径向产生的应变梯度与基于挠曲电效应产生电荷之间的线性关系，能够准确测量外力的大小。
图5中，圆形敏感单元6在盒盖重力作用下发生弯曲，内部产生径向方应变梯度，通过外接示波器可测量得到一个初始电量。预加初始应变梯度相当于给测量系统输出信号增加了一个预偏置，可消除外界环境振动、温度等因素的干扰，利于提高微小压力测量准确度，拓宽了土压力测量盒的使用范围。
当圆形敏感单元6表面覆盖的沙土变化或沙土受到外界力作用时，沙土的压力沿支杆传输圆形敏感单元的中心位置(如图5中箭头所示的方向)，产生与盒盖重力方向和施力位置相同的压力，使得圆形敏感单元变形会大，沿径向应变梯度的应变梯度增大，从而引起输出电量的变化。因此，只要通过示波器测出外力施加前后电量的变化，就可以通过敏感单元产生的应变梯度与基于挠曲电效应产生电荷之间的线性关系，推算出压力盒受力的大小。
本发明多层非极化PVDF复合材料挠曲电结构设计使产生的电荷信号幅度增大，且挠曲电材料不受居里温度的限制，土压力测量盒由圆形敏感单元、盒体和盒盖组成，具有结构简单、易于制造、对外界环境温度不敏感、使用范围广等特点。

Claims (9)

1.一种基于正挠曲电效应的土压力测量盒，其特征在于：包括自上而下设置的盒盖(4)、支杆(8)、圆形敏感单元(6)和盒体(1)，圆形敏感单元(6)的外圈固定在盒体(1)的上沿，支杆(8)一端固定在盒盖(4)上，另一端固定在圆形敏感单元(6)的中心位置；圆形敏感单元(6)由挠曲电材料制成，其上下表面分别镀有上表面电极(5)和下表面电极(7)，所述的上表面电极(5)和下表面电极(7)分别通过引线(9)连接至外部的信号处理单元；
所述的圆形敏感单元(6)为多层非极化聚偏氟乙烯和玻璃钢制成的复合结构，所述盒盖(4)为不锈钢制成，圆形敏感单元(6)在盒盖重力作用下发生弯曲，内部产生径向方向的应变梯度，给测量系统输出信号增加预偏置；施加在盒盖(4)上的外力通过支杆(8)传递至圆形敏感单元(6)，使得圆形敏感单元(6)在盒体(1)内部的空腔内产生形变，通过测量圆形敏感单元(6)的上表面电极(5)和下表面电极(7)响应的电信号，得到施加在盒盖(4)上的沙土压力。
2.根据权利要求1所述的基于正挠曲电效应的土压力测量盒，其特征在于：所述的挠曲电材料为非极化聚偏氟乙烯。
3.根据权利要求1所述的基于正挠曲电效应的土压力测量盒，其特征在于：圆形敏感单元(6)通过绝缘粘接条(3)固定在盒体(1)的上沿。
4.根据权利要求3所述的基于正挠曲电效应的土压力测量盒，其特征在于：绝缘粘接条(3)采用圆环形硅橡胶制成。
5.根据权利要求1所述的基于正挠曲电效应的土压力测量盒，其特征在于：盒盖(4)和盒体(1)之间设有密封圈(2)。
6.根据权利要求1所述的基于正挠曲电效应的土压力测量盒，其特征在于：密封圈(2)粘接在盒体(1)下端的内沿一圈或盒盖(4)上端的外沿一圈上。
7.根据权利要求1所述的基于正挠曲电效应的土压力测量盒，其特征在于：支杆(8)为玻璃钢材料制，盒体(1)为不锈钢制成。
8.根据权利要求1所述的基于正挠曲电效应的土压力测量盒，其特征在于：上表面电极(5)和下表面电极(7)为厚度10nm的蒸镀银层。
9.根据权利要求1所述的基于正挠曲电效应的土压力测量盒，其特征在于：盒体(1)上设置有供引线(9)穿出的导管(10)。
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