CN201355286Y - 一种面阵动态应力传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种用于测试面阵动态应力的传感器装置，包括面阵压电传感器、接线端子和采集卡，采集卡接入电脑进行数据采集。面阵压电传感器由若干个独立压电应力传感器粘贴在柔性附属板上，其最小间距为传感器的大小，每个传感器的导线集中连接到接线端子。传感器包括有金属保护层、橡胶封装层、压电膜、电极转接头和微型电荷放大器。每个传感器均设置有一个微型电荷放大器和一个电阻，电源输入端口和信号输出端口分别与放大器连接，传感器的地电极与电源地电极连接。本实用新型明显改善了应力传感器的等效模量和动态性能稳定性，可精确简便测试整个截面的路基动态应力分布，可用于测试铁路、公路、机场等领域的土质路基动态应力。
Description
技术领域
本实用新型属于岩土工程传感器技术领域，具体涉及一种用于测试面阵动态应力的传感器装置。
背景技术
当前我国大量兴建高标准要求的高速铁路、高速公路和机场等交通基础设施，为保证设施具有良好的稳定性和耐久性，对下部结构都提出了很高的要求，包括瞬态动力特性和长期稳定性等。土质路基作为下部结构的重要组成部分，在承受上部结构静荷载的同时还要承受着上部运动体(列车、汽车和飞机等)高速运行产生的动荷载作用，随着建设标准的逐步提高，土质路基的动力学研究越来越重要。路基的荷载条件和动力响应是合理选择设计参数和评价路基状况的基础，路基的动态响应尤其是动态应力研究非常重要，而可靠有效的传感器和测试方法是研究的基础。在高速车辆运行时，不仅仅涉及路基的动态应力，在挡墙、隧道衬砌、桥梁支座等方面都需要关注，而且更重要的是需要研究这些结构沿整个截面的动态应力特性。因此，面阵动态应力传感器在铁路、公路和机场等方面均有重要的意义和应用价值。
在路基等岩土介质中测试自由场应力，需将接触式传感器埋设在介质里，由传感器感受的电信号，来确定介质的真实应力。目前，路基动态应力测试中普遍使用的传感器是电阻应变式传感器，埋设在路基的电阻应变式传感器引出信号线通过应变仪进行测试。公知的电阻应变式传感器是由金属盒体、盒盖、设有电阻应变片的弹性膜片、连接线及承载板等组成。由于传感器的物理和力学性质与岩土介质不相同，势必产生“匹配误差”问题，对其提出刚度和形状匹配要求，即需要较大的传感器整体等效弹性模量与路基模量之比(一般大于10为佳)和较小的传感器高宽比(一般小于0.2为佳)。传感器高宽比要求在设计中相对易于达到，而随着基础设施建设标准的提高，路基力学指标要求逐步提高，当弹性模量已经达到或超过了传感器的等效弹性模量，在测试过程中引起不可忽视的误差，就不再适合在高标准条件下路基动态应力的测试。
中国第03212896.7号专利公开了一种“电阻应变压轴式土压力盒”，测试表明该土压力盒的等效弹性模量已经小于现场路基模量，无法在高标准条件下的土质路基中应用。另外这种传感器属于单点测试，如果想获得整个截面的应力，需要埋设多个电阻应变式传感器，为减小传感器之间的相互影响，对于直径18cm、高度3cm的土压力盒，其水平净距一般不宜小于2倍传感器直径，这就造成不能对截面应力进行全面而完整的测试。
中国第200710069421.X号专利公开了一种“阵列压电传感器”，该传感器采用PVDF片作为压电敏感层，利用压电原理和集成电路相结合的方法测试接触压力。但是其电荷放大方法、测试方法和适用领域与本实用新型所述都存在本质的区别，它以CCD集成电路为电荷读出集成电路，主要适用于人机工程学、机器人触觉及医疗等方面。
中国第200710020948.3号专利公开了一种“激光声表面波应力测试系统”，该测试系利用短脉冲激光器在被测样品表面产生高频率超声表面波，用PVDF压电膜作为超声表面波的接收装置，根据声弹性原理得到应力值，尽管该系统能进行样品表面的应力分布的测量，但只适用于金属材料表面的应力测试。
发明内容
本实用新型的目的就是针对现有岩土工程测试技术的不足，提供一种等效模量大、频响范围宽、抗超载、结构简单、耐腐蚀的面阵动态应力压电传感器。
本实用新型包括面阵压电传感器、接线端子和采集卡。面阵压电传感器由若干个独立压电应力传感器粘贴在柔性附属板上，数量和排列方式根据测试内容和要求确定，压电应力传感器的最小间距为传感器的大小尺寸，每个压电应力传感器的导线集中连接到接线端子。采集卡是基于面阵压电传感器的放大结果进行数据采集的终端。压电应力传感器包括有金属保护层、橡胶封装层、压电膜、电极转接头和微型电荷放大器。每个压电应力传感器均设置有一个微型电荷放大器和一个电阻，电源输入端口和信号输出端口分别与放大器连接，传感器的地电极与电源地电极连接，即可共用地极。采集卡接入电脑进行数据采集。
所述的金属保护层是厚度为0.5～1.0mm的不锈钢片，尺寸与压电膜大小相同，粘贴在橡胶封装层上。
所述的橡胶封装层是厚度为0.5～1.0mm的橡胶片，比压电膜略大，通过上下两层封装层将压电膜绝缘。
所述的电极转接头是一圆形金属接头，直径为4～6mm，用以连接导线和压电膜。
所述的微型电荷放大器是一种对压电膜的压电电压进行放大的装置，每个压电膜均设一个电荷放大器。
所述的压电膜包括PVDF(聚偏二氟乙烯)片，具有频响宽、动态范围大、力电转换灵敏度高，其厚度30～500μm，长方形，长为1～5cm，宽为1～2cm。在PVDF片的上下两面通过电极转接头铆接或粘贴方式连接两根导线形成两极，其中接入电源正极的极为正极，接入地极的极为地极。每个压电膜的接线完全相同。
所述的接线端子是整个面阵压电传感器的接线柱，端子数与实际压电应力传感器的数量相同。
所述的采集卡是A/D采集器，是一种USB总线数据采集产品，可与带USB接口的各种台式计算机、笔记本机和工控机连接构成的数据采集测量系统。采集通道一般为16或32个通道。
本实用新型的面阵压电传感器是根据测试需要由若干个经电荷放大的压电应力传感器组成，具有体积小、集成度高、分布密度大等特点。这种传感器不仅频响宽、动态范围大、等效模量高、能对整个截面进行全面测试，而且具有稳定的动态性能和抗干扰能力。
所述的柔性附属板是柔性土工布，具有柔性、耐拉等性能，厚度3～5mm，用于压电传感器在测试位置的定位。
本实用新型的每个压电应力传感器经过微型电荷放大器放大后，经接线端子汇总，由采集卡作为终端由各种台式计算机、笔记本和工控机等进行数据采集，明显改善了应力传感器的等效模量和动态性能稳定性，可精确测试整个截面的路基动态应力分布。不仅实现了传感器的小型化和集成化，而且实现了复杂分布应力的简便化测试，可用于测试铁路、公路、机场等领域的土质路基动态应力。
附图说明
以下附图仅旨在对本实用新型做示意性说明和解释，并不限定本实用新型的范围。其中，
图1是本实用新型的结构示意图；
图2是图1中压电应力传感器的结构示意图；
图3是图1中接线端子的结构示意图；
具体实施方式
为了使本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本实用新型的具体实施方式。
如图1所示，本实用新型提出的面阵动态应力传感器由若干压电应力传感器1排列而成，并粘贴在柔性附属板2上，并将每个压电应力传感器1的信号线3分别连接至接线端子5，压电应力传感器1的地线4统一集中连接至接线端子5，并通过采集卡6由计算机进行数据采集。压电应力传感器的行列数和行列间距可以根据实际需要进行设计。
压电应力传感器1的结构参见图1和图2，包括有金属保护层9、橡胶封装层8、压电膜7、电极转接头10、微型电荷放大器11和电阻12，并由电源正极13输入电压，信号线3在放大器11和电阻12之间接出。
柔性附属板2为压电应力传感器的固定体，有一定的柔性，易弯曲，可取土工布等材料。
接线端子3的结构参见图1和图3，包括接线柱子14和塑料底座15，将信号线3和地极4接至接线柱子14，并通向总接头16。
采集卡6为数据采集终端，一种成熟和通用的A/D采集器。
当压电应力传感器垂直方向受压时，压电膜产生压力并产生电荷，经过微型放大器进行电荷放大，把压电膜受压转换为相对应的电荷信号，并通过信号线和接线端子传输到采集卡，通过计算机进行采集。根据测试需要，对压电应力传感器的数量、行列数以及间距进行设计，进而可以获得整个截面的面阵动态应力。
Claims (1)
1.一种面阵动态应力传感器，包括面阵压电传感器、接线端子和采集卡；面阵压电传感器由若干个独立压电应力传感器粘贴在柔性附属板上，压电应力传感器的最小间距为传感器的大小尺寸，每个压电应力传感器的导线集中连接到接线端子；压电应力传感器包括有金属保护层、橡胶封装层、压电膜、电极转接头和微型电荷放大器；每个压电应力传感器均设置有一个微型电荷放大器和一个电阻，电源输入端口和信号输出端口分别与放大器连接，传感器的地电极与电源地电极连接，即可共用地极；采集卡是基于面阵压电传感器的放大结果进行数据采集的终端。
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| CN109282930A (zh) * | 2018-09-30 | 2019-01-29 | 深圳大学 | 应力探测装置与应力探测矩阵系统 |
| CN109632157A (zh) * | 2018-12-07 | 2019-04-16 | 哈尔滨工程大学 | 一种螺栓结合面动态应力监测装置 |
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