CN202870024U - 一种用于混凝土结构的压电智能骨料传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种用于混凝土结构的压电智能骨料传感器，埋设于建筑的混凝土结构中，包括传感元件、敏感元件和测量电路；传感元件中，静态力传感元件为圆柱形铝柱，动态力传感元件为混凝土智能骨料，混凝土智能骨料外包于圆柱形铝柱；敏感元件包括两个电阻应变片和一个压电陶瓷片，一个电阻应变片纵向粘贴于圆柱形铝柱侧面，另一个电阻应变片横向粘贴于该圆柱形铝柱侧面的对称面，压电陶瓷片放置在圆柱形铝柱上面；测量电路是静态力测量中测量敏感元件的应变和进行温度补偿的电桥电路。本实用新型能实现对混凝土结构的健康监测，可以通过标定应用于混凝土结构的动态力和静态力的测量，造价低、精度高、耐久性能好，且与混能突结构有较好的融合性。

Description

一种用于混凝土结构的压电智能骨料传感器

技术领域

本实用新型涉及建筑结构监测技术领域，具体涉及一种用于混凝土结构的压电智能骨料传感器。 

背景技术

混凝土结构作为建筑中应用最常见的一种结构形式，被广泛地应用于各类建筑。在其漫长的服役过程中，结构将不可避免地产生损伤。通过健康监测系统对其实时在线的监测可以有效地对其健康状态做出评估以及安全预警，对于保证人民的生命和财产安全具有重大的意义。 

然而，大型混凝土结构的健康监测往往需要埋设数量巨大的传感器以获取多种物理量指标，这不仅会提升建筑结构的造价而且会给施工带来一定的影响；另外，混凝土结构长达数十年的服役时间需求，也是一般传感器寿命无法满足的。因此，研发适合于混凝土结构健康监测的传感器，对解决混凝土结构健康监测具有重大的实际意义。 

以锆钛酸铅（PZT）为代表的压电陶瓷具有正逆压电效应，可被广泛用于制作各种传感器。利用正压电效应可将其制成传感器，用于采集各种物理量，如加速度、冲击荷载等；利用逆压电效应可将其制成驱动器，用于信号的发射、结构的主被动控制等。然而压电陶瓷片质地易碎，直接埋入混凝土内部容易发生损坏，故需要通过适当的措施进行防护。通过外包混凝土将压电陶瓷片封装成智能骨料即可以有效地保护PZT片，又可以不影响结构的整体性能。但是，现有智能骨料产品功能也单一，且精度有限，在应用中有一定的局限性。 

发明内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型提供一种用于混凝土结构的压电智能骨料传感器，埋设于建筑的混凝土结构中，对混凝土结构进行健康监测，以及静态力和动态力的采集。 

本实用新型的技术方案是： 

一种用于混凝土结构的压电智能骨料传感器，包括传感元件、敏感元件和测量电路，其中敏感元件直接感受被测物理量，传感元件将感受到的非电量直接转换成电量，是转换元件，测量电路是将传感元件输出的电信号转换为便于显示、控制和处理的有用电信号的电路；

所述传感元件包括动态力传感元件和静态力传感元件，静态力传感元件为圆柱形铝柱，动态力传感元件为混凝土智能骨料，混凝土智能骨料外包于圆柱形铝柱，该混凝土智能骨料同时起保护层作用；

所述敏感元件包括两个电阻应变片和一个压电陶瓷片，两个电阻应变片用作静态力敏感元件，两个电阻应变片均焊接有屏蔽导线，且一个电阻应变片纵向粘贴于圆柱形铝柱侧面，另一个电阻应变片横向粘贴于该圆柱形铝柱侧面的对称面，压电陶瓷片用作动态力敏感元件，压电陶瓷片的两面均焊接有屏蔽导线，且压电陶瓷片放置在圆柱形铝柱上面；

所述测量电路是静态力测量中测量敏感元件的应变和进行温度补偿的电桥电路，测量电路通过用作静态力敏感元件的两个电阻应变片外接两个电阻组成电桥电路，再连接应变仪进行静态力测量；

所述圆柱形铝柱的高为15~30mm，直径10~20mm；

所述混凝土智能骨料的直径为D=20~60mm，高为30～50mm；

所述圆柱形铝柱、压电陶瓷片均外包有环氧树脂作防水层。

有益效果： 

本实用新型是用于混凝土结构的压电智能骨料传感器，能实现对混凝土结构的健康监测，同时可以通过标定可应用于混凝土结构的动态力和静态力的测量，本传感器造价低、精度高、耐久性能好，且与混能突结构有较好的融合性。

附图说明

图1是本实施方式的用于混凝土结构的压电智能骨料传感器工作原理框图； 

图2是本实施方式的用于混凝土结构的压电智能骨料传感器结构示意图；

图3是本实施方式的用于混凝土结构的压电智能骨料传感器的测量电路图；

图4是本实施方式的用于混凝土结构的压电智能骨料传感器的动态力传感元件工作原理示意图；

图5是本实施方式的用于混凝土结构的压电智能骨料传感器的静态力传感元件构成示意图；

图6是本实施方式的用于混凝土结构的压电智能骨料传感器的制作流程示意图；

图7是采用本实施方式的用于混凝土结构的压电智能骨料传感器进行混凝土结构健康监测原理示意图；

图8是采用本实施方式的用于混凝土结构的压电智能骨料传感器进行混凝土结构健康监测的损伤识别结果；

图9是采用本实施方式的用于混凝土结构的压电智能骨料传感器进行混凝土结构动态力标定的曲线图，其中，图9（a）为拟加载的正弦波动态力，图9（b）为相应荷载作用下的电压输出，图9（c）为本实施方式的压电智能骨料传感器的输出电压与作用力的线性拟合曲线；

其中，1-混凝土智能骨料，2-压电陶瓷片，3-环氧树脂，4-圆柱形铝柱，5-电阻应变片，6-屏蔽导线，7-屏蔽接头。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施做进一步说明。 

本实施方式的用于混凝土结构的压电智能骨料传感器，包括传感元件、敏感元件和测量电路，且该传感器通过辅助电源供电使用，本实施方式的压电智能骨料传感器工作原理如图1所示，其结构如图5所示。 

传感元件包括动态力传感元件和静态力传感元件，如图2所示，静态力传感元件为圆柱形铝柱4，圆柱形铝柱4的高为15~30mm，直径10~20mm，本实施方式中，圆柱形铝柱4的尺寸为高20mm，直径20mm，选用的铝柱材料密度低，但强度较高，受力均匀，其弹性模量接近混凝土材料的70GPa，塑性好，可加工成多种型材，具有良好的抗腐蚀性。 

动态力传感元件为混凝土智能骨料1，该骨料材质为细石混凝土，混凝土智能骨料1外包于圆柱形铝柱4，混凝土智能骨料1的直径为D=20~60mm，高为30～50mm，本实施方式中，混凝土智能骨料1直径为50mm，高为50mm。 

敏感元件包括两个电阻应变片5和一个压电陶瓷片2，两个电阻应变片5用作静态力敏感元件，两个电阻应变片5尺寸为3×5mm、阻值为120Ω，两个电阻应变片5均焊接有屏蔽导线6，且一个电阻应变片5用502胶水纵向粘贴于经打磨后的圆柱形铝柱4侧面，该电阻应变片5作为工作片，用于测量弹性应变；另一个电阻应变片5用502胶水横向粘贴于该圆柱形铝柱4侧面的对称面，该电阻应变片5作为温度补偿片，用于温度补偿；压电陶瓷片2用作动态力敏感元件，压电陶瓷片2的两面均焊接有屏蔽导线6，且压电陶瓷片2放置在圆柱形铝柱4上面，如图2所示。 

圆柱形铝柱4、压电陶瓷片2均外包有环氧树脂3作防水层。 

测量电路通过两个电阻应变片分别与两个电阻应变片连接。测量电路是静态力测量中测量敏感元件的应变和进行温度补偿的电桥电路，测量电路是采用两个电阻应变片通过焊接的屏蔽导线外接两个电阻组成电桥电路，再连接应变仪进行静态力测量；一般的外置温度补偿方法将影响测量准确性，而本实施方式的传感器埋置于混凝土结构内部，本实施方式的测量电路采用半桥四线制惠更斯电桥电路，利用电桥的加减特性来消除由温度变化引起的电阻变化。 

如图3所示，电桥的AB臂接入感受机械应变的电阻应变片，即工作片；电阻应变片的电阻变化中包含两个部分：一部分是由于应变引起的电阻变化ΔR _ε，另一部分是由于温度变化引起的电阻变化ΔR _t。设电阻应变片的起始电阻为R，当它感受应变并伴随有温度变化时，它的电阻R由变为R+ΔR _ε+ΔR _t。 

在电桥的BC臂接入另一个电阻应变片，即温度补偿片，其起始阻值也为R，此电阻应变片不感受应变。温度补偿片与工作片处于同样的环境温度中，它因温度变化引起的电阻变化ΔR _t与工作片因温度变化引起的电阻变化ΔR _t相同，这时电桥的输出电压变化量 

 

式中，A为比例常数，只与供桥电压和桥臂比有关。这样，电桥的输出电压仅与应变引起的电阻变化率成正比，与温度变化引起的电阻变化率ΔR _t/R无关，起到了温度补偿的作用。

如图4所示，本实施方式的压电智能骨料传感器利用压电陶瓷的正压电效应，当对压电陶瓷片施加力作用时，就会引起内部正负电荷中心发生相对移动而产生点的极化，从而导致元件两个表面上出现符号相反的束缚电荷，且电荷密度与外力成正比例。利用这种原理通过相应的标定建立力与电荷之间的线性关系，即可将该智能骨料传感器用于采集混凝土结构的动态荷载。反之，在压电陶瓷片上下表面施加电压，由于电场的作用，造成压电陶瓷片内部正负电荷中心产生相对位移，导致压电陶瓷片的变形，即逆压电效应。利用压电材料的逆电压效应，可将其制成作动器（信号发生器），利用压电陶瓷的正逆压电效应制成传感器和作动器埋置于混凝土结构中，可以实现对混凝土结构的健康监测。 

本实施方式的压电智能骨料传感器，根据电阻应变测试技术来测量混凝土结构内的静态应力，同时通过对智能骨料的动态响应信号标定后用于测量混凝土结构的动态力。 

本实施方式中，压电智能骨料传感器制作过程如图6所示，具体是： 

首先，制作敏感元件。先将压电陶瓷（PZT）片的两面分别与屏蔽导线的接线端进行焊接，在压电陶瓷（PZT）片外涂抹环氧树脂进行防水处理，风干24小时待封装。同时选取直径为20mm，高度为20mm的圆柱形铝柱，铝柱表面打磨处理后，将两个尺寸为3×5mm、阻值120Ω的应变片用502胶水分别粘贴于圆柱形铝柱的侧面中部，其中一个应变片在铝柱侧面纵向粘贴，另一个横向粘贴于对称面处。待胶水固化后焊接引出线，用万用表检查应变片的阻值，为120Ω左右方为合格。然后对铝柱外表用环氧树脂进行防水处理风干24小时。

其次，封装成型。按照一定的细石混凝土配合比拌制混凝土外包于铝柱，形成动态力传感元件，本实施方式采用的细石混凝土配合比为C40；待敏感元件防水层固化后，将其放入钢模中同时浇筑混凝土振实封装成型。在室温下进行养护28天后，待本实施方式的传感器达到设计强度后脱模即为新型压电智能骨料。 

最后，标定智能骨料。养护成型的新型智能骨料需要对其进行相关标定方可用于实际测量。动态压力的标定主要通过动态力标定装置给予周期性动态压力，建立压力与输出电压的关系来标定其灵敏度。常用的设备有激波管、活塞式正弦压力发生器等。静态力标定是通过压力机作用于智能骨料受力面上，通过动态应变仪采集传感器输出的应变，建立压力大小与应变的对应关系，从而标定其灵敏度。 

本实施方式的压电智能骨料传感器，可以用于混凝土结构的健康监测中的信号发射与采集、动态压力传感器和静态力传感器，具体为： 

（1）用于混凝土结构的健康监测中的信号发射与采集

将该新型智能骨料作为结构健康监测的监测元件，预先埋于混凝土结构之中，通常布置在监测构件的两端。将信号发生器或示波器连接智能骨料中的压电陶瓷元件接线端，在构件一端发射信号，在另一端接收线号。通过对比信号的差异或分析信号的变化来监测混凝土结构的裂缝和密实度等。

（2）作为动态压力传感器 

通过对智能骨料的动态力标定，结合电荷放大器和数据采集系统，可以对结构的冲力荷载以及振动进行采集。

（3）作为静态力传感器 

通过静态力标定的智能骨料，将静态力接线端连接到动态应变采集仪上，可以通过获取应变来计算出监测点所受的静态压应力。

如图7、8为利用本实用新型的一个实施例，采用压电智能骨料传感器对混凝土结构的裂缝进行在损伤监测试验。利用图4所示的压电陶瓷的正逆压电效应，选用两个本实施方式的用于混凝土结构的压电智能骨料传感器，其中一个作为驱动器埋于建筑构件一端，用于发射信号；另一个作为传感器埋于建筑构件的另一端，用于接收信号。从而构成激励-传感通道，对构件进行扫描。随着混凝土构件裂缝损伤程度的增加，监测信号的损伤指标能量值将越来越小，从而实现对裂缝损伤程度的长期监测。 

采用本实施方式的用于混凝土结构的压电智能骨料传感器进行混凝土结构动态力标定的曲线如图9所示，其中，对该智能骨料的受力面加载正弦变幅值的荷载如图（a）所示，在循环变幅值加载作用下的测试曲线如图（b）所示，从图（c）可以看出，对应各等级荷载的加载曲线，传感器的输出曲线呈良好的线性增长关系。由此可以得出压电智能骨料传感器的灵敏度α=电压ΔU/表面力F。通过该方法，对自制的压电智能骨料传感器进行相关标定试验。其中拟合曲线为y=0.163x-0.6037，故得应力/电压灵敏度为0.163mV/KPa。 

Claims (6)

1.一种用于混凝土结构的压电智能骨料传感器，埋设于建筑的混凝土结构中，其特征在于：该压电智能骨料传感器包括传感元件、敏感元件和测量电路；

所述传感元件包括动态力传感元件和静态力传感元件，静态力传感元件为圆柱形铝柱，动态力传感元件为混凝土智能骨料，混凝土智能骨料外包于圆柱形铝柱；

所述敏感元件包括两个电阻应变片和一个压电陶瓷片，两个电阻应变片用作静态力敏感元件，且一个电阻应变片纵向粘贴于圆柱形铝柱侧面，另一个电阻应变片横向粘贴于该圆柱形铝柱侧面的对称面，压电陶瓷片用作动态力敏感元件，压电陶瓷片放置在圆柱形铝柱上面；

所述测量电路是静态力测量中测量敏感元件的应变和进行温度补偿的电桥电路，测量电路通过用作静态力敏感元件的两个电阻应变片外接两个电阻组成电桥电路，再连接应变仪。

2.根据权利要求1所述的用于混凝土结构的压电智能骨料传感器，其特征在于：所述圆柱形铝柱的高为15~30mm，直径10~20mm。

3.根据权利要求1所述的用于混凝土结构的压电智能骨料传感器，其特征在于：所述混凝土智能骨料的直径为D=20~60mm，高为30～50mm。

4.根据权利要求1所述的用于混凝土结构的压电智能骨料传感器，其特征在于：所述圆柱形铝柱、压电陶瓷片均外包有环氧树脂作防水层。

5.根据权利要求1所述的用于混凝土结构的压电智能骨料传感器，其特征在于：所述两个电阻应变片均焊接有屏蔽导线。

6.根据权利要求1所述的用于混凝土结构的压电智能骨料传感器，其特征在于：所述压电陶瓷片的两面均焊接有屏蔽导线。

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