CN212059193U - 一种可植入混凝土结构的压电应力传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种可植入混凝土结构的压电应力传感器，包括封装层，封装于封装层内的压电陶瓷元件以及分别粘接于压电陶瓷元件上表面和下表面的导电片；所述导电片的边缘均延伸出一侧耳，两个侧耳分别连接有一根延伸出封装层的导线；压电陶瓷元件与封装层垂直轴线重合，且压电陶瓷元件端面与封装层端面平行。该传感器结构简单，易于制备，具有电荷灵敏度高、低频响应好、绝缘防水、耐热耐腐蚀等优点，植于混凝土结构内部相当于其中大颗粒骨料，耦合性能好，可以更加精准的监测土木结构承受的应力变化，尤其适用于大型混凝土结构的长期动态应力监测。
Description
技术领域
本实用新型属于传感器技术领域，涉及压电应力传感器，具体涉及一种可植入混凝土结构的压电应力传感器。
背景技术
压电陶瓷作为一类典型的双向传感元件，可实现机械能和电能的互换。利用压电陶瓷正压电效应可制作成传感器，接收信号。利用压电陶瓷逆压电效应又可制作成驱动器，发射信号。基于压电陶瓷制作的应力传感器具有重量轻、灵敏度高，性能稳定、制作简单且成本低等优点。将压电陶瓷植入混凝土结构中可实现对结构所受应力的实时监测，具有广泛的应用前景及实用性。
但是，随着土木工程逐渐向大型化、复杂化和极端环境下发展的趋势，直接将压电陶瓷埋入混凝土结构中极易导致其碎裂，且压电陶瓷对于外界环境的变化相当灵敏，如果直接将铜导线焊在压电陶瓷片的电极面，在电极面上凸起的焊点会使压电陶瓷片受力时不均匀，从而导致输出电荷差异大，不能准确进行测量，无法精确评估混凝土结构中的损伤或缺陷。
综上，设计一种压电传感器，以解决压电陶瓷与混凝土结构的结合方式和焊点的处理对传感器性能影响成为研究者丞待解决的重要问题。
实用新型内容
针对现有技术的不足，本实用新型目的旨在提供一种可植入混凝土结构的压电应力传感器，该传感器能够避免压电陶瓷元件被压裂，且使压电陶瓷受力更加均匀，能够有效减少压电陶瓷电荷损失，具有防水绝缘、耐热耐腐蚀、制作简单、性能稳定等优点，尤其适用于大型混凝土结构的长期动态应力监测。
本实用新型提供的可植入混凝土结构的压电应力传感器，其包括封装层，封装于封装层内的压电陶瓷元件以及分别粘接于压电陶瓷元件上表面和下表面的导电片；所述导电片的边缘均延伸出一侧耳，两个侧耳分别连接有一根延伸出封装层的导线；压电陶瓷元件与封装层垂直轴线重合，且压电陶瓷元件端面与封装层端面平行。
上述可植入混凝土结构的压电应力传感器的技术方案中，所压电陶瓷元件与封装层垂直轴线重合，且压电陶瓷元件端面与封装层端面平行，即压电陶瓷元件的各个面与封装层的各个面平行，可使传感器受力更加均匀。
上述可植入混凝土结构的压电应力传感器的技术方案中，所述压电陶瓷元件优选为PZT-NC压电陶瓷，优选为圆柱形结构，其端面直径Φ为10～20mm，高度H为1～2mm。
上述可植入混凝土结构的压电应力传感器的技术方案中，在压电陶瓷元件的电极面设置导电片以提高导电性，电荷灵敏度更好高。优选地，两导电片贴合于压电陶瓷元件的上表面、下表面，且与压电陶瓷元件的上表面、下表面形状尺寸相同，高度为1～2mm。
上述可植入混凝土结构的压电应力传感器的技术方案中，所述导电片优选为铂片，其焊接性能好，刚度高，导电性能良好。导电片延伸出的侧耳长度不超过2mm，通过导电片延伸出的侧耳焊接导线，使得压电陶瓷元件在其电极面上受力更平整。焊点优选位于两个导电片的内侧面。导线可以选用本领域常规导线，本实用新型优选铜导线。铜导线在锡焊时，为了保证焊接点尽可能的小和平整，使用少量的松香来提高焊接质量。
上述可植入混凝土结构的压电应力传感器的技术方案中，所述封装层主要用于防水绝缘，同时可耐热耐腐蚀，在达到该基本作用的前提下，封装层的材料可以采用本领域常规的封装材料，如环氧树脂及相关的改性环氧树脂。本实用新型中，所述封装层优选为长方体或圆柱体结构，进一步优选为圆柱体结构。封装层的材料优选为苯基芳烷基型多马来酰亚胺树脂(PAMMI)改性的环氧/酚醛树脂。
本实用新型提供的可植入混凝土结构的压电应力传感器，与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本实用新型的传感器主要由压电陶瓷原件、导电片及封装层构成，压电陶瓷元件、导电片封装于封装层中，作为外壳的封装层能够防止内部的压电陶瓷片被压裂，将导电片粘接在压电陶瓷元件的电极面，可以有效提高导电性，使传感器具有电荷灵敏度高、低频响应好、绝缘防水、耐热耐腐蚀等优点。
2、本实用新型提供的传感器在导电片的边缘设置侧耳，再将导线焊接在侧耳，通过对焊点位置的改进，同时使压电陶瓷元件端面与封装层端面平行，使传感器受力均匀的同时还能减小焊点处的电阻，提高电荷采集能力。
3、整体而言，本实用新型提供的传感器结构简单，易于制备，操作方便，性能稳定，不仅保持了压电陶瓷元件原有的压电性能，且还能有效减少环境对传感器的影响，植于混凝土结构内部相当于其中大颗粒骨料，耦合性能好，可以更加精准的监测土木结构承受的应力变化，尤其适用于大型混凝土结构的长期动态应力监测。
附图说明
图1为本实用新型的可植入混凝土结构的压电应力传感器的结构示意图；
图2为实施例中的压电应力传感器在线性加载与卸载下的电荷响应曲线。
附图标记说明：1、压电陶瓷元件；2、导电片；3、导线；4、封装层；5、侧耳。
具体实施方式
以下将通过实施例并结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所述实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本实用新型所保护的范围。
本实施例中，可植入混凝土结构的压电应力传感器如图1所示，包括压电陶瓷元件1、两片导电片2和封装层4。
压电陶瓷元件1采用成都大学电子陶瓷与传感器实验室研制的PZT-NC压电陶瓷，主要性能参数为：d33＝443pC/N，TC＝312℃，εr＝1432，tanδ＝0.024，圆薄片结构，尺寸为Φ20mm×H2mm，沿厚度极化。该PZT-NC压电陶瓷具体制备方法可以参照《Correlationbetween microstructural evolutions and electrical/mechanical behaviors in Nb/Ce co-doped Pb(Zr0.52Ti0.48)O3 ceramics at different sintering temperatures》(《Materials Research Bulletin》，94(2017)174–182，Yu Chen等，School of MechanicalEngineering，Chengdu University)。
两导电片2为铂片，具体尺寸为Φ20mm×H2 mm，边缘位置伸出一个1×1mm的方形侧耳5。两导电片2分别粘接在压电陶瓷元件1的上表面和下表面。两个侧耳5分别焊接有一根铜导线3，焊点位于两个导电片2的内侧面。
封装层4的材料为苯基芳烷基型多马来酰亚胺树脂(PAMMI)改性的环氧/酚醛树脂，尺寸为Φ40mm×H10 mm。苯基芳烷基型多马来酰亚胺树脂改性的环氧/酚醛树脂为现有材料，PAMMI：环氧树脂：酚醛树脂比例为50：34：16，其具体制备方法可以参照《新型芳烷基型多马来酰亚胺树脂的合成及在封装载板上的应用》(《第二十届中国覆铜板技术研讨会论文集》，2019年，李枝芳等，山东圣泉新材料股份有限公司)。压电陶瓷元件1和导电片封装于封装层4中，导线3牵引出封装层4。
为更好地理解本实用新型提供的可植入混凝土结构的压电应力传感器的结构特点，以下对本实施例中提供的可植入混凝土结构的压电应力传感器的制备方法进行简要介绍，以进一步展示本实用新型的优点。
可植入混凝土结构的压电应力传感器的制备方法，具体步骤如下：
将选用的压电陶瓷元件1的电极面(上表面和下表面)用酒精清洗过后干燥，使用电烙铁把铜导线3锡焊到导电片边缘伸出的侧耳5的内侧面上，并尽量保证焊点面积小。然后用导电胶将两片导电片2粘接于压电陶瓷元件1的上表面和下表面。最后把压电陶瓷元件1放入模具中，使其各面分别与模具各面平行，将铜导线3牵引出模具后注入PAMMI改性的环氧/酚醛树脂，固化后脱模即得到可植入混凝土结构的压电应力传感器。
根据下列公式，可以计算出压电应力传感器的理论(电荷)灵敏度Sq(pC/MPa)：
式中为F为作用在传感器上的力(N)，Q为压电陶瓷输出的电荷量(pC)，d33为纵向压电应变常数(pC/N)，Ac为压电陶瓷元件1受力面面积(mm2)(这里指压电陶瓷元件端面面积)，As为传感器受力面面积(mm2)(这里指封装层端面面积)。
按照上述公式，本实施例中的可植入混凝土结构的压电应力传感器的理论灵敏度为6300pC/MPa。将该传感器置入浇筑的混凝土立方模块(混凝土强度等级为C30)。通过美国MTS Landmark 500kN电液伺服疲劳试验机对已埋入PZT压电陶瓷传感器的混凝土立方块施加荷载，将从混凝土立方模块中引出的两根铜导线接入江苏东华测试公司生产的动态数据采集系统中，测量传感器的输出响应曲线，结果如图2所示。从图中可以看到：力学试验机在第8秒时对混凝土模块加载力从0kN到-50kN，传感器的输出电荷量从0线性增加到-219845pC。根据本实施例中传感器的外廓尺寸(受力面为Φ30mm的上下圆表面)测量出传感器的实际灵敏度为5909pC/MPa，达到了理论值的94％。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用新型实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本实用新型的保护范围内。
Claims (8)
1.一种可植入混凝土结构的压电应力传感器，其特征在于：包括封装层(4)，封装于封装层内的压电陶瓷元件(1)以及分别粘接于压电陶瓷元件上表面和下表面的导电片(2)；所述导电片(2)的边缘均延伸出一侧耳(5)，两个侧耳(5)分别连接有一根延伸出封装层的导线；压电陶瓷元件与封装层垂直轴线重合，且压电陶瓷元件端面与封装层端面平行。
2.根据权利要求1所述的可植入混凝土结构的压电应力传感器，其特征在于：所述压电陶瓷元件为圆柱形结构，其端面直径为10～20mm，高度为1～2mm。
3.根据权利要求1或2所述的可植入混凝土结构的压电应力传感器，其特征在于：所述压电陶瓷元件为PZT-NC压电陶瓷。
4.根据权利要求3所述的可植入混凝土结构的压电应力传感器，其特征在于：所述导电片(2)与压电陶瓷元件相应的上表面、下表面形状尺寸相同。
5.根据权利要求4所述的可植入混凝土结构的压电应力传感器，其特征在于：所述导电片高度为1～2mm。
6.根据权利要求5所述的可植入混凝土结构的压电应力传感器，其特征在于：所述导电片为铂片。
7.根据权利要求1或2所述的可植入混凝土结构的压电应力传感器，其特征在于：所述封装层呈长方体或圆柱体结构。
8.根据权利要求7所述的可植入混凝土结构的压电应力传感器，其特征在于：所述封装层的材料为苯基芳烷基型多马来酰亚胺树脂改性的环氧/酚醛树脂。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113945267A (zh) * | 2021-09-01 | 2022-01-18 | 成都凯天电子股份有限公司 | 一种提高压电元件与导电片之间接触刚度的安装方法 |
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- 2020-06-15 CN CN202021100804.6U patent/CN212059193U/zh not_active Expired - Fee Related
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