專利名稱：面陣動(dòng)態(tài)應(yīng)力傳感器及其測試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于巖土工程傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于測試面陣動(dòng)態(tài)應(yīng)力的傳
感器裝置及其方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)前我國大量興建高標(biāo)準(zhǔn)要求的高速鐵路、高速公路和機(jī)場等交通基礎(chǔ)設(shè)施，為保證設(shè)施具有良好的穩(wěn)定性和耐久性，對(duì)下部結(jié)構(gòu)都提出了很高的要求，包括瞬態(tài)動(dòng)力特性和長期穩(wěn)定性等。土質(zhì)路基作為下部結(jié)構(gòu)的重要組成部分，在承受上部結(jié)構(gòu)靜荷載的同時(shí)還要承受著上部運(yùn)動(dòng)體(列車、汽車和飛機(jī)等)高速運(yùn)行產(chǎn)生的動(dòng)荷載作用，隨著建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的逐步提高，土質(zhì)路基的動(dòng)力學(xué)研究越來越重要。路基的荷載條件和動(dòng)力響應(yīng)是合理選擇設(shè)計(jì)參數(shù)和評(píng)價(jià)路基狀況的基礎(chǔ)，路基的動(dòng)態(tài)響應(yīng)尤其是動(dòng)態(tài)應(yīng)力研究非常重要，而可靠有效的傳感器和測試方法是研究的基礎(chǔ)。在高速車輛運(yùn)行時(shí)，不僅僅涉及路基的動(dòng)態(tài)應(yīng)力，在擋墻、隧道襯砌、橋梁支座等方面都需要關(guān)注，而且更重要的是需要研究這些結(jié)構(gòu)沿整個(gè)截面的動(dòng)態(tài)應(yīng)力特性。因此，面陣動(dòng)態(tài)應(yīng)力傳感器及其測試方法在鐵路、公路和機(jī)場等方面均有重要的意義和應(yīng)用價(jià)值。 在路基等巖土介質(zhì)中測試自由場應(yīng)力，需將接觸式傳感器埋設(shè)在介質(zhì)里，由傳感器感受的電信號(hào)，來確定介質(zhì)的真實(shí)應(yīng)力。目前，路基動(dòng)態(tài)應(yīng)力測試中普遍使用的傳感器是電阻應(yīng)變式傳感器，埋設(shè)在路基的電阻應(yīng)變式傳感器引出信號(hào)線通過應(yīng)變儀進(jìn)行測試。公知的電阻應(yīng)變式傳感器是由金屬盒體、盒蓋、設(shè)有電阻應(yīng)變片的彈性膜片、連接線及承載板等組成。由于傳感器的物理和力學(xué)性質(zhì)與巖土介質(zhì)不相同，勢必產(chǎn)生"匹配誤差"問題，對(duì)其提出剛度和形狀匹配要求，即需要較大的傳感器整體等效彈性模量與路基模量之比(一般大于10為佳)和較小的傳感器高寬比(一般小于0.2為佳)。傳感器高寬比要求在設(shè)計(jì)中相對(duì)易于達(dá)到，而隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的提高，路基力學(xué)指標(biāo)要求逐步提高，當(dāng)彈性模量已經(jīng)達(dá)到或超過了傳感器的等效彈性模量，在測試過程中引起不可忽視的誤差，就不再適合在高標(biāo)準(zhǔn)條件下路基動(dòng)態(tài)應(yīng)力的測試。 中國第03212896. 7號(hào)專利公開了一種"電阻應(yīng)變壓軸式土壓力盒"，測試表明該
土壓力盒的等效彈性模量已經(jīng)小于現(xiàn)場路基模量，無法在高標(biāo)準(zhǔn)條件下的土質(zhì)路基中應(yīng)
用。另外這種傳感器屬于單點(diǎn)測試，如果想獲得整個(gè)截面的應(yīng)力，需要埋設(shè)多個(gè)電阻應(yīng)變式
傳感器，為減小傳感器之間的相互影響，對(duì)于直徑18cm、高度3cm的土壓力盒，其水平凈距
一般不宜小于2倍傳感器直徑，這就造成不能對(duì)截面應(yīng)力進(jìn)行全面而完整的測試。 中國第200710069421. X號(hào)專利公開了 一種"陣列壓電傳感器"，該傳感器采用
PVDF片作為壓電敏感層，利用壓電原理和集成電路相結(jié)合的方法測試接觸壓力。但是其電
荷放大方法、測試方法和適用領(lǐng)域與本發(fā)明所述都存在本質(zhì)的區(qū)別，它以CCD集成電路為
電荷讀出集成電路，主要適用于人機(jī)工程學(xué)、機(jī)器人觸覺及醫(yī)療等方面。 中國第200710020948. 3號(hào)專利公開了一種"激光聲表面波應(yīng)力測試系統(tǒng)"，該測
試系利用短脈沖激光器在被測樣品表面產(chǎn)生高頻率超聲表面波，用PVDF壓電膜作為超聲表面波的接收裝置，根據(jù)聲彈性原理得到應(yīng)力值，盡管該系統(tǒng)能進(jìn)行樣品表面的應(yīng)力分布的測量，但只適用于金屬材料表面的應(yīng)力測試。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是針對(duì)現(xiàn)有巖土工程測試技術(shù)的不足，提供一種等效模量大、頻響范圍寬、抗超載、結(jié)構(gòu)簡單、耐腐蝕的面陣動(dòng)態(tài)應(yīng)力壓電傳感器及其相應(yīng)的測試方法。
本發(fā)明包括面陣壓電傳感器、接線端子和采集卡。面陣壓電傳感器由若干個(gè)獨(dú)立壓電應(yīng)力傳感器粘貼在柔性附屬板上，數(shù)量和排列方式根據(jù)測試內(nèi)容和要求確定，壓電應(yīng)力傳感器的最小間距為傳感器的大小尺寸，每個(gè)壓電應(yīng)力傳感器的導(dǎo)線集中連接到接線端子。采集卡是基于面陣壓電傳感器的放大結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的終端。壓電應(yīng)力傳感器包括有金屬保護(hù)層、橡膠封裝層、壓電膜、電極轉(zhuǎn)接頭和微型電荷放大器。每個(gè)壓電應(yīng)力傳感器均設(shè)置有一個(gè)微型電荷放大器和一個(gè)電阻，電源輸入端口和信號(hào)輸出端口分別與放大器連接，傳感器的地電極與電源地電極連接，即可共用地極。采集卡接入電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。
所述的金屬保護(hù)層是厚度為0. 5 1. 0mm的不銹鋼片，尺寸與壓電膜大小相同，粘貼在橡膠封裝層上。 所述的橡膠封裝層是厚度為0. 5 1. 0mm的橡膠片，比壓電膜略大，通過上下兩層封裝層將壓電膜絕緣。所述的電極轉(zhuǎn)接頭是一圓形金屬接頭，直徑為4 6mm，用以連接導(dǎo)線和壓電膜。
所述的微型電荷放大器是一種對(duì)壓電膜的壓電電壓進(jìn)行放大的裝置，每個(gè)壓電膜均設(shè)一個(gè)電荷放大器。 所述的壓電膜包括PVDF(聚偏二氟乙烯)片，具有頻響寬、動(dòng)態(tài)范圍大、力電轉(zhuǎn)換靈敏度高，其厚度30 500iim，長方形，長為1 5cm，寬為1 2cm。在PVDF片的上下兩面通過電極轉(zhuǎn)接頭鉚接或粘貼方式連接兩根導(dǎo)線形成兩極，其中接入電源正極的極為正極，接入地極的極為地極。每個(gè)壓電膜的接線完全相同。 所述的接線端子是整個(gè)面陣壓電傳感器的接線柱，端子數(shù)與實(shí)際壓電應(yīng)力傳感器的數(shù)量相同。 所述的采集卡是A/D采集器，是一種USB總線數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品，可與帶USB接口的各種臺(tái)式計(jì)算機(jī)、筆記本機(jī)和工控機(jī)連接構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集測量系統(tǒng)。采集通道一般為16或32個(gè)通道。 本發(fā)明的面陣壓電傳感器是根據(jù)測試需要由若干個(gè)經(jīng)電荷放大的壓電應(yīng)力傳感
器組成，具有體積小、集成度高、分布密度大等特點(diǎn)。這種傳感器不僅頻響寬、動(dòng)態(tài)范圍大、
等效模量高、能對(duì)整個(gè)截面進(jìn)行全面測試，而且具有穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)性能和抗干擾能力。 所述的柔性附屬板是柔性土工布，具有柔性、耐拉等性能，厚度3 5mm，用于壓電
傳感器在測試位置的定位。 本發(fā)明的每個(gè)壓電應(yīng)力傳感器經(jīng)過微型電荷放大器放大后，經(jīng)接線端子匯總，由采集卡作為終端由各種臺(tái)式計(jì)算機(jī)、筆記本和工控機(jī)等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，明顯改善了應(yīng)力傳感器的等效模量和動(dòng)態(tài)性能穩(wěn)定性，可精確測試整個(gè)截面的路基動(dòng)態(tài)應(yīng)力分布。不僅實(shí)現(xiàn)了傳感器的小型化和集成化，而且實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜分布應(yīng)力的簡便化測試，可用于測試鐵路、公路、機(jī)場等領(lǐng)域的土質(zhì)路基動(dòng)態(tài)應(yīng)力。


以下附圖僅旨在對(duì)本發(fā)明做示意性說明和解釋，并不限定本發(fā)明的范圍。其中， 圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是圖1中壓電應(yīng)力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是圖1中接線端子的結(jié)構(gòu)示意具體實(shí)施例方式
為了使本發(fā)明的技術(shù)特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對(duì)照

本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。 如圖1所示，本發(fā)明提出的面陣動(dòng)態(tài)應(yīng)力傳感器由若干壓電應(yīng)力傳感器1排列而成，并粘貼在柔性附屬板2上，并將每個(gè)壓電應(yīng)力傳感器1的信號(hào)線3分別連接至接線端子5，壓電應(yīng)力傳感器1的地線4統(tǒng)一集中連接至接線端子5，并通過采集卡6由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。壓電應(yīng)力傳感器的行列數(shù)和行列間距可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)計(jì)。
壓電應(yīng)力傳感器1的結(jié)構(gòu)參見圖1和圖2，包括有金屬保護(hù)層9、橡膠封裝層8、壓電膜7、電極轉(zhuǎn)接頭10、微型電荷放大器11和電阻12，并由電源正極13輸入電壓，信號(hào)線3在放大器11和電阻12之間接出。 柔性附屬板2為壓電應(yīng)力傳感器的固定體，有一定的柔性，易彎曲，可取土工布等材料。 接線端子3的結(jié)構(gòu)參見圖1和圖3，包括接線柱子14和塑料底座15，將信號(hào)線3和地極4接至接線柱子14，并通向總接頭16。 采集卡6為數(shù)據(jù)采集終端，一種成熟和通用的A/D采集器。 當(dāng)壓電應(yīng)力傳感器垂直方向受壓時(shí)，壓電膜產(chǎn)生壓力并產(chǎn)生電荷，經(jīng)過微型放大器進(jìn)行電荷放大，把壓電膜受壓轉(zhuǎn)換為相對(duì)應(yīng)的電荷信號(hào)，并通過信號(hào)線和接線端子傳輸?shù)讲杉?，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行采集。根據(jù)測試需要，對(duì)壓電應(yīng)力傳感器的數(shù)量、行列數(shù)以及間距進(jìn)行設(shè)計(jì)，進(jìn)而可以獲得整個(gè)截面的面陣動(dòng)態(tài)應(yīng)力。
權(quán)利要求
一種面陣壓電傳感器。面陣壓電傳感器由若干個(gè)獨(dú)立壓電應(yīng)力傳感器粘貼在柔性附屬板上，數(shù)量和排列方式根據(jù)測試內(nèi)容和要求確定，壓電應(yīng)力傳感器的最小間距為傳感器的大小尺寸，每個(gè)壓電應(yīng)力傳感器的導(dǎo)線集中連接到接線端子。壓電應(yīng)力傳感器包括有金屬保護(hù)層、橡膠封裝層、壓電膜、電極轉(zhuǎn)接頭和微型電荷放大器。每個(gè)壓電應(yīng)力傳感器均設(shè)置有一個(gè)微型電荷放大器和一個(gè)電阻，電源輸入端口和信號(hào)輸出端口分別與放大器連接，傳感器的地電極與電源地電極連接，即可共用地極。
2. —種動(dòng)態(tài)應(yīng)力傳感器及其測試方法，包括面陣壓電傳感器、接線端子和采集卡。采 集卡是基于面陣壓電傳感器的放大結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的終端。采集卡接入電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)采 集。
全文摘要
本發(fā)明涉及到一種用于測試面陣動(dòng)態(tài)應(yīng)力的傳感器裝置及其方法。面陣壓電傳感器由若干個(gè)獨(dú)立壓電應(yīng)力傳感器粘貼在柔性附屬板上，其最小間距為傳感器的大小，每個(gè)傳感器的導(dǎo)線集中連接到接線端子。傳感器包括有金屬保護(hù)層、橡膠封裝層、壓電膜、電極轉(zhuǎn)接頭和微型電荷放大器。每個(gè)傳感器均設(shè)置有一個(gè)微型電荷放大器和一個(gè)電阻，電源輸入端口和信號(hào)輸出端口分別與放大器連接，傳感器的地電極與電源地電極連接。本發(fā)明包括面陣壓電傳感器、接線端子和采集卡，采集卡接入電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。本發(fā)明明顯改善了應(yīng)力傳感器的等效模量和動(dòng)態(tài)性能穩(wěn)定性，可精確簡便測試整個(gè)截面的路基動(dòng)態(tài)應(yīng)力分布，可用于測試鐵路、公路、機(jī)場等領(lǐng)域的土質(zhì)路基動(dòng)態(tài)應(yīng)力。
文檔編號(hào)G01L1/16GK101738274SQ20081017584
公開日2010年6月16日 申請(qǐng)日期2008年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月5日
發(fā)明者何樹第, 劉杰, 史存林, 葉陽升, 姚建平, 張千里, 朱忠林, 王立軍, 程愛君, 程遠(yuǎn)水, 蔡德鉤, 閆宏業(yè), 馬偉斌 申請(qǐng)人:北京鐵科工程檢測中心