專(zhuān)利名稱(chēng)：一種埋入式混凝土動(dòng)力損傷全過(guò)程壓應(yīng)力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種埋入式混凝土動(dòng)態(tài)壓應(yīng)力的傳感器，尤其是可以監(jiān)測(cè)混凝土內(nèi)部動(dòng)力損傷全過(guò)程(微小應(yīng)力至混凝土壓潰階段)的動(dòng)態(tài)壓應(yīng)力傳感器。
背景技術(shù)：
混凝土結(jié)構(gòu)是量大面廣的土木工程結(jié)構(gòu)，在役期間可能遭受地震、臺(tái)風(fēng)、碰撞等動(dòng)力災(zāi)變作用，造成結(jié)構(gòu)損傷。因此及時(shí)準(zhǔn)確地進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢測(cè)對(duì)于結(jié)構(gòu)維修加固決策至關(guān)重要。目前，有很多結(jié)構(gòu)局部損傷檢測(cè)方法，如超聲法、聲發(fā)射、紅外熱像法、回彈法、同位素探測(cè)法等，這些檢測(cè)方法的不足之處在于(1)只能定性檢測(cè)，無(wú)法給出結(jié)構(gòu)內(nèi)部真實(shí)的應(yīng)力信息；(2)檢測(cè)時(shí)效性差，無(wú)法得出結(jié)構(gòu)損傷演化過(guò)程；(3)設(shè)備笨重、成本高。為了得到混凝土結(jié)構(gòu)動(dòng)力損傷過(guò)程中的內(nèi)部的應(yīng)力信息，最直接有效的方法就是在結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位如梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域埋入應(yīng)力傳感器。一般情況下，電阻應(yīng)變式力傳感器存在動(dòng)態(tài)響應(yīng)滯后、使用壽命短的缺點(diǎn)；壓阻式力傳感器制作工藝復(fù)雜、成本高；電容式力傳感器輸出特性的非線性較嚴(yán)重、測(cè)量精度低；測(cè)量動(dòng)態(tài)應(yīng)力的壓電型動(dòng)態(tài)壓應(yīng)力傳感器技術(shù)已很成熟，可制成體積較小的傳感器埋入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，但此種傳感器外殼由金屬制成，顯著改變測(cè)點(diǎn)位置局部應(yīng)力場(chǎng)而影響測(cè)量精度，且傳感器與混凝土之間相容性差，在混凝土進(jìn)入非線性階段界面處容易分離失效，另外這類(lèi)傳感器通常使用石英材料作為敏感元件，價(jià)格昂貴，不易在土木工程結(jié)構(gòu)中大量推廣。目前，埋入式混凝土損傷診斷傳感元件主要有水泥基壓電陶瓷傳感元件和水泥基壓電復(fù)合材料兩種方式。大連理工大學(xué)的趙曉燕博士論文《基于壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)及損傷診斷》中所提到的水泥基壓電陶瓷傳感元件，其不足之處是(1)所用水泥砂漿在混凝土結(jié)構(gòu)高壓應(yīng)力水平下容易開(kāi)裂，導(dǎo)致內(nèi)部壓電陶瓷片損壞，不適合動(dòng)力損傷過(guò)程監(jiān)測(cè)(2) 壓電片的位置不能得到保證，應(yīng)力傳遞路徑不確定；C3)不容易振搗密實(shí)；濟(jì)南大學(xué)黃世峰在復(fù)合材料學(xué)報(bào)上發(fā)表的《1-3型水泥基壓電復(fù)合材料傳感器的性能》一文中提到的1-3型水泥基壓電復(fù)合材料傳感元件制作工藝較復(fù)雜、成本高。本發(fā)明——埋入式混凝土動(dòng)力損傷全過(guò)程壓應(yīng)力傳感器，采用壓電陶瓷材料為傳感元件(d33模式)，采用花崗巖為封裝材料，利用壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)原理，經(jīng)過(guò)電荷放大器將電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，利用標(biāo)定試驗(yàn)得到應(yīng)力與電壓之間的關(guān)系。對(duì)于普通混凝土及高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的動(dòng)力損傷全過(guò)程，該埋入式傳感器將保持完好并正常工作，因此可得出混凝土結(jié)構(gòu)動(dòng)力損傷全過(guò)程的應(yīng)力時(shí)程，為混凝土結(jié)構(gòu)地震損傷機(jī)制研究提供了一種新的方法。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的混凝土壓應(yīng)力傳感器在界面相容性、應(yīng)力傳遞路徑可靠性、高應(yīng)力水平性能穩(wěn)定性等問(wèn)題，本發(fā)明提供一種埋入式混凝土動(dòng)力損傷全過(guò)程壓應(yīng)力傳感器， 該發(fā)明有效地解決了上述問(wèn)題，且制作簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，易于在土木工程領(lǐng)域大量推廣應(yīng)用。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種埋入式混凝土動(dòng)力損傷全過(guò)程壓應(yīng)力傳感器結(jié)構(gòu)包括花崗巖保護(hù)殼、d33 模式壓電陶瓷片(鋯鈦酸鉛，簡(jiǎn)稱(chēng)PZT)、環(huán)氧樹(shù)脂絕緣防水層、屏蔽導(dǎo)線及屏蔽接頭。壓電陶瓷片位于花崗巖保護(hù)殼的內(nèi)部，上面涂有環(huán)氧樹(shù)脂絕緣防水層，壓電陶瓷片的一端與屏蔽導(dǎo)線相連，另一端與屏蔽接頭相連，屏蔽接頭與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連接。上述的一種埋入式混凝土動(dòng)力損傷全過(guò)程壓應(yīng)力傳感器具體做法為將壓電陶瓷片與屏蔽導(dǎo)線焊接為一體；用高強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂包裹壓電陶瓷片，形成絕緣、防水的保護(hù)層；利用環(huán)氧樹(shù)脂將壓電陶瓷片與外部花崗巖保護(hù)殼粘接為一體，放入室內(nèi)風(fēng)干M小時(shí)后形成具有高強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)壓應(yīng)力傳感器；傳感器表面進(jìn)行粗糙化處理，以確保傳感器與混凝土界面的相容性。本發(fā)明的有益效果1.本發(fā)明的花崗巖保護(hù)殼，可以對(duì)壓電陶瓷片起到保護(hù)作用，可以對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力損傷全過(guò)程的應(yīng)力監(jiān)測(cè)。2.本發(fā)明的體積小、強(qiáng)度高，花崗巖保護(hù)殼與外部混凝土相容性好，將其埋入混凝土結(jié)構(gòu)中可以替代混凝土中的一顆粗骨料，不改變測(cè)量位置處應(yīng)力分布。3.本發(fā)明構(gòu)造簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、成本低廉，適用于土木工程中的廣泛應(yīng)用。


圖1是一種埋入式混凝土動(dòng)力損傷全過(guò)程壓應(yīng)力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是一種埋入式混凝土動(dòng)力損傷全過(guò)程壓應(yīng)力傳感器橫截面圖。圖中1—花崗巖保護(hù)殼；2——d33模式壓電陶瓷片；3——環(huán)氧樹(shù)脂絕緣防水層；4——屏蔽導(dǎo)線；5——屏蔽接頭。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施過(guò)程。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示，其結(jié)構(gòu)包括花崗巖保護(hù)殼1、壓電陶瓷片2、環(huán)氧樹(shù)脂絕緣防水3、屏蔽導(dǎo)線4及屏蔽接頭5組成。將壓電陶瓷片與屏蔽導(dǎo)線焊接為一體，用高強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂包裹壓電陶瓷片，形成絕緣、防水的保護(hù)層；利用環(huán)氧樹(shù)脂將壓電陶瓷片與外部花崗巖保護(hù)殼粘接為一體，形成具有高強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)壓應(yīng)力傳感器。當(dāng)傳感器埋入到混凝土結(jié)構(gòu)中時(shí)，外部花崗巖保護(hù)殼可以保證傳感器在結(jié)構(gòu)動(dòng)力損傷全過(guò)程中正常工作；另外花崗巖保護(hù)殼須進(jìn)行粗糙化處理，這樣花崗巖保護(hù)殼可與混凝土界面保證良好的相容性，減少由于界面分離造成的信號(hào)干擾。將傳感器埋入于混凝土結(jié)構(gòu)中，使壓電陶瓷片所在平面與被測(cè)結(jié)構(gòu)主壓應(yīng)力方向垂直，當(dāng)結(jié)構(gòu)受到外部動(dòng)力荷載作用時(shí)，根據(jù)正壓電效應(yīng)，壓電陶瓷上下表面會(huì)產(chǎn)生等量且電性相反的電荷，電荷量與外力成正比，將此電荷通過(guò)電荷放大器轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，并通過(guò)相應(yīng)的信號(hào)采集系統(tǒng)將電壓信號(hào)存入計(jì)算機(jī)中，利用動(dòng)態(tài)加載實(shí)驗(yàn)標(biāo)定的傳感器電壓與受力截面應(yīng)力之間的靈敏度系數(shù)，從而可實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力損傷全過(guò)程的監(jiān)測(cè)。
權(quán)利要求
1. 一種埋入式混凝土動(dòng)力損傷全過(guò)程壓應(yīng)力傳感器，其特征在于該傳感器包括花崗巖保護(hù)殼(1)、d33模式壓電陶瓷片O)、環(huán)氧樹(shù)脂絕緣防水層(3)、屏蔽導(dǎo)線(4)及屏蔽接頭 (5)；傳感器的外部為花崗巖保護(hù)殼(l)，d33模式壓電陶瓷片(2)位于花崗巖保護(hù)殼的(1) 的內(nèi)部，上面涂有環(huán)氧樹(shù)脂絕緣防水層(3)，d33模式壓電陶瓷片(2)的一端與屏蔽導(dǎo)線(4) 相連，另一端與屏蔽接頭(5)相連，屏蔽接頭(5)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連接。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種埋入式混凝土動(dòng)力損傷全過(guò)程壓應(yīng)力傳感器，其組成包括花崗巖保護(hù)殼、壓電陶瓷片、環(huán)氧樹(shù)脂絕緣層、屏蔽導(dǎo)線及屏蔽接頭；將壓電陶瓷片與屏蔽導(dǎo)線焊接為一體，用高強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂包裹壓電陶瓷片，形成絕緣、防水的保護(hù)層；利用環(huán)氧樹(shù)脂將壓電陶瓷片與外部表面進(jìn)行粗糙化處理的花崗巖保護(hù)殼粘接為一體，形成混凝土內(nèi)部動(dòng)態(tài)壓應(yīng)力傳感器。本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)是混凝土內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)免干擾、混凝土內(nèi)部動(dòng)力損傷演化全過(guò)程監(jiān)測(cè)、界面相容性良好、構(gòu)造簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉。
文檔編號(hào)G01L1/16GK102322986SQ20111022625
公開(kāi)日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月8日
發(fā)明者侯爽, 張海濱, 歐進(jìn)萍, 郁勝 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)