一種埋入式混凝土杆件動力損傷三向應力傳感器的製作方法

2023-05-25 19:35:51

專利名稱：一種埋入式混凝土杆件動力損傷三向應力傳感器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種埋入式混凝土杆件三向應力的傳感器，尤其可以監測混凝土杆件內部動力損傷全過程(微小應力至混凝土壓潰階段)的動態壓、剪、剪三向應力。
背景技術：
混凝土結構是量大面廣的土木工程結構，在役期間可能遭受地震、颱風、碰撞等動力災變作用，造成結構損傷。因此及時準確地進行結構檢測對於結構維修加固決策至關重要。目前，有很多結構局部損傷檢測方法，如超聲法、聲發射、紅外熱像法、回彈法、同位素探測法等，這些檢測方法的不足之處在於(1)只能定性檢測，無法給出結構內部真實的應力信息；(2)檢測時效性差，無法得出結構損傷演化過程；(3)設備笨重、成本高。為了得到混凝土結構動力損傷過程中的內部的應力信息，最直接有效的方法就是在結構的關鍵部位如梁柱節點區域埋入應力傳感器。一般情況下，電阻應變式力傳感器存在動態響應滯後、使用壽命短的缺點；壓阻式力傳感器製作工藝複雜、成本高；電容式力傳感器輸出特性的非線性較嚴重、測量精度低；測量動態應力的壓電型動態壓應力傳感器技術已很成熟，可製成體積較小的傳感器埋入結構內部，但此種傳感器外殼由金屬製成，顯著改變測點位置局部應力場而影響測量精度，且傳感器與混凝土之間相容性差，在混凝土進入非線性階段界面處容易分離失效，另外這類傳感器通常使用石英材料作為敏感元件，價格昂貴，不易在土木工程結構中大量推廣。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複合材料兩種方式。大連理工大學的趙曉燕博士論文《基於壓電陶瓷的結構健康監測及損傷診斷》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構高壓應力水平下容易開裂，導致內部壓電陶瓷片損壞，不適合動力損傷過程監測( 壓電片的位置不能得到保證，應力傳遞路徑不確定；C3)不容易振搗密實；濟南大學黃世峰在複合材料學報上發表的《1-3型水泥基壓電複合材料傳感器的性能》一文中提到的 1-3型水泥基壓電複合材料傳感元件製作工藝較複雜、成本高。本實用新型——一種埋入式混凝土杆件動力損傷過程三向應力傳感器，採用壓電陶瓷材料為傳感元件(d33模式和dl5模式)，採用花崗巖為封裝材料，利用壓電陶瓷的壓電效應原理，經過電荷放大器將電荷信號轉換為電壓信號，利用標定試驗分別得到d33模式和dl5模式壓電陶瓷的壓應力及剪應力與電壓之間的關係。對於普通混凝土及高強混凝土結構的動力損傷全過程，該埋入式傳感器將保持完好並正常工作，因此可得出混凝土杆件結構動力損傷全過程的三向應力時程，為混凝土結構地震損傷機制研究提供了一種新的方法。

實用新型內容為了克服現有的混凝土應力傳感器在界面相容性、應力傳遞路徑可靠性、高應力水平性能穩定性等問題，本實用新型提供一種埋入式混凝土杆件動力損傷三向應力傳感器，該實用新型有效地解決了上述問題，且製作簡單，性能穩定，易於在土木工程領域大量推廣應用。本實用新型的技術方案如下一種埋入式混凝土動力損傷全過程壓、剪應力傳感器結構包括花崗巖保護殼、 d33及dl5模式壓電陶瓷片(鋯鈦酸鉛，簡稱PZT)、導電片、環氧樹脂絕緣防水層、三芯屏蔽導線及屏蔽接頭。壓電陶瓷片位於花崗巖保護殼的內部，上面塗有環氧樹脂絕緣防水層， 壓電陶瓷片的一端通過導電片與屏蔽導線相連，另一端與屏蔽接頭相連，屏蔽接頭與數據採集系統相連接。上述的一種埋入式混凝土杆件動力損傷三向應力傳感器具體做法為將dl5模式的壓電陶瓷片上下兩面分別利用導電膠與導電片相連，並將壓電陶瓷片的正極與屏蔽導線內芯焊接為一體，將壓電陶瓷片的負極與屏蔽導線的屏蔽層連接；用高強環氧樹脂包裹壓電陶瓷片，形成絕緣、防水的保護層，同時與底部的石基粘接為一體，風乾M小時後再粘接上一層dl5模式的壓電陶瓷片，直至三個陶瓷片都粘接為一體；利用環氧樹脂將d33模式壓電陶瓷片與上部花崗巖保護殼粘接為一體，放入室內風乾M小時後形成具有高強度的動態三向應力傳感器；傳感器表面進行粗糙化處理，以確保傳感器與混凝土界面的相容性。本實用新型的有益效果1.本實用新型的花崗巖保護殼，可以對壓電陶瓷片起到保護作用，可以對混凝土結構單軸動力損傷全過程的壓、剪應力同時進行監測。2.本實用新型的體積小、強度高，花崗巖保護殼與外部混凝土相容性好，將其埋入混凝土結構中可以替代混凝土中的一顆粗骨料，不改變測量位置處應力分布。3.本實用新型構造簡單、性能穩定、成本低廉，適用於土木工程中的廣泛應用。

圖1是一種埋入式混凝土杆件動力損傷三向應力傳感器結構示意圖。圖2是一種埋入式混凝土杆件動力損傷三向應力傳感器橫截面圖。圖中1—花崗巖保護殼；2——d33模式壓電陶瓷片；3——dl5模式壓電陶瓷片；4——導電片；5環氧樹脂絕緣防水層；6——三芯屏蔽導線；7——屏蔽接頭。
具體實施方式
以下結合技術方案和附圖詳細敘述本實用新型的具體實施過程。本實用新型的結構如圖1、圖2所示，其結構包括花崗巖保護殼l、d33模式壓電陶瓷片2、dl5模式壓電陶瓷片3、導電片4、環氧樹脂絕緣防水層5、三芯屏蔽導線6及屏蔽接頭7組成。當傳感器埋入到混凝土結構中時，外部花崗巖保護殼可以保證傳感器在結構動力損傷全過程中正常工作；另外花崗巖保護殼須進行粗糙化處理，這樣花崗巖保護殼可與混凝土界面保證良好的相容性，減少由於界面分離造成的信號幹擾。將傳感器埋入於混凝土結構中，使壓電陶瓷所在平面與被測結構主壓應力方向垂直，當結構受到外部動力荷載作用時，根據正壓電效應，壓電陶瓷上下表面會產生等量且電性相反的電荷，電荷量與外力成正比；若使壓電陶瓷所在平面與被測結構主剪應力方向平行，當結構受到外部動力荷載作用時，根據壓電效應，壓電陶瓷的極化方向所垂直的前後表面後產生等量且電性相反的電荷，電荷量與外力成正比，將上述電荷通過電荷放大器轉化為電壓信號，並通過相應的信號採集系統將電壓信號存入計算機中，利用動態加載實驗標定的傳感器電壓與受力截面應力之間的靈敏度係數，從而可實現對混凝土結構進行動力損傷全過程的監測。
權利要求1. 一種埋入式混凝土杆件動力損傷三向應力傳感器，其特徵在於該傳感器包括花崗巖保護殼(l)、d33模式壓電陶瓷片0)、dl5模式壓電陶瓷片(3)、導電片G)、環氧樹脂絕緣防水層(5)、三芯屏蔽導線(6)及屏蔽接頭(7)；傳感器的外部為花崗巖保護殼(l)，d33模式壓電陶瓷片(2)及dl5模式壓電陶瓷片(3)位於花崗巖保護殼的內部，利用導電片(4) 分別與d33模式壓電陶瓷片(2)和dl5模式壓電陶瓷片(3)與三芯屏蔽導線(6)相連，並在上面塗有環氧樹脂絕緣防水層(5)，三芯屏蔽導線(6)另一端與屏蔽接頭(7)相連，屏蔽接頭(7)與數據採集系統相連接。
專利摘要本實用新型公開了一種埋入式混凝土杆件動力損傷三向應力傳感器，其組成包括花崗巖保護殼、d33模式壓電陶瓷片、d15模式壓電陶瓷片、導電片、環氧樹脂絕緣層、三芯屏蔽導線及屏蔽接頭；將壓電陶瓷片通過導電片與屏蔽導線焊接為一體，用高強環氧樹脂包裹壓電陶瓷片，形成絕緣、防水的保護層；利用環氧樹脂將壓電陶瓷片與外部表面進行粗糙化處理的花崗巖保護殼粘接為一體，形成混凝土內部動態壓、剪、剪三向應力傳感器。本實用新型優點是混凝土內部應力場免幹擾、混凝土內部動力損傷演化全過程監測、界面相容性良好、構造簡單、造價低廉。
文檔編號G01L1/16GK202166495SQ201120286138
公開日2012年3月14日 申請日期2011年8月8日 優先權日2011年8月8日
發明者侯爽, 張海濱, 歐進萍 申請人:大連理工大學