專利名稱：一種埋入式混凝土動力損傷全過程壓應力傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種埋入式混凝土動態壓應力的傳感器，尤其是可以監測混凝土內部動力損傷全過程(微小應力至混凝土壓潰階段)的動態壓應力傳感器。
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、臺風、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于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于(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后、使用壽命短的缺點；壓阻式力傳感器制作工藝復雜、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，可制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制成，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復合材料兩種方式。大連理工大學的趙曉燕博士論文《基于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(2) 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；濟南大學黃世峰在復合材料學報上發表的《1-3型水泥基壓電復合材料傳感器的性能》一文中提到的1-3型水泥基壓電復合材料傳感元件制作工藝較復雜、成本高。本發明——埋入式混凝土動力損傷全過程壓應力傳感器，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，利用標定試驗得到應力與電壓之間的關系。對于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并正常工作，因此可得出混凝土結構動力損傷全過程的應力時程，為混凝土結構地震損傷機制研究提供了一種新的方法。
發明內容
為了克服現有的混凝土壓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，本發明提供一種埋入式混凝土動力損傷全過程壓應力傳感器， 該發明有效地解決了上述問題，且制作簡單，性能穩定，易于在土木工程領域大量推廣應用。本發明的技術方案如下一種埋入式混凝土動力損傷全過程壓應力傳感器結構包括花崗巖保護殼、d33 模式壓電陶瓷片(鋯鈦酸鉛，簡稱PZT)、環氧樹脂絕緣防水層、屏蔽導線及屏蔽接頭。壓電陶瓷片位于花崗巖保護殼的內部，上面涂有環氧樹脂絕緣防水層，壓電陶瓷片的一端與屏蔽導線相連，另一端與屏蔽接頭相連，屏蔽接頭與數據采集系統相連接。上述的一種埋入式混凝土動力損傷全過程壓應力傳感器具體做法為將壓電陶瓷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花崗巖保護殼粘接為一體，放入室內風干M小時后形成具有高強度的動態壓應力傳感器；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。本發明的有益效果1.本發明的花崗巖保護殼，可以對壓電陶瓷片起到保護作用，可以對混凝土結構進行動力損傷全過程的應力監測。2.本發明的體積小、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.本發明構造簡單、性能穩定、成本低廉，適用于土木工程中的廣泛應用。
圖1是一種埋入式混凝土動力損傷全過程壓應力傳感器結構示意圖。圖2是一種埋入式混凝土動力損傷全過程壓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——環氧樹脂絕緣防水層；4——屏蔽導線；5——屏蔽接頭。
具體實施例方式以下結合技術方案和附圖詳細敘述本發明的具體實施過程。本發明的結構如圖1、圖2所示，其結構包括花崗巖保護殼1、壓電陶瓷片2、環氧樹脂絕緣防水3、屏蔽導線4及屏蔽接頭5組成。將壓電陶瓷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花崗巖保護殼粘接為一體，形成具有高強度的動態壓應力傳感器。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，減少由于界面分離造成的信號干擾。將傳感器埋入于混凝土結構中，使壓電陶瓷片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，將此電荷通過電荷放大器轉化為電壓信號，并通過相應的信號采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系數，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. 一種埋入式混凝土動力損傷全過程壓應力傳感器，其特征在于該傳感器包括花崗巖保護殼(1)、d33模式壓電陶瓷片O)、環氧樹脂絕緣防水層(3)、屏蔽導線(4)及屏蔽接頭 (5)；傳感器的外部為花崗巖保護殼(l)，d33模式壓電陶瓷片(2)位于花崗巖保護殼的(1) 的內部，上面涂有環氧樹脂絕緣防水層(3)，d33模式壓電陶瓷片(2)的一端與屏蔽導線(4) 相連，另一端與屏蔽接頭(5)相連，屏蔽接頭(5)與數據采集系統相連接。
全文摘要
本發明公開了一種埋入式混凝土動力損傷全過程壓應力傳感器，其組成包括花崗巖保護殼、壓電陶瓷片、環氧樹脂絕緣層、屏蔽導線及屏蔽接頭；將壓電陶瓷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應力傳感器。本發明優點是混凝土內部應力場免干擾、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G01L1/16GK102322986SQ20111022625
公開日2012年1月18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, 郁勝 申請人:大連理工大學