一種基于壓電元件的液態金屬天線三向應力傳感器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于土木工程壓力測試技術領域，具體涉及一種三向應力傳感器，通過該 傳感器實現遠程無線監測一點的三向應力狀態變化。
【背景技術】
[0002] 土木工程中巖土體或混凝土體的三向應力測試是工程中的一項基礎性工作，是對 工程安全設計及評價的基礎。尤其是能夠準確測出三向應力狀態并實現實時遠程監測，對 于土木工程、水利工程、交通工程等基礎設施項目有著無可替代的作用。
[0003] 現有的壓力測試裝置大多數只能測試一個方向的壓力，只有少數的壓力測試裝置 可以測試三向應力狀態，中國專利201210097373.6、201410345195.3、201210097373.6公開 了幾種三向壓力測試裝置，各有特色。但綜合比較后發現，現有的三向壓力測試裝置存在幾 個問題：（1)現有的三向壓力測試裝置主要都是基于傳感式或振弦式土壓力盒，該類測試裝 置精度不夠高，量程不夠大，長期穩定性不夠好；（2)現有的三向壓力測試裝置都是有線傳 遞測試數據，測試深度不夠深，不能遠程測試；（3)現有的三向壓力測試裝置都只能測試某 一時刻的三向壓力，而不能實時測試待測體的壓力變化。
[0004] 中國專利文獻CN 104037495 A于2014年9月10日公開了一種用于滑坡監測的L型 液態金屬天線，它包括有彈性殼體、L型空心管、微型栗和饋電同軸線以及接地片，彈性殼體 內部裝滿液態金屬，L型空心管設置在彈性殼體頂部側邊，并連通彈性殼體內部，L型空心管 向上延伸，L型空心管頂端安裝微型栗，從L型空心管內部位于液態金屬溢流口處有饋電同 軸線引出，溢流口處的液態金屬與接地片電連接。該專利能夠進行實時的遠程監測滑坡的 狀態變化，但是，該裝置存在以下問題：
[0005] 1)、該專利只能測試一個方向壓力，不能測試三向壓力；
[0006] 2)、由于L型空心管頂端安裝微型栗，該微型栗用于對L型空心管抽空氣，以維持L 型空心管氣壓平衡，因為L型空心管內的氣壓值無法檢測并保持恒定，導致與氣壓值相關的 液態金屬流動受到微型栗控制，所以L型空心管的液態金屬長短不能真實反映彈性殼體的 受力變形，導致滑坡位移變形的監測錯誤；
[0007] 3)、L型空心管設置在彈性殼體頂部側邊，細長的L型空心管強度較低，在與彈性殼 體連接處的強度很薄弱，在實際使用中容易折斷和損壞。
【發明內容】
[0008] 針對現有技術存在的問題，本發明所要解決的技術問題就是提供一種基于壓電元 件的液態金屬天線三向應力傳感器，它能夠實時、遠程監測三向壓力，并能提高檢測的準確 性，可靠性。
[0009] 本發明所要解決的技術問題是通過這樣的技術方案實現的，它包括有盒體，盒體 為正方形六面體，其中有共頂點的三個面為受力面，三個受力面各有一個由盒體上蓋覆蓋 的凹槽，凹槽內涂有絕緣材料，在凹槽中疊放有多個串聯的圓形薄片式壓電元件，所有壓電 元件夾在兩個彈性膜片之間，最下層的壓電元件底面和最上層的壓電元件頂面分別與彈性 膜片接觸并引出輸出引線，輸出引線連接到盒體內的液態金屬天線裝置兩端，液態金屬天 線裝置與對應的受力面垂直放置，液態金屬天線裝置為一根高強玻璃管，高強玻璃管兩端 各有一個儲液器，底端的儲液器固定在與受力面相對的基座上，底端的儲存器存儲有液態 金屬，頂端的儲液器存儲有電解液，液態金屬與電解液在高強玻璃管中部接合。
[0010]將本發明埋設于巖體中或土中后，開始受到擠壓，盒體受力面受到壓力作用，凹槽 內的壓電元件產生機械變形后產生電荷，電荷大小隨壓電元件機械變形變化而改變，所受 壓力與電荷之間成線性關系:Q=KSP，其中Q是電荷量，K是壓電常數，S是力的作用面積，P是 壓力。
[0011] 電荷電壓通過輸出引線施加在液態金屬天線裝置兩端，高強玻璃管中的液態金屬 長度也隨之變化，根據"A reconfigurable liquid metal antenna driven by electrochemically controlled capillarity，>,M.Wang,C.Trlica,M.R.Khan,M.D.Dickey and J.J.Adams,Journal of Applied Physics, 117,194901 (2015)(一種電壓控制的頻率 可調液態金屬天線，M.Wang,C.Trlica,M.R.Khan,M.D.Dickey and J.J.Adams，應用物理學 雜志，117卷，194901 (2015))中記載，施加一個低正電壓使金屬流入一個毛細管道，而低負 電壓會使金屬從毛細管道里收縮回來。由此壓電元件的電荷電壓U與液態金屬長度1的關系 可以通過理論與試驗結合，多次測試后，獲得相應的關系表達式。
[0012] 依據"基于液態金屬的頻率可重構天線研究與設計"，夏林艷，重慶郵電大學碩士 學位論文，第34頁公式(3.5)，記載了液態金屬天線的頻率與液態金屬天線長度的關系：
[0013] 液態金屬天線的頻率f與液態金屬長度1成反比例關系，/ = 其中c是光 速，a是1與波長間的關系系數，εΡ是有機聚合物介電常數。
[0014] 由此，依據f-1-U-F的相互關系能夠測得待測巖體或土體的三向應力狀態。
[0015] 本發明的技術效果：它將盒體上蓋的受力變形轉化為壓電元件的電壓值，電壓值 通過液態金屬天線轉化為頻率變化信號，再經無線傳送至接收端，實現了三向壓力遠程監 測，它克服了 L型液態金屬天線的問題，保證了檢測精度。
【附圖說明】
[0016] 本發明的【附圖說明】如下：
[0017] 圖1為本發明的外形結構圖；
[0018] 圖2為發明的內部結構示意圖；
[0019] 圖3為圖2中液態金屬天線裝置的結構圖。
[0020] 圖中：1.盒體;2.盒體上蓋;3.彈性膜片;4.壓電元件;5.儲液器;6.高強玻璃管;7. 液態金屬;8.電解液;9.輸出引線。
【具體實施方式】
[0021] 下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明：
[0022] 如圖1所示，本發明包括有盒體1，盒體1為正方形六面體，其中有共頂點的三個面 為受力面，三個受力面各有一個由盒體上蓋2覆蓋的凹槽；
[0023] 如圖2所示，凹槽內涂有絕緣材料，在凹槽中疊放有多個串聯的圓形薄片式壓電元 件4;所有壓電元件4夾在兩個彈性膜片3之間，最下層的壓電元件底面和最上層的壓電元件 頂面分別與彈性膜片3接觸并引出輸出引線9,輸出引線9連接到盒體內的液態金屬天線裝 置兩端，液態金屬天線裝置與對應的受力面垂直放置，
[0024] 如圖3所示，液態金屬天線裝置為一根高強玻璃管6,高強玻璃管6兩端各有一個儲 液器5，底端的儲液器固定在與受力面相對的基座上，底端的儲存器存儲有液態金屬7，頂端 的儲液器存儲有電解液8，液態金屬7與電解液8在高強玻璃管6中部接合。電解液8用于導 電。
[0025] 盒體1內部空隙填充有絕緣的硅膠材料，填充硅膠是為了固定盒體內的高強玻璃 管，起保護作用。高強玻璃管為普通玻璃管或有機玻璃管。
[0026]盒體受力面為鋼膜，能產生微量撓度，盒體非受力面為不變形的鋼板。
【主權項】
1. 一種基于壓電元件的液態金屬天線三向應力傳感器，包括有盒體，盒體為正方形六 面體，其中有共頂點的三個面為受力面，其特征是:三個受力面各有一個由盒體上蓋覆蓋的 凹槽，凹槽內涂有絕緣材料，在凹槽中疊放有多個串聯的圓形薄片式壓電元件，所有壓電元 件夾在兩個彈性膜片之間，最下層的壓電元件底面和最上層的壓電元件頂面分別與彈性膜 片接觸并引出輸出引線，輸出引線連接到盒體內的液態金屬天線裝置兩端，液態金屬天線 裝置與對應的受力面垂直放置，液態金屬天線裝置為一根高強玻璃管，高強玻璃管兩端各 有一個儲液器，底端的儲液器固定在與受力面相對的基座上，底端的儲存器存儲有液態金 屬，頂端的儲液器存儲有電解液，液態金屬與電解液在高強玻璃管中部接合。2. 根據權利要求1所述的基于壓電元件的液態金屬天線三向應力傳感器，其特征是:盒 體內部空隙填充有絕緣的硅膠材料。
【專利摘要】本發明公開了一種基于壓電元件的液態金屬天線三向應力傳感器，包括有盒體，盒體為正方形六面體，其中有共頂點的三個面為受力面，三個受力面各有一個由盒體上蓋覆蓋的凹槽，凹槽內涂有絕緣材料，在凹槽中疊放有多個串聯的圓形薄片式壓電元件，所有壓電元件夾在兩個彈性膜片之間，最下層的壓電元件底面和最上層的壓電元件頂面分別與彈性膜片接觸并引出輸出引線，輸出引線連接到盒體內的液態金屬天線裝置兩端，液態金屬天線裝置為一根高強玻璃管，高強玻璃管兩端各有一個儲液器，底端的儲存器存儲有液態金屬，頂端的儲液器存儲有電解液，液態金屬與電解液在高強玻璃管中部接合。本發明的技術效果：實現了三向壓力遠程監測，保證了檢測精度。
【IPC分類】G01L1/16
【公開號】CN105547532
【申請號】CN201610074478
【發明人】周小平, 程浩, 肖睿胤
【申請人】重慶大學
【公開日】2016年5月4日
【申請日】2016年2月2日