專利名稱：一種埋入式混凝土結(jié)構(gòu)動力損傷全過程空間應(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態(tài)空間應(yīng)力的傳感器，尤其是可以監(jiān)測混凝土內(nèi)部動力損傷全過程(微小應(yīng)力至混凝土壓潰階段)的動態(tài)三向壓應(yīng)力、三向剪應(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、臺風、碰撞等動力災(zāi)變作用，造成結(jié)構(gòu)損傷。因此及時準確地進行結(jié)構(gòu)檢測對于結(jié)構(gòu)維修加固決策至關(guān)重要。目前，有很多結(jié)構(gòu)局部損傷檢測方法，如超聲法、聲發(fā)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(jié)構(gòu)內(nèi)部真實的應(yīng)力信息；(2)檢測時效性差，無法得出結(jié)構(gòu)損傷演化過程；(3)設(shè)備笨重、成本高。為了得到混凝土結(jié)構(gòu)動力損傷過程中的內(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態(tài)響應(yīng)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(tài)應(yīng)力的壓電型動態(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，顯著改變測點位置局部應(yīng)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(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(jié)構(gòu)健康監(jiān)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(jié)構(gòu)高壓應(yīng)力水平下容易開裂，導致內(nèi)部壓電陶瓷片損壞，不適合動力損傷過程監(jiān)測(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；濟南大學黃世峰在復合材料學報上發(fā)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(fā)明——一種埋入式混凝土結(jié)構(gòu)動力損傷全過程空間應(yīng)力傳感器，采用壓電陶瓷(d33模式及dl5模式)材料為傳感元件，使用花崗巖為封裝材料，利用壓電陶瓷的壓電效應(yīng)原理，經(jīng)過電荷放大器將產(chǎn)生的電荷信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，利用標定試驗分別得到d33 及dl5模式壓電陶瓷片的應(yīng)力與電壓之間的關(guān)系。對于普通混凝土及高強混凝土結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)動力損傷全過程的空間應(yīng)力時程，為混凝土地震損傷機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)定性等問題，本發(fā)明提供一種埋入式混凝土結(jié)構(gòu)動力損傷全過程空間應(yīng)力傳感器，該發(fā)明有效地解決了上述問題，并且制作簡單，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結(jié)構(gòu)動力損傷全過程空間應(yīng)力傳感器結(jié)構(gòu)包括花崗巖基底、 花崗巖保護殼、d33模式壓電陶瓷片、dl5模式壓電陶瓷片、環(huán)氧樹脂絕緣防水層、六芯屏蔽導線、屏蔽接頭及環(huán)氧砂漿。壓電陶瓷片位于花崗巖基底與花崗巖保護殼之間，且三個d33 模式壓電陶瓷片放置于花崗巖石基的相鄰位置，另外三個dl5模式壓電陶瓷片放置在其余的三個面上，并在其表面涂有環(huán)氧樹脂絕緣防水層，壓電陶瓷片的正極與屏蔽導線內(nèi)芯相連，負極與屏蔽導線的屏蔽線相連，屏蔽導線的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結(jié)構(gòu)動力損傷全過程空間應(yīng)力傳感器具體做法為將一片d33模式壓電陶瓷片正極與屏蔽導線的內(nèi)芯相連，負極與屏蔽導線的屏蔽線相連，用高強環(huán)氧樹脂包裹壓電陶瓷片，形成絕緣、防水的保護層；利用環(huán)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(nèi)風干M小時；將另外兩片d33模式壓電陶瓷片與第一片相鄰放置，另外三片dl5模式壓電陶瓷片放在花崗巖基底其余三個面上，重復以上做法至全部壓電陶瓷片就位、成形；用環(huán)氧砂漿將花崗巖保護殼之間的連接處封裝密實，室內(nèi)風干M小時；將花崗巖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，形成具有高強度的動力損傷全過程空間應(yīng)力傳感器。本發(fā)明的有益效果1.本發(fā)明可以同時監(jiān)測混凝土結(jié)構(gòu)局部空間應(yīng)力。2.本發(fā)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(jié)構(gòu)進行動力損傷全過程的應(yīng)力監(jiān)測。3.本發(fā)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(jié)構(gòu)中可以替代混凝土中的一顆粗骨料，不改變測量位置處應(yīng)力分布。4.本發(fā)明構(gòu)造簡單、性能穩(wěn)定、成本低廉，適于土木工程中的廣泛應(yīng)用。


圖1是一種埋入式混凝土結(jié)構(gòu)動力損傷全過程空間應(yīng)力傳感器平面圖。圖2是一種埋入式混凝土結(jié)構(gòu)動力損傷全過程空間應(yīng)力傳感器剖面圖。圖中1花崗巖基底；2花崗巖保護殼；3d33模式壓電陶瓷片；4dl5模式壓電陶瓷片；5環(huán)氧樹脂絕緣防水層；6屏蔽導線；7屏蔽接頭；8環(huán)氧砂漿。
具體實施例方式以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細敘述本發(fā)明的具體實施過程。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示，其結(jié)構(gòu)包括花崗巖基底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、環(huán)氧樹脂絕緣防水層5、六芯屏蔽導線6、屏蔽接頭 7及環(huán)氧砂漿8。將傳感器埋入于混凝土結(jié)構(gòu)中，使壓電陶瓷所在平面與被測結(jié)構(gòu)主壓應(yīng)力方向垂直，當結(jié)構(gòu)受到外部動力荷載作用時，根據(jù)正壓電效應(yīng)，壓電陶瓷上下表面會產(chǎn)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(jié)構(gòu)主剪應(yīng)力方向平行，當結(jié)構(gòu)受到外部動力荷載作用時，根據(jù)壓電效應(yīng)，壓電陶瓷的極化方向所垂直的前后表面產(chǎn)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(zhuǎn)化為電壓信號，并通過相應(yīng)的信號采集系統(tǒng)將電壓信號存入計算機中，利用動態(tài)加載實驗標定的傳感器電壓與受力截面應(yīng)力之間的靈敏度系數(shù)，可得到混凝土結(jié)構(gòu)局部三向壓應(yīng)力及三向剪應(yīng)力的空間應(yīng)力信息，即可實現(xiàn)對混凝土結(jié)構(gòu)進行動力損傷全過程的空間應(yīng)力監(jiān)測。
權(quán)利要求
1. 一種埋入式混凝土結(jié)構(gòu)動力損傷全過程空間應(yīng)力傳感器，其特征在于該傳感器包括花崗巖基底(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、環(huán)氧樹脂絕緣防水層(5)、六芯屏蔽導線(6)、屏蔽接頭(7)及環(huán)氧砂漿(8)；壓電陶瓷片位于花崗巖基底(1)與花崗巖保護殼( 之間，且三個d33模式壓電陶瓷片C3)放在花崗巖基底(1)的相鄰位置，另外三個dl5模式壓電陶瓷片(4)放置在其余三個面上，并在其表面涂有環(huán)氧樹脂絕緣防水層(5)，壓電陶瓷片的正極與屏蔽導線內(nèi)芯相連，負極與屏蔽導線的屏蔽線相連，六芯屏蔽導線(6)的另一端與屏蔽接頭(7)相連，屏蔽接頭與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連接，用環(huán)氧砂漿( 將花崗巖保護殼之間的缺口封裝密實，室內(nèi)風干M小時后，將花崗巖表面進行粗糙化處理。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種埋入式混凝土結(jié)構(gòu)動力損傷全過程空間應(yīng)力傳感器，其組成包括花崗巖基底、花崗巖保護殼、d33模式壓電陶瓷片、d15模式壓電陶瓷片、環(huán)氧樹脂絕緣層、六芯屏蔽導線、屏蔽接頭及環(huán)氧砂漿。壓電陶瓷片位于花崗巖基底與花崗巖保護殼之間，且三個d33模式壓電陶瓷片放在花崗巖石基的相鄰位置，另外三個d15模式壓電陶瓷片放置在其余三個面上，并在其表面涂有環(huán)氧樹脂絕緣防水層，壓電陶瓷片的正極與屏蔽導線內(nèi)芯相連，負極與屏蔽導線的屏蔽線相連，屏蔽導線的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。本發(fā)明優(yōu)點是空間應(yīng)力監(jiān)測、混凝土內(nèi)部應(yīng)力場免干擾、混凝土內(nèi)部動力損傷演化全過程監(jiān)測、界面相容性良好、構(gòu)造簡單、造價低廉。
文檔編號G01L1/16GK102410893SQ201110226050
公開日2012年4月11日 申請日期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, 歐進萍 申請人:大連理工大學