基于壓電元件的可重構(gòu)液態(tài)金屬天線單向應(yīng)力傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于土木工程壓力測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種單向應(yīng)力傳感器，通過該 傳感器能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線監(jiān)測(cè)力的變化。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)代城市建設(shè)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步對(duì)越來越多的巖土工程提出了更高水平的要 求，這就需要對(duì)巖土工程中的土壓力測(cè)試裝置進(jìn)行改進(jìn)。測(cè)試土壓力一直是巖土工程的一 項(xiàng)重要課題，現(xiàn)在普遍采用的測(cè)試裝置一般為振弦式壓力盒及電阻應(yīng)變式壓力盒，然而這 些測(cè)試裝置都不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線監(jiān)控，并且測(cè)量精度不高。而土壓力的監(jiān)控對(duì)于基坑、大 壩、路基、隧道等都有著重大的意義。
[0003] 在實(shí)際應(yīng)用中，還沒有遠(yuǎn)程無線監(jiān)測(cè)的壓力測(cè)試傳感器。中國(guó)專利文獻(xiàn) CN104037495A于2014年9月10日公開了一種用于滑坡監(jiān)測(cè)的L型液態(tài)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(nèi)部裝滿液態(tài)金屬，L型空 心管設(shè)置在彈性殼體頂部側(cè)邊，并連通彈性殼體內(nèi)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(nèi)部位于液態(tài)金屬溢流口處有饋電同軸線引出，溢流口處的液態(tài) 金屬與接地片電連接。該專利能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)滑坡的狀態(tài)變化，但是，該裝置存在 以下問題：
[0004] 1、由于L型空心管頂端安裝微型栗，該微型栗用于對(duì)L型空心管抽空氣，以維持L型 空心管氣壓平衡，因?yàn)長(zhǎng)型空心管內(nèi)的氣壓值無法檢測(cè)并保持恒定，導(dǎo)致與氣壓值相關(guān)的液 態(tài)金屬流動(dòng)受到微型栗控制，所以L型空心管的液態(tài)金屬長(zhǎng)短不能真實(shí)反映彈性殼體的受 力變形，導(dǎo)致滑坡位移變形的監(jiān)測(cè)錯(cuò)誤；
[0005] 2、L型空心管設(shè)置在彈性殼體頂部側(cè)邊，細(xì)長(zhǎng)的L型空心管強(qiáng)度較低，在與彈性殼 體連接處的強(qiáng)度很薄弱，在實(shí)際使用中容易折斷和損壞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題就是提供一種基于壓電元 件的可重構(gòu)液態(tài)金屬天線單向應(yīng)力傳感器，它能夠?qū)崟r(shí)、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)壓力變化，并能提高檢測(cè) 的準(zhǔn)確性，可靠性。
[0007] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是通過這樣的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，包括有盒體，盒體為 圓柱體，盒體受力面有一個(gè)由盒體上蓋覆蓋的凹槽，凹槽內(nèi)涂有絕緣材料，在凹槽中疊放有 多個(gè)串聯(lián)的圓形薄片式壓電元件;所有壓電元件夾在兩個(gè)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(nèi)的液態(tài)金屬天線裝置兩端，液態(tài)金屬天線裝置與受力面平行放置，液態(tài)金屬天線裝置 為一根高強(qiáng)玻璃管，高強(qiáng)玻璃管兩端各有一個(gè)儲(chǔ)液器，左端的儲(chǔ)液器固定在盒體側(cè)面的基 座上，該儲(chǔ)存器存儲(chǔ)有液態(tài)金屬，右端的儲(chǔ)液器存儲(chǔ)有電解液，電解液與液態(tài)金屬在高強(qiáng)玻 璃管中部接合。
[0008] 將本發(fā)明埋設(shè)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，盒體 上蓋將所受壓力傳遞至凹槽內(nèi)的壓電元件，壓電元件產(chǎn)生機(jī)械變形后產(chǎn)生電荷，電荷大小 隨壓電元件機(jī)械變形變化而改變，所受壓力與電荷之間成線性關(guān)系:Q=KSP，其中Q是電荷 量，K是壓電常數(shù)，S是力的作用面積，P是壓力。
[0009] 電荷電壓通過輸出引線施加在液態(tài)金屬天線裝置兩端，高強(qiáng)玻璃管中的液態(tài)金屬 長(zhǎng)度也隨之變化，根據(jù)"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(diào)液態(tài)金屬天線，M.Wang,C.Trlica,M.R.Khan,M.D.Dickey and J.J.Adams，應(yīng)用物理學(xué) 雜志，117卷，194901(2015)記載:施加一個(gè)低正電壓使金屬流入一個(gè)毛細(xì)管道，而低負(fù)電壓 會(huì)使金屬從毛細(xì)管道里收縮回來。由此壓電元件的電荷電壓U與液態(tài)金屬長(zhǎng)度1的關(guān)系可以 通過理論與試驗(yàn)結(jié)合，多次測(cè)試后，獲得相應(yīng)的關(guān)系表達(dá)式。
[0010] 依據(jù)"基于液態(tài)金屬的頻率可重構(gòu)天線研究與設(shè)計(jì)"，夏林艷，重慶郵電大學(xué)碩士 學(xué)位論文，第34頁公式(3.5)，記載了液態(tài)金屬天線的頻率與液態(tài)金屬天線長(zhǎng)度的關(guān)系：
[0011] 液態(tài)金屬天線的頻率f與液態(tài)金屬長(zhǎng)度1成反比例關(guān)系，/ = 其中c是光 速，a是1與波長(zhǎng)間的關(guān)系系數(shù)，εΡ是有機(jī)聚合物介電常數(shù)。
[0012]由此，依據(jù)f-1-U-F的相互關(guān)系能夠測(cè)得待測(cè)巖體或土體的三向應(yīng)力狀態(tài)。
[0013] 本發(fā)明的技術(shù)效果:盒體上蓋的受力變形轉(zhuǎn)化為壓電元件的電壓值，電壓值通過 液態(tài)金屬天線長(zhǎng)度轉(zhuǎn)化為信號(hào)頻率變化，再經(jīng)無線傳送至接收端，實(shí)現(xiàn)了壓力遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，它 克服了現(xiàn)有的L型液態(tài)金屬天線存在的問題，保證了檢測(cè)精度。
【附圖說明】
[0014] 本發(fā)明的【附圖說明】如下：
[0015] 圖1為本發(fā)明的外形結(jié)構(gòu)圖；
[0016] 圖2為發(fā)明的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017] 圖3為圖2中液態(tài)金屬天線裝置的結(jié)構(gòu)圖。
[0018] 圖中：1.盒體;2.盒體上蓋;3.彈性膜片;4.壓電元件;5.儲(chǔ)液器;6.高強(qiáng)玻璃管;7. 液態(tài)金屬;8.電解液;9.輸出引線。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明：
[0020] 如圖1所示，本發(fā)明包括有盒體1，盒體1為圓柱體，盒體受力面有一個(gè)由盒體上蓋2 覆蓋的凹槽；
[0021] 如圖2所示，凹槽內(nèi)涂有絕緣材料，在凹槽中疊放有多個(gè)串聯(lián)的圓形薄片式壓電元 件4;所有壓電元件4夾在兩個(gè)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(nèi)的液態(tài)金屬天線裝 置兩端，液態(tài)金屬天線裝置與受力面平行放置；
[0022] 如圖3所示，液態(tài)金屬天線裝置為一根高強(qiáng)玻璃管6,高強(qiáng)玻璃管6兩端各有一個(gè)儲(chǔ) 液器5，左端的儲(chǔ)液器固定在盒體側(cè)面的基座上，該儲(chǔ)存器存儲(chǔ)有液態(tài)金屬7，右端的儲(chǔ)液器 存儲(chǔ)有電解液8，電解液8與液態(tài)金屬7在高強(qiáng)玻璃管6中部接合。電解液8用于導(dǎo)電。
[0023]為了固定盒體內(nèi)的高強(qiáng)玻璃管，對(duì)高強(qiáng)玻璃管起保護(hù)作用。盒體1內(nèi)部空隙填充有 絕緣的硅膠材料。高強(qiáng)玻璃管為普通玻璃管或有機(jī)玻璃管。
[0024]盒體受力面為鋼膜，能產(chǎn)生微量撓度，盒體非受力面為不變形的鋼板。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 基于壓電元件的可重構(gòu)液態(tài)金屬天線單向應(yīng)力傳感器，包括有盒體，盒體為圓柱體， 其特征是:盒體受力面有一個(gè)由盒體上蓋覆蓋的凹槽，凹槽內(nèi)涂有絕緣材料，在凹槽中疊放 有多個(gè)串聯(lián)的圓形薄片式壓電元件;所有壓電元件夾在兩個(gè)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(nèi)的液態(tài)金屬天線裝置兩端，液態(tài)金屬天線裝置與受力面平行放置，液態(tài)金屬天線裝 置為一根高強(qiáng)玻璃管，高強(qiáng)玻璃管兩端各有一個(gè)儲(chǔ)液器，左端的儲(chǔ)液器固定在盒體側(cè)面的 基座上，該儲(chǔ)存器存儲(chǔ)有液態(tài)金屬，右端的儲(chǔ)液器存儲(chǔ)有電解液，電解液與液態(tài)金屬在高強(qiáng) 玻璃管中部接合。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓電元件的可重構(gòu)液態(tài)金屬天線單向應(yīng)力傳感器，其特 征是:盒體內(nèi)部空隙填充有絕緣的硅膠材料。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓電元件的可重構(gòu)液態(tài)金屬天線單向應(yīng)力傳感器，其特 征是:盒體受力面為鋼膜，盒體非受力面為鋼板。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于壓電元件的可重構(gòu)液態(tài)金屬天線單向應(yīng)力傳感器，它包括有盒體，盒體為圓柱體，盒體受力面有一個(gè)由盒體上蓋覆蓋的凹槽，凹槽內(nèi)涂有絕緣材料，在凹槽中疊放有多個(gè)串聯(lián)的圓形薄片式壓電元件；所有壓電元件夾在兩個(gè)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(nèi)的液態(tài)金屬天線裝置兩端，液態(tài)金屬天線裝置為一根高強(qiáng)玻璃管，高強(qiáng)玻璃管兩端各有一個(gè)儲(chǔ)液器，左端的儲(chǔ)液器固定在盒體側(cè)面的基座上，該儲(chǔ)存器存儲(chǔ)有液態(tài)金屬，右端的儲(chǔ)液器存儲(chǔ)有電解液，電解液與液態(tài)金屬在玻璃管中部接合。本發(fā)明的技術(shù)效果：實(shí)現(xiàn)了壓力遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，保證了檢測(cè)精度。
【IPC分類】G01L1/16
【公開號(hào)】CN105675180
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610072910
【發(fā)明人】周小平, 肖睿胤, 程浩
【申請(qǐng)人】重慶大學(xué)
【公開日】2016年6月15日
【申請(qǐng)日】2016年2月2日