[发明专利]基于压电陶瓷的混凝土动态应力传感器及标定方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种传感器及标定方法，尤其涉及一种用于混凝土结构动态应力测量的基于压电陶瓷的混凝土动态应力传感器及标定方法。

背景技术

目前，在对混凝土等构件进行应力测量时，主要采用在构件表面粘贴混电阻应变片，通过应变大小来间接反映混凝土的应力大小。对于混凝土结构内部应力的分布情况，目前尚无有效的直接测量手段。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单，体积小，制作工艺简单，造价低廉，与混凝土具有良好相容性，基于压电陶瓷的混凝土动态应力传感器及标定方法。

本发明的技术方案是：

本发明之基于压电陶瓷的混凝土应力传感器，包括经过防水绝缘处理的压电陶瓷片、屏蔽导线、接头、两封装传力块，两封装传力块相对的一侧中部分别设有凹槽，所述压电陶瓷片置于所述凹槽中，两封装传力块及压电陶瓷片通过掺有重量百分比为6-14%（优选8-12 wt %，更优选10wt%）水泥干粉的环氧树脂粘结固定为一体，压电陶瓷片通过屏蔽导线与接头连接。

所述封装传力块的形状可为半圆柱体形或者立方体形，也可为棱柱体形。可采用与混凝土材料具有相容性的纤维增强复合水泥砂浆、金属材料、天然石材（如岩石）或者其它人工材料制造，只要其强度高于被监测对象的应力水平即可。

将本发明之混凝土动态应力传感器的接头与应力测量电路的高输入阻抗前置放大器连接，所述前置放大器通过屏蔽导线与电荷放大器连接，电荷放大器再通过屏蔽导线分别与重置/测量控制键、信号采集系统连接，即构成混凝土结构内部动态应力测量系统。

所述封装传力块采用纤维增强复合水泥砂浆制造时，可采用下述专用模具：该模具包括螺栓、模板层、底板层，所述模板层设有多个圆柱形凹模，模具的尺寸可根据需要调整，与封装传力块所需要的外形尺寸相适应即可。底板层位于模板层下面，模板层由可拆分的单块模板层组成，模板层与底板层通过螺栓紧密连结。制作封装传力块时，先将模具清洗干净，在内侧表面均匀涂抹润滑油，以方便拆模，再将搅拌好的掺有增强纤维的水泥沙浆倒入模具中振捣密实，静置一天后拆模，即得到圆柱体或立方体水泥块，然后将其放入热水中养护，当其达到设计强度后备用。

本发明之基于压电陶瓷的混凝土动态应力传感器的标定方法是：用小型落锤试验机进行标定，将标准标定用动态应力传感器夹置于锤头上面，锤头从一定高度经自由落体运动后与待标定的混凝土动态应力传感器撞击，同步记录待标定的混凝土动态应力传感器的输出信号及标定用动态应力传感器的力的输出结果；为了提高标定精度，同一组试验重复3次以上。对同步采集的标准标定用动态力传感器的力信号与待标定的混凝土应力传感器的电压信号进行线性拟合，得到待标定的混凝土动态应力传感器灵敏度系数。

本发明之基于压电陶瓷的混凝土动态应力传感器的基本工作原理是：利用压电陶瓷的正压电效应，当压电传感器受到外界动力荷载作用时，会引起压电陶瓷材料内部中心正负电荷相对移动而产生点的极化，导致压电陶瓷表面出现符号相反的正负束缚电荷，并且电荷密度正比于所受到的外力的大小。压电陶瓷的电荷输出经过电荷放大器放大并转换成电压信号，通过数据采集系统采集电压信号。运用标定所得的灵敏度系数即得到动态应力的大小。

本发明混凝土动态应力传感器的封装传力块既具有传递应力的功能，又有保护置于其中的压电陶瓷片不被损坏的功能。封装传力块的使用，使得本发明的动态应力传感器可以方便地在浇筑混凝土前预先安装在混凝土构件的指定位置，保护在混凝土浇筑和振捣过程中压电陶瓷片不被损坏，而且与混凝土有好的相容性。

在使用本发明混凝土动态应力传感器进行混凝土结构内部动态应力的直接测量时，其前置放大器具备两个功能：一、将混凝土动态应力传感器的微弱电荷信号放大；二、将混凝土动态应力传感器高阻抗输出转换成前置放大器的低阻抗输出。电荷放大器的作用是将电荷值                                                转换成电压值，电荷放大器采用积分电路的原理，其核心部件是一个内部高增益运算放大器、一个极高（通常>1000MW）的输入绝缘电阻和一个高精度低损耗的反馈电容。一般，使用下式(1)的近似公式即可准确计算电压信号大小。在每个测量周期结束以后，需要通过重置/测量控制键使反馈电容放电，将输出信号置零，防止测量过程中的零点漂移。反馈电容的绝缘电阻可以由下式(2)来确定电荷放大器较低的截止频率。

                             (1)

                        (2)