[发明专利]一种埋入式混凝土杆件动力损伤三向应力传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种埋入式混凝土杆件三向应力的传感器，尤其可以监测混凝土杆件内部动力损伤全过程(微小应力至混凝土压溃阶段)的动态压、剪、剪三向应力。 

背景技术

混凝土结构是量大面广的土木工程结构，在役期间可能遭受地震、台风、碰撞等动力灾变作用，造成结构损伤。因此及时准确地进行结构检测对于结构维修加固决策至关重要。目前，有很多结构局部损伤检测方法，如超声法、声发射、红外热像法、回弹法、同位素探测法等，这些检测方法的不足之处在于：(1)只能定性检测，无法给出结构内部真实的应力信息；(2)检测时效性差，无法得出结构损伤演化过程；(3)设备笨重、成本高。 

为了得到混凝土结构动力损伤过程中的内部的应力信息，最直接有效的方法就是在结构的关键部位如梁柱节点区域埋入应力传感器。一般情况下，电阻应变式力传感器存在动态响应滞后、使用寿命短的缺点；压阻式力传感器制作工艺复杂、成本高；电容式力传感器输出特性的非线性较严重、测量精度低；测量动态应力的压电型动态压应力传感器技术已很成熟，可制成体积较小的传感器埋入结构内部，但此种传感器外壳由金属制成，显著改变测点位置局部应力场而影响测量精度，且传感器与混凝土之间相容性差，在混凝土进入非线性阶段界面处容易分离失效，另外这类传感器通常使用石英材料作为敏感元件，价格昂贵，不易在土木工程结构中大量推广。 

目前，埋入式混凝土损伤诊断传感元件主要有水泥基压电陶瓷传感元件和水 泥基压电复合材料两种方式。大连理工大学的赵晓燕博士论文《基于压电陶瓷的结构健康监测及损伤诊断》中所提到的水泥基压电陶瓷传感元件，其不足之处是(1)所用水泥砂浆在混凝土结构高压应力水平下容易开裂，导致内部压电陶瓷片损坏，不适合动力损伤过程监测(2)压电片的位置不能得到保证，应力传递路径不确定；(3)不容易振捣密实；济南大学黄世峰在复合材料学报上发表的《1-3型水泥基压电复合材料传感器的性能》一文中提到的1-3型水泥基压电复合材料传感元件制作工艺较复杂、成本高。 

本发明——一种埋入式混凝土杆件动力损伤过程三向应力传感器，采用压电陶瓷材料为传感元件(d33模式和d15模式)，采用花岗岩为封装材料，利用压电陶瓷的压电效应原理，经过电荷放大器将电荷信号转换为电压信号，利用标定试验分别得到d33模式和d15模式压电陶瓷的压应力及剪应力与电压之间的关系。对于普通混凝土及高强混凝土结构的动力损伤全过程，该埋入式传感器将保持完好并正常工作，因此可得出混凝土杆件结构动力损伤全过程的三向应力时程，为混凝土结构地震损伤机制研究提供了一种新的方法。 

发明内容

为了克服现有的混凝土应力传感器在界面相容性、应力传递路径可靠性、高应力水平性能稳定性等问题，本发明提供一种埋入式混凝土杆件动力损伤三向应力传感器，该发明有效地解决了上述问题，且制作简单，性能稳定，易于在土木工程领域大量推广应用。 

本发明的技术方案如下： 

一种埋入式混凝土动力损伤全过程压、剪应力传感器结构包括：花岗岩保护壳、d33及d15模式压电陶瓷片(锆钛酸铅，简称PZT)、导电片、环氧树脂绝 缘防水层、三芯屏蔽导线及屏蔽接头。压电陶瓷片位于花岗岩保护壳的内部，上面涂有环氧树脂绝缘防水层，压电陶瓷片的一端通过导电片与屏蔽导线相连，另一端与屏蔽接头相连，屏蔽接头与数据采集系统相连接。 

上述的一种埋入式混凝土杆件动力损伤三向应力传感器具体做法为：将d15模式的压电陶瓷片上下两面分别利用导电胶与导电片相连，并将压电陶瓷片的正极与屏蔽导线内芯焊接为一体，将压电陶瓷片的负极与屏蔽导线的屏蔽层连接；用高强环氧树脂包裹压电陶瓷片，形成绝缘、防水的保护层，同时与底部的石基粘接为一体，风干24小时后再粘接上一层d15模式的压电陶瓷片，直至三个陶瓷片都粘接为一体；利用环氧树脂将d33模式压电陶瓷片与上部花岗岩保护壳粘接为一体，放入室内风干24小时后形成具有高强度的动态三向应力传感器；传感器表面进行粗糙化处理，以确保传感器与混凝土界面的相容性。 

本发明的有益效果： 

1.本发明的花岗岩保护壳，可以对压电陶瓷片起到保护作用，可以对混凝土结构单轴动力损伤全过程的压、剪应力同时进行监测。 

2.本发明的体积小、强度高，花岗岩保护壳与外部混凝土相容性好，将其埋入混凝土结构中可以替代混凝土中的一颗粗骨料，不改变测量位置处应力分布。 

3.本发明构造简单、性能稳定、成本低廉，适用于土木工程中的广泛应用。 

附图说明