[实用新型]一种利用PVDF薄膜压电特性的混凝土应力传感器

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种应力传感器，用于测量冲击荷载下混凝土材料应力的应力传感器，具体涉及一种利用有机压电材料的混凝土应力传感器，特别是一种利用PVDF（偏聚氟乙烯）薄膜压电特性的混凝土应力传感器，属于应力测量技术领域。

背景技术

目前，应用于冲击测试领域的传感器主要分为压阻式和压电式两类。

迄今为止，人们已发现了多种可用作压阻传感器的材料，如锰铜、碳、钙、锂、铟、铅、镉、铋和镱等，其中最常见的压阻式应力传感器为锰铜压阻计，尽管锰铜合金的压阻系数，即灵敏度不是很高，但由于它具有电阻温度系数小、响应快、线性度较好等特点，非常适合与制作超高压应力（力）传感器，到目前为止，锰铜压阻计仍然是量程最高的压力传感器，测试上限可达100GPa。

而压电传感器常用的敏感元件主要有石英、压电陶瓷以及近年来发展起来的偏聚氟乙烯（PVDF）。石英是最广泛采用的压电材料，压电信号的响应时间为3ns（若有放大器则为10ns），典型的记录时间为0.4μs，该类传感器在2.5GPa以下为弹性应变区，线性度好，精度可达±3%，但在2.5GPa以上时，非线性增强，精度明显下降。压电陶瓷的压电常数比石英要大得多，但由于压电陶瓷的机械强度小，居里点低，只能应用在低压力条件下应用。

上述传感器应用在混凝土材料的冲击测试领域各自存在着以下的不足。

对于压阻式的锰铜压阻计，在测试时需要外接相应的脉冲电源以及触发装置，测试中较为麻烦，并且应用在低应力冲击测试时（最大冲击应力不超过100MPa），锰铜压阻计的测试精度不能满足测试要求。

对于压电式的石英晶体传感器，一般只能测试试件表面的冲击波剖面，通过换算得到试件内部应力，限制了其应用范围

对于压电陶瓷，由于压电陶瓷的机械强度小，在较高的冲击应力水平下会碎掉，同时在测量时需要电荷放大器，结构较复杂，无法应用到试件内部的应力检测。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种用于测量混凝土材料在经受冲击荷载作用时，能够得到材料内部的应力分布的压电式应力传感器，从而解决现有的传感器不能有效地捕捉混凝土材料在经受冲击荷载作用时，材料内部测点处的应力时程的问题。

本实用新型利用PVDF（偏聚氟乙烯）薄膜的压电特性实现上述目的，具体的技术方案如下：一种利用PVDF薄膜压电特性的混凝土应力传感器，包括上、下两部分扣装在一起的传感器外壳以及设置在两部分传感器外壳之间的PVDF压电薄膜，其中下部传感器外壳内侧中心部位设有凸台，所述PVDF压电层设置在所述凸台上，所述上部传感器外壳的内侧中心对应部位设有凹槽并固定扣装在设有凸台的下部传感器外壳上，所述上、下两部分传感器外壳之间设有柔性垫圈，所述柔性垫圈给传感器内部提供一个微小的轴向位移行程，保证外部荷载能够有效的作用在PVDF压电薄膜上，保证测试精度并且具有一定的防水性能；所述PVDF压电薄膜周边套装有尼龙套筒将PVDF压电薄膜定位在所述凸台上，所述PVDF压电层的上、下两端面分别设置绝缘层与上、下两部分传感器外壳之间紧密接触，所述尼龙套筒与绝缘层构成封闭的绝缘空间将PVDF压电薄膜与传感器外壳绝缘分隔；所述PVDF压电薄膜的上、下表面分别设置接线电极将压电信号引出至传感器外。

其中，设有凹槽的上部传感器外壳在所述凹槽周边设有定位尼龙套筒的圈槽，两个所述柔性垫圈分别设置在所述尼龙套筒两端与上、下两部分传感器外壳紧密接触。

在本实用新型中，所述混凝土应力传感器还包括输出端子，所述输出端子一端穿过所述传感器外壳以及尼龙套筒与所述PVDF压电薄膜上下表面的接线电极电连接，另一端引出至传感器外壳外。

所述PVDF压电薄膜的厚度为25～100微米的圆形薄膜，并且所述PVDF压电薄膜的上、下表面分别镀银处理。

作为本实用新型的优选方案，所述绝缘层采用厚度为25～100微米的聚酰亚胺膜。

所述尼龙套筒的厚度为1～5毫米。

在本实用新型中，所述上、下两部分传感器外壳为金属外壳，并且所述上、下两部分传感器外壳之间通过螺钉连接，确保外部荷载能够有效作用在PVDF压电薄膜上。

由于混凝土应力传感器通常是浇筑在混凝土试件中，在所述上、下两部分传感器外壳的连接处外圈设有柔性防水密封圈。

本实用新型具有如下有益效果：