[发明专利]基于长度变形型PZT的FRP筋界面剪应力监测装置及方法

权利要求书

1.一种基于长度变形型PZT的FRP筋界面剪应力监测装置，其特征在于，在FRP筋材（1）外覆盖混凝土（3），在所述混凝土（3）内的FRP筋材（1）表面沿埋长方向固定多个用作压电陶瓷传感器的压电陶瓷片（2）和多个用作驱动器的压电陶瓷片（2）；所有压电陶瓷片（2）上均涂有防水层，且所有压电陶瓷片（2）与所述FRP筋材（1）之间均设有绝缘层；所述多个用作压电陶瓷传感器的压电陶瓷片（2）分别通过导线与高频信号采集系统（5）连接，所述高频信号采集系统（5）接入计算机；所述多个用作驱动器的压电陶瓷片（2）均与任意信号函数发生器（4）连接。

2.根据权利要求1所述的基于长度变形型PZT的FRP筋界面剪应力监测装置，其特征在于，所述多个用作驱动器的压电陶瓷片（2）与所述任意信号函数发生器（4）之间连接有高压放大器（6）。

3.根据权利要求1或2所述的基于长度变形型PZT的FRP筋界面剪应力监测装置，其特征在于，所述绝缘层为一层均匀的环氧树脂绝缘层，且所述绝缘层厚度为0.08～0.12mm。

4.根据权利要求3所述的基于长度变形型PZT的FRP筋界面剪应力监测装置，其特征在于，所述任意信号函数发生器（4）产生的信号的频率为500Hz～10KHz。

5.一种FRP筋界面压电陶瓷传感器的制作方法，其特征在于，该方法为：

1）用无水酒精将压电陶瓷片的表面清洁干净,静置，待压电陶瓷片自然干燥后，在压电陶瓷片上焊接导线；

2）对FRP筋表面预粘贴处进行打磨光滑处理，在打磨光滑后的预粘贴处均匀涂上环氧树脂绝缘层；

3）将经步骤1）处理后的压电陶瓷片粘贴在FRP筋表面上，引出导线；

4）使用防水层对粘贴稳定后的压电陶瓷片进行封装，封装后在室温环境下固化一天。

6.根据权利要求5所述的FRP筋界面压电陶瓷传感器的制作方法，其特征在于，所述步骤1）中，所述导线为带屏蔽线的电缆。

7.根据权利要求5所述的FRP筋界面压电陶瓷传感器的制作方法，其特征在于，所述步骤3）中，使用KH502胶将所述压电陶瓷片粘贴在FRP筋表面上。

8.根据权利要求5所述的FRP筋界面压电陶瓷传感器的制作方法，其特征在于，所述步骤4）中，所述防水层材料为环氧树脂。

9.一种利用权利要求1所述监测装置监测FRP筋界面剪应力的方法，其特征在于，该方法为：

1）计算压电陶瓷片表面产生的电荷量Q_z：

Qz=d31E1ϵ~xAe;]]>

其中，为压电陶瓷片的平均轴向应变；d₃₁为压电应变常数；E₁为压电陶瓷片的弹性模量；A_e为压电陶瓷片表面积，单位为mm²；

2）计算压电陶瓷片两极板上的输出电压V：

V=QzCp=d31E1ϵ~xAeCp;]]>

其中，C_p为压电陶瓷片两极板间的电容量；

3）计算压电陶瓷片的平均轴向应变

ϵ~x=[4α1r·sh(rl)+2E1h2lE1h1+E2h2]TE1;]]>

其中，α1=-E1h2(erl+e-rl)(E1h1+E2h2);r=1(V2W2+V3W3-V1W1+V4)(1E1h1+1E2h2);]]>

V112G1h1,V2=-12G2h2,V3=(h1+h2)G2h2,V4=h12G1-h122G2h2-h1G2]]>W1=h123,W2=(3h12+3h1h2+h22)3,W1=(2h1+h2)2;]]>E₂为FRP筋的弹性模量；G₁、G₂分别为压电陶瓷片和FRP筋的剪切弹性模量；l为压电陶瓷片长度的一半；h₁为压电陶瓷片的厚度；h₂为FRP筋横截面直径；T为FRP筋两端承受的拉力；

4）计算压电陶瓷片输出电压U：

U=Ae[4α1r·sh(rl)+2E1h2lE1h1+E2h2]d31TCp;]]>

5）令V=U，并将压电陶瓷片平均轴向应变的计算公式代入压电陶瓷片两极板上的输出电压V的计算公式中，从而计算得到压电陶瓷片平均轴向应变的值；

6）利用压电陶瓷片的平均轴向应变计算FRP筋上相邻测点之间的平均粘结应力和某一测点的粘结应力：

τ‾i=ϵ~f,i+1-ϵ~f,iβi;]]>

τi(i)=τ‾i+1+τ‾i2;]]>

τi(i+1)=τ‾i+τ‾i+12;]]>

其中，为第i测段的平均粘结应力，单位为MPa；为第i+1测点的压电陶瓷片的平均轴向应变；为第i测点的压电陶瓷片的平均轴向应变；β_i为第i测点和第i+1测点之间的距离，单位为mm；所述测点是指FRP筋上固定压电陶瓷片的位置；所述测段是指相邻两个压电陶瓷片中心之间的FRP筋段；τ_i(i)为第i测段第i测点的粘结应力，单位为MPa；τ_i(i+1)为第i测段第i+1测点的粘结应力，单位为MPa。