[发明专利]基于压电材料的混凝土平面动应力传感器

说明书

本发明提供了一种基于压电材料的平面动应力传感器，其特征在于包括：立方体传感器基体、经过防水绝缘处理的伸缩型和剪切型压电材料片、屏蔽导线与接头、以及小钢片；所述伸缩型压电材料片通过粘接材料固定在传感器基体的四个侧面中两个相互垂直的面上；所述剪切型压电材料片通过粘接材料固定在传感器基体的四个侧面中另两个相互垂直的面上；所述伸缩型和剪切型压电材料片通过屏蔽导线与接头连接，所述接头与数据采集系统连接；所述小钢片通过粘接材料固定在伸缩型和剪切型压电材料片的外侧面。本发明所要解决的主要技术问题是提供一种结构简单，体积小，制作工艺简单，与混凝土具有良好相容性，基于压电材料的混凝土平面动应力传感器。

技术领域

本发明涉及一种传感器，尤其涉及一种基于压电材料的用于混凝土结构平面动应力测量的传感器。

背景技术

目前，尚缺乏直接测量混凝土结构的应力的技术手段。对混凝土结构的应力测量，一般是通过在混凝土结构表面黏贴电阻式应变片来测量混凝土表面的应变，然后通过混凝土材料的弹性模量将所测量的应变换算成混凝土的应力。这种方法测量所得混凝土的应力往往是混凝土表面的应力，而对混凝土内部的应力状态无法直接获得。通过电阻应变片测量应变，通过材料的弹性模量来换算得到应力的方法存在应力结果受混凝土材料弹性模量的取值的影响的问题，特别是对于力学特性变异性较大的混凝土材料而言，弹性模量的变异对应力换算结果影响较大。此外，在地震等强动力荷载作用下，混凝土材料进入塑性阶段后，由于混凝土材料的应力应变关系不再保持线性，直接通过应变测量值获取应力会带来较大误差。所以，开发能够直接嵌入混凝土内部、直接测量混凝土内部应力状态的传感器，特别是测量在地震、爆炸和冲击等强动力荷载作用下的混凝土结构的平面动应力的传感器具有十分重要的意义。

目前，尚无针对混凝土结构内部平面动应力直接测量的有效手段，本专利提出基于伸缩型以及剪切型压电材料的混凝土结构内部平面动应力测量传感器。

发明内容

本发明所要解决的主要技术问题是提供一种结构简单，体积小，制作工艺简单，与混凝土具有良好相容性，基于压电材料的混凝土平面动应力传感器。

为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种基于压电材料的平面动应力传感器，包括：立方体传感器基体、经过防水绝缘处理的伸缩型和剪切型压电材料片、屏蔽导线与接头、以及小钢片；

所述伸缩型压电材料片通过粘接材料固定在传感器基体的四个侧面中两个相互垂直的面上；所述剪切型压电材料片通过粘接材料固定在传感器基体的四个侧面中另两个相互垂直的面上；所述伸缩型和剪切型压电材料片通过屏蔽导线与接头连接，所述接头与数据采集系统连接；所述小钢片通过粘接材料固定在伸缩型和剪切型压电材料片的外侧面；

所述基于压电材料的平面动应力传感器埋入混凝土中的指定部位，当传感器受到外界动力荷载作用时，传感器处于一般平面应力状态，分别位于一组相邻且相互垂直的表面的伸缩型压电材料片以及位于另外一组相邻且相互垂直的表面的剪切型压电材料片均会由于正压电效应而产生电荷，并且电荷密度分别正比于相应表面所受到的动正应力和动剪应力的大小；其各片压电材料片的灵敏度系数可以通过所采用的压电材料的压电系数确定；四片压电材料片的电荷输出转换成电压信号输出，并通过数据采集系统采集；根据各压材料片的灵敏度系数就可以分别确定各表面的动正应力和动剪应力分量的大小。

在一较佳实施例中：所述立方体传感器由与混凝土材料具有相容性的复合水泥砂浆、或者天然岩石材料或者金属或非金属材料制作而成。

在一较佳实施例中：所述压电材料片压电材料为压电陶瓷或者压电薄膜。

在一较佳实施例中：所述立方体传感器基体由模具浇筑复合水泥砂浆制作而成。

在一较佳实施例中：所述模具包括隔板、模板层、底板层，所述模板层设有多个立方体形凹模；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隔板紧密连结。