一種用于混凝土結構的壓電智能骨料傳感器制造技術

本實用新型專利技術提供一種用于混凝土結構的壓電智能骨料傳感器，埋設于建筑的混凝土結構中，包括傳感元件、敏感元件和測量電路；傳感元件中，靜態力傳感元件為圓柱形鋁柱，動態力傳感元件為混凝土智能骨料，混凝土智能骨料外包于圓柱形鋁柱；敏感元件包括兩個電阻應變片和一個壓電陶瓷片，一個電阻應變片縱向粘貼于圓柱形鋁柱側面，另一個電阻應變片橫向粘貼于該圓柱形鋁柱側面的對稱面，壓電陶瓷片放置在圓柱形鋁柱上面；測量電路是靜態力測量中測量敏感元件的應變和進行溫度補償的電橋電路。本實用新型專利技術能實現對混凝土結構的健康監測，可以通過標定應用于混凝土結構的動態力和靜態力的測量，造價低、精度高、耐久性能好，且與混能突結構有較好的融合性。（*該技術在2022年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本技術涉及建筑結構監測
，具體涉及一種用于混凝土結構的壓電智能骨料傳感器。
技術介紹
混凝土結構作為建筑中應用最常見的一種結構形式，被廣泛地應用于各類建筑。在其漫長的服役過程中，結構將不可避免地產生損傷。通過健康監測系統對其實時在線的監測可以有效地對其健康狀態做出評估以及安全預警，對于保證人民的生命和財產安全具有重大的意義。然而，大型混凝土結構的健康監測往往需要埋設數量巨大的傳感器以獲取多種物理量指標，這不僅會提升建筑結構的造價而且會給施工帶來一定的影響；另外，混凝土結構長達數十年的服役時間需求，也是一般傳感器壽命無法滿足的。因此，研發適合于混凝土結構健康監測的傳感器，對解決混凝土結構健康監測具有重大的實際意義。以鋯鈦酸鉛(PZT)為代表的壓電陶瓷具有正逆壓電效應，可被廣泛用于制作各種傳感器。利用正壓電效應可將其制成傳感器，用于采集各種物理量，如加速度、沖擊荷載等；利用逆壓電效應可將其制成驅動器，用于信號的發射、結構的主被動控制等。然而壓電陶瓷片質地易碎，直接埋入混凝土內部容易發生損壞，故需要通過適當的措施進行防護。通過外包混凝土將壓電陶瓷片封裝成智能骨料即可以有效地保護PZT片，又可以不影響結構的整體性能。但是，現有智能骨料產品功能也單一，且精度有限，在應用中有一定的局限性。
技術實現思路
針對現有技術存在的不足，本技術提供一種用于混凝土結構的壓電智能骨料傳感器，埋設于建筑的混凝土結構中，對混凝土結構進行健康監測，以及靜態力和動態力的采集。本技術的技術方案是—種用于混凝土結構的壓電智能骨料傳感器，包括傳感元件、敏感元件和測量電路，其中敏感元件直接感受被測物理量，傳感元件將感受到的非電量直接轉換成電量，是轉換元件，測量電路是將傳感元件輸出的電信號轉換為便于顯示、控制和處理的有用電信號的電路；所述傳感元件包括動態力傳感元件和靜態力傳感元件,靜態力傳感元件為圓柱形鋁柱，動態力傳感元件為混凝土智能骨料，混凝土智能骨料外包于圓柱形鋁柱，該混凝土智能骨料同時起保護層作用；所述敏感元件包括兩個電阻應變片和一個壓電陶瓷片，兩個電阻應變片用作靜態力敏感元件，兩個電阻應變片均焊接有屏蔽導線，且一個電阻應變片縱向粘貼于圓柱形鋁柱側面，另一個電阻應變片橫向粘貼于該圓柱形鋁柱側面的對稱面，壓電陶瓷片用作動態力敏感元件，壓電陶瓷片的兩面均焊接有屏蔽導線，且壓電陶瓷片放置在圓柱形鋁柱上面；所述測量電路是靜態力測量中測量敏感元件的應變和進行溫度補償的電橋電路，測量電路通過用作靜態力敏感元件的兩個電阻應變片外接兩個電阻組成電橋電路，再連接應變儀進行靜態力測量；所述圓柱形招柱的高為15 30mm,直徑10 20mm ；所述混凝土智能骨料的直徑為D=2(T60mm，高為30 50mm ；所述圓柱形鋁柱、壓電陶瓷片均外包有環氧樹脂作防水層。有益效果本技術是用于混凝土結構的壓電智能骨料傳感器，能實現對混凝土結構的健康監測，同時可以通過標定可應用于混凝土結構的動態力和靜態力的測量，本傳感器造價低、精度高、耐久性能好，且與混能突結構有較好的融合性。附圖說明圖1是本實施方式的用于混凝土結構的壓電智能骨料傳感器工作原理框圖；圖2是本實施方式的用于混凝土結構的壓電智能骨料傳感器結構示意圖；圖3是本實施方式的用于混凝土結構的壓電智能骨料傳感器的測量電路圖；圖4是本實施方式的用于混凝土結構的壓電智能骨料傳感器的動態力傳感元件工作原理示意圖；圖5是本實施方式的用于混凝土結構的壓電智能骨料傳感器的靜態力傳感元件構成示意圖；圖6是本實施方式的用于混凝土結構的壓電智能骨料傳感器的制作流程示意圖；圖7是采用本實施方式的用于混凝土結構的壓電智能骨料傳感器進行混凝土結構健康監測原理示意圖；圖8是采用本實施方式的用于混凝土結構的壓電智能骨料傳感器進行混凝土結構健康監測的損傷識別結果；圖9是采用本實施方式的用于混凝土結構的壓電智能骨料傳感器進行混凝土結構動態力標定的曲線圖，其中，圖9 Ca)為擬加載的正弦波動態力，圖9 (b)為相應荷載作用下的電壓輸出，圖9 (c)為本實施方式的壓電智能骨料傳感器的輸出電壓與作用力的線性擬合曲線；其中，1-混凝土智能骨料，2-壓電陶瓷片，3-環氧樹脂，4-圓柱形鋁柱，5-電阻應變片，6-屏蔽導線，7-屏蔽接頭。具體實施方式以下結合附圖對本技術的具體實施做進一步說明。本實施方式的用于混凝土結構的壓電智能骨料傳感器，包括傳感元件、敏感元件和測量電路，且該傳感器通過輔助電源供電使用，本實施方式的壓電智能骨料傳感器工作原理如圖1所示，其結構如圖5所示。傳感元件包括動態力傳感元件和靜態力傳感元件,如圖2所示,靜態力傳感元件為圓柱形鋁柱4，圓柱形鋁柱4的高為15 30mm，直徑l(T20mm，本實施方式中，圓柱形鋁柱4的尺寸為高20mm，直徑20mm，選用的鋁柱材料密度低，但強度較高，受力均勻，其彈性模量接近混凝土材料的70GPa，塑性好，可加工成多種型材，具有良好的抗腐蝕性。動態力傳感元件為混凝土智能骨料1，該骨料材質為細石混凝土，混凝土智能骨料I外包于圓柱形招柱4,混凝土智能骨料I的直徑為D=2(T60mm,高為30 50mm,本實施方式中，混凝土智能骨料I直徑為50mm,高為50mm。敏感元件包括兩個電阻應變片5和一個壓電陶瓷片2，兩個電阻應變片5用作靜態力敏感元件，兩個電阻應變片5尺寸為3X5mm、阻值為120 Q，兩個電阻應變片5均焊接有屏蔽導線6，且一個電阻應變片5用502膠水縱向粘貼于經打磨后的圓柱形鋁柱4側面，該電阻應變片5作為工作片，用于測量彈性應變；另一個電阻應變片5用502膠水橫向粘貼于該圓柱形鋁柱4側面的對稱面，該電阻應變片5作為溫度補償片，用于溫度補償；壓電陶瓷片2用作動態力敏感元件，壓電陶瓷片2的兩面均焊接有屏蔽導線6，且壓電陶瓷片2放置在圓柱形招柱4上面,如圖2所示。圓柱形鋁柱4、壓電陶瓷片2均外包有環氧樹脂3作防水層。測量電路通過兩個電阻應變片分別與兩個電阻應變片連接。測量電路是靜態力測量中測量敏感元件的應變和進行溫度補償的電橋電路，測量電路是采用兩個電阻應變片通過焊接的屏蔽導線外接兩個電阻組成電橋電路，再連接應變儀進行靜態力測量；一般的外置溫度補償方法將影響測量準確性 ，而本實施方式的傳感器埋置于混凝土結構內部，本實施方式的測量電路采用半橋四線制惠更斯電橋電路，利用電橋的加減特性來消除由溫度變化引起的電阻變化。 如圖3所示，電橋的AB臂接入感受機械應變的電阻應變片，即工作片；電阻應變片的電阻變化中包含兩個部分一部分是由于應變引起的電阻變化A/ e，另一部分是由于溫度變化引起的電阻變化、Rt。設電阻應變片的起始電阻為A當它感受應變并伴隨有溫度變化時，它的電阻W由變為/ +A7 E + A7 t。在電橋的BC臂接入另一個電阻應變片，即溫度補償片，其起始阻值也為/P，此電阻應變片不感受應變。溫度補償片與工作片處于同樣的環境溫度中，它因溫度變化引起的電阻變化與工作片因溫度變化引起的電阻變化相同，這時電橋的輸出電壓變化量本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于混凝土結構的壓電智能骨料傳感器，埋設于建筑的混凝土結構中，其特征在于：該壓電智能骨料傳感器包括傳感元件、敏感元件和測量電路；所述傳感元件包括動態力傳感元件和靜態力傳感元件，靜態力傳感元件為圓柱形鋁柱，動態力傳感元件為混凝土智能骨料，混凝土智能骨料外包于圓柱形鋁柱；所述敏感元件包括兩個電阻應變片和一個壓電陶瓷片，兩個電阻應變片用作靜態力敏感元件，且一個電阻應變片縱向粘貼于圓柱形鋁柱側面，另一個電阻應變片橫向粘貼于該圓柱形鋁柱側面的對稱面，壓電陶瓷片用作動態力敏感元件，壓電陶瓷片放置在圓柱形鋁柱上面；所述測量電路是靜態力測量中測量敏感元件的應變和進行溫度補償的電橋電路，測量電路通過用作靜態力敏感元件的兩個電阻應變片外接兩個電阻組成電橋電路，再連接應變儀。

【技術特征摘要】
1.一種用于混凝土結構的壓電智能骨料傳感器，埋設于建筑的混凝土結構中，其特征在于該壓電智能骨料傳感器包括傳感元件、敏感元件和測量電路； 所述傳感元件包括動態力傳感元件和靜態力傳感元件，靜態力傳感元件為圓柱形招柱，動態力傳感元件為混凝土智能骨料，混凝土智能骨料外包于圓柱形鋁柱； 所述敏感元件包括兩個電阻應變片和一個壓電陶瓷片，兩個電阻應變片用作靜態力敏感元件，且一個電阻應變片縱向粘貼于圓柱形鋁柱側面，另一個電阻應變片橫向粘貼于該圓柱形鋁柱側面的對稱面，壓電陶瓷片用作動態力敏感元件，壓電陶瓷片放置在圓柱形鋁柱上面； 所述測量電路是靜態力測量中測量敏感元件的應變和進行溫度補償的電橋電路，測量電路通過用作靜態力敏感元件的兩個電阻應變...

【專利技術屬性】
技術研發人員：閻石，吳建新，孫威，閻寒，
申請(專利權)人：沈陽建筑大學，遼寧電力勘測設計院，
類型：實用新型
國別省市：