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专利名称：一种用于混凝土结构的压电智能骨料传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及建筑结构监测技术领域，具体涉及一种用于混凝土结构的压电智能骨料传感器。
背景技术：
混凝土结构作为建筑中应用最常见的一种结构形式，被广泛地应用于各类建筑。在其漫长的服役过程中，结构将不可避免地产生损伤。通过健康监测系统对其实时在线的监测可以有效地对其健康状态做出评估以及安全预警，对于保证人民的生命和财产安全具有重大的意义。然而，大型混凝土结构的健康监测往往需要埋设数量巨大的传感器以获取多种物理量指标，这不仅会提升建筑结构的造价而且会给施工带来一定的影响；另外，混凝土结构长达数十年的服役时间需求，也是一般传感器寿命无法满足的。因此，研发适合于混凝土结构健康监测的传感器，对解决混凝土结构健康监测具有重大的实际意义。以锆钛酸铅(PZT)为代表的压电陶瓷具有正逆压电效应，可被广泛用于制作各种传感器。利用正压电效应可将其制成传感器，用于采集各种物理量，如加速度、冲击荷载等；利用逆压电效应可将其制成驱动器，用于信号的发射、结构的主被动控制等。然而压电陶瓷片质地易碎，直接埋入混凝土内部容易发生损坏，故需要通过适当的措施进行防护。通过外包混凝土将压电陶瓷片封装成智能骨料即可以有效地保护PZT片，又可以不影响结构的整体性能。但是，现有智能骨料产品功能也单一，且精度有限，在应用中有一定的局限性。
发明内容针对现有技术存在的不足，本实用新型提供一种用于混凝土结构的压电智能骨料传感器，埋设于建筑的混凝土结构中，对混凝土结构进行健康监测，以及静态力和动态力的采集。本实用新型的技术方案是—种用于混凝土结构的压电智能骨料传感器，包括传感元件、敏感元件和测量电路，其中敏感元件直接感受被测物理量，传感元件将感受到的非电量直接转换成电量，是转换元件，测量电路是将传感元件输出的电信号转换为便于显示、控制和处理的有用电信号的电路；所述传感元件包括动态力传感元件和静态力传感元件,静态力传感元件为圆柱形铝柱，动态力传感元件为混凝土智能骨料，混凝土智能骨料外包于圆柱形铝柱，该混凝土智能骨料同时起保护层作用；所述敏感元件包括两个电阻应变片和一个压电陶瓷片，两个电阻应变片用作静态力敏感元件，两个电阻应变片均焊接有屏蔽导线，且一个电阻应变片纵向粘贴于圆柱形铝柱侧面，另一个电阻应变片横向粘贴于该圆柱形铝柱侧面的对称面，压电陶瓷片用作动态力敏感元件，压电陶瓷片的两面均焊接有屏蔽导线，且压电陶瓷片放置在圆柱形铝柱上面；所述测量电路是静态力测量中测量敏感元件的应变和进行温度补偿的电桥电路，测量电路通过用作静态力敏感元件的两个电阻应变片外接两个电阻组成电桥电路，再连接应变仪进行静态力测量；所述圆柱形招柱的高为15 30mm,直径10 20mm ；所述混凝土智能骨料的直径为D=2(T60mm，高为30 50mm ；所述圆柱形铝柱、压电陶瓷片均外包有环氧树脂作防水层。有益效果本实用新型是用于混凝土结构的压电智能骨料传感器，能实现对混凝土结构的健康监测，同时可以通过标定可应用于混凝土结构的动态力和静态力的测量，本传感器造价低、精度高、耐久性能好，且与混能突结构有较好的融合性。

图1是本实施方式的用于混凝土结构的压电智能骨料传感器工作原理框图；图2是本实施方式的用于混凝土结构的压电智能骨料传感器结构示意图；图3是本实施方式的用于混凝土结构的压电智能骨料传感器的测量电路图；图4是本实施方式的用于混凝土结构的压电智能骨料传感器的动态力传感元件工作原理示意图；图5是本实施方式的用于混凝土结构的压电智能骨料传感器的静态力传感元件构成示意图；图6是本实施方式的用于混凝土结构的压电智能骨料传感器的制作流程示意图；图7是采用本实施方式的用于混凝土结构的压电智能骨料传感器进行混凝土结构健康监测原理示意图；图8是采用本实施方式的用于混凝土结构的压电智能骨料传感器进行混凝土结构健康监测的损伤识别结果；图9是采用本实施方式的用于混凝土结构的压电智能骨料传感器进行混凝土结构动态力标定的曲线图，其中，图9 Ca)为拟加载的正弦波动态力，图9 (b)为相应荷载作用下的电压输出，图9 (c)为本实施方式的压电智能骨料传感器的输出电压与作用力的线性拟合曲线；其中，1-混凝土智能骨料，2-压电陶瓷片，3-环氧树脂，4-圆柱形铝柱，5-电阻应变片，6-屏蔽导线，7-屏蔽接头。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的具体实施做进一步说明。本实施方式的用于混凝土结构的压电智能骨料传感器，包括传感元件、敏感元件和测量电路，且该传感器通过辅助电源供电使用，本实施方式的压电智能骨料传感器工作原理如图1所示，其结构如图5所示。传感元件包括动态力传感元件和静态力传感元件,如图2所示,静态力传感元件为圆柱形铝柱4，圆柱形铝柱4的高为15 30mm，直径l(T20mm，本实施方式中，圆柱形铝柱4的尺寸为高20mm，直径20mm，选用的铝柱材料密度低，但强度较高，受力均匀，其弹性模量接近混凝土材料的70GPa，塑性好，可加工成多种型材，具有良好的抗腐蚀性。动态力传感元件为混凝土智能骨料1，该骨料材质为细石混凝土，混凝土智能骨料I外包于圆柱形招柱4,混凝土智能骨料I的直径为D=2(T60mm,高为30 50mm,本实施方式中，混凝土智能骨料I直径为50mm,高为50mm。敏感元件包括两个电阻应变片5和一个压电陶瓷片2，两个电阻应变片5用作静态力敏感元件，两个电阻应变片5尺寸为3X5mm、阻值为120 Q，两个电阻应变片5均焊接有屏蔽导线6，且一个电阻应变片5用502胶水纵向粘贴于经打磨后的圆柱形铝柱4侧面，该电阻应变片5作为工作片，用于测量弹性应变；另一个电阻应变片5用502胶水横向粘贴于该圆柱形铝柱4侧面的对称面，该电阻应变片5作为温度补偿片，用于温度补偿；压电陶瓷片2用作动态力敏感元件，压电陶瓷片2的两面均焊接有屏蔽导线6，且压电陶瓷片2放置在圆柱形招柱4上面,如图2所示。圆柱形铝柱4、压电陶瓷片2均外包有环氧树脂3作防水层。测量电路通过两个电阻应变片分别与两个电阻应变片连接。测量电路是静态力测量中测量敏感元件的应变和进行温度补偿的电桥电路，测量电路是采用两个电阻应变片通过焊接的屏蔽导线外接两个电阻组成电桥电路，再连接应变仪进行静态力测量；一般的外置温度补偿方法将影响测量准确性 ，而本实施方式的传感器埋置于混凝土结构内部，本实施方式的测量电路采用半桥四线制惠更斯电桥电路，利用电桥的加减特性来消除由温度变化引起的电阻变化。 如图3所示，电桥的AB臂接入感受机械应变的电阻应变片，即工作片；电阻应变片的电阻变化中包含两个部分一部分是由于应变引起的电阻变化A/ e，另一部分是由于温度变化引起的电阻变化、Rt。设电阻应变片的起始电阻为A当它感受应变并伴随有温度变化时，它的电阻W由变为/ +A7 E + A7 t。在电桥的BC臂接入另一个电阻应变片，即温度补偿片，其起始阻值也为/P，此电阻应变片不感受应变。温度补偿片与工作片处于同样的环境温度中，它因温度变化引起的电阻变化与工作片因温度变化引起的电阻变化相同，这时电桥的输出电压变化量
权利要求1.一种用于混凝土结构的压电智能骨料传感器，埋设于建筑的混凝土结构中，其特征在于该压电智能骨料传感器包括传感元件、敏感元件和测量电路； 所述传感元件包括动态力传感元件和静态力传感元件，静态力传感元件为圆柱形招柱，动态力传感元件为混凝土智能骨料，混凝土智能骨料外包于圆柱形铝柱； 所述敏感元件包括两个电阻应变片和一个压电陶瓷片，两个电阻应变片用作静态力敏感元件，且一个电阻应变片纵向粘贴于圆柱形铝柱侧面，另一个电阻应变片横向粘贴于该圆柱形铝柱侧面的对称面，压电陶瓷片用作动态力敏感元件，压电陶瓷片放置在圆柱形铝柱上面； 所述测量电路是静态力测量中测量敏感元件的应变和进行温度补偿的电桥电路，测量电路通过用作静态力敏感元件的两个电阻应变片外接两个电阻组成电桥电路，再连接应变仪。
2.根据权利要求1所述的用于混凝土结构的压电智能骨料传感器，其特征在于所述圆柱形铝柱的高为15 30mm，直径l0~20mm。
3.根据权利要求1所述的用于混凝土结构的压电智能骨料传感器，其特征在于所述混凝土智能骨料的直径为D=2(T60mm，高为30 50mm。
4.根据权利要求1所述的用于混凝土结构的压电智能骨料传感器，其特征在于所述圆柱形铝柱、压电陶瓷片均外包有环氧树脂作防水层。
5.根据权利要求1所述的用于混凝土结构的压电智能骨料传感器，其特征在于所述两个电阻应变片均焊接有屏蔽导线。
6.根据权利要求1所述的用于混凝土结构的压电智能骨料传感器，其特征在于所述压电陶瓷片的两面均焊接有屏蔽导线。
专利摘要本实用新型提供一种用于混凝土结构的压电智能骨料传感器，埋设于建筑的混凝土结构中，包括传感元件、敏感元件和测量电路；传感元件中，静态力传感元件为圆柱形铝柱，动态力传感元件为混凝土智能骨料，混凝土智能骨料外包于圆柱形铝柱；敏感元件包括两个电阻应变片和一个压电陶瓷片，一个电阻应变片纵向粘贴于圆柱形铝柱侧面，另一个电阻应变片横向粘贴于该圆柱形铝柱侧面的对称面，压电陶瓷片放置在圆柱形铝柱上面；测量电路是静态力测量中测量敏感元件的应变和进行温度补偿的电桥电路。本实用新型能实现对混凝土结构的健康监测，可以通过标定应用于混凝土结构的动态力和静态力的测量，造价低、精度高、耐久性能好，且与混能突结构有较好的融合性。
文档编号G01L1/22GK202870024SQ20122053506
公开日2013年4月10日 申请日期2012年10月19日 优先权日2012年10月19日
发明者阎石, 吴建新, 孙威, 阎寒 申请人:沈阳建筑大学, 辽宁电力勘测设计院