專利名稱：一種免電磁干擾的埋入式混凝土結(jié)構(gòu)多功能壓電智能骨料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種免電磁干擾的埋入式混凝土結(jié)構(gòu)多功能壓電智能骨料，尤其可以監(jiān)測混凝土動力損傷過程中正應(yīng)力及主動監(jiān)測混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷。
背景技術(shù)：
混凝土結(jié)構(gòu)是量大面廣的土木工程結(jié)構(gòu)，在役期間可能遭受地震、臺風(fēng)、碰撞等動力災(zāi)變作用，造成結(jié)構(gòu)損傷。因此及時準確地進行結(jié)構(gòu)檢測對于結(jié)構(gòu)維修加固決策至關(guān)重要。目前，有很多結(jié)構(gòu)局部損傷檢測方法，如超聲法、聲發(fā)射、紅外熱像法、回彈法、同位素探測法等，這些檢測方法的不足之處在于(1)只能定性檢測，無法給出結(jié)構(gòu)內(nèi)部真實的應(yīng)力信息；(2)檢測時效性差，無法得出結(jié)構(gòu)損傷演化過程；(3)設(shè)備笨重、成本高。壓電智能骨料對混凝土結(jié)構(gòu)的損傷監(jiān)測提供了新的方法在不破壞原有結(jié)構(gòu)的前提下，可以對混凝土結(jié)構(gòu)進行被動、主動兩種方式的損傷監(jiān)測。本發(fā)明的核心元件為壓電陶瓷(鋯鈦酸鉛，簡稱PZT)，壓電陶瓷具有正、逆壓電效應(yīng)。當(dāng)對壓電陶瓷施加外力時，壓電陶瓷內(nèi)部會因外力作用引起變形，壓電陶瓷上下表面會產(chǎn)生等量且電性相反的電荷，且電荷量與外力成正比，即為正壓電效應(yīng)。利用正壓電效應(yīng)， 可將其制成動態(tài)應(yīng)力傳感器及信號接收器；相反，若在壓電陶瓷表面施加電壓，會導(dǎo)致壓電陶瓷產(chǎn)生變形，即逆壓電效應(yīng)。利用逆壓電效應(yīng)，可以將壓電陶瓷制成驅(qū)動器。利用正、逆壓電效應(yīng)制成的壓電智能骨料與混凝土結(jié)構(gòu)相互作用，即可對結(jié)構(gòu)進行損傷監(jiān)測。目前，埋入式混凝土損傷診斷傳感元件主要有水泥基壓電陶瓷傳感元件和水泥基壓電復(fù)合材料兩種方式。中國專利200810010010. 8號中所提到的壓電智能骨料是以水泥砂漿或細石混凝土做保護殼，其不足之處是(1)壓電陶瓷片外部未做屏蔽，容易受到外界電磁干擾，影響測量精度；( 所用水泥砂漿或細石混凝土在混凝土結(jié)構(gòu)處于高壓應(yīng)力水平下容易開裂，易導(dǎo)致內(nèi)部壓電陶瓷片損壞，不適合動力損傷全過程監(jiān)測(2)壓電陶瓷片的位置不能得到保證，應(yīng)力傳遞路徑不確定；C3)不容易振搗密實；濟南大學(xué)黃世峰在復(fù)合材料學(xué)報上發(fā)表的《1-3型水泥基壓電復(fù)合材料傳感器的性能》一文中提到的1-3型水泥基壓電復(fù)合材料傳感元件制作工藝較復(fù)雜、成本高、不易于在土木工程中大量推廣。本發(fā)明——一種免電磁干擾的埋入式混凝土結(jié)構(gòu)多功能壓電智能骨料，采用壓電陶瓷(d33模式)材料為傳感元件，并對其外部包裝金屬殼以屏蔽外界電磁干擾且可以保護壓電陶瓷片進行混凝土損傷全過程監(jiān)測。利用壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)原理，經(jīng)過電荷放大器將電荷信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，利用標定試驗得到應(yīng)力與電壓之間的關(guān)系。對于普通混凝土及高強混凝土結(jié)構(gòu)的動力損傷全過程，該埋入式傳感器將保持完好并正常工作，因此可得出混凝土結(jié)構(gòu)動力損傷全過程的應(yīng)力時程；利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)原理，對其施加電壓激勵，壓電陶瓷會產(chǎn)生形變，產(chǎn)生以縱向振動為主的應(yīng)力波，利用壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)原理，接收經(jīng)過損傷而衰減的應(yīng)力波轉(zhuǎn)換的電壓信號，通過與建立的初始值進行比對，評估混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的損傷，為混凝土結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測提供了一種新的方法。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的混凝土損傷監(jiān)測傳感器在電磁屏蔽效果、應(yīng)力傳遞路徑可靠性、 高應(yīng)力水平性能穩(wěn)定性等問題，本發(fā)明提出一種免電磁干擾的埋入式混凝土結(jié)構(gòu)多功能壓電智能骨料，該發(fā)明有效地解決了上述問題，且制作簡單，性能穩(wěn)定，價格低廉，易于在土木工程領(lǐng)域大量推廣應(yīng)用。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種免電磁干擾的埋入式混凝土結(jié)構(gòu)多功能壓電智能骨料結(jié)構(gòu)包括金屬屏蔽底座、金屬屏蔽蓋、d33模式壓電陶瓷片、絕緣橡圈、導(dǎo)電片、環(huán)氧樹脂絕緣防水層、屏蔽導(dǎo)線及屏蔽接頭，其中，金屬屏蔽底座與金屬屏蔽蓋統(tǒng)稱為金屬屏蔽殼。壓電陶瓷片位于金屬屏蔽保護殼的內(nèi)部，將兩片壓電陶瓷片正極相對放置，中間放置導(dǎo)電片，將導(dǎo)電片與屏蔽導(dǎo)線正極相連，金屬屏蔽底座與屏蔽線外層屏蔽線相連，將金屬屏蔽蓋與金屬底座通過螺紋連接， 并施加一定的預(yù)緊力，屏蔽導(dǎo)線另一端與屏蔽接頭相連，屏蔽接頭與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連接。上述的一種免電磁干擾的埋入式混凝土結(jié)構(gòu)多功能壓電智能骨料具體做法為將兩片壓電陶瓷片正極相對中間放置導(dǎo)電片，將導(dǎo)電片與屏蔽導(dǎo)線正極焊接為一體；將屏蔽導(dǎo)線的外圍屏蔽線與金屬屏蔽底座焊接一體；利用絕緣橡圈將壓電陶瓷片側(cè)面箍緊，將金屬屏蔽底座與金屬屏蔽蓋通過螺紋連接一體，并在連接部位做焊接處理之后對其上下表面施加一定的預(yù)壓力，最后在金屬外殼上涂以環(huán)氧樹脂絕緣防水層，并在表面粘砂，保證傳感器與混凝土之間有良好的相容性二4小時風(fēng)干后形成該壓電智能骨料。本發(fā)明的有益效果1.本發(fā)明的金屬屏蔽殼，可以有效的屏蔽外界電磁干擾，提高測量精度且可以對壓電陶瓷片起到保護作用，可以對混凝土結(jié)構(gòu)進行動力損傷全過程的應(yīng)力監(jiān)測。2.本發(fā)明的體積小、強度高，將其埋入混凝土結(jié)構(gòu)中可以替代混凝土中的一顆粗骨料，不改變測量位置處應(yīng)力分布。3.本發(fā)明構(gòu)造簡單、傳力路徑清晰、性能穩(wěn)定、成本低廉，適用于土木工程中的廣泛應(yīng)用。


圖1是一種免電磁干擾的埋入式混凝土結(jié)構(gòu)多功能壓電智能骨料結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是一種免電磁干擾的埋入式混凝土結(jié)構(gòu)多功能壓電智能骨料橫截面圖。圖中1—金屬屏蔽底座；2——金屬屏蔽蓋；3——d33模式壓電陶瓷片；4—— 絕緣橡圈；5——導(dǎo)電片；6——環(huán)氧樹脂絕緣防水層；7——屏蔽導(dǎo)線；8——屏蔽接頭。
具體實施例方式以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細敘述本發(fā)明的具體實施過程。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示，其結(jié)構(gòu)包括金屬屏蔽底座1、金屬屏蔽蓋2、d33模式壓電陶瓷片3、絕緣橡圈4、導(dǎo)電片5、環(huán)氧樹脂絕緣防水層6、屏蔽導(dǎo)線7及屏蔽接頭8組成。將兩片壓電陶瓷片的正極對在一起，中間放置導(dǎo)電片，并與屏蔽導(dǎo)線的內(nèi)芯焊接為一體；外部包以絕緣橡圈，并將屏蔽導(dǎo)線的屏蔽線與金屬外殼焊接一體；將金屬屏蔽底座與金屬屏蔽蓋利用螺紋連接一體，同時施加一定的預(yù)緊力，并將連接部分焊接處理，最后在金屬外殼上涂以環(huán)氧樹脂絕緣防水層二4小時風(fēng)干后形成該壓電智能骨料。當(dāng)壓電智能骨料埋入到混凝土結(jié)構(gòu)中時，外部金屬保護殼可以保證傳感器在結(jié)構(gòu)動力損傷全過程中正常工作且可以有效的屏蔽外界的電磁干擾，外部涂環(huán)氧樹脂時可適當(dāng)粘一些粗砂，保證傳感器與混凝土之間有良好的相容性，減少由于界面分離造成的信號干擾。
將壓電智能骨料埋入于混凝土結(jié)構(gòu)中，使壓電陶瓷片所在平面與被測結(jié)構(gòu)主壓應(yīng)力方向垂直，當(dāng)結(jié)構(gòu)受到外部動力荷載作用時，根據(jù)正壓電效應(yīng)，壓電陶瓷上下表面會產(chǎn)生等量且電性相反的電荷，電荷量與外力成正比，將此電荷通過電荷放大器轉(zhuǎn)化為電壓信號， 并通過相應(yīng)的信號采集系統(tǒng)將電壓信號存入計算機中，利用動態(tài)加載實驗標定的傳感器電壓與受力截面應(yīng)力之間的靈敏度系數(shù)，從而可實現(xiàn)對混凝土結(jié)構(gòu)進行動力損傷全過程的監(jiān)測；將兩個傳感器平行放置于可能出現(xiàn)損傷位置的兩側(cè)，對其中一個傳感器進行電壓激勵， 根據(jù)逆壓電效應(yīng)，傳感器會與周圍混凝土作用產(chǎn)生縱向振動為主的應(yīng)力波，另外一個傳感器接到混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷衰減后的應(yīng)力波，根據(jù)正壓電效應(yīng)，壓電陶瓷的上下表面會產(chǎn)生等量相反的電荷，通過與建立的初始值進行比對，評估混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的損傷，實現(xiàn)對混凝土結(jié)構(gòu)的主動損傷監(jiān)測。
權(quán)利要求
1. 一種免電磁干擾的埋入式混凝土結(jié)構(gòu)多功能壓電智能骨料，其特征在于該傳感器包括金屬屏蔽底座(1)、金屬屏蔽蓋(2)、d33模式壓電陶瓷片(3)、絕緣橡圈0)、導(dǎo)電片(5)、 環(huán)氧樹脂絕緣防水層(6)、屏蔽導(dǎo)線(7)及屏蔽接頭(8)；傳感器的外部為金屬屏蔽底座 (1)及金屬屏蔽蓋O)，兩片d33模式壓電陶瓷片(3)正極相對放置，中間放置導(dǎo)電片(5)， 將導(dǎo)電片(5)與屏蔽導(dǎo)線(7)正極相連，金屬屏蔽底座(1)與屏蔽線外層屏蔽線相連，用絕緣橡圈(4)將壓電陶瓷外側(cè)箍緊，將金屬屏蔽蓋(2)與金屬屏蔽底座(1)通過螺紋連接，并施加一定的預(yù)緊力，然后在其外部涂一層環(huán)氧樹脂絕緣保護層(6)，屏蔽導(dǎo)線(7)另一端與屏蔽接頭(8)相連，屏蔽接頭與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種免電磁干擾的埋入式混凝土結(jié)構(gòu)多功能壓電智能骨料，其組成包括金屬屏蔽底座、金屬屏蔽蓋、d33模式壓電陶瓷片、絕緣橡圈、導(dǎo)電片、環(huán)氧樹脂絕緣層、屏蔽導(dǎo)線及屏蔽接頭。將兩片壓電陶瓷片正極相對中間放置導(dǎo)電片，將導(dǎo)電片與屏蔽導(dǎo)線正極焊接為一體；將屏蔽導(dǎo)線的外圍屏蔽線與金屬屏蔽底座焊接一體；利用絕緣橡圈將壓電陶瓷側(cè)面箍緊，將金屬屏蔽底座與金屬屏蔽蓋通過螺紋連接一體，并對其上下表面施加一定的預(yù)壓力，在連接部位做焊接處理之后，最后在金屬外殼上涂以環(huán)氧樹脂絕緣防水層，24小時風(fēng)干后形成該壓電智能骨料。外部涂環(huán)氧樹脂時可適當(dāng)粘一些粗砂，保證傳感器與混凝土之間有良好的相容性。本發(fā)明優(yōu)點是屏蔽效果顯著、混凝土內(nèi)部應(yīng)力場免干擾、混凝土內(nèi)部動力損傷演化全過程監(jiān)測、受力路徑明確、構(gòu)造簡單、造價低廉。
文檔編號H05K9/00GK102384803SQ20111022625
公開日2012年3月21日 申請日期2011年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月8日
發(fā)明者侯爽, 張海濱, 歐進萍, 聶長利 申請人:大連理工大學(xué)