一种压电应变传感器、传感器应变灵敏度的测试方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种压电应变传感器、应变灵敏度的测试方法和传感器的应用，传感器包括压电陶瓷片、硅胶层和封装层，硅胶层能使传感器受力均匀，灵敏度好，封装层能使传感器绝缘性好，消除对外界环境的干扰。本发明专利技术通过等强度梁装置进行应变灵敏度测试，该方法可以测试出不同桥梁低频振动条件下传感器的应变灵敏度(mV/με），结合不同振动频率下的应变灵敏度、传感器的电压输出，可以间接反映出桥梁结构的应变，从而使压电应变传感器能够取代应变片来测试低频下桥梁等结构的应变，克服了使用应变片的种种弊端，在桥梁监测中有很好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种压电应变传感器、应变灵敏度的测试方法和传感器的应用，传感器包括压电陶瓷片、硅胶层和封装层，硅胶层能使传感器受力均匀，灵敏度好，封装层能使传感器绝缘性好，消除对外界环境的干扰。本专利技术通过等强度梁装置进行应变灵敏度测试，该方法可以测试出不同桥梁低频振动条件下传感器的应变灵敏度(mV/με），结合不同振动频率下的应变灵敏度、传感器的电压输出，可以间接反映出桥梁结构的应变，从而使压电应变传感器能够取代应变片来测试低频下桥梁等结构的应变，克服了使用应变片的种种弊端，在桥梁监测中有很好的应用前景。【专利说明】一种压电应变传感器、传感器应变灵敏度的测试方法及其应用
本专利技术涉及一种压电应变传感器，特别涉及一种应用于混凝土结构应变监测的基于压电陶瓷片的压电应变传感器，该传感器灵敏度的测试方法及其应用。
技术介绍
土木工程结构中，最直接有效的健康监测方法就是测量混凝土结构内部力、应变的变化，即通过混凝土所处的应力、应变状态来判断结构局部的健康状况。现今，对混凝土结构进行应变监测时一般都采用应变片，将应变片贴在桥梁上，通过采集其应变信号反映混凝土结构的健康状况。但是应变片具有很多缺点，例如:1、应变片零点漂移厉害，需要定期校准；2、应变片适合贴于混凝土表面，不能测试结构内部应变的变化；3、应变片引线过长时，信号干扰过大，使测试结果不准确；4、使用寿命短，不适于长期监测，由此，应变片的应用受到很多限制。压电陶瓷具有机电耦合效应强、敏感性较好、可以将极微弱的机械振动转换成电信号的优点，以其为压电元件制成的压电传感器研究的较多。但是目前压电传感器都用来测试混凝土的应力情况，即研究传感器的电压输出与应力输入的关系，通过传感器输出电压反应输入应力的大小，用于混凝土结构关键部位的应力监测。目前，用压电传感器来反映混凝土应变状态的报道未见报道。
技术实现思路
本专利技术针对应变片所存在的缺点，提供了 一种压电应变传感器，该传感器应变灵敏度高、抗电磁干扰性强、与混凝土相容性好，可确保混凝土应变监测数据的准确性，具有很好的应用价值。本专利技术还提供了该传感器应变灵敏度测试方法，目前因为没有传感器输出电压与应变的关系研究，因此导致无法用传感器反映应变信号，本专利技术提供了该测试方法后，可以方便、快捷地确定传感器的应变灵敏度，使传感器可以用于应变的监测，为传感器的新应用提供了技术支持。在一定的低频振动范围内，传感器可以取代应变片来监测混凝土的应变状态。本专利技术还提供了该传感器在桥梁应变监测中的应用，该传感器灵敏度高、与混凝土匹配性好，韧性及耐久性好，使用寿命长，可以代替应变片监测混凝土的应变状态。本专利技术具体技术方案如下: 一种压电应变传感器，其特征是:包括压电陶瓷片、硅胶层和封装层，所述压电陶瓷片和硅胶层位于封装层的内部，压电陶瓷片的上表面为正极，下表面为负极，所述正负极上连接有屏蔽导线，屏蔽导线的另一端位于封装层外部并与接头相连，正负极上还附有硅胶层，硅胶层和压电陶瓷片直接与封装层接触。上述压电应变传感器中，还包括屏蔽线，屏蔽线是从压电陶瓷片负极上引出的一部分屏蔽导线，所述屏蔽线的末端固定在封装层的外表面上。所用屏蔽导线为屏蔽作用良好的铜芯屏蔽导线。上述压电应变传感器中，所述压电陶瓷片厚度为1mm。选择厚度小的压电陶瓷片可以提高传感器的灵敏度。本专利技术的硅胶层主要作用是确保压电陶瓷受力均匀，所用硅胶为室温硫化硅，未与空气接触时是液态的，与空气接触后为固态。硅胶层厚度优选为0.5mm。上述压电应变传感器中，封装层起到屏蔽隔离的作用，为了使压电陶瓷片不受外界干扰，其厚度一般lmnT2mm即可。本专利技术通过在封装层中添加石墨的方法，来提高传感器屏蔽电磁干扰的能力，优选的，封装层为质量比为:4:4:1:11:4:1:3的水泥、环氧树脂、固化剂和石墨的混合物，或者是质量比是4:1:11:1:3的防腐抗渗性水泥、水和石墨的混合物。本专利技术的封装材料能确保传感器与混凝土间的良好力学兼容性，所述封装层的强度远高于环氧树脂硬化后的强度，接近于水泥硬化的强度。封装材料与水泥块间的力学性能匹配利于真实应力从混凝土到压电陶瓷间的传递，确保传感器与混凝土间的良好兼容性。封装材料还具有同环氧树脂一样高的电阻率，可以保证传感器的电学稳定性。同时，这种封装材料还具有很高的防水性，可以保证压电元件不受水汽的影响。另外所述封装材料的屏蔽环境中电磁干扰能力较强。综上，本专利技术封装层具有强度高、绝缘性好、防水性好、电阻率高、与混凝土力学性能匹配等特点。封装层所用水泥可以是普通水泥，也可以是特殊性能的水泥，如硫铝酸盐水泥、硫铝酸钡钙水泥、硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥等。使用具有特殊性能的水泥时，可以使封装层具有水泥的特殊性能，例如强度大、防腐性，防水性等。封装层所用环氧树脂优选为AB-灌浆树脂、E-55环氧树脂、731环氧树脂、AG80环氧树脂或W95环氧树脂。环氧树脂可以使封装层具有很好的强度和防水性，在浇注时AB-灌浆树脂流动性最好，最易操作，因此优选AB-灌浆树脂。本专利技术还研究了在准静态和低频振动条件下，压电应变传感器的电压输出与结构应变之间的关系，得到相应的传感器灵敏度。准静态条件指的是对结构加载不同的力，动态条件模拟了桥梁的低频振动(0-40Ηζ)，使结构按照一定的频率进行振动。本专利技术压电应变灵敏度测试所用到的实验设备有:等强度梁装置、信号发生器、激振器、应变仪、数据采集系统。进行静态应变灵敏度测试时，所用测试系统包括等强度梁装置，所述等强度梁装置包括梁、支撑杆和底座，梁的一端与支撑杆连接，梁的另一端为自由端，梁的自由端活动连接有砝码，所述梁的上下表面均设有压电应变传感器和应变片，压电应变传感器和应变片位于梁的中心线上，所述压电应变传感器与数据采集系统连接，所述应变片与应变仪连接，应变仪与数据采集系统连接；进行动态应变灵敏度测试时，所用测试系统包括等强度梁装置，所述等强度梁装置的梁的自由端与激振器相连，所述激振器与信号发生器相连，梁的上表面或下表面设有压电应变传感器和应变片，压电应变传感器和应变片位于梁的中心线上，所述压电应变传感器与数据采集系统连接，所述应变片与应变仪连接，应变仪与数据采集系统连接。本专利技术压电应变传感器准静态应变灵敏度的测试方法，包括以下步骤:在等强度梁的自由端分别一次性加一个砝码、两个砝码和三个砝码，通过数据采集系统采集加载不同个数砝码时应变片和压电应变传感器的输出数据，取每次加载砝码后压电应变传感器输出电压的峰值和加载砝码后应变片稳定后的应变值，将应变片的应变值和压电应变传感器的输出电压的峰值进行线性拟合，所得直线的斜率即为压电应变传感器的准静态应变灵敏度。为了结果的准确性，可以进行多组实验，取输出电压的峰值和应变值的平均值。本专利技术压电应变传感器动态应变灵敏度的测试方法，包括以下步骤:控制信号发生器并对等强度梁进行正弦激励，使梁在某一固定的激振频率下振动，改变激励正弦信号的幅值来控制激振力的大小，将正弦信号的幅值从OV逐渐增加到3V，每次增加幅度为0.5V，通过数据采集仪采集不同正弦信号幅值下应变片的最大应变幅值和压电应变传感器的最大电压幅值，对应变片的最大应变幅值和压电应变传感器的最大电压幅值进行线性拟合，所得直本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压电应变传感器，其特征是：包括压电陶瓷片、硅胶层和封装层，所述压电陶瓷片和硅胶层位于封装层的内部，压电陶瓷片的上表面为正极，下表面为负极，所述正负极上连接有屏蔽导线，屏蔽导线的另一端位于封装层外部并与接头相连，正负极上还附有硅胶层，硅胶层和压电陶瓷片直接与封装层接触。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：程新，沙飞，徐东宇，黄世峰，芦令超，
申请(专利权)人：济南大学，
类型：发明
国别省市：