一種壓電應(yīng)變傳感器、傳感器應(yīng)變靈敏度的測試方法及其應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種壓電應(yīng)變傳感器、應(yīng)變靈敏度的測試方法和傳感器的應(yīng)用，傳感器包括壓電陶瓷片、硅膠層和封裝層，硅膠層能使傳感器受力均勻，靈敏度好，封裝層能使傳感器絕緣性好，消除對外界環(huán)境的干擾。本發(fā)明通過等強(qiáng)度梁裝置進(jìn)行應(yīng)變靈敏度測試，該方法可以測試出不同橋梁低頻振動(dòng)條件下傳感器的應(yīng)變靈敏度(mV/με），結(jié)合不同振動(dòng)頻率下的應(yīng)變靈敏度、傳感器的電壓輸出，可以間接反映出橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)變，從而使壓電應(yīng)變傳感器能夠取代應(yīng)變片來測試低頻下橋梁等結(jié)構(gòu)的應(yīng)變，克服了使用應(yīng)變片的種種弊端，在橋梁監(jiān)測中有很好的應(yīng)用前景。
【專利說明】一種壓電應(yīng)變傳感器、傳感器應(yīng)變靈敏度的測試方法及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種壓電應(yīng)變傳感器，特別涉及一種應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測的基于壓電陶瓷片的壓電應(yīng)變傳感器，該傳感器靈敏度的測試方法及其應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]土木工程結(jié)構(gòu)中，最直接有效的健康監(jiān)測方法就是測量混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部力、應(yīng)變的變化，即通過混凝土所處的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)來判斷結(jié)構(gòu)局部的健康狀況?，F(xiàn)今，對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測時(shí)一般都采用應(yīng)變片，將應(yīng)變片貼在橋梁上，通過采集其應(yīng)變信號反映混凝土結(jié)構(gòu)的健康狀況。但是應(yīng)變片具有很多缺點(diǎn)，例如:1、應(yīng)變片零點(diǎn)漂移厲害，需要定期校準(zhǔn)；2、應(yīng)變片適合貼于混凝土表面，不能測試結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)變的變化；3、應(yīng)變片引線過長時(shí)，信號干擾過大，使測試結(jié)果不準(zhǔn)確；4、使用壽命短，不適于長期監(jiān)測，由此，應(yīng)變片的應(yīng)用受到很多限制。
[0003]壓電陶瓷具有機(jī)電耦合效應(yīng)強(qiáng)、敏感性較好、可以將極微弱的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號的優(yōu)點(diǎn)，以其為壓電元件制成的壓電傳感器研究的較多。但是目前壓電傳感器都用來測試混凝土的應(yīng)力情況，即研究傳感器的電壓輸出與應(yīng)力輸入的關(guān)系，通過傳感器輸出電壓反應(yīng)輸入應(yīng)力的大小，用于混凝土結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的應(yīng)力監(jiān)測。目前，用壓電傳感器來反映混凝土應(yīng)變狀態(tài)的報(bào)道未見報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對應(yīng)變片所存在的缺點(diǎn)，提供了 一種壓電應(yīng)變傳感器，該傳感器應(yīng)變靈敏度高、抗電磁干擾性強(qiáng)、與混凝土相容性好，可確保混凝土應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。
[0005]本發(fā)明還提供了該傳感器應(yīng)變靈敏度測試方法，目前因?yàn)闆]有傳感器輸出電壓與應(yīng)變的關(guān)系研究，因此導(dǎo)致無法用傳感器反映應(yīng)變信號，本發(fā)明提供了該測試方法后，可以方便、快捷地確定傳感器的應(yīng)變靈敏度，使傳感器可以用于應(yīng)變的監(jiān)測，為傳感器的新應(yīng)用提供了技術(shù)支持。在一定的低頻振動(dòng)范圍內(nèi)，傳感器可以取代應(yīng)變片來監(jiān)測混凝土的應(yīng)變狀態(tài)。
[0006]本發(fā)明還提供了該傳感器在橋梁應(yīng)變監(jiān)測中的應(yīng)用，該傳感器靈敏度高、與混凝土匹配性好，韌性及耐久性好，使用壽命長，可以代替應(yīng)變片監(jiān)測混凝土的應(yīng)變狀態(tài)。
[0007]本發(fā)明具體技術(shù)方案如下:
一種壓電應(yīng)變傳感器，其特征是:包括壓電陶瓷片、硅膠層和封裝層，所述壓電陶瓷片和硅膠層位于封裝層的內(nèi)部，壓電陶瓷片的上表面為正極，下表面為負(fù)極，所述正負(fù)極上連接有屏蔽導(dǎo)線，屏蔽導(dǎo)線的另一端位于封裝層外部并與接頭相連，正負(fù)極上還附有硅膠層，硅膠層和壓電陶瓷片直接與封裝層接觸。
[0008]上述壓電應(yīng)變傳感器中，還包括屏蔽線，屏蔽線是從壓電陶瓷片負(fù)極上引出的一部分屏蔽導(dǎo)線，所述屏蔽線的末端固定在封裝層的外表面上。所用屏蔽導(dǎo)線為屏蔽作用良好的銅芯屏蔽導(dǎo)線。
[0009]上述壓電應(yīng)變傳感器中，所述壓電陶瓷片厚度為1mm。選擇厚度小的壓電陶瓷片可以提高傳感器的靈敏度。
[0010]本發(fā)明的硅膠層主要作用是確保壓電陶瓷受力均勻，所用硅膠為室溫硫化硅，未與空氣接觸時(shí)是液態(tài)的，與空氣接觸后為固態(tài)。硅膠層厚度優(yōu)選為0.5mm。
[0011]上述壓電應(yīng)變傳感器中，封裝層起到屏蔽隔離的作用，為了使壓電陶瓷片不受外界干擾，其厚度一般lmnT2mm即可。
[0012]本發(fā)明通過在封裝層中添加石墨的方法，來提高傳感器屏蔽電磁干擾的能力，優(yōu)選的，封裝層為質(zhì)量比為:4:4:1:11:4:1:3的水泥、環(huán)氧樹脂、固化劑和石墨的混合物，或者是質(zhì)量比是4:1:11:1:3的防腐抗?jié)B性水泥、水和石墨的混合物。本發(fā)明的封裝材料能確保傳感器與混凝土間的良好力學(xué)兼容性，所述封裝層的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于環(huán)氧樹脂硬化后的強(qiáng)度，接近于水泥硬化的強(qiáng)度。封裝材料與水泥塊間的力學(xué)性能匹配利于真實(shí)應(yīng)力從混凝土到壓電陶瓷間的傳遞，確保傳感器與混凝土間的良好兼容性。封裝材料還具有同環(huán)氧樹脂一樣高的電阻率，可以保證傳感器的電學(xué)穩(wěn)定性。同時(shí)，這種封裝材料還具有很高的防水性，可以保證壓電元件不受水汽的影響。另外所述封裝材料的屏蔽環(huán)境中電磁干擾能力較強(qiáng)。綜上，本發(fā)明封裝層具有強(qiáng)度高、絕緣性好、防水性好、電阻率高、與混凝土力學(xué)性能匹配等特點(diǎn)。
[0013]封裝層所用水泥可以是普通水泥，也可以是特殊性能的水泥，如硫鋁酸鹽水泥、硫鋁酸鋇鈣水泥、硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、鐵鋁酸鹽水泥等。使用具有特殊性能的水泥時(shí)，可以使封裝層具有水泥的特殊性能，例如強(qiáng)度大、防腐性，防水性等。
[0014]封裝層所用環(huán)氧樹脂優(yōu)選為AB-灌漿樹脂、E-55環(huán)氧樹脂、731環(huán)氧樹脂、AG80環(huán)氧樹脂或W95環(huán)氧樹脂。環(huán)氧樹脂可以使封裝層具有很好的強(qiáng)度和防水性，在澆注時(shí)AB-灌漿樹脂流動(dòng)性最好，最易操作，因此優(yōu)選AB-灌漿樹脂。
[0015]本發(fā)明還研究了在準(zhǔn)靜態(tài)和低頻振動(dòng)條件下，壓電應(yīng)變傳感器的電壓輸出與結(jié)構(gòu)應(yīng)變之間的關(guān)系，得到相應(yīng)的傳感器靈敏度。準(zhǔn)靜態(tài)條件指的是對結(jié)構(gòu)加載不同的力，動(dòng)態(tài)條件模擬了橋梁的低頻振動(dòng)(0-40Ηζ)，使結(jié)構(gòu)按照一定的頻率進(jìn)行振動(dòng)。
[0016]本發(fā)明壓電應(yīng)變靈敏度測試所用到的實(shí)驗(yàn)設(shè)備有:等強(qiáng)度梁裝置、信號發(fā)生器、激振器、應(yīng)變儀、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。進(jìn)行靜態(tài)應(yīng)變靈敏度測試時(shí)，所用測試系統(tǒng)包括等強(qiáng)度梁裝置，所述等強(qiáng)度梁裝置包括梁、支撐桿和底座，梁的一端與支撐桿連接，梁的另一端為自由端，梁的自由端活動(dòng)連接有砝碼，所述梁的上下表面均設(shè)有壓電應(yīng)變傳感器和應(yīng)變片，壓電應(yīng)變傳感器和應(yīng)變片位于梁的中心線上，所述壓電應(yīng)變傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，所述應(yīng)變片與應(yīng)變儀連接，應(yīng)變儀與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接；進(jìn)行動(dòng)態(tài)應(yīng)變靈敏度測試時(shí)，所用測試系統(tǒng)包括等強(qiáng)度梁裝置，所述等強(qiáng)度梁裝置的梁的自由端與激振器相連，所述激振器與信號發(fā)生器相連，梁的上表面或下表面設(shè)有壓電應(yīng)變傳感器和應(yīng)變片，壓電應(yīng)變傳感器和應(yīng)變片位于梁的中心線上，所述壓電應(yīng)變傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，所述應(yīng)變片與應(yīng)變儀連接，應(yīng)變儀與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接。
[0017]本發(fā)明壓電應(yīng)變傳感器準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變靈敏度的測試方法，包括以下步驟:在等強(qiáng)度梁的自由端分別一次性加一個(gè)砝碼、兩個(gè)砝碼和三個(gè)砝碼，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集加載不同個(gè)數(shù)砝碼時(shí)應(yīng)變片和壓電應(yīng)變傳感器的輸出數(shù)據(jù)，取每次加載砝碼后壓電應(yīng)變傳感器輸出電壓的峰值和加載砝碼后應(yīng)變片穩(wěn)定后的應(yīng)變值，將應(yīng)變片的應(yīng)變值和壓電應(yīng)變傳感器的輸出電壓的峰值進(jìn)行線性擬合，所得直線的斜率即為壓電應(yīng)變傳感器的準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變靈敏度。為了結(jié)果的準(zhǔn)確性，可以進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)，取輸出電壓的峰值和應(yīng)變值的平均值。
[0018]本發(fā)明壓電應(yīng)變傳感器動(dòng)態(tài)應(yīng)變靈敏度的測試方法，包括以下步驟:控制信號發(fā)生器并對等強(qiáng)度梁進(jìn)行正弦激勵(lì)，使梁在某一固定的激振頻率下振動(dòng)，改變激勵(lì)正弦信號的幅值來控制激振力的大小，將正弦信號的幅值從OV逐漸增加到3V，每次增加幅度為
0.5V，通過數(shù)據(jù)采集儀采集不同正弦信號幅值下應(yīng)變片的最大應(yīng)變幅值和壓電應(yīng)變傳感器的最大電壓幅值，對應(yīng)變片的最大應(yīng)變幅值和壓電應(yīng)變傳感器的最大電壓幅值進(jìn)行線性擬合，所得直線的斜率即為該激振頻率下壓電應(yīng)變傳感器的動(dòng)態(tài)應(yīng)變靈敏度。動(dòng)態(tài)應(yīng)變靈敏度測試中，激振頻率為1-40 Hz。
[0019]本發(fā)明測試傳感器應(yīng)變靈敏度的原理是:等強(qiáng)度梁裝置中梁的截面尺寸隨著彎矩的大小而相應(yīng)改變，各截面彎曲應(yīng)力相同，梁的中心軸線(也可叫做中心線，下同)上的應(yīng)變處處相等，因此處于梁中心軸線上不同部位的傳感器和電阻應(yīng)變片(簡稱應(yīng)變片，下同)都反映了相同的應(yīng)變。將壓電應(yīng)變傳感器和應(yīng)變片分別粘貼在等強(qiáng)度梁的中心軸線上，在梁自由端加載不同的力或者使梁的自由端在一定頻率內(nèi)振動(dòng)，使梁產(chǎn)生變形，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(例如DH5923數(shù)據(jù)采集儀)采集位于梁上下表面的傳感器和應(yīng)變片的輸出信號，得出傳感器和應(yīng)變片在不同條件下的響應(yīng)曲線，通過理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，得出輸出電壓與梁應(yīng)變之間的對應(yīng)關(guān)系，從而最終得到不同狀態(tài)下傳感器的應(yīng)變靈敏度，為實(shí)際橋梁監(jiān)測的工程應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。
[0020]本發(fā)明壓電應(yīng)變傳感器可應(yīng)用于橋梁低頻振動(dòng)的應(yīng)變監(jiān)測，可將壓電應(yīng)變傳感器貼于橋梁混凝土表面或者埋入橋梁混凝土內(nèi)部，監(jiān)測橋梁低頻振動(dòng)狀態(tài)下混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)變變化，對橋梁健康狀況進(jìn)行監(jiān)測。
[0021]通過本發(fā)明的測試方法可以測試出不同橋梁低頻振動(dòng)條件下傳感器的應(yīng)變靈敏度(mV/μ ε )，結(jié)合不同振動(dòng)頻率下的應(yīng)變靈敏度、傳感器的電壓輸出，可以間接反映出橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)變。在一定的低頻頻率范圍內(nèi)，壓電應(yīng)變傳感器能夠取代應(yīng)變片來測試低頻下橋梁等結(jié)構(gòu)的應(yīng)變，克服了使用應(yīng)變片的種種弊端。
[0022]本發(fā)明壓電應(yīng)變傳感器具有制備工藝簡單、成本低、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)合理，絕緣性能良好，抗電磁干擾能力強(qiáng)，靈敏度高，與混凝土力學(xué)兼容性良好等優(yōu)點(diǎn)，適合植入混凝土的內(nèi)部，或貼于混凝土表面進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)變的長期監(jiān)測。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1本發(fā)明壓電陶瓷應(yīng)變傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖2為壓電傳感器在準(zhǔn)靜態(tài)條件下的應(yīng)變靈敏度測試裝置圖。
[0025]圖3為壓電傳感器在橋梁低頻振動(dòng)下的應(yīng)變靈敏度測試裝置圖。
[0026]圖4為梁在拉伸狀態(tài)下應(yīng)變片的應(yīng)變信號圖。
[0027]圖5為梁在拉伸狀態(tài)下壓電傳感器的輸出電壓信號圖。
[0028]圖6靜態(tài)載荷(一個(gè)破碼253g)作用下應(yīng)變片與傳感器的輸出對比圖。
[0029]圖7加載一個(gè)砝碼時(shí)應(yīng)變輸出曲線。[0030]圖8加載一個(gè)破碼時(shí)電壓輸出的曲線。
[0031]圖9加載兩個(gè)砝碼時(shí)應(yīng)變輸出曲線。
[0032]圖10加載兩個(gè)砝碼時(shí)電壓輸出曲線。
[0033]圖11加載三個(gè)砝碼時(shí)應(yīng)變輸出曲線。
[0034]圖12加載三個(gè)砝碼時(shí)電壓輸出曲線。
[0035]圖13準(zhǔn)靜態(tài)加載下壓電應(yīng)變傳感器的應(yīng)變靈敏度圖。
[0036]圖14 IOHz振動(dòng)下應(yīng)變輸出曲線。
[0037]圖15 IOHz振動(dòng)下電壓輸出曲線。
[0038]圖16 20Hz振動(dòng)下應(yīng)變輸出曲線。
[0039]圖17 20Hz振動(dòng)下電壓輸出曲線。
[0040]圖18 40Hz振動(dòng)下應(yīng)變輸出曲線。
[0041]圖19 40Hz振動(dòng)下電壓輸出曲線。
[0042]圖20不同激振頻率下的應(yīng)變靈敏度圖。
[0043]圖中，1、壓電陶瓷片，2、硅膠層，3、封裝層，4、屏蔽導(dǎo)線，5、接頭，6、屏蔽線，7、梁，
8、支撐桿，9、底座，10、壓電應(yīng)變傳感器，11、應(yīng)變片，12、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，13、砝碼，14、激振器，15、掃頻信號發(fā)生器。
【具體實(shí)施方式】
[0044]下面通過具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的闡述，應(yīng)該明白的是，下述說明僅是為了解釋本發(fā)明，并不對其內(nèi)容進(jìn)行限定。
[0045]實(shí)施例1
本發(fā)明壓電應(yīng)變傳感器如圖1所示，以PZT壓電陶瓷片(厚度Imm)為壓電感應(yīng)元件，壓電陶瓷片的上表面為正極，下表面為負(fù)極，正負(fù)極上連接屏蔽導(dǎo)線，正負(fù)極上還附有一層
0.5_厚的硅膠層，壓電陶瓷片和硅膠層上附有封裝層。封裝層作為傳感器的最外層，將壓電陶瓷片與外界隔離。硅膠層和壓電陶瓷片直接與封裝層接觸，使壓電陶瓷片受力均勻。此夕卜，從壓電陶瓷片負(fù)極上引出屏蔽線，屏蔽線的末端粘貼在封裝層的外表面上，屏蔽導(dǎo)線的另一端位于封裝層的外部，與BNC接頭相接。
[0046]封裝層厚度為1mm，封裝層為質(zhì)量比為:4:4:1:2的水泥、環(huán)氧樹脂、固化劑和石
墨的混合物。
[0047]傳感器的制備過程為:用切割機(jī)切割壓電陶瓷，使其尺寸為7mmX 14mmX Imm,用超聲波清洗儀清洗，然后烘干。在壓電陶瓷上下兩表面鍍銀電極，并在壓電陶瓷片兩電極面上焊接屏蔽導(dǎo)線，然后在兩電極面上均勻覆蓋一層約0.5mm厚的液態(tài)硅橡膠，保證壓電陶瓷受力均勻，待橡膠完全固化后，將覆蓋硅膠層的壓電陶瓷置于模具中，引出屏蔽線。將硅酸鹽水泥干粉、AB-灌漿樹脂、石墨的混合物攪拌均勻，然后加入固化劑，為去除混合物中氣泡，在干燥器里進(jìn)行抽真空15分鐘，最后澆注于模具中。待封裝層硬化后拆模，將屏蔽線粘在封裝層表面，并將傳感器于20°C、濕度為100%的養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)28天，即得。
實(shí)施例2
按照實(shí)施例1的方法制備具有圖1結(jié)構(gòu)的傳感器，不同的是:封裝層材料為質(zhì)量比為4:4:1:2的硫鋁酸鹽水泥、AB-灌漿樹脂、固化劑和石墨的混合物；封裝層厚度為1.5_。[0048]實(shí)施例3
按照實(shí)施例1的方法制備具有圖1結(jié)構(gòu)的傳感器，不同的是:封裝層材料為質(zhì)量比為4:4:1:3的硫鋁酸鹽水泥、AB-灌漿樹脂、固化劑和石墨的混合物；封裝層厚度為1.5_。
[0049]實(shí)施例4
按照實(shí)施例1的方法制備具有圖1結(jié)構(gòu)的傳感器，不同的是:封裝層材料質(zhì)量比為4:4:1:3的鋁酸鹽水泥、E-55環(huán)氧樹脂、固化劑和石墨的混合物。
[0050]實(shí)施例5
按照實(shí)施例1的方法制備具有圖1結(jié)構(gòu)的傳感器，不同的是:封裝層材料質(zhì)量比為4:4:1:3的鐵鋁酸鹽水泥、731環(huán)氧樹脂、固化劑和石墨的混合物。
[0051]實(shí)施例6
按照實(shí)施例1的方法制備具有圖1結(jié)構(gòu)的傳感器，不同的是:封裝層材料為質(zhì)量比為4:1:2的硫鋁酸鹽水泥、水、石墨的混合物，封裝材料的制備過程是:先均勻混合硫鋁酸鹽水泥和水，然后在均勻攪拌過程中加入石墨，制成封裝材料，澆入模具中制成封裝層。
[0052]實(shí)施例7
按照實(shí)施例1的方法制備具有圖1結(jié)構(gòu)的傳感器，不同的是:封裝層材料為質(zhì)量比為4:1:2的鐵鋁酸鹽水泥、水、石墨的混合物，封裝材料的制備過程是:先均勻混合鐵鋁酸鹽水泥和水，然后在均勻攪拌過程中加入石墨，制成封裝材料，澆入模具中制成封裝層。
[0053]上述所制傳感器的性能均很優(yōu)良，相比而言實(shí)施例1的傳感器性能更優(yōu)一些。下面以實(shí)施例1的傳感器為例，對本發(fā)明傳感器的靈敏度進(jìn)行研究，主要測試傳感器在準(zhǔn)靜態(tài)加載下和橋梁低頻振動(dòng)條件下的應(yīng)變靈敏度情況。
[0054]其所用測試的實(shí)驗(yàn)設(shè)備有:TJ-1型等強(qiáng)度梁裝置、DH1301掃頻信號發(fā)生器、DH1306小型激振器、YSV7008應(yīng)變儀、DH5923數(shù)據(jù)采集儀。所述等強(qiáng)度梁裝置包括梁、支撐桿、底座，梁的一端與支撐桿連接，梁的另一端為自由端；所述數(shù)據(jù)采集儀包括采集軟件、電荷試調(diào)器、應(yīng)變試調(diào)器等。
[0055]在進(jìn)行靜態(tài)響應(yīng)測試及靜態(tài)壓電應(yīng)變靈敏度測試時(shí)，梁的自由端懸吊不同數(shù)量的砝碼，在梁的上下表面均固定上壓電應(yīng)變傳感器和應(yīng)變片，壓電應(yīng)變傳感器和應(yīng)變片位于梁的中心線上，所述壓電應(yīng)變傳感器與DH5923數(shù)據(jù)采集儀連接，所述應(yīng)變片與YSV7008應(yīng)變儀連接，YSV7008應(yīng)變儀與DH5923數(shù)據(jù)采集儀連接；其中，壓電應(yīng)電變傳感器通過數(shù)據(jù)采集儀的電荷試調(diào)器與數(shù)據(jù)采集儀連接，應(yīng)變儀通過數(shù)據(jù)采集儀的應(yīng)變試調(diào)器與數(shù)據(jù)采集儀連接。
[0056]在進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)測試及動(dòng)態(tài)壓電應(yīng)變靈敏度測試時(shí)，梁的自由端與DH1306小型激振器相連，所述DH1306小型激振器與DH1301掃頻信號發(fā)生器相連，DH1301掃頻信號發(fā)生器控制DH1306小型激振器產(chǎn)生不同頻率、不同電壓幅值的振動(dòng)；梁的上表面設(shè)有壓電應(yīng)變傳感器和應(yīng)變片，壓電應(yīng)變傳感器和應(yīng)變片位于梁的中心線上，所述壓電應(yīng)變傳感器與DH5923數(shù)據(jù)采集儀連接，所述應(yīng)變片與YSV7008應(yīng)變儀連接，YSV7008應(yīng)變儀與DH5923數(shù)據(jù)采集儀連接。
[0057]準(zhǔn)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)應(yīng)變靈敏度測試系統(tǒng)分別如圖2、3所示。
[0058]實(shí)施例8
對壓電應(yīng)變傳感器準(zhǔn)靜態(tài)響應(yīng)的測試。[0059]在等強(qiáng)度梁的自由端加載砝碼，每次加一個(gè)砝碼(253g)，每次所加的砝碼不拿下，一共連續(xù)加三次，梁的上表面處于拉伸狀態(tài)，利用測試系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到梁在拉伸狀態(tài)下的電壓輸出曲線、應(yīng)變響應(yīng)曲線，如圖4、5所示。圖4中應(yīng)變片的輸出在達(dá)到最大值后就固定在某一值上，每次加砝碼時(shí)應(yīng)變值都增大，每次增幅相同；而圖5中壓電傳感器的輸出電壓在達(dá)到某一最大值后開始迅速衰減，而且每次加載砝碼(253g)時(shí)傳感器的電壓輸出峰值基本保持不變。梁上表面處于壓縮狀態(tài)時(shí)，規(guī)律相似，不同之處在于相應(yīng)輸出值為負(fù)值，此處不 列出。
[0060]取圖4、5中的相關(guān)數(shù)據(jù)，在同一坐標(biāo)中，作出傳感器和應(yīng)變片的響應(yīng)曲線，如圖6所示。在14.2s加載一個(gè)砝碼時(shí)，壓電應(yīng)變傳感器和應(yīng)變片開始迅速響應(yīng)，應(yīng)變片的響應(yīng)特征是達(dá)到最大值后就固定在某一值上，而壓電傳感器的響應(yīng)特征是電壓達(dá)到某一最大值后開始迅速衰減，并且壓電傳感器的響應(yīng)速度比應(yīng)變片的響應(yīng)速度快，因此壓電傳感器更適合作智能材料結(jié)構(gòu)中的傳感元件。
[0061]實(shí)施例9
傳感器準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變靈敏度測試方法如下:
在等強(qiáng)度梁的自由端加載一個(gè)砝碼(253g)，通過數(shù)據(jù)采集儀，采集到應(yīng)變和電壓數(shù)據(jù)；將一個(gè)砝碼取下待梁靜止后，加載兩個(gè)砝碼(506g)，通過數(shù)據(jù)采集儀，采集到應(yīng)變和電壓數(shù)據(jù)；將兩個(gè)砝碼取下待梁靜止后，加載三個(gè)砝碼(759g)，通過數(shù)據(jù)采集儀，采集到應(yīng)變和電壓數(shù)據(jù)。圖7-12是加載不同數(shù)量砝碼時(shí)，位于梁上表面的應(yīng)變片和傳感器的輸出曲線。從圖7-12中可看出，隨著加載砝碼數(shù)量的成倍增多，即加載力成倍地增大，應(yīng)變片的應(yīng)變輸出、壓電傳感器的電壓輸出也相應(yīng)成倍地增大。
[0062]為準(zhǔn)確測出準(zhǔn)靜態(tài)加載下壓電傳感器的應(yīng)變靈敏度，取梁上下表面的壓電傳感器輸出電壓峰值和應(yīng)變片穩(wěn)定后應(yīng)變值，得出壓電傳感器的輸出電壓與梁應(yīng)變之間的關(guān)系，如圖13所示。從圖13中可以看出，壓電傳感器的輸出電壓與等強(qiáng)度梁的應(yīng)變呈線性的關(guān)系，對直線進(jìn)行線性擬合，線性相關(guān)度R為99.824%。所得直線的斜率(B值)即為壓電傳感器的應(yīng)變靈敏度，即160.04 mV/μ ε，傳感器的應(yīng)變靈敏度較大。
[0063]實(shí)施例10
對壓電應(yīng)變傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)的測試:
橋梁的低頻振動(dòng)范圍為0-40ΗΖ，因此為了模擬橋梁的低頻振動(dòng)，在梁的自由端放置激振器，用掃頻信號發(fā)生器進(jìn)行正弦激勵(lì)，使梁自由端的激振頻率在0-40ΗΖ中的某一值，為了試驗(yàn)需要，此實(shí)施例中控制激振頻率分別設(shè)為IOHz、20Hz、40Hz，分別采集在各激振頻率下梁的應(yīng)變和傳感器的電壓輸出。在采集時(shí)，控制數(shù)據(jù)采集儀的采樣頻率至少是激振頻率的20倍，即在一個(gè)正弦周期內(nèi)至少采集20多個(gè)點(diǎn)，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、輸出曲線圓滑，例如采集頻率可以設(shè)為200Hz、500Hz、IkHz。
[0064]圖14-19是等強(qiáng)度梁在IOHz、20Hz、40Hz的激勵(lì)下，采集到的應(yīng)變片和壓電傳感器的一組響應(yīng)曲線。從圖14-19可以看出，應(yīng)變片和壓電傳感器輸出的都是連續(xù)變化的正弦波動(dòng)信號，這說明傳感器與應(yīng)變片之間的輸出對應(yīng)良好，振動(dòng)幅值穩(wěn)定，能穩(wěn)定地反映出結(jié)構(gòu)的變化。
[0065]實(shí)施例11
傳感器動(dòng)態(tài)應(yīng)變靈敏度測試方法如下:在等強(qiáng)度梁的自由端放置激振器，用掃頻信號發(fā)生器控制激振器，進(jìn)行正弦激勵(lì)，固定激振頻率不變，改變激勵(lì)正弦信號的電壓幅值來控制激振力的大小，將正弦信號的幅值從OV逐漸增加到3V，每次增加幅度為0.5V，這一過程是通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制的。通過數(shù)據(jù)采集儀采集數(shù)據(jù)，在不同激振電壓幅值下，選取應(yīng)變片的最大應(yīng)變幅值和對應(yīng)傳感器輸出的最大電壓幅值，采用這些數(shù)據(jù)繪制出固定激振頻率下傳感器電壓輸出和梁應(yīng)變之間的對應(yīng)關(guān)系。在本次試驗(yàn)中，分別取激振頻率為IHz、5 HzUOHz, 20Hz、30Hz、40Hz，按照上法方法所得的傳感器電壓輸出和梁應(yīng)變之間的關(guān)系圖如圖20示。從圖20中可以看出，不同激振頻率下，傳感器輸出電壓與梁應(yīng)變呈線性關(guān)系，各直線的斜率就是相應(yīng)激振頻率下的應(yīng)變靈敏度，其值依次為 170.95mV/y ε (1Hz), 181.76mV/μ ε (5Hz), 195.83mV/μ ε (ΙΟΗζ),285.24mV/ μ ε (20Ηζ), 369.40mV/μ ε (30Ηζ), 515.48mV/μ ε (40Ηζ)，隨著激振頻率變大，壓電陶瓷傳感器的應(yīng)變靈敏度增大。
[0066] 表1列出了壓電傳感器在準(zhǔn)靜態(tài)條件、橋梁低頻振動(dòng)條件(0-40Ηζ)下的應(yīng)變靈敏度。從表1中可看出，準(zhǔn)靜態(tài)下的靈敏度低于其在動(dòng)態(tài)載荷下的靈敏度，原因在于壓電陶瓷傳感器的輸出電壓在到達(dá)最大值之前，部分電荷已通過電路泄露掉了。要想更有成效地來增大準(zhǔn)靜態(tài)載荷下的應(yīng)變靈敏度，需要進(jìn)一步增大所測電路的輸入阻抗。
【權(quán)利要求】
1.一種壓電應(yīng)變傳感器，其特征是:包括壓電陶瓷片、硅膠層和封裝層，所述壓電陶瓷片和硅膠層位于封裝層的內(nèi)部，壓電陶瓷片的上表面為正極，下表面為負(fù)極，所述正負(fù)極上連接有屏蔽導(dǎo)線，屏蔽導(dǎo)線的另一端位于封裝層外部并與接頭相連，正負(fù)極上還附有硅膠層，硅膠層和壓電陶瓷片直接與封裝層接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電應(yīng)變傳感器，其特征是:從壓電陶瓷片負(fù)極上引出一部分屏蔽導(dǎo)線作為屏蔽線，所述屏蔽線的末端固定在封裝層的外表面上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電應(yīng)變傳感器，其特征是:所述壓電陶瓷片厚度為1_;硅膠層厚度為0.5mm ;封裝層厚度為lmnT2mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的壓電應(yīng)變傳感器，其特征是:封裝層為質(zhì)量比為:4:4:1:11:4:1:3的水泥、環(huán)氧樹脂、固化劑和石墨的混合物，或者是質(zhì)量比是4:1:4:1:3的防腐抗?jié)B性水泥、水和石墨的混合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的壓電應(yīng)變傳感器，其特征是:所述水泥包括硫鋁酸鹽水泥、硫鋁酸鋇鈣水泥、硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥或鐵鋁酸鹽水泥，所述環(huán)氧樹脂包括AB-灌漿樹月旨、Ε-55環(huán)氧樹脂、731環(huán)氧樹脂、AG80環(huán)氧樹脂或W95環(huán)氧樹脂。
6.一種權(quán)利要求1所述的壓電應(yīng)變傳感器準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變靈敏度的測試方法，其特征是: 測試系統(tǒng)包括等強(qiáng)度梁裝置，所述等強(qiáng)度梁裝置包括梁、支撐桿和底座，梁的一端與支撐桿連接，梁的另一端為自由端，梁的自由端活動(dòng)連接有砝碼，所述梁的上下表面均設(shè)有壓電應(yīng)變傳感器和應(yīng)變片，壓電應(yīng)變傳感器和應(yīng)變片位于梁的中心線上，所述壓電應(yīng)變傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，所 述應(yīng)變片與應(yīng)變儀連接，應(yīng)變儀與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接； 測試方法包括以下步驟:在等強(qiáng)度梁的自由端分別一次性加一個(gè)砝碼、兩個(gè)砝碼和三個(gè)砝碼，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集加載不同個(gè)數(shù)砝碼時(shí)應(yīng)變片和壓電應(yīng)變傳感器的輸出數(shù)據(jù)，取每次加載砝碼后壓電應(yīng)變傳感器輸出電壓的峰值和加載砝碼后應(yīng)變片穩(wěn)定后的應(yīng)變值，將應(yīng)變片的應(yīng)變值和壓電應(yīng)變傳感器的輸出電壓的峰值進(jìn)行線性擬合，所得直線的斜率即為壓電應(yīng)變傳感器的準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變靈敏度。
7.—種權(quán)利要求1所述的壓電應(yīng)變傳感器動(dòng)態(tài)應(yīng)變靈敏度的測試方法，其特征是: 測試系統(tǒng)包括等強(qiáng)度梁裝置，所述等強(qiáng)度梁裝置包括梁、支撐桿和底座，梁的一端與支撐桿連接，梁的另一端為自由端，梁的自由端與激振器相連，所述激振器與信號發(fā)生器相連，梁的上表面或下表面設(shè)有壓電應(yīng)變傳感器和應(yīng)變片，壓電應(yīng)變傳感器和應(yīng)變片位于梁的中心線上，所述壓電應(yīng)變傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，所述應(yīng)變片與應(yīng)變儀連接，應(yīng)變儀與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接； 測試方法包括以下步驟:啟動(dòng)信號發(fā)生器并進(jìn)行正弦激勵(lì)，使梁在某一固定的激振頻率下振動(dòng)，改變激勵(lì)正弦信號的幅值來控制激振力的大小，將正弦信號的幅值從OV逐漸增加到3V，每次增加幅度為0.5V，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集不同正弦信號幅值下應(yīng)變片的最大應(yīng)變幅值和壓電應(yīng)變傳感器的最大電壓幅值，對應(yīng)變片的最大應(yīng)變幅值和壓電應(yīng)變傳感器的最大電壓幅值進(jìn)行線性擬合，所得直線的斜率即為該激振頻率下壓電應(yīng)變傳感器的動(dòng)態(tài)應(yīng)變靈敏度。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的測試方法，其特征是:激振頻率為1-40Hz0
9.一種權(quán)利要求1所述的壓電應(yīng)變傳感器在橋梁應(yīng)變監(jiān)測中的應(yīng)用，其特征是:將壓電應(yīng)變傳感器貼于橋梁混凝土表面或者埋入橋梁混凝土內(nèi)部，監(jiān)測橋梁低頻振動(dòng)狀態(tài)下混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)變變化 ，對橋梁健康狀況進(jìn)行監(jiān)測。
【文檔編號】G01L1/18GK103557989SQ201310544136
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月6日
【發(fā)明者】程新, 沙飛, 徐東宇, 黃世峰, 蘆令超 申請人:濟(jì)南大學(xué)