[发明专利]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

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明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，本发明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。

本发明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。

本发明具体技术方案如下：                                                    

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。

本发明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1mm~2mm即可。

本发明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: 4:4:1:1~4:4:1:3的水泥、环氧树脂、固化剂和石墨的混合物，或者是质量比是4:1:1~4:1:3的防腐抗渗性水泥、水和石墨的混合物。本发明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，本发明封装层具有强度高、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。