压电埋入式混凝土应力及温度传感器

1 绪论21:2000）等行业标准。

这些规程的不断完善，大大促进了混凝土检测技术的工程应用和普及[12]。

近年来，国内外在混凝土检测领域取得了很多新成果，并进行了应用性的研究。

主要的技术有：(1) 雷达技术的应用；雷达技术以微波为媒介，能够进行非接触检测，对混凝土有很强的穿透力，可测较大深度，对接收信号处理后的图像能够在屏幕上直观显示，雷达法可用于探测混凝土结构中的孔洞、剥离层和裂缝等缺陷损伤的位置和范围，有较高的分辨率[16]。

(2) 红外成像法；红外成像法是根据物体表面的温度场分布状况所形成的热像图，直观地显示材料、结构物及其结合上不连续缺陷的一种检测技术。

这种方法属非接触无损检测技术，可对被测物进行全天候的的的检测，并具有快速、直观、适合大面积扫测的特点，也可用于检测混凝土遭受冻害或火灾等损伤的程度以及建筑物墙体的剥离、渗漏等[17]。

(3) 电测法与磁测法；这类技术以电场或磁场作为探测媒介，主要是用漏磁法探测混凝土中钢筋的断裂情况，用涡流法测定混凝土盖板厚度，用交流阻抗法检测混凝土中钢筋的锈蚀等[18]。

另外，在混凝土无损检测技术方面，近年来也出现了一些新的研究方向和成果，如利用碳纤维机敏混凝土监测结构损伤和利用智能结构光纤传感网络检测混凝土质量的方法[20][21]。

孙明清等人研究了通过混凝土结构表面的贴片式压电陶瓷进行结构缺陷的超声检测的一系列技术及方案[22]。

文玉梅教授进行了针对埋入式压电陶瓷进行结构健康监测的研究工作[23]。

1.3 目前混凝土检测常用方法及存在的问题1.3.1 半破损检测技术半破损法分为钻芯法、拔出法、拔脱法、板折法、射击法、就地嵌注试件法等，这些方法以局部破坏性试验获得结构混凝土实际抵抗破坏的能力，因为直观可靠、应用方便、检测费用低廉，适用于现场控制，测试结果容易为人们所接受。

其缺点是造成结构物的局部破坏，检测后需要进行修补，因而不宜用于大面积的检测。

在半破损检测技术中，最常用、发展较成熟的是拔出法和钻芯法[12]。

基于压电陶瓷的动态拉应力传感器的开发与标定摘要混凝土抗拉强度低，在拉应力作用下易开裂。

对混凝土的拉应力进行实时监测对判断混凝土在动力荷载作用下的开裂，以及混凝土中应力的分布具有重要意义。

传统的应力测试手段主要是通过对应变的测量根据材料的本构关系计算得到应力值。

容易看出此方法的可靠性依赖于材料本构关系的准确获取。

然而，一方面由于混凝土材料是一种非均匀、非连续的人工石材，另一方面混凝土材料的力学性能在强动力荷载作用时因存在应变率效应与静态时表现出较大差异，所以计算得到的应力值不可靠。

再者，粘贴应变片的方法仅能得到构件表面的应力值，对结构内部的应力分布无法获知。

研究开发出可直接得到构件内部应力信息的新型应力传感器十分必要。

压电材料因具备正逆压电效应是制作传感及驱动装置的理想材料，近些年来，已经在土木工程结构的损伤识别和健康监测方面取得了成功运用。

本文选用了一种响应速度快、频响范围较宽、线性度好、易加工且经济的压电陶瓷片作为传感元件，开发出基于嵌入式压电陶瓷的动态拉应力传感器。

主要包括以下研究内容：（1）在已有的对基于压电材料的应力传感器研究工作的基础上，重点研究开发适用于土木工程领域动态拉应力测量的传感元件，规范统一了传感器制作使用的材料及封装步骤，保证了所研发的传感器具有良好的防水和绝缘性能且不同传感器之间个体差异小。

（2）利用改进后的小型落锤试验机，对嵌入式压电陶瓷动态拉应力传感器进行了在冲击荷载下的灵敏度标定。

结果表明制作的基于压电陶瓷的嵌入式动态拉应力传感器的输出信号与冲击荷载表现出良好的线性关系，且不同的压电传感器之间差异较小（3）研究出对压电陶瓷片施加预紧力的操作方法，并对施加不同预紧力水平的压电陶瓷传感器作了灵敏度标定试验，分析了预紧力对压电传感器性能的影响。

（4）将标定好的压电传感器埋入到钢筋混凝土梁纯弯曲段的受拉区，对钢筋混凝土梁分级施加冲击荷载，利用所开发的传感器测量钢筋混凝土构件动态拉应力。

埋入式混凝土应变计的原理是怎样的埋入式混凝土应变计用于各种混凝土结构内部的应变测量。

埋设时将应变计按需测量方向轻绑在结构钢筋上(埋入式钢梁应变计固定在被测钢梁上)，然后灌入混凝土。

适用于桥梁、隧道、大坝、建筑、各种混凝土桩的应变监测。

原理
埋入式混凝土应变计根据张力弦原理制造，使用频率作为输出信号，抗干扰能力强，远距离输送产生的误差极小；
并且内置温度传感器，对外界温度影响产生的变化进行温度修正；
每个传感器内部有计算芯片，自动对测量数据进行换算而直接输出物理量，减少人工换算的失误和误差；
全部元器件进行严格测试和老化筛选，尤其是高低温应力消除试验，增强弦的稳定性和可靠性；
另有三防处理，保证在长期恶劣环境中高成活率的问题。

1。

基于压电埋入式传感器的应力及温度测量虚拟仪器设计宋鑫西安航天宏图信息技术有限公司陕西西安 710000摘要：压电效应在军事、医学、人民生活、科学研究等各方面都得到了广泛的应用，为人民的生活带来了变化。

压电陶瓷就是利用压电效应人工制作的范例，克服了天然压电材料的不足。

利用压电效应制作的压电传感器凭借其优越的性能得到了，随着科学技术的发展，压电传感器无论在种类还是性能上都有了巨大的进步。

在压电传感器受到应力及温度作用时，会发生一些变化。

用ANSYS软件对压电传感器核心元件压电陶瓷进行仿真，研究压电陶瓷在应力及温度条件下模态变化。

再讲得到的数据输入LabVIEW，进行虚拟仪器设计。

本文主要内容：(1)给出研究背景及意义、压电效应的解释和压电陶瓷研究现状及进展。

(2)详细地介绍了ANSYS有限元模态分析方法。

做了基于ANSYS的压电埋入式压电陶瓷圆片振动仿真分析。

在不同外加应力及不同外加温度下压电陶瓷模态进行对比。

(3)将ANSYS仿真得到的数据导入LabVIEW软件中，进行虚拟仪器设计。

关键词：压电材料；压电传感器；ANSYS模态分析；LabVIEW、虚拟仪器1.绪论1.1研究背景1.1.1压电效应与压电陶瓷压电效应是压电材料中机械能和电能之间相互转换的现象，分为正压电效应和逆压电效应。

正压电效应：当压电体受到持续不变方向的外界挤压时，内部就会产生一种奇特的电极化，同时在它的其中两个表面上会产生极性相反的正负电荷；当外力消失的时候，它又会变成不带电的状态；当外界挤压方向改变时，电荷的极性也随之改变；它受力所产生的电荷量与外界挤压的大小成正比。

逆压电效应：在一些电介质的极化方向上施加电场时，这些电介质不仅产生极化，还会产生应变和应力，电场去掉后，电介质的变形也会随之消失，逆压电效应产生所谓原因是外加电场的作用而产生应变或应力。

1.1.2压电式传感器压电式传感器可以分为4大类：(1)压电式压力传感器是一种机电转换盒自发式传感器。

插入式混凝土压力传感器规格一、引言插入式混凝土压力传感器是一种用于测量混凝土内部压力的传感器。

它具有高精度、高灵敏度、抗干扰能力强等优点，广泛应用于混凝土结构的力学性能测试、结构状态监测、质量控制等领域。

为了确保插入式混凝土压力传感器在实际应用中能够正常工作，需要制定详细的规格。

二、外观与尺寸1. 外观：插入式混凝土压力传感器外观应平整光滑，无明显凸起或凹陷，无裂纹、气泡等缺陷，表面应喷涂防腐漆，以保证传感器长期稳定性。

2. 尺寸：传感器长度应小于混凝土浇筑厚度的2/3，直径应小于混凝土浇筑孔洞直径的2/3。

三、电气特性1. 电源电压：5V DC。

2. 输出信号：0-5V或4-20mA。

3. 精度：±0.5%FS，FS为满度。

4. 工作温度范围：-20℃~80℃。

5. 静态功耗：小于0.1W。

四、机械特性1. 材质：传感器应使用不锈钢或高强度合金材料制成，以保证传感器具有较高的耐腐蚀性和机械强度。

2. 防水性能：传感器应具有良好的防水性能，能够在水深1m的环境下工作，并能承受3倍满量程的水压。

3. 抗震性能：传感器应具有良好的抗震性能，能够承受10g的振动加速度。

4. 安装方式：传感器应采用插入式安装方式，插入混凝土内部，并与混凝土牢固连接。

五、其他特性1. 抗干扰能力：传感器应具有良好的抗干扰能力，能够在强电场、强磁场等恶劣环境中正常工作。

2. 可靠性：传感器应具有高可靠性，能够长期稳定工作，并能够承受5倍满量程的冲击和震动。

六、标准与认证1. 标准：传感器应符合GB/T 19001-2016/ISO 9001:2015质量管理体系标准要求。

2. 认证：传感器应通过CE、RoHS等认证。

七、结论插入式混凝土压力传感器规格应包括外观与尺寸、电气特性、机械特性、其他特性、标准与认证等方面，以保证传感器能够在实际应用中正常工作，并具有高精度、高可靠性、抗干扰能力强等优点。