基于厚度切变型pzt的frp筋界面剪应力监测装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于厚度切变型PZT的FRP筋界面剪应力监测装置及方法，属于FRP筋界面剪应力状况的监测领域，具体方法为：在FRP筋表面开凹槽处粘贴多个厚度切变型压电陶瓷PZT传感器，通过高频信号激励厚度切变型压电陶瓷传感器，由电荷适配器和数据采集仪组成的数据采集系统采集FRP筋凹槽处粘贴的传感器的输出信号，并将该信号数据传至计算机分析系统。本发明选择厚度切变型压电陶瓷PZT作为驱动/传感器，实现了筋材界面剪应力状况的直接快速监测、能精确地确定FRP筋界面剪应力大小，具有灵敏度高、响应快、操作简便、价格低廉等特点。
【专利说明】基于厚度切变型PZT的FRP筋界面剪应力监测装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及厚度切变型压电陶瓷PZT以及FRP筋界面剪应力等监测领域，基于厚度切变型压电陶瓷PZT的FRP筋界面剪应力监测装置及方法。
【背景技术】
[0002]FRP筋作为主要承受拉力的构件，其中筋材界面剪应力可削弱构件的受力性能。目前，主要在筋材表面被测点粘贴电阻应变片通过测试筋材表面的轴向应力，然后再理论推导转换成筋材界面的剪应力。上述方法中不能直接测试FRP筋界面的剪应力，且应变片粘贴面积较大，对操作人员的技术水平有较高要求。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种基于厚度切变型PZT的FRP筋界面剪应力监测装置及方法，能快速直接监测FRP筋界面剪应力状况，精确地确定FRP筋界面剪应力大小。
[0004]为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是:一种基于厚度切变型PZT的FRP筋界面剪应力监测装置，在FRP筋材外覆盖混凝土，将混凝土内的FRP筋材表面沿埋长方向开设多个凹槽，在两个以下所述凹槽内固定用作驱动器的厚度切变振动型压电陶瓷片，在其余所述凹槽内各固定一个用作传感器的厚度切变振动型压电陶瓷片；所述用作传感器的厚度切变振动型压电陶瓷片和用作驱动器的厚度切变振动型压电陶瓷片上均涂有防水层，且所有厚度切变振动型压电陶瓷片与所述凹槽之间均设有绝缘层；所述用作传感器的厚度切变振动型压电陶瓷片通过导线与数据采集仪连接，所述数据采集仪接入计算机；所述用作驱动器的的厚度切变振动型压电陶瓷片中的一个与任意信号函数发生器连接。
[0005]所述翻边压电陶瓷片包括压电陶瓷基本体，所述压电陶瓷基本体上表面固定上表面银电极，所述压电陶瓷基本体下表面的银电极向上折弯引至所述压电陶瓷基本体上表面，两个银电极之间通过一条无镀银的隔离带隔离；所述翻边压电陶瓷片厚度为0.3_，长度为13mm,宽度为5mm。
[0006]所述凹槽深度为0.5mm?0.6mm，所述凹槽横截面长度和宽度比压电陶瓷片长度和宽度分别大0.2mm?0.3mm。
[0007]每一个用作压电陶瓷传感器的压电陶瓷片与所述数据采集仪之间均接有电荷适配器。
[0008]所述绝缘防水层为一层均匀的环氧树脂绝缘层，且所述绝缘防水层厚度为0.08 ?0.12mm。
[0009]本发明还提供了一种FRP筋界面压电陶瓷传感器的制造方法，该方法为:
[0010]I)在FRP筋表面沿埋长方向开设多个凹槽，在打磨光滑后的凹槽表面均匀涂上环氧树脂绝缘层；[0011]2)将压电陶瓷片打磨平整，用无水酒精将压电陶瓷片的表面清洁干净，静置自然干燥；
[0012]3)用胶将压电陶瓷片粘贴至FRP筋表面处，并采用塑料薄膜轻压压电陶瓷片，使其粘结密实；
[0013]4)进行导线的焊接，为了保证焊接点尽可能的小和平整，使用少量的焊锡膏来助挥以提高焊接质量，并测试压电陶瓷片的导电性能；
[0014]5)使用防水层对焊接好的压电陶瓷片进行封装，在保证其密封性的前提下，应使防水层尽可能薄，静置使其在室温环境下固化一天。
[0015]所述导线为带屏蔽线的电缆。
[0016]所述防水层材料为环氧树脂。
[0017]所述压电陶瓷片通过KH502胶粘贴在FRP筋凹槽内。
[0018]本发明提供了一种利用上述监测装置监测FRP筋界面剪应力的方法，该方法为:
[0019]I)计算任一用作压电陶瓷传感器的压电陶瓷片表面产生的电荷量q =Q=Cl15O5A1 ；其中，d15为压电应变常数；σ 5压电陶瓷片界面受到的剪应力A1为压电陶瓷片的表面积。
[0020]2)测量FRP筋未被张拉时上述用作压电陶瓷传感器的压电陶瓷片两极板上的输出电压初始值U。，测量FRP筋被张拉后上述用作压电陶瓷传感器的压电陶瓷片两极板上的输出电压值Ui,得到输出电压改变量▽ U ；
[0021]3)利用上述输出电压改变量▽ U计算压电陶瓷片界面受到的剪应力σ 5，即得到
FRP筋界面剪应力
【权利要求】
1.一种基于厚度切变型PZT的FRP筋界面剪应力监测装置，其特征在于，在FRP筋材(I)外覆盖混凝土(4)，将混凝土(4)内的FRP筋材(I)表面沿埋长方向开设多个凹槽，在两个以下所述凹槽内固定用作驱动器的厚度切变振动型压电陶瓷片(2)，在其余所述凹槽内各固定一个用作传感器的厚度切变振动型压电陶瓷片(3);所述用作传感器的厚度切变振动型压电陶瓷片(3)和用作驱动器的厚度切变振动型压电陶瓷片(2)上均涂有防水层，且所有厚度切变振动型压电陶瓷片与所述凹槽之间均设有绝缘层；所述用作传感器的厚度切变振动型压电陶瓷片(3)通过导线与数据采集仪(6)连接，所述数据采集仪(6)接入计算机；所述用作驱动器的的厚度切变振动型压电陶瓷片(2)中的一个与任意信号函数发生器(5)连接。
2.根据权利要求1所述的基于厚度切变型PZT的FRP筋界面剪应力监测装置，其特征在于，所有厚度切变振动型压电陶瓷片均为翻边压电陶瓷片，所述翻边压电陶瓷片包括压电陶瓷基本体(8)，所述压电陶瓷基本体(8)上表面固定上表面银电极(9)，所述压电陶瓷基本体(8)下表面的银电极(10)向上折弯引至所述压电陶瓷基本体(8)上表面，两个银电极之间通过一条无镀银的隔离带(11)隔离；所述翻边压电陶瓷片厚度为0.3_，长度为13mm,宽度为5mm。
3.根据权利要求1或2所述的基于厚度切变型PZT的FRP筋界面剪应力监测装置，其特征在于，所述凹槽深度为0.5mm~0.6mm，所述凹槽横截面长度和宽度比压电陶瓷片长度和宽度分别大0.2mm~0.3mm。
4.根据权利要求3所述的基于厚度切变型PZT的FRP筋界面剪应力监测装置，其特征在于，每一个用作压 电陶瓷传感器的压电陶瓷片(3)与所述数据采集仪(6)之间均接有电荷适配器(7)。
5.根据权利要求4所述的基于厚度切变型PZT的FRP筋界面剪应力监测装置，其特征在于，所述绝缘防水层为一层均匀的环氧树脂绝缘层，且所述绝缘防水层厚度为0.08~0.12mm。
6.一种FRP筋界面压电陶瓷传感器的制造方法，其特征在于，该方法为: 1)在FRP筋表面沿埋长方向开设多个凹槽，在打磨光滑后的凹槽表面均匀涂上环氧树脂绝缘层； 2)将压电陶瓷片打磨平整，用无水酒精将压电陶瓷片的表面清洁干净，静置自然干燥； 3)将压电陶瓷片粘贴至凹槽内，并采用塑料薄膜按压压电陶瓷片，使压电陶瓷片粘结密实； 4)在压电陶瓷片上焊接导线，并测试压电陶瓷片的导电性能； 5)使用防水层对焊接好的压电陶瓷片进行封装，静置封装后的压电陶瓷片，在室温环境下固化一天。
7.根据权利要求6所述的FRP筋界面压电陶瓷传感器的制造方法，其特征在于，所述导线为带屏蔽线的电缆。
8.根据权利要求6或7所述的FRP筋界面压电陶瓷传感器的制造方法，其特征在于，所述防水层材料为环氧树脂。
9.根据权利要求8所述的FRP筋界面压电陶瓷传感器的制造方法，其特征在于，所述压电陶瓷片通过KH502胶粘贴在FRP筋表面凹槽内。
10.一种利用权利要求1所述监测装置监测FRP筋界面剪应力的方法，其特征在于，该方法为: 1)计算任一用作压电陶瓷传感器的压电陶瓷片表面产生的电荷量q:q=d15 σ ;其中，d15为压电应变常数；σ 5压电陶瓷片界面受到的剪应力A1为压电陶瓷片的表面积。 2)测量FRP筋未被张拉时上述用作压电陶瓷传感器的压电陶瓷片两极板上的输出电压初始值，测量FRP筋被张拉后上述用作压电陶瓷传感器的压电陶瓷片两极板上的输出电压值，得到输出电压改变量▽ U ； 3)利用上述输出电压改变量▽U计算压电陶瓷片界面受到的剪应力σ 5，即得到FRP筋界面剪应力
【文档编号】G01L1/16GK103808436SQ201410066406
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2014年2月26日 优先权日:2014年2月26日
【发明者】蒋田勇, 宋钢兵, 安磊, 龚奇丰, 贺常松 申请人:长沙理工大学