一种压电传感器及其用于振动台模拟堤坝边坡坍塌自供电监测的方法与流程

[0001]
本发明涉及一种压电传感器，还涉及一种压电传感器用于堤坝边坡坍塌自供电监测的方法，是监测边坡事故的一种方法，适用于各类土质的路堤边坡，属于道路工程领域。


背景技术：

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随着我国经济的提高和交通事业的飞速发展，我国修建的道路也越来越多。截至2019年底，我国公路总里程已居世界第一。近几年，我国公路建设快速发展，公路运输在国民经济发展中的地位日益凸显，已经成为了国家经济建设的重要组成部分。我国仅用了20多年的时间，以惊人的速度完成了发达国家用半个多世纪所达成的高速公路发展成就。
[0003]
因为我国修建了大量的公路，所以我国公路网建设等基础设施规模不断扩大，边坡失稳（滑坡）所造成的生命财产安全受损并带来的巨大经济损失不容忽视。边坡监测主要是使用已有的技术手段,安装埋设相关的仪器设备,对边坡岩土体的实际状况及其稳定性进行动态监测的过程。
[0004]
传统的边坡监测依靠工人在现场布置传感器,对现场的测量结果再进行汇总分析来判定边坡的稳定状态,但此时边坡的稳定状态极有可能已经发生了改变。人工监测也会受到环境的影响,例如在恶劣环境下工作人员的安全难以得到保障,而且监测所耗费的人力物力也都非常之高。


技术实现要素：

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鉴于背景技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种压电传感器，该压力传感器中精度高，实用性强，压电尺通过弯变形所产生电能，给边坡预警监测系统提供电能，实现自供电，节约成本。
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为此，本发明采用一种压电传感器，包括压电组件和固定压电组件的固定钢架，所述压电组件包括多个压电尺和两根钢轨，所述两个钢轨相对设置，多个压电尺分别固定在两个钢轨之间，钢轨与压电尺组合形成梯状，所述钢轨外端包裹砂纸，钢轨上端和下端部分别固定在相应固定钢架上，所述压电组件分别与电能储存箱和边坡预警监测系统连接。
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在本发明中，压电传感器中压电尺采用通过弯变形发电，具备优异的力学性能，弯变性能好。通过压电尺弯变形产生的电能收集并储存至电能储存箱，给边坡预警监测系统提供电能，实现自供电，降低成本，实用性强。同时还具备出色的耐高温、耐久性能。压电传感器压电尺位移敏感度高，单片压电尺在100n的集中荷载下，跨中位移达到超过10mm，适用于模拟堤坝边坡坍塌预警监测。压电传感器通过边坡预警监测系统，实时采集各传感器的监控数据和工作状态，实时监测边坡的状态，具有高效的实时性。
附图说明
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图1为本发明中一种压电传感器铺设在边坡上的结构示意图；
图2为图1中一种压电传感器的压电组件的结构示意图；图3为图1中一种压电传感器的压电组件的另一视面的结构示意图；图4为图1中一种压电传感器的钢轨的局部结构示意图；图5为图1中一种压电传感器的固定钢架的结构示意图；图6为图1中一种压电传感器的固定钢架的另一视面结构示意图；图7为图1中一种压电传感器用于振动台模拟堤坝边坡坍塌自供电监测的结构示意图；图8为本发明中一种压电传感器中数据分析处理服务系统的数据处理流程示意图；图9为为图1中一种压电传感器的压电尺的工艺流程示意图。
具体实施方式
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参照图1-图6所示，本发明提供一种压电传感器，包括压电组件和固定压电组件的固定钢架1，所述压电组件包括多个压电尺2和两根钢轨3。所述钢轨3为圆管形镂空式钢轨，所述两个钢轨3相对设置，钢轨3一侧具有凹槽4，两个钢轨凹槽4相对放置。所述凹槽4内具有多个固定节口13，所述压电尺两端分别插入两侧钢轨的固定节口13内并通过环氧树脂胶粘合固定。环氧树脂胶使用3m-dp460环氧树脂胶粘结剂，防止使用时因振动脱落。相邻固定节口13之间的距离为50mm。多个压电尺2分别固定在两个钢轨3之间，钢轨3与压电尺2组合形成梯状。所述钢轨3外端包裹砂纸，用砂纸包裹圆形镂空式钢轨，保持边坡模型的整体性。
[0010]
钢轨3上端和下端部分别固定在相应固定钢架1上。所述固定钢架1朝向钢轨的一侧设有条形槽5，所述条形槽5内设有与钢轨上端和下端适配的安装孔6，通过安装孔6将钢轨3安装固定在固定钢架1上。固定钢架的条形槽5其中一内侧壁呈斜面7，安装钢轨3时，通过条形槽中斜面7内侧壁将钢轨插入条形槽5内，便于安装钢轨3。所述固定钢架1具有至少一组安装孔，每组具有两个安装孔6，安装孔3的数量与钢轨3数量相同。固定钢架1至少安装一组压电组件，所述钢轨3上端和下端均具有螺栓孔9，安装钢轨3时，螺纹杆穿过安装孔固定链接在螺栓孔9内。固定钢架1上可安装一组或两组或三组等等压电组件。所述压电组件分别与电能储存箱10和边坡预警监测系统连接。
[0011]
压电尺2压采用通过弯变形发电，具备优异的力学性能，弯变性能好，与传统的压变形发电相比产生的形变量更大，产生的电能也越多。压电尺2弯变形产生的电能储存在电能储存箱10，给边坡预警监测系统提供电能，自给自足实现自供电，降低成本。同时压电尺2具备出色的耐高温、耐久性能，使用寿命长，能在恶劣，节能绿色环保。环境使用。
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压电尺2位移敏感度高，单片压电尺在100n的集中荷载下，跨中位移达到超过10mm，适用于模拟堤坝边坡坍塌预警监测。压电传感器通过边坡预警监测系统，实时采集各传感器的监控数据和工作状态，实时监测边坡的状态，具有高效的实时性。
[0013]
由于压电尺是弯变形发电，如果埋在边坡内无法产生弯变形。将压电尺两端固定在两根钢轨之间，压电尺跨中就会易受到变形，从而产生弯变形，达到发电的目的。由于边坡中埋置钢轨3，会破坏边坡的整体性，故选用圆管型凹槽钢轨3且钢轨表面包裹一层砂纸，保证边坡的整体性。
[0014]
参照图1-图9所示，基于上述压电传感器用于振动台模拟堤坝边坡坍塌自供电监测的方法，步骤如下，1)制备压电尺2；
2)在振动台11上放置模型箱，模型箱12由有机玻璃制成，玻璃模型箱12可方便观察边坡的内部滑裂情况。振动台11最大的承载力为50 kn，能够施加的加速度范围在0-1 g，频率范围在0-10 hz以及能提供最大100 mm的位移。所述振动台11连接有振动测试模拟系统，通过振动测试系统模拟堤坝边坡坍塌。振动测试模拟系统包括主机控制系统和液压加载系统，通过主机控制系统控制液压加载系统的速度、频率等等。液压加载系统将速度、频率加载与振动台，来模拟堤坝边坡坍塌。
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3)在模拟箱12内铺设地基土8，达到设计高度时进行压实，边坡坡度为1：1.3；4)将固定钢架1分别放置于坡底和坡顶，坡顶和每侧斜坡均放置两个固定钢架1，两个固定钢架1分别平行放置于斜坡上下两端部或平行放置于坡顶两侧端，固定钢架1内的条形槽其中一内侧壁通过销坡机削出斜面7，斜面7的倾斜坡度根据钢轨设计；5)安装圆形镂空式钢轨3，通过固定钢架的斜面7将圆形镂空式钢轨3上端和下端置于相对应固定钢架的条形槽5内。上端和下端的固定钢架通过螺杆固定安装钢轨3，钢轨3沿坡面纵向分布布置。所述固定钢架1至少安装一组钢轨3，一组钢轨具有两根钢轨3，两根钢轨凹槽4相对放置，再用砂纸将钢轨包裹。根据实际需求安装钢轨数量，相邻组钢轨之间间隔100mm。
[0016]
6)安装压电尺2，浇筑边坡时，依次按深度将压电尺2安放在圆形镂空式钢轨3上，压电尺2两端嵌入钢轨凹槽的固定节口内并通过环氧树脂胶粘合固定。压电尺2每放置一根，压实土基一次，以便控制压电尺发生过大变形，浇筑过程中适当洒点水，合理控制洒水量，压电传感器埋置完成；7)所述压电尺2通过导线分别与电能储存箱10和边坡预警监测系统连接，电能储存箱10与边坡预警监测系统电性连接。边坡振动，压电传感器的压电尺弯变形发电，产生的电能收集并储存在电能储存箱内，供边坡预警监测系统使用。将压电技术和边坡预警监测巧妙结合，整个监测系统的用电全部来自于边坡振动产生，自给自足，节能绿色环保。
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边坡预警监测系统包括采集传输系统和数据分析处理服务系统。单片压电尺在100n的集中荷载下，压电尺2跨中位移达到超过10mm，位移敏感度高。通过采集传输系统对压电尺2弯变形进行数据采集和初处理，系统会根据先设定的采样周期，实时采集压电传感器的监控数据和工作状态。一方面，数据信息会借助无线网络传递到数据分析处理服务系统上。同时，自动实时检查传感器的工作状态，一旦出现异常，会通知维修人员及时处理异常传感器。此外，数据分析处理服务系统还会初步处理从现场采集到的数据并进行适当的储存。数据评估展示系统负责处理后数据的显示、分析、预警、评估。
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基于上述压电传感器用于振动台模拟堤坝边坡坍塌自供电监测的方法的步骤1中压电尺2制备步骤如下，1)设计压电材料原料成分和纯度。原料成分：pb304(纯度97%)、zro2(纯度99%)、tio2(纯度98%),zno(纯度99%)、nb205(纯度99.5%)、mgco3(纯度96.2%)、li2co3(纯度99.5%)、cuo(纯度9.5%)、wo3(纯度99.9%)、baco3(纯度99%)、mg(oh)2mgco36h2o、sb205(纯度9.5 %)和nio (纯度99 %)，按化学计量比称量原料。
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2)无水乙醇介质中用行星球磨机球磨12 h,将湿料在70℃下烘干；3)然后置于带盖刚玉坩埚中，在700-900℃下预烧2h。
[0020]
4)取出后在相同条件下进行二次球磨30 min，将湿料在70℃下烘干即得到预烧粉
体。
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5)在预烧粉体中加入pva(5wt.%)进行造粒，根据压电尺尺寸，在100 mpa下干压成型，于500℃下排胶。
[0022]
6)在850~1200℃下于铅气氛中烧结4h。
[0023]
7)将陶瓷片打磨抛光、清洗、烘干，在两面涂覆银浆，于850℃烧渗银电极。
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8)被银后在120℃的硅油中加电压3000 v/mm，极化30 min，或在空气中于345
°
℃加电压 1100 v-1400v/mm，极化5~10 min。
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9)在室温下静置24h后测试其电性能，压电尺制备完成。
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对于本领域技术。人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
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此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。