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

摘要

本发明公开了一种压电应变传感器、应变灵敏度的测试方法和传感器的应用，传感器包括压电陶瓷片、硅胶层和封装层，硅胶层能使传感器受力均匀，灵敏度好，封装层能使传感器绝缘性好，消除对外界环境的干扰。本发明通过等强度梁装置进行应变灵敏度测试，该方法可以测试出不同桥梁低频振动条件下传感器的应变灵敏度(mV/με），结合不同振动频率下的应变灵敏度、传感器的电压输出，可以间接反映出桥梁结构的应变，从而使压电应变传感器能够取代应变片来测试低频下桥梁等结构的应变，克服了使用应变片的种种弊端，在桥梁监测中有很好的应用前景。

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。

本发明还研究了在准静态和低频振动条件下，压电应变传感器的电压输出与结构应变之间的关系，得到相应的传感器灵敏度。准静态条件指的是对结构加载不同的力，动态条件模拟了桥梁的低频振动(0~40Hz)，使结构按照一定的频率进行振动。

本发明压电应变灵敏度测试所用到的实验设备有：等强度梁装置、信号发生器、激振器、应变仪、数据采集系统。进行静态应变灵敏度测试时，所用测试系统包括等强度梁装置，所述等强度梁装置包括梁、支撑杆和底座，梁的一端与支撑杆连接，梁的另一端为自由端，梁的自由端活动连接有砝码，所述梁的上下表面均设有压电应变传感器和应变片，压电应变传感器和应变片位于梁的中心线上，所述压电应变传感器与数据采集系统连接，所述应变片与应变仪连接，应变仪与数据采集系统连接；进行动态应变灵敏度测试时，所用测试系统包括等强度梁装置，所述等强度梁装置的梁的自由端与激振器相连，所述激振器与信号发生器相连，梁的上表面或下表面设有压电应变传感器和应变片，压电应变传感器和应变片位于梁的中心线上，所述压电应变传感器与数据采集系统连接，所述应变片与应变仪连接，应变仪与数据采集系统连接。

本发明压电应变传感器准静态应变灵敏度的测试方法，包括以下步骤：在等强度梁的自由端分别一次性加一个砝码、两个砝码和三个砝码，通过数据采集系统采集加载不同个数砝码时应变片和压电应变传感器的输出数据，取每次加载砝码后压电应变传感器输出电压的峰值和加载砝码后应变片稳定后的应变值，将应变片的应变值和压电应变传感器的输出电压的峰值进行线性拟合，所得直线的斜率即为压电应变传感器的准静态应变灵敏度。为了结果的准确性，可以进行多组实验，取输出电压的峰值和应变值的平均值。

本发明压电应变传感器动态应变灵敏度的测试方法，包括以下步骤：控制信号发生器并对等强度梁进行正弦激励，使梁在某一固定的激振频率下振动，改变激励正弦信号的幅值来控制激振力的大小，将正弦信号的幅值从0V逐渐增加到3V，每次增加幅度为0.5V，通过数据采集仪采集不同正弦信号幅值下应变片的最大应变幅值和压电应变传感器的最大电压幅值，对应变片的最大应变幅值和压电应变传感器的最大电压幅值进行线性拟合，所得直线的斜率即为该激振频率下压电应变传感器的动态应变灵敏度。动态应变灵敏度测试中，激振频率为1-40 Hz。

本发明测试传感器应变灵敏度的原理是：等强度梁装置中梁的截面尺寸随着弯矩的大小而相应改变,各截面弯曲应力相同，梁的中心轴线（也可叫做中心线，下同）上的应变处处相等，因此处于梁中心轴线上不同部位的传感器和电阻应变片（简称应变片，下同）都反映了相同的应变。将压电应变传感器和应变片分别粘贴在等强度梁的中心轴线上，在梁自由端加载不同的力或者使梁的自由端在一定频率内振动，使梁产生变形，通过数据采集系统（例如DH5923数据采集仪）采集位于梁上下表面的传感器和应变片的输出信号，得出传感器和应变片在不同条件下的响应曲线，通过理论分析和实验研究，得出输出电压与梁应变之间的对应关系，从而最终得到不同状态下传感器的应变灵敏度，为实际桥梁监测的工程应用奠定了理论基础。

本发明压电应变传感器可应用于桥梁低频振动的应变监测，可将压电应变传感器贴于桥梁混凝土表面或者埋入桥梁混凝土内部，监测桥梁低频振动状态下混凝土结构应变变化，对桥梁健康状况进行监测。

通过本发明的测试方法可以测试出不同桥梁低频振动条件下传感器的应变灵敏度(mV/με），结合不同振动频率下的应变灵敏度、传感器的电压输出，可以间接反映出桥梁结构的应变。在一定的低频频率范围内，压电应变传感器能够取代应变片来测试低频下桥梁等结构的应变，克服了使用应变片的种种弊端。

本发明压电应变传感器具有制备工艺简单、成本低、性能稳定、结构合理，绝缘性能良好，抗电磁干扰能力强，灵敏度高，与混凝土力学兼容性良好等优点，适合植入混凝土的内部，或贴于混凝土表面进行混凝土结构应变的长期监测。 

附图说明

图1本发明压电陶瓷应变传感器的结构示意图。

图2为压电传感器在准静态条件下的应变灵敏度测试装置图。

图3为压电传感器在桥梁低频振动下的应变灵敏度测试装置图。

图4为梁在拉伸状态下应变片的应变信号图。

图5为梁在拉伸状态下压电传感器的输出电压信号图。

图6静态载荷(一个砝码253g)作用下应变片与传感器的输出对比图。

图7加载一个砝码时应变输出曲线。

图8加载一个砝码时电压输出的曲线。

图9加载两个砝码时应变输出曲线。

图10加载两个砝码时电压输出曲线。

图11加载三个砝码时应变输出曲线。

图12加载三个砝码时电压输出曲线。

图13准静态加载下压电应变传感器的应变灵敏度图。

图14 10Hz振动下应变输出曲线。

图15 10Hz振动下电压输出曲线。

图16 20Hz振动下应变输出曲线。

图17 20Hz振动下电压输出曲线。

图18 40Hz振动下应变输出曲线。

图19 40Hz振动下电压输出曲线。

图20不同激振频率下的应变灵敏度图。

图中，1、压电陶瓷片，2、硅胶层，3、封装层，4、屏蔽导线，5、接头，6、屏蔽线，7、梁，8、支撑杆，9、底座，10、压电应变传感器，11、应变片，12、数据采集系统，13、砝码，14、激振器，15、扫频信号发生器。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明进行进一步的阐述，应该明白的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。

实施例1

本发明压电应变传感器如图1所示，以PZT压电陶瓷片(厚度1mm)为压电感应元件，压电陶瓷片的上表面为正极，下表面为负极，正负极上连接屏蔽导线，正负极上还附有一层0.5mm厚的硅胶层，压电陶瓷片和硅胶层上附有封装层。封装层作为传感器的最外层，将压电陶瓷片与外界隔离。硅胶层和压电陶瓷片直接与封装层接触，使压电陶瓷片受力均匀。此外，从压电陶瓷片负极上引出屏蔽线，屏蔽线的末端粘贴在封装层的外表面上，屏蔽导线的另一端位于封装层的外部，与BNC接头相接。

封装层厚度为1mm，封装层为质量比为: 4:4:1:2的水泥、环氧树脂、固化剂和石墨的混合物。

传感器的制备过程为：用切割机切割压电陶瓷，使其尺寸为7mm×14mm×1mm，用超声波清洗仪清洗，然后烘干。在压电陶瓷上下两表面镀银电极，并在压电陶瓷片两电极面上焊接屏蔽导线，然后在两电极面上均匀覆盖一层约0.5mm厚的液态硅橡胶，保证压电陶瓷受力均匀，待橡胶完全固化后，将覆盖硅胶层的压电陶瓷置于模具中，引出屏蔽线。将硅酸盐水泥干粉、AB-灌浆树脂、石墨的混合物搅拌均匀，然后加入固化剂，为去除混合物中气泡，在干燥器里进行抽真空15分钟，最后浇注于模具中。待封装层硬化后拆模，将屏蔽线粘在封装层表面，并将传感器于20℃、湿度为100%的养护箱内养护28天，即得。    

实施例2

按照实施例1的方法制备具有图1结构的传感器，不同的是：封装层材料为质量比为 4:4:1:2的硫铝酸盐水泥、AB-灌浆树脂、固化剂和石墨的混合物；封装层厚度为1.5mm。

实施例3

按照实施例1的方法制备具有图1结构的传感器，不同的是：封装层材料为质量比为4:4:1:3的硫铝酸盐水泥、AB-灌浆树脂、固化剂和石墨的混合物；封装层厚度为1.5mm。

实施例4

按照实施例1的方法制备具有图1结构的传感器，不同的是：封装层材料质量比为 4:4:1:3的铝酸盐水泥、E-55环氧树脂、固化剂和石墨的混合物。

实施例5

按照实施例1的方法制备具有图1结构的传感器，不同的是：封装层材料质量比为 4:4:1:3的铁铝酸盐水泥、731环氧树脂、固化剂和石墨的混合物。

实施例6

按照实施例1的方法制备具有图1结构的传感器，不同的是：封装层材料为质量比为4:1:2的硫铝酸盐水泥、水、石墨的混合物，封装材料的制备过程是：先均匀混合硫铝酸盐水泥和水，然后在均匀搅拌过程中加入石墨，制成封装材料，浇入模具中制成封装层。

实施例7

按照实施例1的方法制备具有图1结构的传感器，不同的是：封装层材料为质量比为4:1:2的铁铝酸盐水泥、水、石墨的混合物，封装材料的制备过程是：先均匀混合铁铝酸盐水泥和水，然后在均匀搅拌过程中加入石墨，制成封装材料，浇入模具中制成封装层。

上述所制传感器的性能均很优良，相比而言实施例1的传感器性能更优一些。下面以实施例1的传感器为例，对本发明传感器的灵敏度进行研究，主要测试传感器在准静态加载下和桥梁低频振动条件下的应变灵敏度情况。

其所用测试的实验设备有：TJ-1型等强度梁装置、DH1301扫频信号发生器、DH1306小型激振器、YSV7008应变仪、DH5923数据采集仪。所述等强度梁装置包括梁、支撑杆、底座，梁的一端与支撑杆连接，梁的另一端为自由端；所述数据采集仪包括采集软件、电荷试调器、应变试调器等。

在进行静态响应测试及静态压电应变灵敏度测试时，梁的自由端悬吊不同数量的砝码，在梁的上下表面均固定上压电应变传感器和应变片，压电应变传感器和应变片位于梁的中心线上，所述压电应变传感器与DH5923数据采集仪连接，所述应变片与YSV7008应变仪连接，YSV7008应变仪与DH5923数据采集仪连接；其中，压电应电变传感器通过数据采集仪的电荷试调器与数据采集仪连接，应变仪通过数据采集仪的应变试调器与数据采集仪连接。

在进行动态响应测试及动态压电应变灵敏度测试时，梁的自由端与DH1306小型激振器相连，所述DH1306小型激振器与DH1301扫频信号发生器相连，DH1301扫频信号发生器控制DH1306小型激振器产生不同频率、不同电压幅值的振动；梁的上表面设有压电应变传感器和应变片，压电应变传感器和应变片位于梁的中心线上，所述压电应变传感器与DH5923数据采集仪连接，所述应变片与YSV7008应变仪连接，YSV7008应变仪与DH5923数据采集仪连接。

准静态、动态应变灵敏度测试系统分别如图2、3所示。

实施例8

对压电应变传感器准静态响应的测试。

在等强度梁的自由端加载砝码，每次加一个砝码(253g)，每次所加的砝码不拿下，一共连续加三次，梁的上表面处于拉伸状态，利用测试系统，由数据采集系统采集到梁在拉伸状态下的电压输出曲线、应变响应曲线，如图4、5所示。图4中应变片的输出在达到最大值后就固定在某一值上，每次加砝码时应变值都增大，每次增幅相同；而图5中压电传感器的输出电压在达到某一最大值后开始迅速衰减，而且每次加载砝码(253g)时传感器的电压输出峰值基本保持不变。梁上表面处于压缩状态时，规律相似，不同之处在于相应输出值为负值，此处不一一列出。

取图4、5中的相关数据，在同一坐标中，作出传感器和应变片的响应曲线，如图6所示。在14.2s加载一个砝码时，压电应变传感器和应变片开始迅速响应，应变片的响应特征是达到最大值后就固定在某一值上，而压电传感器的响应特征是电压达到某一最大值后开始迅速衰减，并且压电传感器的响应速度比应变片的响应速度快，因此压电传感器更适合作智能材料结构中的传感元件。

实施例9

传感器准静态应变灵敏度测试方法如下：

在等强度梁的自由端加载一个砝码(253g)，通过数据采集仪，采集到应变和电压数据；将一个砝码取下待梁静止后，加载两个砝码(506g)，通过数据采集仪，采集到应变和电压数据；将两个砝码取下待梁静止后，加载三个砝码(759g)，通过数据采集仪，采集到应变和电压数据。图7-12是加载不同数量砝码时，位于梁上表面的应变片和传感器的输出曲线。从图7-12中可看出，随着加载砝码数量的成倍增多，即加载力成倍地增大，应变片的应变输出、压电传感器的电压输出也相应成倍地增大。

为准确测出准静态加载下压电传感器的应变灵敏度，取梁上下表面的压电传感器输出电压峰值和应变片稳定后应变值，得出压电传感器的输出电压与梁应变之间的关系，如图13所示。从图13中可以看出，压电传感器的输出电压与等强度梁的应变呈线性的关系，对直线进行线性拟合，线性相关度R为99.824%。所得直线的斜率（B值）即为压电传感器的应变灵敏度，即160.04 mV/με，传感器的应变灵敏度较大。

实施例10

对压电应变传感器动态响应的测试：

桥梁的低频振动范围为0-40Hz，因此为了模拟桥梁的低频振动，在梁的自由端放置激振器，用扫频信号发生器进行正弦激励，使梁自由端的激振频率在0-40Hz中的某一值，为了试验需要，此实施例中控制激振频率分别设为10Hz、20Hz、40Hz，分别采集在各激振频率下梁的应变和传感器的电压输出。在采集时，控制数据采集仪的采样频率至少是激振频率的20倍，即在一个正弦周期内至少采集20多个点，确保数据准确、输出曲线圆滑，例如采集频率可以设为200Hz、500Hz、1kHz。

图14-19是等强度梁在10Hz、20Hz、40Hz的激励下，采集到的应变片和压电传感器的一组响应曲线。从图14-19可以看出，应变片和压电传感器输出的都是连续变化的正弦波动信号，这说明传感器与应变片之间的输出对应良好，振动幅值稳定，能稳定地反映出结构的变化。

实施例11

传感器动态应变灵敏度测试方法如下：

在等强度梁的自由端放置激振器，用扫频信号发生器控制激振器，进行正弦激励，固定激振频率不变，改变激励正弦信号的电压幅值来控制激振力的大小，将正弦信号的幅值从0V逐渐增加到3V，每次增加幅度为0.5V，这一过程是通过计算机进行控制的。通过数据采集仪采集数据，在不同激振电压幅值下，选取应变片的最大应变幅值和对应传感器输出的最大电压幅值，采用这些数据绘制出固定激振频率下传感器电压输出和梁应变之间的对应关系。在本次试验中，分别取激振频率为1Hz、5 Hz、10Hz、20Hz、30Hz、40Hz，按照上法方法所得的传感器电压输出和梁应变之间的关系图如图20示。从图20中可以看出，不同激振频率下，传感器输出电压与梁应变呈线性关系，各直线的斜率就是相应激振频率下的应变灵敏度，其值依次为170.95mV/με（1Hz），181.76mV/με（5Hz），195.83mV/με（10Hz），285.24mV/με（20Hz），369.40mV/με（30Hz），515.48mV/με（40Hz），随着激振频率变大，压电陶瓷传感器的应变灵敏度增大。

表1列出了压电传感器在准静态条件、桥梁低频振动条件(0~40Hz)下的应变灵敏度。从表1中可看出，准静态下的灵敏度低于其在动态载荷下的灵敏度，原因在于压电陶瓷传感器的输出电压在到达最大值之前，部分电荷已通过电路泄露掉了。要想更有成效地来增大准静态载荷下的应变灵敏度，需要进一步增大所测电路的输入阻抗。