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利用pvdf薄膜壓電特性的混凝土應(yīng)力傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種利用PVDF（偏聚氟乙烯）薄膜壓電特性的混凝土應(yīng)力傳感器，包括上、下兩部分扣裝在一起的傳感器外殼以及設(shè)置在兩部分傳感器外殼之間的PVDF壓電薄膜，所述PVDF壓電薄膜周邊套裝有尼龍?zhí)淄矊VDF壓電薄膜定位在所述凸臺(tái)上，所述PVDF壓電薄膜的上、下兩端面分別設(shè)置絕緣層與上、下兩部分傳感器外殼之間緊密接觸，所述尼龍?zhí)淄才c絕緣層構(gòu)成封閉的絕緣空間將PVDF壓電層與傳感器外殼絕緣分隔；所述PVDF壓電薄膜的上、下表面分別設(shè)置接線電極將壓電信號(hào)引出至傳感器外。本發(fā)明將PVDF壓電薄膜夾在兩部分片金屬外殼之間，通過(guò)傳感器金屬外殼將荷載傳遞至PVDF薄膜，傳感靈敏，傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，封裝方便，體積小，可以預(yù)埋在混凝土材料中完成沖擊應(yīng)力測(cè)試。
【專利說(shuō)明】利用PVDF薄膜壓電特性的混凝土應(yīng)力傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種應(yīng)力傳感器，用于測(cè)量沖擊荷載下混凝土材料應(yīng)力的應(yīng)力傳感器，具體涉及一種利用有機(jī)壓電材料的混凝土應(yīng)力傳感器，特別是一種利用PVDF(偏聚氟乙烯)薄膜壓電特性的混凝土應(yīng)力傳感器，屬于應(yīng)力測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，應(yīng)用于沖擊測(cè)試領(lǐng)域的傳感器主要分為壓阻式和壓電式兩類。
[0003]迄今為止，人們已發(fā)現(xiàn)了多種可用作壓阻傳感器的材料，如錳銅、碳、鈣、鋰、銦、鉛、鎘、鉍和鐿等，其中最常見(jiàn)的壓阻式應(yīng)力傳感器為錳銅壓阻計(jì)，盡管錳銅合金的壓阻系數(shù)，即靈敏度不是很高，但由于它具有電阻溫度系數(shù)小、響應(yīng)快、線性度較好等特點(diǎn)，非常適合與制作超高壓應(yīng)力(力)傳感器，到目前為止，錳銅壓阻計(jì)仍然是量程最高的壓力傳感器，測(cè)試上限可達(dá)lOOGPa。
[0004]而壓電傳感器常用的敏感元件主要有石英、壓電陶瓷以及近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的偏聚氟乙烯(PVDF)。石英是最廣泛采用的壓電材料，壓電信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間為3ns(若有放大器則為10ns)，典型的記錄時(shí)間為0.4 μ S，該類傳感器在2.5GPa以下為彈性應(yīng)變區(qū)，線性度好，精度可達(dá)±3%，但在2.5GPa以上時(shí)，非線性增強(qiáng)，精度明顯下降。壓電陶瓷的壓電常數(shù)比石英要大得多，但由于壓電陶瓷的機(jī)械強(qiáng)度小，居里點(diǎn)低，只能應(yīng)用在低壓力條件下應(yīng)用。
[0005]上述傳感器應(yīng)用在混凝土材料的沖擊測(cè)試領(lǐng)域各自存在著以下的不足。
[0006]對(duì)于壓阻式的錳銅壓阻計(jì)，在測(cè)試時(shí)需要外接相應(yīng)的脈沖電源以及觸發(fā)裝置，測(cè)試中較為麻煩，并且應(yīng)用在低應(yīng)力沖擊測(cè)試時(shí)(最大沖擊應(yīng)力不超過(guò)lOOMPa)，錳銅壓阻計(jì)的測(cè)試精度不能滿足測(cè)試要求。
[0007]對(duì)于壓電式的石英晶體傳感器，一般只能測(cè)試試件表面的沖擊波剖面，通過(guò)換算得到試件內(nèi)部應(yīng)力，限制了其應(yīng)用范圍
[0008]對(duì)于壓電陶瓷，由于壓電陶瓷的機(jī)械強(qiáng)度小，在較高的沖擊應(yīng)力水平下會(huì)碎掉，同時(shí)在測(cè)量時(shí)需要電荷放大器，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，無(wú)法應(yīng)用到試件內(nèi)部的應(yīng)力檢測(cè)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種用于測(cè)量混凝土材料在經(jīng)受沖擊荷載作用時(shí)，能夠得到材料內(nèi)部的應(yīng)力分布的壓電式應(yīng)力傳感器，從而解決現(xiàn)有的傳感器不能有效地捕捉混凝土材料在經(jīng)受沖擊荷載作用時(shí)，材料內(nèi)部測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)力時(shí)程的問(wèn)題。
[0010]本發(fā)明利用PVDF (偏聚氟乙烯)薄膜的壓電特性實(shí)現(xiàn)上述目的，具體的技術(shù)方案如下:一種利用PVDF薄膜壓電特性的混凝土應(yīng)力傳感器，包括上、下兩部分扣裝在一起的傳感器外殼以及設(shè)置在兩部分傳感器外殼之間的PVDF壓電薄膜，其中下部傳感器外殼內(nèi)側(cè)中心部位設(shè)有凸臺(tái)，所述PVDF壓電層設(shè)置在所述凸臺(tái)上，所述上部傳感器外殼的內(nèi)側(cè)中心對(duì)應(yīng)部位設(shè)有凹槽并固定扣裝在設(shè)有凸臺(tái)的下部傳感器外殼上，所述上、下兩部分傳感器外殼之間設(shè)有柔性墊圈，所述柔性墊圈給傳感器內(nèi)部提供一個(gè)微小的軸向位移行程，保證外部荷載能夠有效的作用在PVDF壓電薄膜上，保證測(cè)試精度并且具有一定的防水性能；所述PVDF壓電薄膜周邊套裝有尼龍?zhí)淄矊VDF壓電薄膜定位在所述凸臺(tái)上，所述PVDF壓電層的上、下兩端面分別設(shè)置絕緣層與上、下兩部分傳感器外殼之間緊密接觸，所述尼龍?zhí)淄才c絕緣層構(gòu)成封閉的絕緣空間將PVDF壓電薄膜與傳感器外殼絕緣分隔；所述PVDF壓電薄膜的上、下表面分別設(shè)置接線電極將壓電信號(hào)引出至傳感器外。
[0011]其中，設(shè)有凹槽的上部傳感器外殼在所述凹槽周邊設(shè)有定位尼龍?zhí)淄驳娜Σ郏瑑蓚€(gè)所述柔性墊圈分別設(shè)置在所述尼龍?zhí)淄矁啥伺c上、下兩部分傳感器外殼緊密接觸。
[0012]在本發(fā)明中，所述混凝土應(yīng)力傳感器還包括輸出端子，所述輸出端子一端穿過(guò)所述傳感器外殼以及尼龍?zhí)淄才c所述PVDF壓電薄膜上下表面的接線電極電連接，另一端引出至傳感器外殼外。
[0013]所述PVDF壓電薄膜的厚度為25?100微米圓形薄膜，并且所述PVDF壓電薄膜的上、下表面分別鍍銀處理。
[0014]作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述絕緣層采用厚度為25?100微米的聚酰亞胺膜。
[0015]所述尼龍?zhí)淄驳暮穸葹镮?5毫米。
[0016]在本發(fā)明中，所述上、下兩部分傳感器外殼為金屬外殼，并且所述上、下兩部分傳感器外殼之間通過(guò)螺釘連接，確保外部荷載能夠有效作用在PVDF壓電薄膜上。
[0017]由于混凝土應(yīng)力傳感器通常是澆筑在混凝土試件中，在所述上、下兩部分傳感器外殼的連接處外圈設(shè)有柔性防水密封圈。
[0018]本實(shí)用新型具有如下有益效果:
[0019]I) PVDF壓電薄膜壓電系數(shù)高，在面對(duì)相同的應(yīng)力水平作用下，比壓電陶瓷輸出強(qiáng)度要高10倍以上；采用PVDF壓電薄膜為敏感元件的傳感器具有極佳的信噪比，使得在實(shí)際測(cè)量中可以不需要噪聲過(guò)濾；該壓電薄膜具有納秒級(jí)的響應(yīng)速度、O?20GPa的寬幅測(cè)壓范圍，非常適合應(yīng)用于瞬態(tài)高壓的應(yīng)用領(lǐng)域，比如爆炸與沖擊作用下的應(yīng)力測(cè)試；而且PVDF具有極佳的柔韌性，可以方便的加工成各種形狀和厚度，機(jī)械強(qiáng)度高，耐久性好，質(zhì)量輕，成本低廉，可重復(fù)使用。
[0020]2)本發(fā)明將PVDF壓電薄膜夾在兩部分片金屬外殼之間，通過(guò)傳感器金屬外殼將荷載傳遞至PVDF薄膜，傳感靈敏，傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，封裝方便，體積小，可以預(yù)埋在混凝土材料中完成沖擊應(yīng)力測(cè)試。
[0021]3)本發(fā)明采用上下兩部分金屬外殼將PVDF壓電薄膜扣裝在其內(nèi)部，采用尼龍?zhí)淄埠徒^緣層形成封閉絕緣的電磁屏蔽空間，傳感器外殼通過(guò)輸出端子與雙芯屏蔽導(dǎo)線的屏蔽層相連并接地，測(cè)試信號(hào)不受電磁環(huán)境的干擾，保證測(cè)試精度；采用扣裝的封裝工藝，以及柔性防水密封圈和柔性墊圈的使用，保證了傳感器的防水性能和耐久性能，確保了在實(shí)際應(yīng)用中，測(cè)試結(jié)果的穩(wěn)定性和一致性。
[0022]以下結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1為本發(fā)明涉及的混凝土應(yīng)力傳感器的外觀示意圖。
[0024]圖2為本發(fā)明涉及的混凝土應(yīng)力傳感器的仰視圖。
[0025]圖3為圖2中的P-P剖視圖。[0026]圖4為圖3中的上、下兩部分傳感器外殼連接處結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖5為圖2中的Q-Q剖視圖。
[0028]圖6為本發(fā)明涉及的混凝土應(yīng)力傳感器各個(gè)零部件的分解示意圖。
[0029]圖7為本發(fā)明涉及的混凝土應(yīng)力傳感器的模擬電路圖。
[0030]圖中標(biāo)號(hào):01、傳感器外殼上半部分,02、傳感器外殼下半部分,03、絕緣層,04、PVDF壓電薄膜，05、尼龍?zhí)淄玻?6、柔性墊圈，07、柔性防水密封圈，08、螺釘孔，09、螺釘，10、輸出端子，11、接線電極。
【具體實(shí)施方式】
[0031]實(shí)施例
[0032]參見(jiàn)圖1至圖6，圖示中的混凝土應(yīng)力傳感器利用PVDF (偏聚氟乙烯)薄膜的壓電特性，其包括兩面鍍銀的PVDF壓電薄膜04作為傳感器的敏感元件，用于保護(hù)敏感元件并將混凝土材料中的沖擊荷載傳遞至敏感元件的金屬傳感器外殼，用于與測(cè)試電路相連接的輸出端子10，用于PVDF壓電薄膜04與傳感器外殼之間絕緣的絕緣層03及尼龍?zhí)淄?5，用于防水和密封的柔性墊圈06及柔性防水密封圈07，用于PVDF壓電薄膜04與輸出端子10電連接的接線電極11，用于封裝固定傳感器外殼的螺釘09。
[0033]具體參見(jiàn)圖3至圖6，上述混凝土應(yīng)力傳感器的具體結(jié)構(gòu)如下:傳感器外殼為圓柱形，由上、下兩部分扣裝在組成，其中傳感器外殼下半部分02上設(shè)有凸臺(tái)，所述PVDF壓電薄膜04設(shè)置在所述凸臺(tái)上，傳感器外殼上半部分01設(shè)有凹槽并固定扣裝在設(shè)有凸臺(tái)的傳感器外殼下半部分上，所述上、下兩部分傳感器外殼之間設(shè)有柔性墊圈06，所述柔性墊圈06給傳感器內(nèi)部提供一個(gè)微小的軸向位移行程，保證外部荷載能夠有效的作用在PVDF壓電薄膜上，避免部分被兩部分傳感器外殼抵消，保證傳感器的測(cè)試精度并且還具有一定的防水性能；所述PVDF壓電層04周邊套裝有尼龍?zhí)淄?5將PVDF壓電層定位在傳感器外殼下半部分02的凸臺(tái)上，所述PVDF壓電薄膜04的上、下兩面分別設(shè)置絕緣層03與上、下兩部分傳感器外殼之間緊密接觸，所述尼龍?zhí)淄?5與絕緣層03構(gòu)成封閉的絕緣空間將PVDF壓電薄膜04與傳感器外殼絕緣分隔；所述PVDF壓電薄膜04的上、下兩面分別設(shè)置接線電極11將壓電信號(hào)引出至傳感器外。
[0034]進(jìn)一步的，傳感器外殼上半部分01上的凹槽周邊設(shè)有定位尼龍?zhí)淄?5的圈槽，兩個(gè)所述柔性墊圈06分別設(shè)置在所述尼龍?zhí)淄?5的兩端與上、下兩部分傳感器外殼緊密接觸。
[0035]傳感器的輸出端子10—端穿過(guò)所述傳感器外殼以及尼龍?zhí)淄才c所述PVDF壓電薄膜04上下兩面的接線電極11電連接，另一端引出至傳感器外殼外。所述尼龍?zhí)淄?5和鋼制傳感器外殼在高度方向的中部位置開(kāi)有圓形內(nèi)部接線孔，用于PVDF壓電薄膜的接線電極與輸出端子的連接，本傳感器在外部電路中可通過(guò)雙芯屏蔽導(dǎo)線與測(cè)試電路連接，傳感器外殼通過(guò)輸出端子與導(dǎo)線屏蔽層連接，保證提供可靠的電氣性能和電磁屏蔽。
[0036]所述PVDF壓電薄膜04采用目前市場(chǎng)長(zhǎng)常用到的厚度為25-100微米的薄膜，裁切成圓形，并且所述PVDF壓電薄膜的上、下端面分別鍍銀處理。
[0037]作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述絕緣層03采用厚度為25-100微米的聚酰亞胺膜。鋼制外殼內(nèi)部通過(guò)聚酰亞胺薄膜與PVDF壓電薄膜絕緣并壓緊，試件中的應(yīng)力通過(guò)鋼制外殼傳遞至PVDF壓電薄膜上，同時(shí)也為傳感器內(nèi)部組件提供保護(hù)，防水及電磁屏蔽。
[0038]所述尼龍?zhí)淄?5的厚度為2毫米，所述尼龍圈為薄壁圓筒形，安裝在鋼制外殼內(nèi)，徑向包裹PVDF壓電薄膜和聚酰亞胺薄膜，防止傳感器內(nèi)部元件與外殼發(fā)生短路。
[0039]在本發(fā)明中，所述上、下兩部分傳感器外殼為金屬外殼，并且所述上、下兩部分傳感器外殼上設(shè)置螺釘孔08，其中傳感器外殼上半部分01上的為設(shè)有內(nèi)螺紋的螺紋孔，傳感器下半部分02上的為階梯通孔，傳感器外殼上、下兩部分通過(guò)螺釘09固連封裝。
[0040]在測(cè)試時(shí)，混凝土應(yīng)力傳感器通常是澆筑在混凝土試件中測(cè)試沖擊應(yīng)力，因此在所述上、下兩部分傳感器外殼的連接處外圈還設(shè)有柔性防水密封圈07。用于在保證防水性能的基礎(chǔ)上，同樣可以像柔性墊圈06給傳感器內(nèi)部提供一個(gè)微小的軸向位移行程，保證外部荷載能夠有效的作用在PVDF壓電薄膜上。
[0041]具體參見(jiàn)圖7，在實(shí)際的應(yīng)用中，PVDF壓電傳感器在受到?jīng)_擊荷載作用時(shí)，可視為串聯(lián)著電容的電壓源，其中電壓源Vs代表PVDF薄膜，其輸出值與傳感器所經(jīng)受的應(yīng)力的變化成正比；而PVDF薄膜的電容Ctl可以視為一個(gè)等效容抗，測(cè)量時(shí)與放電電阻R形成分壓電路。然而Ctl和R同樣構(gòu)成一個(gè)一階的RC振蕩電路，可以視為一個(gè)高通濾波器，過(guò)濾掉因沖擊振動(dòng)而產(chǎn)生的低頻噪聲，最大程度的減小輸出信號(hào)中的干擾。
【權(quán)利要求】
1.一種利用PVDF薄膜壓電特性的混凝土應(yīng)力傳感器，其特征在于:包括上、下兩部分扣裝在一起的傳感器外殼以及設(shè)置在兩部分傳感器外殼之間的PVDF壓電薄膜，其中，下部傳感器外殼內(nèi)側(cè)中心部位設(shè)有凸臺(tái)，所述PVDF壓電薄膜設(shè)置在所述凸臺(tái)上，上部傳感器外殼內(nèi)側(cè)中心對(duì)應(yīng)部位設(shè)有凹槽并固定扣裝在設(shè)有凸臺(tái)的下部傳感器外殼上，所述上、下兩部分傳感器外殼之間設(shè)有柔性墊圈； 所述PVDF壓電薄膜周邊套裝有尼龍?zhí)淄矊VDF壓電薄膜定位在所述凸臺(tái)間，所述PVDF壓電薄膜的上、下表面分別設(shè)置絕緣層與上、下兩部分傳感器外殼之間緊密接觸，所述尼龍?zhí)淄才c絕緣層構(gòu)成封閉的絕緣空間將PVDF壓電薄膜與傳感器外殼絕緣分隔； 所述PVDF壓電薄膜的上、下兩表面分別設(shè)置接線電極將壓電信號(hào)引出至傳感器外。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用PVDF薄膜壓電特性的混凝土應(yīng)力傳感器，其特征在于:設(shè)有凹槽的傳感器外殼在所述凹槽周邊設(shè)有定位尼龍?zhí)淄驳娜Σ郏瑑蓚€(gè)所述柔性墊圈分別設(shè)置在所述尼龍?zhí)淄矁啥伺c上、下兩部分傳感器外殼緊密接觸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用PVDF薄膜壓電特性的混凝土應(yīng)力傳感器，其特征在于:所述混凝土應(yīng)力傳感器還包括輸出端子，所述輸出端子一端穿過(guò)所述傳感器外殼以及尼龍?zhí)淄才c所述PVDF壓電層上下兩端面的接線電極電連接，另一端引出至傳感器外殼外。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用PVDF薄膜壓電特性的混凝土應(yīng)力傳感器，其特征在于:所述PVDF壓電薄膜的厚度為25?100微米圓形薄膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種利用PVDF薄膜壓電特性的混凝土應(yīng)力傳感器，其特征在于:所述PVDF壓電薄膜的上、下表面分別鍍銀處理。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用PVDF薄膜壓電特性的混凝土應(yīng)力傳感器，其特征在于:所述絕緣層采用厚度為25?100微米的聚酰亞胺薄膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用PVDF薄膜壓電特性的混凝土應(yīng)力傳感器，其特征在于:所述尼龍?zhí)淄驳谋诤駷镮?5毫米。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用PVDF薄膜壓電特性的混凝土應(yīng)力傳感器，其特征在于:所述上、下兩部分傳感器外殼為金屬外殼。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種利用PVDF薄膜壓電特性的混凝土應(yīng)力傳感器，其特征在于:所述上、下兩部分傳感器外殼之間通過(guò)螺釘連接固連。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用PVDF薄膜壓電特性的混凝土應(yīng)力傳感器，其特征在于:所述上、下兩部分傳感器外殼的連接處外圈設(shè)有柔性防水密封圈。
【文檔編號(hào)】G01L1/16GK103674353SQ201310712358
【公開(kāi)日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年12月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月20日
【發(fā)明者】孟一, 魯四平, 黃方林 申請(qǐng)人:中南大學(xué)