CN111879231A - 一种高输出灵敏度的混凝土表面应变传感器及其制作和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高输出灵敏度的混凝土表面应变传感器及其制作和测量方法，一种高输出灵敏度的混凝土表面应变传感器，它包括弹性元件，所述弹性元件的拱顶部位设置有用于采集并转换应变信号的应变片线路结构，所述应变片线路结构通过防水层结构封装粘结在弹性元件的顶部，所述弹性元件的两个拱脚部位分别设置有固定铰支座和活动铰支座。所述弹性元件的拱顶应变与材料无关，其采用镀锌铁片材料制成。为让本发明适应各种恶劣环境下的正常工作，要求传感器的弹性原件和拱顶的应变片进行保护封胶。

Description

一种高输出灵敏度的混凝土表面应变传感器及其制作和测量 方法

技术领域

本发明涉及一种高输出灵敏度的混凝土表面应变传感器及其制作和测量方法，可用于混凝土表面应变的测量并且可以在水中进行工作，属于土木工程检测装置技术领域。

背景技术

混凝土表面的应变测量是工程或者试验中测量作业中的重要部分。在工程中，外界环境的多样变化使应变传感器处于一种恶劣的环境。

现有市面上的应变传感器无法适用于恶劣的使用环境，而且灵敏度也无法适用于现有的使用需求。因此，需要设计一种高输出灵敏度的混凝土表面应变传感器。

发明内容

为应对这种情况，本发明研究设计一种高输出灵敏度的混凝土表面应变传感器及其制作和测量方法。本发明对于应变片的另一个优势就是应变量程足够大。本发明把拱的支座之间的平均应变通过拱顶的应变进行表示。为让拱顶应变反应足够灵敏，所以本发明就拱式表面应变计进行优化。通过拱顶的应变和支座的反力来衡量应变传感器的优化程度。为让本发明适应各种恶劣环境下的正常工作，要求传感器的弹性原件和拱顶的应变片进行保护封胶。因此为在恶劣环境测量混凝土的应变并且有足够灵敏的传感器，一种高输出灵敏度的混凝土表面应变传感器以及制作方法是工程和试验中急需解决的问题。

为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种高输出灵敏度的混凝土表面应变传感器，它包括弹性元件，所述弹性元件的拱顶部位设置有用于采集并转换应变信号的应变片线路结构，所述应变片线路结构通过防水层结构封装粘结在弹性元件的顶部，所述弹性元件的两个拱脚部位分别设置有固定铰支座和活动铰支座。

所述弹性元件的拱顶应变与材料无关，其采用镀锌铁片材料制成。

在弹性元件制备过程中，对弹性元件进行优化处理，通过理论计算和有限元仿真对不同尺寸拱形弹性元件的传感效率进行求解并绘制曲线图，再用拟合软件和主成成分分析法对弹性元件的拱高、拱跨、截面高度、截面宽度、截面开槽尺寸、拱轴线的形式以及弹性元件的材料进行分析和优化，并且是试验中的输出灵敏度达到4000με/mm。

在弹性元件制备过程中，对混凝土表面应变传感器建立模型，理论和实际对比，选择带有两个支铰的圆拱结构，并使传感器更接近两铰圆拱的力学分析模型，对弹性元件的支铰进行固定铰支座和活动铰支座处理；所述固定铰支座是在该侧的支撑座上加工铰接通孔；所述活动支座是在该侧的支撑座上加工开口槽。

所述应变片线路结构包括第一应变片、第二应变片、第三应变片、第四应变片、大绝缘薄板、小绝缘薄板、第一金属导电板和第二金属导电板；所述第一应变片、第二应变片、第三应变片和第四应变片粘贴在弹性元件的拱顶位置，并采用惠斯通全桥的连接方式；所述第一金属导电板和第二金属导电板安装在大绝缘薄板上，所述第一应变片和第三应变片通过导线连接到第一金属导电板，并在此处伸出连接后的导线；所述小绝缘薄板覆盖在第一应变片和第三应变片相接导线的薄板中间部位；所述第二应变片和第四应变片通过导线连接到第二金属导电板，并在此处伸出连接后的导线；

所述第一应变片、第二应变片、第三应变片和第四应变片的伸出导线与外部电路相连。

所述惠斯通全桥的连接方式消除温度的补偿，并且使测得零漂和满漂为±3με；并且惠斯通电桥的全桥接法使得对拱顶的应变进行至少四倍的放大。

所述防水层结构包括速干胶底层，所述应变片线路结构通过速干胶底层粘结在弹性元件上，在应变片线路结构的外层依次封装有胶布防水层、透明有机硅密封胶层、防水胶带层和软塑料层。

所述弹性元件的拱顶部位加工有开口槽，所述应变片线路结构设置在开口槽的两侧，所述开口槽的上下部用圆角做过渡处理。

所述高输出灵敏度的混凝土表面应变传感器的制作方法，它包括以下步骤：

步骤一：对弹性元件的拱顶进行打磨，以便于让待粘贴的第一应变片、第二应变片、第三应变片和第四应变片找平；

步骤二：对底层用速干胶底层进行初步防水打胶处理，再用速干胶底层把第一应变片、第二应变片、第三应变片和第四应变片粘贴在拱顶处；

步骤三：贴完所有应变片后，用胶布在应变片的导线端部用胶带缠上几圈，以防止应变片与弹性元件接触发生短路；

步骤四：再把应变片的导线用锡和外接导线焊起来，按照惠斯通电桥全桥接线；

步骤五：连接完毕后，用透明有机硅密封胶形成透明有机硅密封胶层，对拱顶处进行全范围的涂抹，作为二次防水处理；

步骤六：由于卡夫特透明有机硅密封胶硬化需要时间长，在其半干状态下粘结防水胶布形成防水胶带层对弹性元件整体进行密封绑缠，作为三次防水处理；

步骤七：最后用软塑料对弹性元件整体进行密封包裹覆盖，并在密封端口出用水中胶进行封口防水处理。

所述高输出灵敏度的混凝土表面应变传感器进行测量的方法，包括以下步骤：

通过混凝土表面应变传感器的支座位移在拱顶产生的应变来表示支座支之间的平均应变，计算方程中，ε为混凝土表面的应变、ε_读为传感器的读数、S为传感器的输出灵敏度、Δ_支座反力为支座反力在粘接处产生的位移、L为传感器的跨度，计算方程如下：

为减少支座粘接处的误差，对粘接处在工作时的影响进行研究，支座处采用2mm的垫片，其面积S_垫片＝3.14mm²，考虑支座反力产生的位移进行一下计算，其中τ_支座为支座处的切应力、F_支座反力为支座处的反力：

F_支座反力＝4.838×10^-6ε²+0.01024ε+0.6974 (2)

Δ_支座反力＝0.00486τ_支座 ²+0.02685τ_支座-0.0054 (4)

上式得到支座反力产生的位移Δ_支座反力，代入公式(1)就可以算出待测处混凝土的平均应变。

本发明有如下有益效果：

1、本发明的拱顶采用惠斯通电桥的全桥对拱顶应变进行放大四倍并且排除环境对应变片的影响。相对使用1/4桥的接法，全桥的电压值是它的四倍。同时因为四个桥臂都是外接部分，所以温度的补偿可以四个臂达到自补偿效果。

2、为优化拱式混凝土表面应变传感器的输出灵敏度，也就是对支座位移在拱顶产生的应变进行优化。本发明分别研究拱顶的开口槽的形状、开槽大小、拱截面的宽度、拱截面的厚度、拱轴线的形式以及高跨比。为让传感器能在各种恶劣环境下正常工作，本发明对传感器进行一种防水封胶处理。

3、本发明使用时安装简单，并且能重复使用。在现场恶劣的环境下也能很好工作，甚至是在水中工作。本发明能够重复使用，并且拥有高的输出灵敏度和大的量程范围。

4、除此之外，针对应变计内部应变片之间错综交叉的线路连接方式，发明出一种接线端子的装置，能够保证应变计内部线路的稳定性；也旨在提高加工制作的效率以及降低因操作失误而导致零件的报废的比率。这与普通应变计直接在弹性元件上粘贴应变片然后连接线路的方式不同，这种方法是将应变片之间的线路连接在外部端子中先连接好，然后再将应变片粘贴在弹性元件上。而接线端子可以另外加工，并且加工较为简便，这样就大幅降低了制作过程的失误率，也提高了制作效率。提高效率主要体现在，减少了不必要的焊接工序，而且制作过程不易出现线路搭接不良和误碰的情况。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明传感器主视图。

图2为本发明传感器俯视图。

图3为本发明传感器三维图。

图4为本发明应变片线路结构连接图。

图5为本发明应变传感器封装结构图。

图6为本发明弹性元件在拱顶开口槽的局部结构图。

图中：弹性元件1、防水层结构2、应变片线路结构3、固定铰支座4、活动铰支座5、第一应变片6、第二应变片7、第三应变片8、第四应变片9、大绝缘薄板10、小绝缘薄板11、第一金属导电板12、第二金属导电板13、速干胶底层14、胶布防水层15、透明有机硅密封胶层16、防水胶带层17、软塑料层18、开口槽19。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

实施例1：

参见图1-6，一种高输出灵敏度的混凝土表面应变传感器，它包括弹性元件1，所述弹性元件1的拱顶部位设置有用于采集并转换应变信号的应变片线路结构3，所述应变片线路结构3通过防水层结构2封装粘结在弹性元件1的顶部，所述弹性元件1的两个拱脚部位分别设置有固定铰支座4和活动铰支座5。

进一步的，所述弹性元件1的拱顶应变与材料无关，其采用镀锌铁片材料制成。保证其具有一定的弹性。

进一步的，为让拱顶应变反应足够灵敏，在弹性元件1制备过程中，对弹性元件1进行优化处理，通过理论计算和有限元仿真对不同尺寸拱形弹性元件1的传感效率进行求解并绘制曲线图，再用拟合软件和主成成分分析法对弹性元件1的拱高、拱跨、截面高度、截面宽度、截面开槽尺寸、拱轴线的形式以及弹性元件1的材料进行分析和优化，并且是试验中的输出灵敏度达到4000με/mm。

进一步的，为得出弹性元件1的最优解，在弹性元件1制备过程中，对混凝土表面应变传感器建立模型，理论和实际对比，选择带有两个支铰的圆拱结构，并使传感器更接近两铰圆拱的力学分析模型，对弹性元件1的支铰进行固定铰支座4和活动铰支座5处理；所述固定铰支座4是在该侧的支撑座上加工铰接通孔；所述活动支座5是在该侧的支撑座上加工开口槽。

进一步的，所述应变片线路结构3包括第一应变片6、第二应变片7、第三应变片8、第四应变片9、大绝缘薄板10、小绝缘薄板11、第一金属导电板12和第二金属导电板13；所述第一应变片6、第二应变片7、第三应变片8和第四应变片9粘贴在弹性元件1的拱顶位置，并采用惠斯通全桥的连接方式；所述第一金属导电板12和第二金属导电板13安装在大绝缘薄板10上，所述第一应变片6和第三应变片8通过导线连接到第一金属导电板12，并在此处伸出连接后的导线；所述小绝缘薄板11覆盖在第一应变片6和第三应变片8相接导线的薄板中间部位；所述第二应变片7和第四应变片9通过导线连接到第二金属导电板13，并在此处伸出连接后的导线；所述第一应变片6、第二应变片7、第三应变片8和第四应变片9的伸出导线与外部电路相连。通过上述的连接方式，通过全桥的连接方式能够将电压值放大4倍。

进一步的，所述惠斯通全桥的连接方式消除温度的补偿，并且使测得零漂和满漂为±3με；并且惠斯通电桥的全桥接法使得对拱顶的应变进行至少四倍的放大。进而提高了测量的灵敏度。

进一步的，所述防水层结构2包括速干胶底层14，所述应变片线路结构3通过速干胶底层14粘结在弹性元件1上，在应变片线路结构3的外层依次封装有胶布防水层15、透明有机硅密封胶层16、防水胶带层17和软塑料层18。通过上述的密封处理方式，能够起到很好的防水效果，进而适应恶劣的使用环境。

进一步的，所述弹性元件1的拱顶部位加工有开口槽19，所述应变片线路结构3设置在开口槽19的两侧，所述开口槽19的上下部用圆角做过渡处理。通过上述的处理方式能够避免在弹性元件上出现局部应力集中现象。

实施例2：

所述高输出灵敏度的混凝土表面应变传感器的制作方法，它包括以下步骤：

步骤一：对弹性元件1的拱顶进行打磨，以便于让待粘贴的第一应变片6、第二应变片7、第三应变片8和第四应变片9找平；

步骤二：对底层用速干胶底层14进行初步防水打胶处理，再用速干胶底层14把第一应变片6、第二应变片7、第三应变片8和第四应变片9粘贴在拱顶处；

步骤三：贴完所有应变片后，用胶布在应变片的导线端部用胶带缠上几圈，以防止应变片与弹性元件接触发生短路；

步骤四：再把应变片的导线用锡和外接导线焊起来，按照惠斯通电桥全桥接线；

步骤五：连接完毕后，用透明有机硅密封胶形成透明有机硅密封胶层16，对拱顶处进行全范围的涂抹，作为二次防水处理；

步骤六：由于卡夫特透明有机硅密封胶硬化需要时间长，在其半干状态下粘结防水胶布形成防水胶带层17对弹性元件整体进行密封绑缠，作为三次防水处理；

步骤七：最后用软塑料对弹性元件整体进行密封包裹覆盖，并在密封端口出用水中胶进行封口防水处理。

实施例3：

所述高输出灵敏度的混凝土表面应变传感器进行测量的方法，包括以下步骤：

通过混凝土表面应变传感器的支座位移在拱顶产生的应变来表示支座支之间的平均应变，计算方程中，ε为混凝土表面的应变、ε_读为传感器的读数、S为传感器的输出灵敏度、Δ_支座反力为支座反力在粘接处产生的位移、L为传感器的跨度，计算方程如下：

为减少支座粘接处的误差，对粘接处在工作时的影响进行研究，支座处采用2mm的垫片，其面积S_垫片＝3.14mm²，考虑支座反力产生的位移进行一下计算，其中τ_支座为支座处的切应力、F_支座反力为支座处的反力：

F_支座反力＝4.838×10^-6ε²+0.01024ε+0.6974 (2)

Δ_支座反力＝0.00486τ_支座 ²+0.02685τ_支座-0.0054 (4)

上式得到支座反力产生的位移Δ_支座反力，代入公式1就可以算出待测处混凝土的平均应变。

Claims (10)

1.一种高输出灵敏度的混凝土表面应变传感器，其特征在于：它包括弹性元件(1)，所述弹性元件(1)的拱顶部位设置有用于采集并转换应变信号的应变片线路结构(3)，所述应变片线路结构(3)通过防水层结构(2)封装粘结在弹性元件(1)的顶部，所述弹性元件(1)的两个拱脚部位分别设置有固定铰支座(4)和活动铰支座(5)。

2.根据权利要求1所述一种高输出灵敏度的混凝土表面应变传感器，其特征在于：所述弹性元件(1)的拱顶应变与材料无关，其采用镀锌铁片材料制成。

3.根据权利要求1或2所述一种高输出灵敏度的混凝土表面应变传感器，其特征在于：在弹性元件(1)制备过程中，对弹性元件(1)进行优化处理，通过理论计算和有限元仿真对不同尺寸拱形弹性元件(1)的传感效率进行求解并绘制曲线图，再用拟合软件和主成成分分析法对弹性元件(1)的拱高、拱跨、截面高度、截面宽度、截面开槽尺寸、拱轴线的形式以及弹性元件(1)的材料进行分析和优化，并且是试验中的输出灵敏度达到4000με/mm。

4.根据权利要求1或2所述一种高输出灵敏度的混凝土表面应变传感器，其特征在于：在弹性元件(1)制备过程中，对混凝土表面应变传感器建立模型，理论和实际对比，选择带有两个支铰的圆拱结构，并使传感器更接近两铰圆拱的力学分析模型，对弹性元件(1)的支铰进行固定铰支座(4)和活动铰支座(5)处理；所述固定铰支座(4)是在该侧的支撑座上加工铰接通孔；所述活动支座(5)是在该侧的支撑座上加工开口槽。

5.根据权利要求1所述一种高输出灵敏度的混凝土表面应变传感器，其特征在于：所述应变片线路结构(3)包括第一应变片(6)、第二应变片(7)、第三应变片(8)、第四应变片(9)、大绝缘薄板(10)、小绝缘薄板(11)、第一金属导电板(12)和第二金属导电板(13)；所述第一应变片(6)、第二应变片(7)、第三应变片(8)和第四应变片(9)粘贴在弹性元件(1)的拱顶位置，并采用惠斯通全桥的连接方式；所述第一金属导电板(12)和第二金属导电板(13)安装在大绝缘薄板(10)上，所述第一应变片(6)和第三应变片(8)通过导线连接到第一金属导电板(12)，并在此处伸出连接后的导线；所述小绝缘薄板(11)覆盖在第一应变片(6)和第三应变片(8)相接导线的薄板中间部位；所述第二应变片(7)和第四应变片(9)通过导线连接到第二金属导电板(13)，并在此处伸出连接后的导线；

所述第一应变片(6)、第二应变片(7)、第三应变片(8)和第四应变片(9)的伸出导线与外部电路相连。

6.根据权利要求5所述一种高输出灵敏度的混凝土表面应变传感器，其特征在于：所述惠斯通全桥的连接方式消除温度的补偿，并且使测得零漂和满漂为±3με；并且惠斯通电桥的全桥接法使得对拱顶的应变进行至少四倍的放大。

7.根据权利要求1所述一种高输出灵敏度的混凝土表面应变传感器，其特征在于：所述防水层结构(2)包括速干胶底层(14)，所述应变片线路结构(3)通过速干胶底层(14)粘结在弹性元件(1)上，在应变片线路结构(3)的外层依次封装有胶布防水层(15)、透明有机硅密封胶层(16)、防水胶带层(17)和软塑料层(18)。

8.根据权利要求1所述一种高输出灵敏度的混凝土表面应变传感器，其特征在于：所述弹性元件(1)的拱顶部位加工有开口槽(19)，所述应变片线路结构(3)设置在开口槽(19)的两侧，所述开口槽(19)的上下部用圆角做过渡处理。

9.权利要求1-8任意一项所述高输出灵敏度的混凝土表面应变传感器的制作方法，其特征在于，它包括以下步骤：

步骤一：对弹性元件(1)的拱顶进行打磨，以便于让待粘贴的第一应变片(6)、第二应变片(7)、第三应变片(8)和第四应变片(9)找平；

步骤二：对底层用速干胶底层(14)进行初步防水打胶处理，再用速干胶底层(14)把第一应变片(6)、第二应变片(7)、第三应变片(8)和第四应变片(9)粘贴在拱顶处；

步骤三：贴完所有应变片后，用胶布在应变片的导线端部用胶带缠上几圈，以防止应变片与弹性元件接触发生短路；

步骤四：再把应变片的导线用锡和外接导线焊起来，按照惠斯通电桥全桥接线；

步骤五：连接完毕后，用透明有机硅密封胶形成透明有机硅密封胶层(16)，对拱顶处进行全范围的涂抹，作为二次防水处理；

步骤六：由于卡夫特透明有机硅密封胶硬化需要时间长，在其半干状态下粘结防水胶布形成防水胶带层(17)对弹性元件整体进行密封绑缠，作为三次防水处理；

步骤七：最后用软塑料对弹性元件整体进行密封包裹覆盖，并在密封端口出用水中胶进行封口防水处理。

10.采用权利要求1-8任意一项所述高输出灵敏度的混凝土表面应变传感器进行测量的方法，其特征在于包括以下步骤：

通过混凝土表面应变传感器的支座位移在拱顶产生的应变来表示支座支之间的平均应变，计算方程中，ε为混凝土表面的应变、ε读为传感器的读数、S为传感器的输出灵敏度、Δ_支座反力为支座反力在粘接处产生的位移、L为传感器的跨度，计算方程如下：

为减少支座粘接处的误差，对粘接处在工作时的影响进行研究，支座处采用2mm的垫片，其面积S_垫片＝3.14mm²，考虑支座反力产生的位移进行一下计算，其中τ_支座为支座处的切应力、F_支座反力为支座处的反力：

F_支座反力＝4.838×10^-6ε²+0.01024ε+0.6974 (2)

Δ_支座反力＝0.00486τ_支座 ²+0.02685τ_支座-0.0054 (4)

上式得到支座反力产生的位移Δ_支座反力，代入公式(1)就可以算出待测处混凝土的平均应变。

Images