[發明專利]基于長度變形型PZT的FRP筋界面剪應力監測裝置及方法

有效

• 申請號: 201410066502.4
• 申請日: 2014-02-26
• 公開（公告）號: CN103792031A
• 公開（公告）日: 2014-05-14
• 發明（設計）人: 蔣田勇;宋鋼兵;安磊;肖華凌
• 申請（專利權）人: 長沙理工大學
• 主分類號: G01L1/16
• 分類號: G01L1/16;G06F19/00
• 代理公司: 長沙正奇專利事務所有限責任公司 43113
• 代理人: 馬強

1.一種基于長度變形型PZT的FRP筋界面剪應力監測裝置，其特征在于，在FRP筋材（1）外覆蓋混凝土（3），在所述混凝土（3）內的FRP筋材（1）表面沿埋長方向固定多個用作壓電陶瓷傳感器的壓電陶瓷片（2）和多個用作驅動器的壓電陶瓷片（2）；所有壓電陶瓷片（2）上均涂有防水層，且所有壓電陶瓷片（2）與所述FRP筋材（1）之間均設有絕緣層；所述多個用作壓電陶瓷傳感器的壓電陶瓷片（2）分別通過導線與高頻信號采集系統（5）連接，所述高頻信號采集系統（5）接入計算機；所述多個用作驅動器的壓電陶瓷片（2）均與任意信號函數發生器（4）連接。

2.根據權利要求1所述的基于長度變形型PZT的FRP筋界面剪應力監測裝置，其特征在于，所述多個用作驅動器的壓電陶瓷片（2）與所述任意信號函數發生器（4）之間連接有高壓放大器（6）。

3.根據權利要求1或2所述的基于長度變形型PZT的FRP筋界面剪應力監測裝置，其特征在于，所述絕緣層為一層均勻的環氧樹脂絕緣層，且所述絕緣層厚度為0.08～0.12mm。

4.根據權利要求3所述的基于長度變形型PZT的FRP筋界面剪應力監測裝置，其特征在于，所述任意信號函數發生器（4）產生的信號的頻率為500Hz～10KHz。

5.一種FRP筋界面壓電陶瓷傳感器的制作方法，其特征在于，該方法為：

1）用無水酒精將壓電陶瓷片的表面清潔干凈,靜置，待壓電陶瓷片自然干燥后，在壓電陶瓷片上焊接導線；

2）對FRP筋表面預粘貼處進行打磨光滑處理，在打磨光滑后的預粘貼處均勻涂上環氧樹脂絕緣層；

3）將經步驟1）處理后的壓電陶瓷片粘貼在FRP筋表面上，引出導線；

4）使用防水層對粘貼穩定后的壓電陶瓷片進行封裝，封裝后在室溫環境下固化一天。

6.根據權利要求5所述的FRP筋界面壓電陶瓷傳感器的制作方法，其特征在于，所述步驟1）中，所述導線為帶屏蔽線的電纜。

7.根據權利要求5所述的FRP筋界面壓電陶瓷傳感器的制作方法，其特征在于，所述步驟3）中，使用KH502膠將所述壓電陶瓷片粘貼在FRP筋表面上。

8.根據權利要求5所述的FRP筋界面壓電陶瓷傳感器的制作方法，其特征在于，所述步驟4）中，所述防水層材料為環氧樹脂。

9.一種利用權利要求1所述監測裝置監測FRP筋界面剪應力的方法，其特征在于，該方法為：

1）計算壓電陶瓷片表面產生的電荷量Q_z：

Qz=d31E1ϵ~xAe;]]>

其中，為壓電陶瓷片的平均軸向應變；d₃₁為壓電應變常數；E₁為壓電陶瓷片的彈性模量；A_e為壓電陶瓷片表面積，單位為mm²；

2）計算壓電陶瓷片兩極板上的輸出電壓V：

V=QzCp=d31E1ϵ~xAeCp;]]>

其中，C_p為壓電陶瓷片兩極板間的電容量；

3）計算壓電陶瓷片的平均軸向應變

ϵ~x=[4α1r·sh(rl)+2E1h2lE1h1+E2h2]TE1;]]>

其中，α1=-E1h2(erl+e-rl)(E1h1+E2h2);r=1(V2W2+V3W3-V1W1+V4)(1E1h1+1E2h2);]]>

V112G1h1,V2=-12G2h2,V3=(h1+h2)G2h2,V4=h12G1-h122G2h2-h1G2]]>W1=h123,W2=(3h12+3h1h2+h22)3,W1=(2h1+h2)2;]]>E₂為FRP筋的彈性模量；G₁、G₂分別為壓電陶瓷片和FRP筋的剪切彈性模量；l為壓電陶瓷片長度的一半；h₁為壓電陶瓷片的厚度；h₂為FRP筋橫截面直徑；T為FRP筋兩端承受的拉力；

4）計算壓電陶瓷片輸出電壓U：

U=Ae[4α1r·sh(rl)+2E1h2lE1h1+E2h2]d31TCp;]]>

5）令V=U，并將壓電陶瓷片平均軸向應變的計算公式代入壓電陶瓷片兩極板上的輸出電壓V的計算公式中，從而計算得到壓電陶瓷片平均軸向應變的值；

6）利用壓電陶瓷片的平均軸向應變計算FRP筋上相鄰測點之間的平均粘結應力和某一測點的粘結應力：

τ‾i=ϵ~f,i+1-ϵ~f,iβi;]]>

τi(i)=τ‾i+1+τ‾i2;]]>

τi(i+1)=τ‾i+τ‾i+12;]]>

其中，為第i測段的平均粘結應力，單位為MPa；為第i+1測點的壓電陶瓷片的平均軸向應變；為第i測點的壓電陶瓷片的平均軸向應變；β_i為第i測點和第i+1測點之間的距離，單位為mm；所述測點是指FRP筋上固定壓電陶瓷片的位置；所述測段是指相鄰兩個壓電陶瓷片中心之間的FRP筋段；τ_i(i)為第i測段第i測點的粘結應力，單位為MPa；τ_i(i+1)為第i測段第i+1測點的粘結應力，單位為MPa。