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    重庆时时彩龙虎窍门: 基于长度变形型PZT的FRP筋界面剪应力监测装置及方法.pdf

    关 键 词:
    基于 长度 变形 PZT FRP 界面 剪应力 监测 装置 方法
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    摘要
    申请专利号:

    CN201410066502.4

    申请日:

    2014.02.26

    公开号:

    CN103792031A

    公开日:

    2014.05.14

    当前法律状态:

    授权

    有效性:

    有权

    法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G01L 1/16申请日:20140226|||公开
    IPC分类号: G01L1/16; G06F19/00(2011.01)I 主分类号: G01L1/16
    申请人: 长沙理工大学
    发明人: 蒋田勇; 宋钢兵; 安磊; 肖华凌
    地址: 410014 湖南省长沙市雨花区万家丽南路二段960号
    优先权:
    专利代理机构: 长沙正奇专利事务所有限责任公司 43113 代理人: 马强
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201410066502.4

    授权公告号:

    ||||||

    法律状态公告日:

    2016.02.10|||2014.06.11|||2014.05.14

    法律状态类型:

    授权|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明公开了一种基于长度变形型PZT的FRP筋界面剪应力监测装置及方法,在FRP筋界面上粘贴多个压电陶瓷传感器,通过高频信号激励压电陶瓷传感器,由高频信号采集系统采集FRP筋界面上传感器的输出信号并将该信号数据传至计算机进行分析;本发明实现了FRP筋材界面剪应力状况的快速监测,能精确地确定FRP筋界面剪应力大??;本发明监测装置灵敏度高、响应快、操作简便、价格低廉。

    权利要求书

    权利要求书
    1.  一种基于长度变形型PZT的FRP筋界面剪应力监测装置,其特征在于,在FRP筋材(1)外覆盖混凝土(3),在所述混凝土(3)内的FRP筋材(1)表面沿埋长方向固定多个用作压电陶瓷传感器的压电陶瓷片(2)和多个用作驱动器的压电陶瓷片(2);所有压电陶瓷片(2)上均涂有防水层,且所有压电陶瓷片(2)与所述FRP筋材(1)之间均设有绝缘层;所述多个用作压电陶瓷传感器的压电陶瓷片(2)分别通过导线与高频信号采集系统(5)连接,所述高频信号采集系统(5)接入计算机;所述多个用作驱动器的压电陶瓷片(2)均与任意信号函数发生器(4)连接。

    2.  根据权利要求1所述的基于长度变形型PZT的FRP筋界面剪应力监测装置,其特征在于,所述多个用作驱动器的压电陶瓷片(2)与所述任意信号函数发生器(4)之间连接有高压放大器(6)。

    3.  根据权利要求1或2所述的基于长度变形型PZT的FRP筋界面剪应力监测装置,其特征在于,所述绝缘层为一层均匀的环氧树脂绝缘层,且所述绝缘层厚度为0.08~0.12mm。

    4.  根据权利要求3所述的基于长度变形型PZT的FRP筋界面剪应力监测装置,其特征在于,所述任意信号函数发生器(4)产生的信号的频率为500Hz~10KHz。

    5.  一种FRP筋界面压电陶瓷传感器的制作方法,其特征在于,该方法为:
    1)用无水酒精将压电陶瓷片的表面清洁干净,静置,待压电陶瓷片自然干燥后,在压电陶瓷片上焊接导线;
    2)对FRP筋表面预粘贴处进行打磨光滑处理,在打磨光滑后的预粘贴处均匀涂上环氧树脂绝缘层;
    3)将经步骤1)处理后的压电陶瓷片粘贴在FRP筋表面上,引出导线;
    4)使用防水层对粘贴稳定后的压电陶瓷片进行封装,封装后在室温环境下固化一天。

    6.  根据权利要求5所述的FRP筋界面压电陶瓷传感器的制作方法,其特征在于,所述步骤1)中,所述导线为带屏蔽线的电缆。

    7.  根据权利要求5所述的FRP筋界面压电陶瓷传感器的制作方法,其特征在于,所述步骤3)中,使用KH502胶将所述压电陶瓷片粘贴在FRP筋表面上。

    8.  根据权利要求5所述的FRP筋界面压电陶瓷传感器的制作方法,其特征在于,所述步骤4)中,所述防水层材料为环氧树脂。

    9.  一种利用权利要求1所述监测装置监测FRP筋界面剪应力的方法,其特征在于,该方法为:
    1)计算压电陶瓷片表面产生的电荷量Qz:
    Qz=d31E1ϵ~xAe;]]>
    其中,为压电陶瓷片的平均轴向应变;d31为压电应变常数;E1为压电陶瓷片的弹性模量;Ae为压电陶瓷片表面积,单位为mm2;
    2)计算压电陶瓷片两极板上的输出电压V:
    V=QzCp=d31E1ϵ~xAeCp;]]>
    其中,Cp为压电陶瓷片两极板间的电容量;
    3)计算压电陶瓷片的平均轴向应变
    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为FRP筋的弹性模量;G1、G2分别为压电陶瓷片和FRP筋的剪切弹性模量;l为压电陶瓷片长度的一半;h1为压电陶瓷片的厚度;h2为FRP筋横截面直径;T为FRP筋两端承受的拉力;
    4)计算压电陶瓷片输出电压U:
    U=Ae[4α1r·sh(rl)+2E1h2lE1h1+E2h2]d31TCp;]]>
    5)令V=U,并将压电陶瓷片平均轴向应变的计算公式代入压电陶瓷片两极板上的输出电压V的计算公式中,从而计算得到压电陶瓷片平均轴向应变的值;
    6)利用压电陶瓷片的平均轴向应变计算FRP筋上相邻测点之间的平均粘结应力和某一测点的粘结应力:
    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,为第i测段的平均粘结应力,单位为MPa;为第i+1测点的压电陶瓷片的平均轴向应变;为第i测点的压电陶瓷片的平均轴向应变;βi为第i测点和第i+1测点之间的距离,单位为mm;所述测点是指FRP筋上固定压电陶瓷片的位置;所述测段是指相邻两个压电陶瓷片中心之间的FRP筋段;τi(i)为第i测段第i测点的粘结应力,单位为MPa;τi(i+1)为第i测段第i+1测点的粘结应力,单位为MPa。

    说明书

    说明书基于长度变形型PZT的FRP筋界面剪应力监测装置及方法
    技术领域
    本发明涉及FRP筋界面剪应力状况的监测领域,特别是一种基于长度变形型PZT的FRP筋界面剪应力监测装置及方法。
    背景技术
    FRP筋作为主要承受拉力的构件,其中筋材界面剪应力可削弱构件的受力性能。目前,主要在筋材表面被测点粘贴电阻应变片测量构件剪应力。然而,应变片粘贴面积较大而且对操作人员的技术水平有较高要求。
    发明内容
    本发明所要解决的技术问题是,针对现有技术不足,提供一种基于长度变形型PZT的FRP筋界面剪应力监测装置及方法,快速监测FRP筋界面剪应力状况,精确地确定FRP筋界面剪应力大小。
    为解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案是:一种基于长度变形型PZT的FRP筋界面剪应力监测装置,在FRP筋材外覆盖混凝土,在所述混凝土内的FRP筋材表面沿埋长方向固定多个用作压电陶瓷传感器的压电陶瓷片和多个用作驱动器的压电陶瓷片;所有压电陶瓷片上均涂有防水层,且所有压电陶瓷片与所述FRP筋材之间均设有绝缘层;所述多个用作压电陶瓷传感器的压电陶瓷片分别通过导线与高频信号采集系统连接,所述高频信号采集系统接入计算机;所述多个用作驱动器的压电陶瓷片均与任意信号函数发生器连接。
    本发明的压电陶瓷为长度变形型。该类型PZT极化方向为垂直其表面,当PZT受到电压发生改变时,其将产生沿长度方向的轴向振动形变。
    所述多个用作驱动器的压电陶瓷片与所述任意信号函数发生器之间连接有高压放大器。
    所述绝缘层为一层均匀的环氧树脂绝缘层,且所述绝缘层厚度为0.08~0.12mm。
    所述任意信号函数发生器产生的信号的频率为500Hz~10KHz。
    本发明提供了一种FRP筋界面压电陶瓷传感器的制作方法,该方法为:
    1)用无水酒精将压电陶瓷片的表面清洁干净,静置,待压电陶瓷片自然干燥后,在压电陶瓷片上焊接导线;
    2)对FRP筋表面预粘贴处进行打磨光滑处理,在打磨光滑后的预粘贴处均匀涂上环氧树脂绝缘层;
    3)将经步骤1)处理后的压电陶瓷片粘贴在FRP筋表面上,引出导线;
    4)使用防水层对粘贴稳定后的压电陶瓷片进行封装,封装后在室温环境下固化一天。
    本发明还提供了一种利用上述监测装置监测FRP筋界面剪应力的方法,该方法为:
    1)计算压电陶瓷片表面产生的电荷量Qz:
    Qz=d31E1ϵ~xAe;]]>
    其中,为压电陶瓷片的平均轴向应变;d31为压电应变常数;E1为压电陶瓷片的弹性模量;Ae为压电陶瓷片表面积,单位为mm2;
    2)计算压电陶瓷片两极板上的输出电压V:
    V=QzCp=d31E1ϵ~xAeCp;]]>
    其中,Cp为压电陶瓷片两极板间的电容量;
    3)计算压电陶瓷片的平均轴向应变
    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为FRP筋的弹性模量;G1、G2分别为压电陶瓷片和FRP筋的剪切弹性模量;l为压电陶瓷片长度的一半;h1为压电陶瓷片的厚度;h2为FRP筋横截面直径;T为FRP筋两端承受的拉力;
    4)计算压电陶瓷片输出电压U:
    U=Ae[4α1r·sh(rl)+2E1h2lE1h1+E2h2]d31TCp;]]>
    5)令V=U,并将平均轴向应变的计算公式代入压电陶瓷片两极板上的输出电压V的计算公式中,从而计算得到平均轴向应变的值;
    6)利用压电陶瓷片的平均轴向应变计算FRP筋上相邻测点之间的平均粘结应力和某一测点的粘结应力:
    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,为第i测段的平均粘结应力,单位为MPa;为第i+1测点的压电陶瓷片的平均轴向应变;为第i测点的压电陶瓷片的平均轴向应变;βi为第i测点和第i+1测点之间的距离,单位为mm;所述测点是指FRP筋上固定压电陶瓷片的位置;所述测段是指相邻两个压电陶瓷片中心之间的FRP筋段; τi(i)为第i测段第i测点的粘结应力,单位为MPa;τi(i+1)为第i测段第i+1测点的粘结应力,单位为MPa。
    与现有技术相比,本发明所具有的有益效果为:本发明的监测装置灵敏度高、响应快、操作简便、价格低廉;本发明的方法实现了FRP筋材界面剪应力状况的快速监测,能精确地确定FRP筋界面剪应力大小。
    附图说明
    图1为本发明一实施例监测装置结构示意图;
    图2为长度变形型压电陶瓷极化方向示意图;
    图3为长度变形型压电陶瓷变形振动方向示意图;
    图4为压电陶瓷在FRP筋表面黏贴位置示意图;
    图5为长度为dx的FRP筋的受力状态示意图;
    图6为本发明一实施例受力结构模型图;
    图7为本发明一实施例装置受力平衡图。
    具体实施方式
    如图1和图4所示,本发明一实施例在CFRP筋(直径10mm,抗拉强度2500MPa,弹性模量150GPa)1外浇筑混凝土3,在所述混凝土3内的FRP筋材1表面沿埋长方向固定多个用作压电陶瓷传感器的压电陶瓷片2和多个可以用作驱动器的压电陶瓷片2;所有压电陶瓷片2上均涂有防水层,且所有压电陶瓷片2与所述FRP筋材1之间均设有绝缘层;所述多个用作压电陶瓷传感器的压电陶瓷片2分别通过导线与高频信号采集系统5连接,所述高频信号采集系统5(如比利时LMS公司生产的LMS数据采集系统)接入计算机;所述多个用作驱动器的压电陶瓷片2均与美国Tektronix公司生产的AFG3000系列任意波形/函数发生器任意信号函数发生器4连接。
    本发明的压电陶瓷为长度变形型。该类型PZT极化方向为垂直其表面(见图2),当PZT受到电压发生改变时,其将产生沿长度方向的轴向振动形变(见图3)。
    本实施例中,多个用作驱动器的压电陶瓷片2与所述任意信号函数发生器4之间连接有高压放大器6。
    本实施例中,绝缘层为一层均匀的环氧树脂(本实施例中使用双酚A型环氧树脂)绝缘层,且所述绝缘层厚度为0.08~0.12mm;任意信号函数发生器4产生的信号的频率为500Hz~10KHz。
    本发明FRP筋界面压电陶瓷传感器的制作流程如下:
    (1)用无水酒精将压电陶瓷片的表面清洁干净,静置以待其自然干燥后进行导线的焊接,为了保证焊接点尽可能的小和平整,使用少量的焊锡膏来助挥以提高焊接质量,选用带屏蔽线的电缆作导线;
    (2)对FRP筋表面粘贴处进行打磨光滑处理,在打磨光滑后的预粘贴处均匀涂上薄薄一层环氧树脂绝缘层;
    (3)通过KH502胶将压电陶瓷粘贴在FRP筋表面上,引出导线;
    (4)使用环氧树脂作为防水层对焊接好的压电陶瓷片进行封装,在保证其密封性的前提下,应使防水层尽可能薄,静置使其在室温环境下固化一天.
    本发明监测方法原理如下:
    FRP筋与混凝土之间的传力机理可用图5所示的一段长度为dx的FRP筋的受力状态来描述。由图5力的平衡条件得到的粘结应力τ(x)与沿长度为dx的纤维应力变化关系式为:
    τ(x)·(Cf·dx)=Af·(σf(x)+dσf(x))-Af·σf(x)    (1)
    根据式(1),可以得到
    τ(x)-AfCf·f(x)dx=0---(2)]]>
    最后整理得到计算实测粘结应力的表达式为
    τ(x)=EfAfCf·dϵf(x)dx---(3)]]>
    式中:τ(x)为坐标位置x处的粘结应力(MPa);εf(x)为FRP筋在坐标位置x处的应变;σf(x)为FRP筋在坐标位置x处的应力(MPa);Ef为FRP筋的弹性模量(MPa);Af为FRP筋的横截面积(mm2);Cf为FRP筋与混凝土之间的接触周长(mm)。
    根据式(3),可以得到相邻测点之间的平均粘结应力为
    τ‾i=EfAfCf·ϵ~f,i+1-ϵ~f,iβi---(4)]]>
    式中:为第i测段的平均粘结应力(MPa);为第i+1测点的压电陶瓷片的平均轴向应变;为第i测点的压电陶瓷片的平均轴向应变;βi为第i测点和第i+1测点之间的距离(mm)。同理,可以得到相邻左右测段的平均粘结应力分别为和由此,可以得到粘结应力实测值表述方法为
    τi(i)=τ‾i-1+τ‾i2,τi(i+1)=τ‾i+τ‾i+12---(5)]]>
    式中:τi(i)为第i测段第i测点的粘结应力(MPa);τi(i+1)为第i测段第i+1测点的粘结应力(MPa)。
    将压电陶瓷片粘贴在FRP筋表面后,压电陶瓷片在作为传感器使用时,压电陶瓷片本身并未受到外力作用,是FRP筋在外力作用下的变形传递到压电片,使其产生伸长或缩短,进而导致可以测量的压电陶瓷片电荷信号发生改变,以达到FRP筋剪应力监测的目的。
    如图6,压电陶瓷片长度为21,厚度为h1和FRP筋直径为h2。压电片的极化方向为Z轴。在外力作用下,FRP筋的两端承受拉力为T,而压电陶瓷 片两端和自由表面无外加应力。虽然压电片两端不受应力,但界面剪切应力将FRP筋的轴向应力传递到压电陶瓷片,使其距离端部的某一截面也承受轴向应力。
    在图7作用力下,得到压电传感器表面产生的单位电荷量为:
    Dz=d31σ~x=d31Epϵ~x---(6)]]>
    上式中,分别为压电陶瓷片的平均轴向应力和平均轴向应变,d31为压电应变常数(压电应变常数的单位为(×10-12C/N),且为负值。不同材料的压电陶瓷其压电应变常数不同,一般的范围是从几十到几百不等。本实施例试验使用的是-175),Ep是压电陶瓷片的弹性模量。对单位电荷量在压电片表面积Ae上进行积分,可得到压电陶瓷片表面产生的电荷量为:
    Qz=∫∫AzDzdxdy=DzAe=d31Epϵ~xAe---(7)]]>
    两极板上的输出电压为:
    V=QzCp=d31Epϵ~xAeCp---(8)]]>
    式中,Cp为压电传感器两极板间的电容量。
    从图(3)中,由力学分析可得到:
    ϵ~x=[4α1r·sh(rl)+2E1h2lE1h1+E2h2]TE1---(9)]]>
    至此,将压电片的平均轴向应变回代至式(8),即可得到传感器输出电压表达式:
    U=Ae[4α1r·sh(rl)+2E1h2lE1h1+E2h2]d31TCp---(10)]]>
    式中,r=1(V2W2+V3W3-V1W1+V4)(1E1h1+1E2h2),α1=-E1h2(erl+e-rl)(E1h1+E2h2)]]>
    其中,V112G1h1,V2=-12G2h2,V3=(h1+h2)G2h2,V4=h12G1-h122G2h2-h1G2]]>
    W1=h123,W2=(3h12+3h1h2+h22)3,W1=(2h1+h2)2;]]>
    其中,E1,E2分别为压电陶瓷片和FRP筋的纵向弹性模量,G1,G2分别为压电陶瓷片和FRP筋的横向剪切弹性模量。
    由式(10)测出压电陶瓷传感器后即可根据式(8)得到将带回式(4)、(5)即可得到FRP筋界面剪应力。

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