基于0-3型水泥基压电复合材料元件的全应力传感器制造技术

本实用新型专利技术公开了基于0‑3型水泥基压电复合材料元件的全应力传感器，至少包括三个d15模式元件、三个d33模式元件以及一水泥基体；d15模式元件和d33模式元件均包括元件主体和工作电极，元件主体由水泥基压电复合材料压制成型；d15模式元件的极化方向与元件主体的厚度方向垂直；d33模式元件的极化方向与元件主体的厚度方向平行；d15模式元件和d33模式元件分别布置于水泥基体两两相邻的三个面上，每一面上均布置一d15模式元件和一d33模式元件；三个d15模式元件的极化方向两两垂直；三个d33模式元件极化方向也两两垂直。本实用新型专利技术灵敏度高，频带响应宽，抗干扰效果好，与混凝土结构相容性好，可实现混凝土结构的全应力监测。

【技术实现步骤摘要】
基于0-3型水泥基压电复合材料元件的全应力传感器
本技术属于水泥基压电复合材料
，尤其涉及一种基于0-3型水泥基压电复合材料元件的全应力传感器。
技术介绍
土木工程领域，混凝土结构是应用最广泛的土木结构。在混凝土结构的整体寿命中，结构的安全稳定是十分重要的一点。因此，近些年来，混凝土结构的健康监测越来越受到重视。目前土木工程领域中所用的传感元件,一般都是在其它领域已使用比较成熟的材料,如光导纤维、压电陶瓷、记忆合金等。这些材料与土木工程领域中最主要的结构材料—混凝土往往存在着明显的相容性问题。不能原位、真实的反映混凝土结构的应力应变情况。因此，开发能直接嵌入混凝土内部、能直接用于混凝土内部三维应力测量的传感器十分必要。水泥基压电复合材料是近几年发展起来的一种新型功能材料，具有压电性能好、机电耦合性能突出、与混凝土材料力学、声学性能匹配性好等特点，在土木工程结构的健康监测中具有潜在的应用前景。基于水泥基压电复合材料制成的水泥基压电复合材料传感器克服了传统传感器与混凝土结构不相容的问题，灵敏度高且耐久性好，可用于混凝土结构内部应力应变等情况的监测。但目前尚无能够直接测量出混凝土结构内部全部应力状态的有效手段，如果能开发出可直接嵌入混凝土内部、直接用于混凝土内部正应力与剪应力同时测量的全应力传感器，对于工作状态下的混凝土内部的应力测量具有重要的意义。
技术实现思路
本技术的目的是提供一种基于0-3型水泥基压电复合材料元件的全应力传感器，该全应力传感器适用于混凝土结构内部的全应力测量。本技术基于0-3型水泥基压电复合材料元件的全应力传感器，至少包括三个d15模式元件、三个d33模式元件以及一长方体型的水泥基体；d15模式元件和d33模式元件均由块状的元件主体和工作电极构成，元件主体由水泥基压电复合材料压制成型，在元件主体的与厚度方向垂直的两相对表面上涂覆工作电极；其中，d15模式元件的极化方向与元件主体的厚度方向垂直；d33模式元件的极化方向与元件主体的厚度方向平行；三个d15模式元件和三个d33模式元件分别布置于水泥基体两两相邻的三个面上，每一面上均布置一d15模式元件和一d33模式元件；布置好后的三个d15模式元件，其极化方向两两垂直；布置好后的三个d33模式元件，其极化方向也两两垂直。进一步的，所述d15模式元件和所述d33模式元件的规格相同。进一步的，每一面上的一d15模式元件和一d33模式元件正布置，即，d15模式元件和d33模式元件的6个面分别与水泥基体的6个面平行。进一步的，本技术全应力传感器还包括封装层和屏蔽层，封装层用来对水泥基体及其中布置的d15模式元件、d33模式元件进行封装；封装层外包覆屏蔽层；d15模式元件和d33模式元件的工作电极通过导线引出至屏蔽层外。所述导线的另一端连接屏蔽线，另外，屏蔽线还通过另一导线连接所述屏蔽层。和现有技术相比，本技术具有如下优点和有益效果：(1)本技术全应力传感器灵敏度高，频带响应宽，抗干扰效果好，且与混凝土结构相容性好。(2)将本技术全应力传感器粘贴于混凝土结构表面或置于混凝土结构内部，即可实现混凝土结构的全应力监测，对水泥基压电复合材料在混凝土结构健康监测中的应用具有重要意义。附图说明图1为实施例中0-3型水泥基压电复合材料元件的结构示意图；图2为实施例中0-3型水泥基压电复合材料元件的制备工艺流程；图3为实施例中全应力传感器的具体结构示意图；图4为混凝土结构内任一空间点的三维应力示意图；图5为本技术中d33模式元件和d15模式元件的压电效应原理图，其中，图(a)为d33模式元件的压电效应原理图，图(b)为d15模式元件的压电效应原理图；图6为实施例中全应力传感器的制备工艺流程。图中：1-工作电极，2-元件主体，3-屏蔽层，4-封装层，5-第一d15模式元件，6-第一d33模式元件，7-第二d33模式元件，8-导线，9-屏蔽线，10-第二d15模式元件，11-第三d33模式元件，12-第三d15模式元件，13-水泥基体，14-电荷。具体实施方式为了更清楚地说明本技术和/或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本技术的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。本技术全应力传感器基于0-3型水泥基压电复合材料元件制作，所述0-3型水泥基压电复合材料元件包括相同规格的d33模式和d15模式的水泥基压电复合材料元件，所述相同规格指尺寸相同。为描述简便，本文中将d33模式和d15模式的水泥基压电复合材料元件分别简记为d33模式元件和d15模式元件。见图1所示，所述水泥基压电复合材料元件包括工作电极1和元件主体2，在元件主体2垂直厚度方向的两相对表面上涂覆工作电极1。其中，元件主体2由水泥基压电复合材料压制成型，水泥基压电复合材料是一种由压电陶瓷颗粒与水泥混合物混合得到的复合材料。对元件主体2极化前，需对元件主体2涂覆极化电极。对d15模式元件，其极化方向应垂直元件主体2的厚度方向，即应沿图1中X2或X3方向对元件主体2进行极化。所以，极化电极应涂覆于元件主体2的两相对侧面。对d33模式元件，其极化方向应平行元件主体2的厚度方向，即应沿图1中X1方向对元件主体2进行极化。所以，应在元件主体2上下表面涂覆极化电极。这里，X1方向指元件主体2的厚度方向，X2方向指元件主体2的长度或宽度方向，X3方向指元件主体2的宽度或长度方向。本具体实施方式中，0-3型水泥基压电复合材料元件的制备工艺参见图2。其中，d15模式元件制备工艺的具体步骤如下：(101)将粉煤灰和水泥混合制备水泥混合物。粉煤灰可采用Ⅰ级粉煤灰、Ⅱ级粉煤灰、Ⅲ级粉煤灰等；水泥可采用硫铝酸盐水泥、硫铝酸钡钙水泥、硅酸盐水泥、氯酸盐水泥、氟氯酸盐水泥等。(102)将压电陶瓷颗粒与水泥混合物混合均匀，得到水泥基压电复合材料。压电陶瓷颗粒可采用锆钛酸铅压电陶瓷、铌镁锆钛酸铅压电陶瓷、铌锂锆钛酸铅压电陶瓷等。(103)将水泥基压电复合材料兑水搅拌均匀，之后倒入压片机的模具中进行压制成型得坯体，并对坯体进行养护。为消除坯体中气泡，提高坯体致密性，在压制成型前，可对兑水搅拌后的水泥基压电复合材料进行振动抽真空处理。(104)对养护完成后的坯体进行打磨抛磨，获得元件主体。本具体实施方式中，最终获得长10mm、宽10mm、厚5mm的立方型元件主体。(105)在元件主体上与厚度方向平行的两个X1-X2侧面上制作极化电极。本具体实施方式中，极化电极采用低温导电银浆制作。(106)将制作了极化电极的元件主体放入硅油，在两个极化电极间施加极化电压，对元件主体进行极化。(107)极化完成后，去除极化电极。(108)在元件主体上与厚度方向垂直的两相对表面上制作工作电极2，即图1中两个X2-X3表面，从而获得d15模式元件。所制备的d15模式元件中，压电陶瓷颗粒所占体积为66.7％，剩余为水泥混合物基体材料。d33模式元件制备工艺的具体步骤如下：(201)将粉煤灰和水泥混合制备水泥混合物。粉煤灰可采用Ⅰ级粉煤灰、Ⅱ级粉煤灰、Ⅲ级粉煤灰本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于0‑3型水泥基压电复合材料元件的全应力传感器，其特征是：至少包括三个d15模式元件、三个d33模式元件以及一长方体型的水泥基体；d15模式元件和d33模式元件均由块状的元件主体和工作电极构成，元件主体由水泥基压电复合材料压制成型，在元件主体的与厚度方向垂直的两相对表面上涂覆工作电极；其中，d15模式元件的极化方向与元件主体的厚度方向垂直；d33模式元件的极化方向与元件主体的厚度方向平行；三个d15模式元件和三个d33模式元件分别布置于水泥基体两两相邻的三个面上，每一面上均布置一d15模式元件和一d33模式元件；布置好后的三个d15模式元件，其极化方向两两垂直；布置好后的三个d33模式元件，其极化方向也两两垂直。

【技术特征摘要】
1.基于0-3型水泥基压电复合材料元件的全应力传感器，其特征是：至少包括三个d15模式元件、三个d33模式元件以及一长方体型的水泥基体；d15模式元件和d33模式元件均由块状的元件主体和工作电极构成，元件主体由水泥基压电复合材料压制成型，在元件主体的与厚度方向垂直的两相对表面上涂覆工作电极；其中，d15模式元件的极化方向与元件主体的厚度方向垂直；d33模式元件的极化方向与元件主体的厚度方向平行；三个d15模式元件和三个d33模式元件分别布置于水泥基体两两相邻的三个面上，每一面上均布置一d15模式元件和一d33模式元件；布置好后的三个d15模式元件，其极化方向两两垂直；布置好后的三个d33模式元件，其极化方向也两两垂直。2.如权利要求1所述的基于0-3型水泥基压电复合材料元件的全...

【专利技术属性】
技术研发人员：李应卫，姜清辉，马永力，丁绍华，李芷薇，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：新型
国别省市：湖北,42