基于PVDF的混凝土內(nèi)應(yīng)力傳感器設(shè)計(jì)及應(yīng)用

郭 弦，黎小毛，彭映成，錢(qián) 海

(西北核技術(shù)研究所，陜西西安 710024)

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基于PVDF的混凝土內(nèi)應(yīng)力傳感器設(shè)計(jì)及應(yīng)用

郭 弦，黎小毛，彭映成，錢(qián) 海

(西北核技術(shù)研究所，陜西西安 710024)

針對(duì)混凝土內(nèi)部動(dòng)態(tài)應(yīng)力直接測(cè)量需求，設(shè)計(jì)制作了軟基底的PVDF壓力傳感器，傳感器為夾心式結(jié)構(gòu)，PVDF壓電薄膜厚度為50μm，傳感器的有效工作區(qū)域?yàn)? cm×1 cm的矩形。對(duì)傳感器防護(hù)后將其直接埋入混凝土內(nèi)部進(jìn)行動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)量，獲得了沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)中混凝土內(nèi)部動(dòng)態(tài)應(yīng)力的有效數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了混凝土內(nèi)部動(dòng)態(tài)應(yīng)力的直接測(cè)量。與應(yīng)變片測(cè)得的應(yīng)力信號(hào)相比，PVDF壓力傳感器測(cè)得的鋁合金試件中應(yīng)力峰值偏差為10.7%，混凝土中應(yīng)力峰值偏差為19.3%。

PVDF；壓力傳感器；軟基底；混凝土；內(nèi)部應(yīng)力；沖擊壓縮

0 引言

混凝土由于其施工工藝的特殊性，使得大部分埋入式傳感器很難存活，即使存活，傳感器的定位也很難保證，因此，其內(nèi)部應(yīng)力測(cè)量一直是個(gè)難題。在諸多測(cè)力傳感器中，PVDF(聚偏氟乙烯)集質(zhì)地柔軟、極薄、質(zhì)輕、韌度高、靈敏度高、響應(yīng)快、測(cè)壓范圍大、頻率范圍寬、經(jīng)濟(jì)性好等諸多優(yōu)勢(shì)于一體，選用此類(lèi)傳感器對(duì)混凝土內(nèi)應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量可望達(dá)到較好的測(cè)量效果。目前，國(guó)內(nèi)PVDF的應(yīng)用研究取得了一定的進(jìn)展，李焰等[1-3]對(duì)國(guó)產(chǎn)PVDF壓電薄膜進(jìn)行了沖擊加載應(yīng)力-電荷曲線的標(biāo)定，對(duì)其沖擊卸載響應(yīng)特性進(jìn)行研究，并對(duì)其在動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量、起爆試驗(yàn)研究等領(lǐng)域中的應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了研究；巫緒濤等[4]分析了應(yīng)力集中、橫向泊松效應(yīng)、摩擦效應(yīng)對(duì)PVDF應(yīng)力計(jì)信號(hào)及動(dòng)態(tài)壓電系數(shù)的影響，利用混凝土前后端面PVDF應(yīng)力計(jì)信號(hào)分析了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中混凝土試樣的應(yīng)力均勻性；余尚江等[5]研制了PVDF土壓力傳感器，將PVDF壓電薄膜粘接固定在不銹鋼底座上，并將其應(yīng)用于某爆炸沖擊試驗(yàn)中土中結(jié)構(gòu)表面的壓力測(cè)量。為了避免試件分層制作帶來(lái)的測(cè)量誤差，以及高阻抗基底引起的應(yīng)力集中，文中采用傳感器埋入混凝土內(nèi)部的方式進(jìn)行內(nèi)部應(yīng)力測(cè)量，傳感器基底采用薄膜式材料，并將其應(yīng)用在混凝土沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)中混凝土內(nèi)部應(yīng)力測(cè)量。

1 PVDF壓力傳感器工作原理

PVDF壓力傳感器是利用聚偏氟乙烯薄膜的壓電效應(yīng)制成的。PVDF薄膜經(jīng)過(guò)極化處理后，受壓時(shí)在垂直于極化方向的表面上產(chǎn)生電荷，即PVDF薄膜有了壓電效應(yīng)。描述壓電效應(yīng)的第一類(lèi)壓電方程如下式

q=dσ+εTE

(1)

式中：q為面電荷矩陣；d為壓電應(yīng)變常數(shù)矩陣；σ為應(yīng)力；ε為介電常數(shù)矩陣；E為電場(chǎng)強(qiáng)度。

當(dāng)無(wú)外加電場(chǎng)時(shí)，式(1)簡(jiǎn)化為

q=dσ

(2)

規(guī)定PVDF壓電薄膜的機(jī)械拉伸方向?yàn)?方向，垂直于薄膜表面的方向?yàn)?方向，位于薄膜內(nèi)且與1方向和3方向都垂直的方向定為2方向。壓電應(yīng)變常數(shù)矩陣為

(3)

式中，dij為壓電應(yīng)變常數(shù)，下標(biāo)i表示產(chǎn)生極化電荷的面法線方向，下標(biāo)j表示應(yīng)力方向。

PVDF壓電薄膜受壓時(shí)，薄膜兩面所產(chǎn)生的面電荷密度q3為

q3=d31σ1+d32σ2+d33σ3

(4)

在垂直于薄膜的單向應(yīng)力狀態(tài)下，式(4)簡(jiǎn)化為

q3=d33σ3

(5)

考慮PVDF壓電薄膜的面積A，可以得到PVDF壓電薄膜表面輸出的電荷量Q為

Q=q3A=d33σ3A

(6)

式(6)表明，在垂直于薄膜的單向應(yīng)力狀態(tài)下，PVDF壓電薄膜表面輸出的電荷量與垂直于表面的壓力以及壓電薄膜的面積成正比。利用PVDF薄膜的壓電效應(yīng)，可以把薄膜上的壓力變化通過(guò)外接電路線性地轉(zhuǎn)換成電荷量的變化。

2 PVDF壓力傳感器設(shè)計(jì)制作

傳感器對(duì)應(yīng)力波的響應(yīng)時(shí)間由PVDF壓電薄膜的厚度決定，對(duì)于μs量級(jí)的分離式霍普金森壓桿(Split Hopkinson Pressure Bar，簡(jiǎn)稱(chēng)SHPB)沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)，根據(jù)PVDF中的聲速可以計(jì)算得到PVDF壓電薄膜的厚度不能超過(guò)100 μm，選取PVDF壓電薄膜厚度為50 μm，則其對(duì)應(yīng)力波的響應(yīng)時(shí)間為20 ns，滿足測(cè)試要求?？紤]到混凝土實(shí)驗(yàn)中常用的細(xì)砂及細(xì)骨料的尺寸，設(shè)計(jì)傳感器的有效工作區(qū)域?yàn)? cm×1 cm的矩形。

由于PVDF壓電薄膜為柔軟材料，并且工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生電荷使其具有導(dǎo)電性，為了避免安裝傳感器時(shí)壓電薄膜發(fā)生彎曲引入測(cè)量誤差，同時(shí)保證傳感器的良好絕緣，傳感器選用夾心式結(jié)構(gòu)，即將鍍有導(dǎo)電層的PVDF壓電薄膜置于兩片絕緣薄膜之間，壓電薄膜與絕緣薄膜通過(guò)膠層粘接。

為避免雙面電極PVDF壓電薄膜引出導(dǎo)線時(shí)造成薄膜彎曲引入的誤差，選用單面鍍鋁的PVDF壓電薄膜。將壓電薄膜裁剪成大小相等方向相反如圖1(a)所示的幾何形狀，其中下半部分較大的矩形為傳感器的工作區(qū)域，其尺寸為1 cm×1 cm，上半部分較小的矩形為引線部分；將工作區(qū)域重合，用絕緣材料PE膜封裝，最后利用接線端子引出電極，傳感器成品如圖2所示。

圖1 傳感器制作流程圖

圖2 PVDF壓力傳感器

混凝土沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)采用將傳感器埋入混凝土試件內(nèi)部的方式測(cè)量混凝土內(nèi)應(yīng)力。選用N1膠對(duì)傳感器進(jìn)行防護(hù)，以防止混凝土澆筑及養(yǎng)護(hù)過(guò)程中潮濕、腐蝕、機(jī)械振搗等因素對(duì)傳感器造成破壞，并保證傳感器的良好絕緣。

傳感器埋入時(shí)機(jī)選擇在混凝土澆筑至模具1/2處時(shí)，振搗靜置后將傳感器置于混凝土表面，保證傳感器與混凝土試件良好對(duì)心并固定外導(dǎo)線，之后完成模具剩余部分澆筑并養(yǎng)護(hù)試件。實(shí)驗(yàn)前對(duì)試件進(jìn)行打磨處理，以保證試件端面平整度及垂直度。處理之后的試件如圖3所示。

圖3 混凝土試件

3 混凝土沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

將PVDF壓力傳感器所在試件置于SHPB裝置入射桿和透射桿之間，保證接觸面的平整度，將傳感器壓緊。搭建PVDF壓力傳感器測(cè)試系統(tǒng)。同時(shí)采用應(yīng)變片測(cè)量SHPB透射桿的應(yīng)變，采用二波法求解試件應(yīng)力。通過(guò)調(diào)整SHPB注氣壓力和撞擊桿尺寸，測(cè)得不同加載脈沖下的壓力—時(shí)間曲線。將這兩組壓力—時(shí)間曲線進(jìn)行對(duì)比分析，即可考察PVDF壓力傳感器的動(dòng)態(tài)輸出特性。測(cè)試系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 測(cè)試系統(tǒng)示意圖

實(shí)驗(yàn)采用Φ40 mm分離式霍普金森壓桿系統(tǒng)。在傳統(tǒng)的SHPB測(cè)試中，如果入射脈沖上升沿上升太快，會(huì)導(dǎo)致試樣在尚未達(dá)到力平衡時(shí)已經(jīng)破壞。為了防止PVDF壓力傳感器過(guò)早破壞，保證傳感器內(nèi)部應(yīng)力均勻，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用了入射波整形技術(shù)[6-7](即在入射桿的入射端粘貼整形器，以達(dá)到延緩入射脈沖上升沿，保證實(shí)驗(yàn)時(shí)試樣中的應(yīng)力平衡和變形均勻的目的)。

實(shí)驗(yàn)中PVDF壓力傳感器工作模式采用電流模式，為降低干擾信號(hào)在積分過(guò)程中累加導(dǎo)致的計(jì)算誤差，數(shù)據(jù)處理時(shí)首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，并對(duì)信號(hào)曲線進(jìn)行基線調(diào)整后再進(jìn)行積分運(yùn)算。

PVDF壓力傳感器與SHPB系統(tǒng)應(yīng)變片測(cè)得的兩種試件中應(yīng)力—時(shí)間響應(yīng)曲線分別如圖5和圖6所示。其中，strain gauge所示曲線為透射桿上測(cè)得的應(yīng)力-時(shí)間曲線。

由圖5可以看出，在同一次加載下，1號(hào)傳感器(PVDF 1)起跳時(shí)間早于2號(hào)傳感器(PVDF 2)17 μs，1號(hào)傳感器測(cè)得的幅值也大于2號(hào)傳感器41 MPa，分析其原因除傳感器個(gè)體差異之外，主要是由實(shí)驗(yàn)工藝造成的，鋁合金試件與PVDF壓力傳感器之間是用膠層粘結(jié)的，膠層不均勻很容易造成兩傳感器受力差異。與應(yīng)變片測(cè)得的結(jié)果相比，PVDF壓力傳感器測(cè)得波形的上升時(shí)間、脈沖寬度、波形走勢(shì)等方面都與

圖5 鋁合金試件中響應(yīng)曲線

圖6 混凝土試件中響應(yīng)曲線

與應(yīng)變片測(cè)得的結(jié)果較為一致，應(yīng)力峰值誤差為10.7%。

圖6獲得了PVDF壓力傳感器測(cè)得的混凝土內(nèi)部應(yīng)力歷史曲線，說(shuō)明所采用的傳感器防護(hù)措施是有效可行的，傳感器得以存活并測(cè)得了波形。該波形與應(yīng)變片測(cè)得的應(yīng)力波形相比，其上升時(shí)間、脈沖寬度、波形走勢(shì)等方面都與應(yīng)變片測(cè)得的結(jié)果較為一致，應(yīng)力峰值誤差為19.3%。說(shuō)明所測(cè)得的波形是有效可信的，傳感器不僅存活并且工作正常。

分析兩組實(shí)驗(yàn)曲線還可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變片測(cè)得的應(yīng)力歷史曲線上疊加著一些幅值較小的干擾信號(hào)，這些信號(hào)雖然對(duì)所關(guān)注信號(hào)的脈沖寬度、波形走勢(shì)等并不產(chǎn)生顯著影響，但卻給關(guān)注信號(hào)的起跳點(diǎn)判讀和幅值讀取帶來(lái)了不便，有時(shí)甚至是影響了主體信號(hào)的幅值。這些干擾信號(hào)是由電磁環(huán)境等多種因素引起的，只能采取措施盡量減小其影響，無(wú)法徹底消除。PVDF壓力傳感器測(cè)得的應(yīng)力歷史曲線與應(yīng)變片測(cè)得的曲線相似度很高，但要比應(yīng)變片測(cè)得的曲線光滑得多，少了很多干擾信號(hào)，給數(shù)據(jù)分析帶來(lái)了很大的方便，這正是PVDF壓力傳感器無(wú)源測(cè)試抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)所在。

4 結(jié)論

針對(duì)混凝土材料設(shè)計(jì)制作了適用于混凝土內(nèi)部應(yīng)力測(cè)量的PVDF壓力傳感器，通過(guò)對(duì)鋁合金試件及混凝土試件的SHPB沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)，獲得了兩種試件內(nèi)部應(yīng)力歷史曲線，實(shí)現(xiàn)了混凝土內(nèi)部應(yīng)力的直接測(cè)量。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析后得出以下結(jié)論：

(1) 在同一激勵(lì)下，PVDF壓力傳感器所測(cè)得壓力—時(shí)間響應(yīng)曲線上升時(shí)間、幅值、變化趨勢(shì)基本一致，PVDF壓力傳感器與應(yīng)變片測(cè)得的試件內(nèi)部應(yīng)力時(shí)間曲線變化趨勢(shì)基本相同。

(2) 與SHPB系統(tǒng)應(yīng)變片測(cè)得的應(yīng)力信號(hào)相比，PVDF壓力傳感器測(cè)得的鋁合金中應(yīng)力峰值偏差為10.7%，混凝土中應(yīng)力峰值偏差為19.3%。

(3) 作為一種無(wú)源傳感器，PVDF壓力傳感器的抗干擾能力明顯高于應(yīng)變片。

[1] 李焰，張向榮，譚紅梅，等．國(guó)產(chǎn)PVDF壓電薄膜的沖擊加載及卸載響應(yīng)研究．高壓物理學(xué)報(bào)，2004，18(3)：261-266．

[2] 李焰，鐘方平，劉乾，等．PVDF在動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量中的應(yīng)用．爆炸與沖擊，2003，23(3)：230-234．

[3] 李焰，王凱民，譚紅梅，等．PVDF應(yīng)力計(jì)在起爆試驗(yàn)研究中的應(yīng)用．火工品，2003(9)：6-10．

[4] 巫緒濤，胡時(shí)勝，田杰．PVDF應(yīng)力測(cè)量技術(shù)及在混凝土沖擊實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用．爆炸與沖擊，2007，27(5)：411-415．

[5] 余尚江，曾輝，丁世敬，等．PVDF土壓力傳感器．傳感器技術(shù)，2003，22(9)：16-18．

[6] 趙習(xí)金，盧芳云，王悟，等．入射波整形技術(shù)的實(shí)驗(yàn)和理論研究．高壓物理學(xué)報(bào)，2004，18(3)：231-236．

[7] 盧芳云，CHEN W，F(xiàn)REW D J．軟材料的SHPB實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)．爆炸與沖擊，2002，22(1)：15-19．

Design and Application of Internal-stress Sensor of Concrete

GUO Xian，LI Xiao-mao，PENG Ying-cheng，QIAN Hai

(Institute of Northwest Nuclear Technology，Xi’an，710024)

To measure the internal-stress of concrete directly,a kind of PVDF stress sensor of soft underlayer was designed.The PVDF film was conglutinated between two pieces of insulating film.The thickness of the PVDF film was 50 microns,and the effective work area of the sensor was 1 centimeter by 1 centimeter.The sensor was encapsulated and then fixed inside the concrete specimen.The experiments were carried out,and the internal-stress history of concrete was obtained.Compare with data obtained by strain gauge,the peak value of internal-stress of aluminium alloy and concrete obtained by PVDF stress sensor are 10.7% and 19.3% lower separately.

PVDF,stress sensor,soft underlayer,concrete,internal-stress,impact compression

2014-01-14 收修改稿日期：2014-11-05

TH823

A

1002-1841(2015)01-0020-02