基于PVDF的混凝土内应力传感器设计及应用

郭 弦，黎小毛，彭映成，钱 海

(西北核技术研究所，陕西西安 710024)



基于PVDF的混凝土内应力传感器设计及应用

郭 弦，黎小毛，彭映成，钱 海

(西北核技术研究所，陕西西安 710024)

针对混凝土内部动态应力直接测量需求，设计制作了软基底的PVDF压力传感器，传感器为夹心式结构，PVDF压电薄膜厚度为50μm，传感器的有效工作区域为1 cm×1 cm的矩形。对传感器防护后将其直接埋入混凝土内部进行动态应力测量，获得了冲击压缩实验中混凝土内部动态应力的有效数据，实现了混凝土内部动态应力的直接测量。与应变片测得的应力信号相比，PVDF压力传感器测得的铝合金试件中应力峰值偏差为10.7%，混凝土中应力峰值偏差为19.3%。

PVDF；压力传感器；软基底；混凝土；内部应力；冲击压缩

0 引言

混凝土由于其施工工艺的特殊性，使得大部分埋入式传感器很难存活，即使存活，传感器的定位也很难保证，因此，其内部应力测量一直是个难题。在诸多测力传感器中，PVDF(聚偏氟乙烯)集质地柔软、极薄、质轻、韧度高、灵敏度高、响应快、测压范围大、频率范围宽、经济性好等诸多优势于一体，选用此类传感器对混凝土内应力进行测量可望达到较好的测量效果。目前，国内PVDF的应用研究取得了一定的进展，李焰等[1-3]对国产PVDF压电薄膜进行了冲击加载应力-电荷曲线的标定，对其冲击卸载响应特性进行研究，并对其在动态应变测量、起爆试验研究等领域中的应用技术进行了研究；巫绪涛等[4]分析了应力集中、横向泊松效应、摩擦效应对PVDF应力计信号及动态压电系数的影响，利用混凝土前后端面PVDF应力计信号分析了实验过程中混凝土试样的应力均匀性；余尚江等[5]研制了PVDF土压力传感器，将PVDF压电薄膜粘接固定在不锈钢底座上，并将其应用于某爆炸冲击试验中土中结构表面的压力测量。为了避免试件分层制作带来的测量误差，以及高阻抗基底引起的应力集中，文中采用传感器埋入混凝土内部的方式进行内部应力测量，传感器基底采用薄膜式材料，并将其应用在混凝土冲击压缩实验中混凝土内部应力测量。

1 PVDF压力传感器工作原理

PVDF压力传感器是利用聚偏氟乙烯薄膜的压电效应制成的。PVDF薄膜经过极化处理后，受压时在垂直于极化方向的表面上产生电荷，即PVDF薄膜有了压电效应。描述压电效应的第一类压电方程如下式

q=dσ+εTE

(1)

式中：q为面电荷矩阵；d为压电应变常数矩阵；σ为应力；ε为介电常数矩阵；E为电场强度。

当无外加电场时，式(1)简化为

q=dσ

(2)

规定PVDF压电薄膜的机械拉伸方向为1方向，垂直于薄膜表面的方向为3方向，位于薄膜内且与1方向和3方向都垂直的方向定为2方向。压电应变常数矩阵为

(3)

式中，dij为压电应变常数，下标i表示产生极化电荷的面法线方向，下标j表示应力方向。

PVDF压电薄膜受压时，薄膜两面所产生的面电荷密度q3为

q3=d31σ1+d32σ2+d33σ3

(4)

在垂直于薄膜的单向应力状态下，式(4)简化为

q3=d33σ3

(5)

考虑PVDF压电薄膜的面积A，可以得到PVDF压电薄膜表面输出的电荷量Q为

Q=q3A=d33σ3A

(6)

式(6)表明，在垂直于薄膜的单向应力状态下，PVDF压电薄膜表面输出的电荷量与垂直于表面的压力以及压电薄膜的面积成正比。利用PVDF薄膜的压电效应，可以把薄膜上的压力变化通过外接电路线性地转换成电荷量的变化。

2 PVDF压力传感器设计制作

传感器对应力波的响应时间由PVDF压电薄膜的厚度决定，对于μs量级的分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar，简称SHPB)冲击压缩实验，根据PVDF中的声速可以计算得到PVDF压电薄膜的厚度不能超过100 μm，选取PVDF压电薄膜厚度为50 μm，则其对应力波的响应时间为20 ns，满足测试要求。考虑到混凝土实验中常用的细砂及细骨料的尺寸，设计传感器的有效工作区域为1 cm×1 cm的矩形。

由于PVDF压电薄膜为柔软材料，并且工作时会产生电荷使其具有导电性，为了避免安装传感器时压电薄膜发生弯曲引入测量误差，同时保证传感器的良好绝缘，传感器选用夹心式结构，即将镀有导电层的PVDF压电薄膜置于两片绝缘薄膜之间，压电薄膜与绝缘薄膜通过胶层粘接。

为避免双面电极PVDF压电薄膜引出导线时造成薄膜弯曲引入的误差，选用单面镀铝的PVDF压电薄膜。将压电薄膜裁剪成大小相等方向相反如图1(a)所示的几何形状，其中下半部分较大的矩形为传感器的工作区域，其尺寸为1 cm×1 cm，上半部分较小的矩形为引线部分；将工作区域重合，用绝缘材料PE膜封装，最后利用接线端子引出电极，传感器成品如图2所示。

图1 传感器制作流程图

图2 PVDF压力传感器

混凝土冲击压缩实验采用将传感器埋入混凝土试件内部的方式测量混凝土内应力。选用N1胶对传感器进行防护，以防止混凝土浇筑及养护过程中潮湿、腐蚀、机械振捣等因素对传感器造成破坏，并保证传感器的良好绝缘。

传感器埋入时机选择在混凝土浇筑至模具1/2处时，振捣静置后将传感器置于混凝土表面，保证传感器与混凝土试件良好对心并固定外导线，之后完成模具剩余部分浇筑并养护试件。实验前对试件进行打磨处理，以保证试件端面平整度及垂直度。处理之后的试件如图3所示。

图3 混凝土试件

3 混凝土冲击压缩实验及数据分析

将PVDF压力传感器所在试件置于SHPB装置入射杆和透射杆之间，保证接触面的平整度，将传感器压紧。搭建PVDF压力传感器测试系统。同时采用应变片测量SHPB透射杆的应变，采用二波法求解试件应力。通过调整SHPB注气压力和撞击杆尺寸，测得不同加载脉冲下的压力—时间曲线。将这两组压力—时间曲线进行对比分析，即可考察PVDF压力传感器的动态输出特性。测试系统框图如图4所示。

图4 测试系统示意图

实验采用Φ40 mm分离式霍普金森压杆系统。在传统的SHPB测试中，如果入射脉冲上升沿上升太快，会导致试样在尚未达到力平衡时已经破坏。为了防止PVDF压力传感器过早破坏，保证传感器内部应力均匀，实验过程中采用了入射波整形技术[6-7](即在入射杆的入射端粘贴整形器，以达到延缓入射脉冲上升沿，保证实验时试样中的应力平衡和变形均匀的目的)。

实验中PVDF压力传感器工作模式采用电流模式，为降低干扰信号在积分过程中累加导致的计算误差，数据处理时首先对信号进行滤波，并对信号曲线进行基线调整后再进行积分运算。

PVDF压力传感器与SHPB系统应变片测得的两种试件中应力—时间响应曲线分别如图5和图6所示。其中，strain gauge所示曲线为透射杆上测得的应力-时间曲线。

由图5可以看出，在同一次加载下，1号传感器(PVDF 1)起跳时间早于2号传感器(PVDF 2)17 μs，1号传感器测得的幅值也大于2号传感器41 MPa，分析其原因除传感器个体差异之外，主要是由实验工艺造成的，铝合金试件与PVDF压力传感器之间是用胶层粘结的，胶层不均匀很容易造成两传感器受力差异。与应变片测得的结果相比，PVDF压力传感器测得波形的上升时间、脉冲宽度、波形走势等方面都与

图5 铝合金试件中响应曲线

图6 混凝土试件中响应曲线

与应变片测得的结果较为一致，应力峰值误差为10.7%。

图6获得了PVDF压力传感器测得的混凝土内部应力历史曲线，说明所采用的传感器防护措施是有效可行的，传感器得以存活并测得了波形。该波形与应变片测得的应力波形相比，其上升时间、脉冲宽度、波形走势等方面都与应变片测得的结果较为一致，应力峰值误差为19.3%。说明所测得的波形是有效可信的，传感器不仅存活并且工作正常。

分析两组实验曲线还可以发现，应变片测得的应力历史曲线上叠加着一些幅值较小的干扰信号，这些信号虽然对所关注信号的脉冲宽度、波形走势等并不产生显著影响，但却给关注信号的起跳点判读和幅值读取带来了不便，有时甚至是影响了主体信号的幅值。这些干扰信号是由电磁环境等多种因素引起的，只能采取措施尽量减小其影响，无法彻底消除。PVDF压力传感器测得的应力历史曲线与应变片测得的曲线相似度很高，但要比应变片测得的曲线光滑得多，少了很多干扰信号，给数据分析带来了很大的方便，这正是PVDF压力传感器无源测试抗干扰能力强的优势所在。

4 结论

针对混凝土材料设计制作了适用于混凝土内部应力测量的PVDF压力传感器，通过对铝合金试件及混凝土试件的SHPB冲击压缩实验，获得了两种试件内部应力历史曲线，实现了混凝土内部应力的直接测量。对实验数据分析后得出以下结论：

(1) 在同一激励下，PVDF压力传感器所测得压力—时间响应曲线上升时间、幅值、变化趋势基本一致，PVDF压力传感器与应变片测得的试件内部应力时间曲线变化趋势基本相同。

(2) 与SHPB系统应变片测得的应力信号相比，PVDF压力传感器测得的铝合金中应力峰值偏差为10.7%，混凝土中应力峰值偏差为19.3%。

(3) 作为一种无源传感器，PVDF压力传感器的抗干扰能力明显高于应变片。

[1] 李焰，张向荣，谭红梅，等．国产PVDF压电薄膜的冲击加载及卸载响应研究．高压物理学报，2004，18(3)：261-266．

[2] 李焰，钟方平，刘乾，等．PVDF在动态应变测量中的应用．爆炸与冲击，2003，23(3)：230-234．

[3] 李焰，王凯民，谭红梅，等．PVDF应力计在起爆试验研究中的应用．火工品，2003(9)：6-10．

[4] 巫绪涛，胡时胜，田杰．PVDF应力测量技术及在混凝土冲击实验中的应用．爆炸与冲击，2007，27(5)：411-415．

[5] 余尚江，曾辉，丁世敬，等．PVDF土压力传感器．传感器技术，2003，22(9)：16-18．

[6] 赵习金，卢芳云，王悟，等．入射波整形技术的实验和理论研究．高压物理学报，2004，18(3)：231-236．

[7] 卢芳云，CHEN W，FREW D J．软材料的SHPB实验设计．爆炸与冲击，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