轴向压电应力传感器的工作机理与性能分析*

吴 琛，项 洪，麻胜兰，林国良,肖晓菲

(1.福州大学 土木工程学院，福建 福州 350108；2.福建省土木工程新技术与信息化重点实验室(福建工程学院)，福建 福州 350118)

0 引 言

以压电陶瓷材料,比如锆钛酸铅(Pb-based Lanthanum-doped Zirconate Titanate，PZT)为芯片主材的压电应力传感器具有价格低廉、响应速度快、性能稳定、与混凝土相容性好[1,2]等优点，其性能优于压阻式传感器、应力计、光纤传感器等传统应力传感器，在混凝土结构健康监测研究中发挥重要的作用[3,4]。

混凝土结构的健康监测主要包括缺陷损伤检测与应力应变监测，其中通过压电应力传感器研究混凝土内部单轴应力—应变关系须具备两个前提条件：一是监测获得的应力为单轴受力；二是加载应变率在10-5～10-1s-1范围[5]的准静态加载。当传感器内埋于构件时，自身处于三向受力状态，侧向传递约束应力，导致输出的电荷反映的是三个方向应力的矢量合[6]。现关于压电应力传感器的应用研究主要集中于加载应变率在102～104s-1范围的冲击加载与加载应变率在10-1～101s-1范围的动态加载。在冲击加载方面，采用压电应力传感器完成了车桥碰撞[1]、构件内部应力演化[7]、材料动态应力—应变特征[3]等系列研究。在动态加载方面，对压电应力传感器进行了外置标定[8]，应用于混凝土柱内部应力监测[9～11]。以上研究成果为本文准静态加载下压电应力传感器机理与性能的研究奠定基础。

本文研发一种能隔离侧向约束的单轴受压应力传感器，解决传感器受侧向约束的影响，开展适用于加载应变率在10-5～10-1s-1范围的准静态加载工况下压电应力传感器的传感性能研究，为混凝土内力监测研究和混凝土材料本构研究提供可靠的传感技术和监测方法。……