专利名称：超声应变计的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于材料和结构的应力、应变测量的仪器。
背景技术：
大型工程结构和基础设施，如桥梁、超高层建筑、大跨空间结构、大型水坝、核电站、海洋采油平台以及输油、供水、供气等管网系统，它们的使用期都长达几十年，甚至上百年。在其服役过程中，由于环境荷载作用、疲劳效应、腐蚀剥离和材料老化等不利因素的影响，结构不可避免地会产生损伤累积，从而使抗力减小，甚至导致突发事故。如不能对结构的损伤做出及时、正确的评价，就不能了解结构的健康状况，做出正确的决断；一旦事故发生，就会带来巨大的损失。近年来，对于重要结构的监测越来越受到人们的重视。应变(或应力)是反映结构状态的特别重要的参数之一，较精确地测量结构应变尤其是长期应变状态对工程安全至关重要。但是传统的传感器性能难以满足工程结构安全监测的要求。
常用的应变测量方法有如下几种电测法、磁测法、压电法、振弦法、光测法、声测法、射线法等。
电测法是应用最广泛的一种方法，常用元件有电阻应变片或应变丝，其原理是应变引起长度的变化，因长度与电阻之间呈线性关系，测定电阻变化(实际上常测电压变化)即可算出应变增量。电测法的不足之处在于电阻应变片寿命短、抗干扰能力差、只能测量相对量即应变增量，不适于作长期监测。
磁测法有两种一种是基于应力变化引起磁场的变化这一规律而直接测量；另一种是根据磁致声发射现象来测量，主要用于测残余应力。
压电法是基于某些材料的压电效应而提出的。压电材料(如压电陶瓷或晶体)在受力时会产生电压(或电流)，测定该电压即可求出所受压力、应力和应变。由于电流不能保存，因而只能测增量，不能用于长期静力测量，适用于动力测试。
振弦法的依据是钢弦的横向刚度与弦中轴力有一一对应关系，同时与横向自振频率也有对应关系，因此，通过测量自振频率即可推算出弦中轴力、应力和应变。振弦应变计在钢筋混凝土结构和钢结构中已得到较多的应用。但是，振弦应变计中的钢弦在长期荷载作用下易产生松弛，不宜于作长期测量，且尺寸较大。
经典的光测法包括光弹性法和光全息法等，已得到较广泛的应用，但这些方法一般只能用于模型尤其是透明模型试验，难以用于实际工程的内部应力测量。
随着结构智能化的提出与发展，近年来出现了一种新型的智能传感元件——光导纤维传感器，为结构监测的发展注入了新的活力。
目前研究中的光纤传感器主要有Bragg光栅光纤传感器、Fabry-Perot(F-P)光纤传感器、高双折射光纤传感器、分布式光纤传感器等。其中研究最多的是Bragg光栅光纤传感器。1992年Prohaska等人首次将光纤光栅埋入混凝土结构中测量应变。
光纤应变传感器是一种有前途的应变计，但从目前的情况来看，光纤应变传感器对生产工艺要求较严，成本也较高，在长期测量中的效果还有待考证。另外，它在埋置方面也有一定困难。
超声法用于应力测量也早已受人关注，尤其在残余应力测量方面。现有超声法的原理如下结构或材料中应力的变化会引起声速的变化，测量声速的改变即可反算应力的变化。从理论上讲，这种方法是可行的，也有很高的价值，因为它不需要预先埋放任何传感元件，随时可测得应变的绝对量。但是，它有一个致命的弱点就是标定十分困难，因为应力对声速变化不如缺陷那样敏感。对于实际工程，很难判断声速的变化是由应力所引起还是由缺陷所引起。
各类射线法一般仅用于表层应力测量，因为射线的穿透深度有限。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种具有精度高、成本低、无电磁干扰、无松弛、可测量应变绝对量、尺寸小、易安放等优点，在长期测量方面具有良好效果的超声应变计。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是本发明的原理如下由压电材料或超磁致伸缩材料激发超声波，由超声波在介质(如空气)中的传播时间可测定介质的尺寸，如空气所在空间的长度。若将介质埋置于构件之中或附于构件表面，构件因荷载作用而变形所引起的介质尺寸的变化，可由超声波传播时间反算出来，由此可求得应变和应变增量。它与构件的缺陷无关。
本发明主要由发射型压电片(压电晶体或压电陶瓷)、传声介质(金属丝或空气栅)、接收型压电片(压电晶体或压电陶瓷)、隔声材料(如泡沫塑料等，当传声介质用金属丝时，也可用真空来隔声)、金属外壳(可用不锈钢或其他合金钢做成)、发射端电源引出线、接收端电源引出线等组成。
发射型压电片、接收型压电片的两面镀以银膜作电极，并分别在电极面上接一引线与外接芯线相联，作为通电回路。发射型压电片、接收型压电片与金属外壳通过隔声材料如泡沫固定。传声介质分别与发射型压电片、接收型压电片用环氧树脂粘接。金属外壳内的其余空间为真空或填充隔声材料。金属外壳两端用环氧树脂封口，并拉出发射端电源引出线、接收端电源引出线。
本发明工作时，发射端电源引出线通电，发射型压电片由于逆压电效应产生超声波，超声波通过隔声材料内的传声介质传到接收端，接收型压电片由于压电效应产生电流，电流从接收端电源引出线送至配套的超声仪。
通过超声波在空气栅(或金属丝栅)中的传递时间和预先标定的声速，可算出空气栅(或金属丝栅)的长度。当超声应变计随同结构发生变型时，应变计中的空气栅(或金属丝栅)的长度也将发生变化，从而使超声波在空气栅(或金属丝栅)中的传递时间改变。测量时间的变化可反算出空气栅(或金属丝栅)的长度改变量，即可获得应变值和应变增量。
本发明与压电传感器不同，后者是以压电材料在压力作用下所产生的电流(电压)为依据而研制的。而超声应变计是以超声波传播时间为依据，类似于倒车雷达，但精度要高得多。与现有的一种残余应力测量方法——超声法有本质的区别，后者是直接测量超声波在构件中的传播时间来获得应变值，由于材料的缺陷等对声时的影响远大于应力对声时的影响，而构件中的缺陷又难于定量描述，使标定和测量十分困难，特别是对各向异性的复合材料。而超声应变计的声波是在与构件无关的特定介质中传播，选定标准的各向同性的特定介质已无多大的困难，因而标定和测量也比较容易。
本发明具有精度高、成本低、无电磁干扰、无松弛、可测量应变绝对量、尺寸小、易安放等优点，特别适用于在线长期应变测量和流变测量。在长期测量方面具有良好效果，在工程结构安全监测、山体滑坡和其他流变测量中有广泛的用途。


图1为本发明的结构示意图。
其中1-发射型压电片；2-传声介质；3-接收型压电片；4-隔声材料；5-金属外壳；6-发射端电源引出线；7-接收端电源引出线。
具体实施例方式
本发明主要由发射型压电片(压电晶体或压电陶瓷)、传声介质(金属丝或空气栅)、接收型压电片(压电晶体或压电陶瓷)、隔声材料(如泡沫等，当传声介质用金属丝时，也可用真空来隔声)、金属外壳(可用不锈钢或其他合金钢做成)、发射端电源引出线、接收端电源引出线等组成。
发射型压电片、接收型压电片的两面镀以银膜作电极，并分别在电极面上接一引线与外接芯线相联，作为通电回路。发射型压电片、接收型压电片与金属外壳通过隔声材料如泡沫固定。传声介质分别与发射型压电片、接收型压电片用环氧树脂粘接。金属外壳内的其余空间为真空或填充隔声材料。金属外壳两端用环氧树脂封口，并拉出发射端电源引出线、接收端电源引出线。
权利要求
1.一种超声应变计，主要由发射型压电片(1)、传声介质(2)、接收型压电片(3)、隔声材料(4)、金属外壳(5)、发射端电源引出线(6)、接收端电源引出线(7)组成；其特征在于发射型压电片(1)、接收型压电片(3)的两面镀以银膜作电极，并分别在电极面上接发射端电源引出线(6)、接收端电源引出线(7)分别与外接芯线相联，作为通电回路；发射型压电片(1)、接收型压电片(3)与金属外壳通过隔声材料(4)固定；传声介质(2)分别与发射型压电片(1)、接收型压电片(3)用环氧树脂粘接；金属外壳内的其余空间为隔声材料(4)；金属外壳(5)两端用环氧树脂封口，并拉出发射端电源引出线(6)、接收端电源引出线(7)。
2.根据权利要求1所述的超声应变计，其特征在于所述的发射型压电片(1)、接收型压电片(3)可为压电晶体或压电陶瓷。
3.根据权利要求1或2所述的超声应变计，其特征在于所述的隔声材料(4)可为泡沫塑料等，当传声介质用金属丝时，也可用真空来隔声。
全文摘要
一种超声应变计，主要由发射型压电片、传声介质、接收型压电片、隔声材料、金属外壳、发射端电源引出线、接收端电源引出线组成。具有精度高、成本低、无电磁干扰、无松弛、可测量应变绝对量、尺寸小、易安放等优点，特别适用于工程结构安全监测、山体滑坡和其他流变测量的在线长期应变测量和流变测量。
文档编号G01D21/02GK1529133SQ03125459
公开日2004年9月15日 申请日期2003年9月28日 优先权日2003年9月28日
发明者杨吉新 申请人:武汉理工大学