基于石英谐振的混凝土应力传感方法研究

作     者：彭港 

作者单位：重庆交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张奔牛

授予年度：2022年

学科分类：081406[工学-桥梁与隧道工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：石英晶振 力频效应 传感器 混凝土结构 应力监测 

摘      要：土木工程设施的使用寿命从几十年到数百年不等。在此期间,因各种因素的影响,混凝土性能会不断退化,严重威胁结构使用。因此,工程中越来越重视对混凝土结构进行健康监测。混凝土应力是判断结构状态的一个重要指标,如果能准确地测量混凝土结构的应力,就能准确地评估混凝土结构的状态。为了持续掌握土木工程结构的安全状况,必须持续监控混凝土结构关键部件的应力。针对现有的混凝土应力监测技术存在价格昂贵、操作复杂、可靠度低等的问题,本文提出一种基于石英谐振的新型混凝土应力监测方法,旨在为混凝土结构提供一种便捷、可靠的应力监测手段。 本研究就混凝土应力监测问题,利用了石英晶体的力-频特性,提出了一种新型的基于石英晶体谐振的应力监测技术,并以此设计制造了一种应力传感器。以石英谐振传感器为研究对象,阐述了传感器的工作原理,设计思路、主要构成以及制作和安装流程。并通过对比试验,探究了传感器的影响因素并确定了传感器的基本性能。最后通过进行混凝土结构压力试验,在混凝土结构表面安装传感结构,对试件进行荷载试验和受力监测,来验证理论分析的可行性和该技术的实用效果。 本文所开展的具体研究内容有: 1、利用石英晶振的频率会随着受力的大小而改变的特性,提出了一种新型的基于石英晶体谐振的应力监测技术。从理论角度分析受力时传感器的频率变化规律,并以此作为设计依据结合传感器的制作工艺,设计制造了石英谐振应力传感器。 2、从理论角度阐述了混凝土结构应力σ变化导致的传感器频率增量Δf的变化,建立了传感器频率增量Δf与混凝土结构应力σ关系的理论模型。理论上石英谐振传感器用于监测混凝土应力,能够有效的将被测混凝土结构的应力换为谐振频率输出。 3、为探究传感器在受力时的实际工作状态,设计并开展了传感器荷载试验,并针对影响传感器性能的重要构件—感压膜片,设计了不同膜片材料、不同膜片厚度等多种工况。通过对比分析不同情况下得到的试验数据,得出传感器频率与荷载呈正相关关系,以及传感器频率增量随荷载线性变化的结论,符合理论推导。并通过比较多种试验结果,最终确定了最为合适的膜片参数。 4、开展了混凝土结构应力试验,制造多个传感器并将其安装在混凝土结构上,对混凝土结构施加荷载以改变其应力,分析混凝土结构应力和传感器频率之间的关系。对试验获得的混凝土应力与频率增量数据进行拟合,拟合关系符合一次函数与理论推导相符,且计算应力值与混凝土结构理论应力值差异较小,验证了这种新型石英谐振传感器监测应力的可行性。