传感器壳体材料对混凝土内应力波测试影响
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第 47 卷 第 6 期 2021 年 6 月
中国测试 CHINA MEASUREMENT & TEST
Vol.47 No.6 June, 2021
doi: 10.11857/j.issn.1674-5124.2020120053
传感器壳体材料对混凝土内应力波测试影响
黄家蓉， 吴 飚， 王 幸， 杨建超， 孔德锋
图 4 所示。试验时将试件夹在入射杆和透射杆之间， 当撞击杆发射后，由光学探头和测速仪探测撞击杆 的速度，瞬态数据采集仪分别记录入射杆和透射杆 的应变波形与 PVDF 传感器的输出波形，入射、透 射应力波通过杆应变值换算获得[7,11]。
2 试验结果与分析
对 6 个试件进行了 SHPB 动态加载试验，结果
P/MPa
40
Pr
30
Pt 铝板1#试件，
20
有缝
10
0
−10 600
1 000 1 400 1 800 t/µs
(a) 1#试件入射和透射波
电压/V
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2
0
−0.2 −0.4 −0.6 −0.8
800
PVDF 输出
1 200 1 600 2 000 2 400 t/µs
0.2
0.1
0
−0.1 1 000 1 400 1 800 2 200 t/µs (f) 6#试件 PVDF 输出波
2#和 4#试件 PVDF 输出有明显锯齿状（图 6(b)、 (f)），分析认为是传感器周围的混凝土不均匀或存 在气孔，引起了波的反射或折射所致。如图 7 所示， 从试验前试件表面、试验后断裂的试件中间都可看 出明显的大小分布不均的蜂窝状气孔，这都会影响 应力波的传播。
试验研究中，传感器敏感元件都是用金属壳体 封装成不同结构型式置入测试环境使用[4]，但金属 材料与混凝土的弹性模量及波阻抗等参数都不一致， 传感器的埋入势必改变岩土介质的原应力场，引起 应力的重新分布，传感器感受的应力与未扰动时该 点的应力并不相同[5]，试验中存在介质材料匹配问 题。长期以来研究者们对传感器等效弹模和被测介 质的弹模比、传感器形状尺寸和高径比等如何影响 匹配误差进行了研究，获得了一些成果，但试验中 获得的数据比较离散，并没有形成公认的规律或理 论[6]。已发表的公开文献中未见传感器壳体材料对 测试结果影响研究的报道，传感器产品也不如爆炸 场空气冲击波压力测试技术成熟，试验中获得混凝 土内应力波传播规律的资料鲜有报道。
1Байду номын сангаас400 t/µs
1 800
(d) 5#试件 PVDF 输出波
P/MPa
70 60 50 40 30 20 10 0 −10 −20
800
Pr Pt 6#试件铝
1 000 1 200 1 400 t/µs
(e) 6#试件入射和透射波
图 5 铝底板试件试验波形
电压/V
0.5
0.4
PVDF 输出
0.3
HUANG Jiarong, WU Biao, WANG Xing, YANG Jianchao, KONG Defeng (Institute of Defense Engineering, AMS, Luoyang 471023, China)
Abstract: In order to study the influence of the sensor shell on the stress wave measurement in concrete, PVDF piezoelectric film was selected as the stress sensitive element, and stainless steel and aluminum were used as the base plate to make the sensor. After 28 days of curing, the dynamic loading test was carried out with the split Hopkinson pressure bar (SHPB) to test the incident wave, transmission wave and internal stress wave signal of the target analysis. The test results show that the stress wave, transmission wave and incident wave measured by the sensor made of stainless steel are in good agreement with each other. Cracks appear in the specimen poured by the sensor made of aluminum base plate from inside to outside, and the phase ratio of stress wave, transmission wave and incident wave obtained from the test is seriously distorted. Therefore, it is better to select stainless steel shell for stress wave sensor in concrete target. Three concrete targets were made, a group of PVDF sensors made of stainless steel shells were embedded in every concrete targets and the explosive stress wave was successfully detected. Keywords: concrete; stress wave measurement; split Hopkinson pressure bar; PVDF piezoelectric film
收稿日期: 2020-12-10；收到修改稿日期: 2021-02-06 作者简介: 黄家蓉（1965-），女，四川成都市人，高级工程师，主要从事测量技术研究及应用。
第 47 卷 第 6 期
黄家蓉，等：传感器壳体材料对混凝土内应力波测试影响
145
0 引 言
混凝土材料广泛应用于民用、国防工程建设和 防护工程结构中。工程结构中混凝土除了承受静载 荷外，常不可避免地承受急剧变化的动载荷，如爆 炸、冲击和地震等。冲击载荷下混凝土材料的动态 力学性能，对研究爆炸冲击、高速撞击、侵彻、动态 损伤等问题都有着重要的影响[1]。在混凝土构件中 埋入应力波传感器，对构件进行动态加载，测量其 动态力学响应是研究混凝土动态特性的重要方法。 国内外学者在不同的冲击试验中对混凝土靶内应力 波进行了测试研究[2-3]，但由于混凝土本构关系的复 杂性，其靶内应力波测试技术并不成熟。
(军事科学院国防工程研究院，河南 洛阳 471023)
摘 要: 为研究传感器壳体材料对混凝土靶内应力波测试的影响，选用 PVDF 压电薄膜作应力敏感元件，不锈钢和
铝作底板制作传感器，浇筑于混凝土试件中，养护 28 天后，用分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar,
混凝土 2.1
25
3.45
7.20 (10~14)×10–6
40
24 14
(a) PVDF 薄膜
A
A
15 (b) 底板结构俯视图 (单位：mm)
(c) 底板实物
(d) 装配后传感器
图 1 传感器设计及装配
1.2 试件浇筑 试件尺寸：ϕ100 mm×80 mm。各做 3 个，共 6
个试件。传感器先固定在钢模具中部如图 2 所示， 并将引线引出，然后浇筑混凝土并养护 28 天后脱 模，同时浇筑 3 个抗压检测试件，满龄期送检测站 进行强度检测，抗压强度检测为 36.5 MPa。试件浇
不锈钢壳体较好。制作 3 个混凝土靶，各埋设一组用不锈钢壳体制作的 PVDF 传感器，成功测试到靶内爆炸应
力波。
关键词: 混凝土; 应力波测试; 分离式霍普金森压杆; PVDF 压电薄膜
中图分类号: O384
文献标志码: A
文章编号: 1674–5124(2021)06–0144–05
Experimental study on influence of sensor shell material on stress wave measurement in concrete
表 1 3 种材料的有关性能参数[7,9-10]
材料
材料密度 弹性模量 波阻抗 ρ0 C0/ ρ0/(103 kg·m–3) E/GPa C0/(km·s–1) (MPa·m–1·s)
热膨胀系数 α/℃
钢
7.8
210 5.19
40.5 (9.6~11.6)×10–6
铝
2.7
70
5.09
13.7 (18.4~24.5)×10–6
(b) 1#试件 PVDF 输出波
P/MPa
50 40 30 20 10 0 −10 −20 −30
800
Pr Pt 试件5铝
1 200 t/µs
1 600
(c) 5#试件入射和透射波
电压/V
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2
0 −0.2 −0.4 −0.6 −0.8 −1.0
1 000
PVDF 输出
是 3 个铝底板试件由于中间存在裂缝，导致波形传 播严重失真，如图 5 所示，图中 Pr、Pt 分别表示入射 波和透射波。图 5(a)、(e) 可以看出，入射波基本没 经过试件透射到透射杆，且 3 个 PVDF 输出波形各 异，毫无规律，这说明试件中间的裂缝严重影响了 波的传播。图 6 是钢底板试件试验波形，图中可以 看出入射和透射波形，波形基本一致，透射率大于 82%。为对 3 个钢底板试件的 PVDF 输出信号与透 射波比较，对信号进行归一化处理得图 6(b)、(d)、(f)， 可以看出 PVDF 输出波与透射波在作用时间和波 形上吻合较好。
SHPB）进行动态加载试验，测试入射波、透射波和靶内应力波信号，对 3 种波形进行分析比较。试验结果表明：用不
锈钢作底板制作的传感器测试得到的靶内应力波、透射波和入射波吻合很好，用铝作底板制作的传感器浇筑的试件
从内至外出现裂缝，测试获得的靶内应力波、透射波与入射波相比严重失真。因此，混凝土靶内应力波传感器选用
应力波基础一书中论述到：在应力波传播实验 研究中，如果传感器的波阻抗（ρ0C0）能够和介质的 波阻抗相匹配，就能避免对波传播本身带来不必要 的干扰，可避免或减少波传播失真[7]。据此，推测传 感器壳体材料的波阻抗与混凝土越接近，应力波失 真度应该越小，为此，本文选用两种金属材料作衬 底制作传感器埋入混凝土试件，用 SHPB 加载进行 了试验研究，分析两种材料对应力波传播的影响， 以期对混凝土内应力波测量传感器设计提供参考。
如图 8 所示，加载试验后铝底板试件基本都是 从中间断成两截，钢底板试件完整。查看两种经冲 击试验后的试件碎块，观察传感器与混凝土的粘结 情况，发现铝底板传感器与混凝土呈剥离状态 （图 9(a)），这说明铝底板与混凝土存在明显交接缝， 影响了应力波传播，而钢底板与混凝土粘结牢固
图 2 传感器固定
146
中国测试
2021 年 6 月
筑结果：从外观上看铝底板传感器试件中间全部有 裂缝，且不均匀，钢底板试件无裂缝，如图 3 所示。
激光探头
入射杆
透射杆
撞击杆
入射杆 应变片 试件透射杆应变片 缓冲器
测速仪
信号 放大器
瞬态采集仪
裂缝
图 4 SHPB 压杆试验
图 3 混凝土试件
1.3 加载设备及原理 动态加载设备是ϕ100 mm SHPB 压杆，原理如
1 试验设计 1.1 试验方案
PVDF 压电薄膜在固体介质中的应力波测试技 术已经成为爆炸冲击测试领域的重要手段[8]。PVDF 压电薄膜经过极化以后具有很强的压电效应，压电 常数可以达到石英晶体的 10 倍，频响高，量程范围 大，较适合爆炸荷载测量。不锈钢和铝是常用的传
感器壳体材料，因此选用这两种金属作传感器底板 进行试验研究，表 1 是材料的相关参数。底板设计 尺寸及装配如图 1 所示，传感器底板厚 3 mm，护线 盖板厚 2 mm，将 PVDF 薄膜粘贴在底板上，信号引 线用盖板进行保护，把制作好的传感器浇筑在混凝 土试件中，用 SHPB 进行加载试验，测量入射波、透 射波和混凝土试件中的应力波，分析两种材料对应 力波输出信号的影响。
中国测试 CHINA MEASUREMENT & TEST
Vol.47 No.6 June, 2021
doi: 10.11857/j.issn.1674-5124.2020120053
传感器壳体材料对混凝土内应力波测试影响
黄家蓉， 吴 飚， 王 幸， 杨建超， 孔德锋
图 4 所示。试验时将试件夹在入射杆和透射杆之间， 当撞击杆发射后，由光学探头和测速仪探测撞击杆 的速度，瞬态数据采集仪分别记录入射杆和透射杆 的应变波形与 PVDF 传感器的输出波形，入射、透 射应力波通过杆应变值换算获得[7,11]。
2 试验结果与分析
对 6 个试件进行了 SHPB 动态加载试验，结果
P/MPa
40
Pr
30
Pt 铝板1#试件，
20
有缝
10
0
−10 600
1 000 1 400 1 800 t/µs
(a) 1#试件入射和透射波
电压/V
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2
0
−0.2 −0.4 −0.6 −0.8
800
PVDF 输出
1 200 1 600 2 000 2 400 t/µs
0.2
0.1
0
−0.1 1 000 1 400 1 800 2 200 t/µs (f) 6#试件 PVDF 输出波
2#和 4#试件 PVDF 输出有明显锯齿状（图 6(b)、 (f)），分析认为是传感器周围的混凝土不均匀或存 在气孔，引起了波的反射或折射所致。如图 7 所示， 从试验前试件表面、试验后断裂的试件中间都可看 出明显的大小分布不均的蜂窝状气孔，这都会影响 应力波的传播。
试验研究中，传感器敏感元件都是用金属壳体 封装成不同结构型式置入测试环境使用[4]，但金属 材料与混凝土的弹性模量及波阻抗等参数都不一致， 传感器的埋入势必改变岩土介质的原应力场，引起 应力的重新分布，传感器感受的应力与未扰动时该 点的应力并不相同[5]，试验中存在介质材料匹配问 题。长期以来研究者们对传感器等效弹模和被测介 质的弹模比、传感器形状尺寸和高径比等如何影响 匹配误差进行了研究，获得了一些成果，但试验中 获得的数据比较离散，并没有形成公认的规律或理 论[6]。已发表的公开文献中未见传感器壳体材料对 测试结果影响研究的报道，传感器产品也不如爆炸 场空气冲击波压力测试技术成熟，试验中获得混凝 土内应力波传播规律的资料鲜有报道。
1Байду номын сангаас400 t/µs
1 800
(d) 5#试件 PVDF 输出波
P/MPa
70 60 50 40 30 20 10 0 −10 −20
800
Pr Pt 6#试件铝
1 000 1 200 1 400 t/µs
(e) 6#试件入射和透射波
图 5 铝底板试件试验波形
电压/V
0.5
0.4
PVDF 输出
0.3
HUANG Jiarong, WU Biao, WANG Xing, YANG Jianchao, KONG Defeng (Institute of Defense Engineering, AMS, Luoyang 471023, China)
Abstract: In order to study the influence of the sensor shell on the stress wave measurement in concrete, PVDF piezoelectric film was selected as the stress sensitive element, and stainless steel and aluminum were used as the base plate to make the sensor. After 28 days of curing, the dynamic loading test was carried out with the split Hopkinson pressure bar (SHPB) to test the incident wave, transmission wave and internal stress wave signal of the target analysis. The test results show that the stress wave, transmission wave and incident wave measured by the sensor made of stainless steel are in good agreement with each other. Cracks appear in the specimen poured by the sensor made of aluminum base plate from inside to outside, and the phase ratio of stress wave, transmission wave and incident wave obtained from the test is seriously distorted. Therefore, it is better to select stainless steel shell for stress wave sensor in concrete target. Three concrete targets were made, a group of PVDF sensors made of stainless steel shells were embedded in every concrete targets and the explosive stress wave was successfully detected. Keywords: concrete; stress wave measurement; split Hopkinson pressure bar; PVDF piezoelectric film
收稿日期: 2020-12-10；收到修改稿日期: 2021-02-06 作者简介: 黄家蓉（1965-），女，四川成都市人，高级工程师，主要从事测量技术研究及应用。
第 47 卷 第 6 期
黄家蓉，等：传感器壳体材料对混凝土内应力波测试影响
145
0 引 言
混凝土材料广泛应用于民用、国防工程建设和 防护工程结构中。工程结构中混凝土除了承受静载 荷外，常不可避免地承受急剧变化的动载荷，如爆 炸、冲击和地震等。冲击载荷下混凝土材料的动态 力学性能，对研究爆炸冲击、高速撞击、侵彻、动态 损伤等问题都有着重要的影响[1]。在混凝土构件中 埋入应力波传感器，对构件进行动态加载，测量其 动态力学响应是研究混凝土动态特性的重要方法。 国内外学者在不同的冲击试验中对混凝土靶内应力 波进行了测试研究[2-3]，但由于混凝土本构关系的复 杂性，其靶内应力波测试技术并不成熟。
(军事科学院国防工程研究院，河南 洛阳 471023)
摘 要: 为研究传感器壳体材料对混凝土靶内应力波测试的影响，选用 PVDF 压电薄膜作应力敏感元件，不锈钢和
铝作底板制作传感器，浇筑于混凝土试件中，养护 28 天后，用分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar,
混凝土 2.1
25
3.45
7.20 (10~14)×10–6
40
24 14
(a) PVDF 薄膜
A
A
15 (b) 底板结构俯视图 (单位：mm)
(c) 底板实物
(d) 装配后传感器
图 1 传感器设计及装配
1.2 试件浇筑 试件尺寸：ϕ100 mm×80 mm。各做 3 个，共 6
个试件。传感器先固定在钢模具中部如图 2 所示， 并将引线引出，然后浇筑混凝土并养护 28 天后脱 模，同时浇筑 3 个抗压检测试件，满龄期送检测站 进行强度检测，抗压强度检测为 36.5 MPa。试件浇
不锈钢壳体较好。制作 3 个混凝土靶，各埋设一组用不锈钢壳体制作的 PVDF 传感器，成功测试到靶内爆炸应
力波。
关键词: 混凝土; 应力波测试; 分离式霍普金森压杆; PVDF 压电薄膜
中图分类号: O384
文献标志码: A
文章编号: 1674–5124(2021)06–0144–05
Experimental study on influence of sensor shell material on stress wave measurement in concrete
表 1 3 种材料的有关性能参数[7,9-10]
材料
材料密度 弹性模量 波阻抗 ρ0 C0/ ρ0/(103 kg·m–3) E/GPa C0/(km·s–1) (MPa·m–1·s)
热膨胀系数 α/℃
钢
7.8
210 5.19
40.5 (9.6~11.6)×10–6
铝
2.7
70
5.09
13.7 (18.4~24.5)×10–6
(b) 1#试件 PVDF 输出波
P/MPa
50 40 30 20 10 0 −10 −20 −30
800
Pr Pt 试件5铝
1 200 t/µs
1 600
(c) 5#试件入射和透射波
电压/V
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2
0 −0.2 −0.4 −0.6 −0.8 −1.0
1 000
PVDF 输出
是 3 个铝底板试件由于中间存在裂缝，导致波形传 播严重失真，如图 5 所示，图中 Pr、Pt 分别表示入射 波和透射波。图 5(a)、(e) 可以看出，入射波基本没 经过试件透射到透射杆，且 3 个 PVDF 输出波形各 异，毫无规律，这说明试件中间的裂缝严重影响了 波的传播。图 6 是钢底板试件试验波形，图中可以 看出入射和透射波形，波形基本一致，透射率大于 82%。为对 3 个钢底板试件的 PVDF 输出信号与透 射波比较，对信号进行归一化处理得图 6(b)、(d)、(f)， 可以看出 PVDF 输出波与透射波在作用时间和波 形上吻合较好。
SHPB）进行动态加载试验，测试入射波、透射波和靶内应力波信号，对 3 种波形进行分析比较。试验结果表明：用不
锈钢作底板制作的传感器测试得到的靶内应力波、透射波和入射波吻合很好，用铝作底板制作的传感器浇筑的试件
从内至外出现裂缝，测试获得的靶内应力波、透射波与入射波相比严重失真。因此，混凝土靶内应力波传感器选用
应力波基础一书中论述到：在应力波传播实验 研究中，如果传感器的波阻抗（ρ0C0）能够和介质的 波阻抗相匹配，就能避免对波传播本身带来不必要 的干扰，可避免或减少波传播失真[7]。据此，推测传 感器壳体材料的波阻抗与混凝土越接近，应力波失 真度应该越小，为此，本文选用两种金属材料作衬 底制作传感器埋入混凝土试件，用 SHPB 加载进行 了试验研究，分析两种材料对应力波传播的影响， 以期对混凝土内应力波测量传感器设计提供参考。
如图 8 所示，加载试验后铝底板试件基本都是 从中间断成两截，钢底板试件完整。查看两种经冲 击试验后的试件碎块，观察传感器与混凝土的粘结 情况，发现铝底板传感器与混凝土呈剥离状态 （图 9(a)），这说明铝底板与混凝土存在明显交接缝， 影响了应力波传播，而钢底板与混凝土粘结牢固
图 2 传感器固定
146
中国测试
2021 年 6 月
筑结果：从外观上看铝底板传感器试件中间全部有 裂缝，且不均匀，钢底板试件无裂缝，如图 3 所示。
激光探头
入射杆
透射杆
撞击杆
入射杆 应变片 试件透射杆应变片 缓冲器
测速仪
信号 放大器
瞬态采集仪
裂缝
图 4 SHPB 压杆试验
图 3 混凝土试件
1.3 加载设备及原理 动态加载设备是ϕ100 mm SHPB 压杆，原理如
1 试验设计 1.1 试验方案
PVDF 压电薄膜在固体介质中的应力波测试技 术已经成为爆炸冲击测试领域的重要手段[8]。PVDF 压电薄膜经过极化以后具有很强的压电效应，压电 常数可以达到石英晶体的 10 倍，频响高，量程范围 大，较适合爆炸荷载测量。不锈钢和铝是常用的传
感器壳体材料，因此选用这两种金属作传感器底板 进行试验研究，表 1 是材料的相关参数。底板设计 尺寸及装配如图 1 所示，传感器底板厚 3 mm，护线 盖板厚 2 mm，将 PVDF 薄膜粘贴在底板上，信号引 线用盖板进行保护，把制作好的传感器浇筑在混凝 土试件中，用 SHPB 进行加载试验，测量入射波、透 射波和混凝土试件中的应力波，分析两种材料对应 力波输出信号的影响。