薄膜压力传感器在混凝土柱压力监测中的应用研究：可行性验证与实验分析
研究背景
随着社会的快速发展,混凝土结构在土木、交通、水利等行业得到广泛应用,这些结构在长期服役过程中受到外界因素作用影响,其健康安全会受到一定威胁,传统的健康监测多从结构部件拉应变或位移来监测和评判,这对一些结构在关键部位传力失效或是不均匀传力等特征并未能较好监测。
混凝土结构在服役中,自身质量以及外荷载的作用最终都会通过部件和基础结构传给大地,其中,压力是其传递的主要特征。传统的压电传感器或其他传感器,由于测试原理等原因,无法直接测试压力。薄膜压力传感器作为一种新型的传感器,由于具有体积小等特征,将其嵌入到被检测物体内部,对结构本身受力影响较小,并且可有效地对结构压力进行监测。
因此，上海应用技术大学与长安大学公路学院在《铁道标准设计》期刊上联合发表了一篇题为《薄膜压力传感器混凝土柱压力监测可行性研究》的最新论文。接下来，让我们借助这篇论文，一同深度剖析问题。
实验设计
1. 传感器参数与封装
传感器尺寸：10mm×20mm×0.2mm，量程 10000N，封装后用金属片（0.1mm 厚）和环氧树脂胶防水。
混凝土柱尺寸：150mm×150mm×300mm（C50 混凝土），传感器固定于棱柱体中央，养护 28 天。
2. 试验方案
循环加载：5 次 450kN（20MPa）循环，记录传感器电阻与混凝土应变。
破坏加载：加载至混凝土破坏，分析 680kN 时塑性阶段压力传递特性。
实验设备：
结果与讨论
| 加载类型 | 关键数据与结论 |
| 循环加载 | - 试验机压力与混凝土压力计算值相关系数＞96%（斜率 1.012~1.323） - 传感器初始电阻 27.8~29.8kΩ，重复性良好 |
| 破坏加载 | - 680kN 时混凝土进入塑性阶段，压力计算值曲线变缓，传感器压力＜实际荷载 - 混凝土应力与压力计算值趋势一致，验证传感器合理性 |
有限元仿真分析
1. 模型参数
混凝土：C50，弹性模量34.5GPa，泊松比0.2；传感器弹性模量165GPa，金属片194GPa。
荷载：均布荷载 20MPa，分析传感器与周围混凝土应力。
2. 关键结论
应力分布：传感器应力 18.67~23.68MPa，周围混凝土 19.34~20.13MPa，最大值相差 15%，对结构影响小。
嵌入影响：弹性阶段传感器与混凝土应力趋势一致，塑性阶段传感器应力略低，但不影响整体受力分析。
研究结论
可行性：薄膜压力传感器在混凝土柱中可基本反映压力变化，循环加载相关性高，破坏阶段能监测塑性变形特征。
优势：体积小、嵌入对结构影响小，适用于混凝土内部压力实时监测，为工程应用提供参考。
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