[發(fā)明專(zhuān)利]一種水泥基智能復(fù)合材料應(yīng)變傳感器及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110318920.4
• 申請(qǐng)日: 2011-10-19
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102506692A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-06-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 魏劍;陳晉;賀格平
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 西安建筑科技大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01B7/16
• 分類(lèi)號(hào): G01B7/16;C04B28/04
• 代理公司: 西安智大知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 61215
• 代理人: 劉國(guó)智

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及到一種水泥基智能復(fù)合材料應(yīng)變傳感器及其制備方法，該應(yīng)變傳感器用于土木工程混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測(cè)。

背景技術(shù)

目前土木工程結(jié)構(gòu)中，廣泛使用電阻應(yīng)變片來(lái)監(jiān)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)變，具有技術(shù)成熟、穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)，但是應(yīng)變片靈敏系數(shù)僅為2-3，耐久性很差，并且安裝工藝復(fù)雜、造價(jià)較高，無(wú)法滿足對(duì)人們對(duì)重要土木工程結(jié)構(gòu)的全壽命長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的技術(shù)需求。而水泥基智能復(fù)合材料應(yīng)變傳感器具有靈敏系數(shù)高，極好的耐久性，成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，并且布設(shè)工藝與數(shù)據(jù)采集簡(jiǎn)單，是大跨度橋梁、水利堤壩、超高層建筑等重要土木工程混凝土結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的重要手段和應(yīng)變傳感器發(fā)展的主要方向。

目前水泥基智能復(fù)合材料應(yīng)變傳感器制備工藝的不成熟，綜合力學(xué)性能較差，以及脆性較高的缺陷，仍是導(dǎo)致傳感器體積電阻率穩(wěn)定性差、壓敏特性線性度不高的主要原因，嚴(yán)重影響著水泥基智能復(fù)合材料應(yīng)變傳感器的應(yīng)用和發(fā)展。采用各種工藝方法制備混凝土結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)用水泥基智能復(fù)合材料應(yīng)變傳感器，避免由于材料性能或制備方法原因?qū)е碌膫鞲衅鲬?yīng)變-電阻率線性相關(guān)性差和電阻率波動(dòng)，提高水泥基智能復(fù)合材料應(yīng)變傳感器的靈敏系數(shù)和電阻率穩(wěn)定性，已經(jīng)成為當(dāng)今水泥基智能復(fù)合材料應(yīng)變傳感器制備技術(shù)領(lǐng)域研究的關(guān)鍵內(nèi)容之一。

文獻(xiàn)1“專(zhuān)利號(hào)為ZL?02132967.2”的中國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)了一種機(jī)敏混凝土傳感元件。該傳感元件由具有1-2對(duì)電極的試塊構(gòu)成，試塊材料由碳纖維和水泥基材料組成，傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)拉應(yīng)力和壓應(yīng)力均具有應(yīng)變敏感性。但是該傳感元件在彈性范圍內(nèi)電阻率與應(yīng)力呈現(xiàn)非線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，并且其應(yīng)變與電阻率的變化關(guān)系也未給出，影響該傳感元件作為混凝土應(yīng)變傳感器時(shí)的測(cè)量準(zhǔn)確性。

文獻(xiàn)2“申請(qǐng)?zhí)枮?00510031313.4”的中國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)了一種智能混凝土試塊及其二級(jí)三次或二干一濕的制作方法，并使用電容值作為應(yīng)力、應(yīng)變傳感器的電性能測(cè)試參數(shù)，具有壓應(yīng)力反應(yīng)敏感、單個(gè)數(shù)據(jù)測(cè)試穩(wěn)定的特點(diǎn)。但是該智能混凝土傳感器在低應(yīng)力狀態(tài)下(＜4MPa)，應(yīng)力電容值的增長(zhǎng)速度比應(yīng)力增長(zhǎng)速度快，為非線性增長(zhǎng)，嚴(yán)重影響低應(yīng)力狀態(tài)下混凝土結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。

文獻(xiàn)3“專(zhuān)利號(hào)為ZL?03128010.2”的中國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)一種含溫度補(bǔ)償?shù)母哽`敏度碳纖維水泥基電阻應(yīng)變傳感系統(tǒng)。該系統(tǒng)在普通混凝土梁的上下表面鋪設(shè)碳纖維水泥基智能復(fù)合材料，組成夾層結(jié)構(gòu)，通過(guò)上下量對(duì)稱(chēng)表面的差動(dòng)電路測(cè)量出混凝土梁承載發(fā)生彎曲變形的程度。該應(yīng)變傳感系統(tǒng)消除了環(huán)境溫度的影響，改善了水泥基智能復(fù)合材料應(yīng)變傳感器的應(yīng)變敏感穩(wěn)定性，并且具有極高的應(yīng)變-電阻敏感性，但是該傳感器系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)與布設(shè)工藝復(fù)雜、只能用于混凝土梁的彎曲變形監(jiān)測(cè)，限制了該水泥基智能復(fù)合材料應(yīng)變傳感器的應(yīng)用。

文獻(xiàn)4“申請(qǐng)?zhí)枮?00510057227.0”的中國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)了一種利用含有鐵氧化物的鋼渣和粉煤灰作為導(dǎo)電相的機(jī)敏混凝土。該機(jī)敏混凝土具有廢物利用、應(yīng)力敏感性高、力學(xué)性能好和制備工藝簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但是由于煉鋼工藝和各地區(qū)原料的差異性、發(fā)電廠電煤成分的波動(dòng)性，導(dǎo)致鋼渣和粉煤灰中的鐵氧化物含量波動(dòng)十分常見(jiàn)，致使這種機(jī)敏混凝土的電阻率和壓敏性能的波動(dòng)也較大，嚴(yán)重影響利用該機(jī)敏混凝土制作的應(yīng)變傳感器的性能穩(wěn)定性。

文獻(xiàn)5(“B.G.Han，X.C.Guan，J.P.Ou，Sensors?and?Actuators?A，2007，135：360-369”)公開(kāi)了一種利用碳纖維為導(dǎo)電相的水泥基智能復(fù)合材料應(yīng)變傳感器及其制備方法。該水泥基智能復(fù)合材料應(yīng)變傳感器應(yīng)力敏感性高，力學(xué)性能較好，并且碳纖維導(dǎo)電相在水泥基智能復(fù)合材料中分布均勻。但是其制備過(guò)程卻存在其他弊端：一方面，該應(yīng)變傳感器制備過(guò)程中，由于使用甲基纖維素導(dǎo)致碳纖維水泥拌合物粘度增加，致使為獲得必要的澆注流動(dòng)性而增加拌合用水量，降低最終水泥基智能復(fù)合材料及其應(yīng)變傳感器的強(qiáng)度；另一方面，甲基纖維素還會(huì)存留在碳纖維水泥基復(fù)合材料中，在碳纖維與水泥石的界面處形成一層絕緣高分子層，增大最終復(fù)合材料電阻率的波動(dòng)范圍，影響水泥基智能復(fù)合材料應(yīng)變傳感器的電阻率和壓敏性能穩(wěn)定性。

文獻(xiàn)6“申請(qǐng)?zhí)枮?00710072165.X”的中國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)了一種混凝土結(jié)構(gòu)局部檢測(cè)壓敏水泥基應(yīng)力、應(yīng)變傳感器，由四片網(wǎng)狀電極互相平行的固定在壓敏水泥基材料中構(gòu)成，具有靈敏度高、耐久性好、埋置成活率高的特點(diǎn)。但是該傳感器壓敏水泥基材料由短切碳纖維、碳纖維粉或碳黑或其中的兩種或三種組成，而碳纖維粉和碳黑的加入往往會(huì)導(dǎo)致水泥基智能復(fù)合材料力學(xué)性能降低，進(jìn)而影響傳感器的壓敏性能，并且該傳感器為馬鞍形形狀，僅能用于混凝土結(jié)構(gòu)的某些局部部位的檢測(cè)。