[實(shí)用新型]一種碳納米管水泥基復(fù)合材料傳感器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201220106580.9
• 申請(qǐng)日: 2012-03-14
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN202453128U
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-09-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李云峰;徐麗
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 山東科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G01L1/18
• 分類號(hào): G01L1/18
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• 代理人: 暫無(wú)信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)用傳感器。

背景技術(shù)

對(duì)重大工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)、及時(shí)識(shí)別結(jié)構(gòu)的累積損傷并評(píng)估其使用性能和壽命，對(duì)可能出現(xiàn)的災(zāi)害提前預(yù)警，建立相應(yīng)的安全預(yù)警機(jī)制，不僅對(duì)于提高結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性具有重大的科學(xué)意義，而且可以降低結(jié)構(gòu)的運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益，已經(jīng)成為未來(lái)工程的必然要求，也是21世紀(jì)人類亟待解決的重要課題。工程結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，傳感器子系統(tǒng)作為健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最前端和最基本的子系統(tǒng)，由多個(gè)各類傳感器及傳感網(wǎng)絡(luò)組成。傳感器可以用來(lái)感知結(jié)構(gòu)的荷載和響應(yīng)信息，并以電、光、聲等物理量形式輸出。目前發(fā)展起來(lái)的感知材料與傳感元件主要有光導(dǎo)纖維、電阻應(yīng)變絲、疲勞壽命絲、壓電材料、碳纖維、半導(dǎo)體材料和形狀記憶合金等。用這些感知材料和傳感元件可以制作大規(guī)模表面附著式或埋入式傳感分布陣列，從而使結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件或整體具有感知特性，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與安全預(yù)警的功能。這些傳感器在混凝土工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中應(yīng)用也存在一些弊端和問(wèn)題。如光纖傳感器的需要大量的輔助設(shè)備，布控困難，成本昂貴；壓電材料(如壓電陶瓷等)在應(yīng)用中多用于簡(jiǎn)單構(gòu)件，而且與混凝土材料在材質(zhì)上不匹配，而且缺少工程檢驗(yàn)；形狀記憶合金要么較昂貴，要么性能不穩(wěn)定，而且在非彈性階段，電阻與應(yīng)變的關(guān)系呈非線性，給信號(hào)分析帶來(lái)困難等。為了減少測(cè)量誤差，保證傳感器與環(huán)境介質(zhì)的匹配是非常重要的。在大型混凝土工程結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)中，需要利用與水泥混凝土介質(zhì)匹配的新敏感材料開(kāi)發(fā)研制新型傳感器，達(dá)到傳感器與環(huán)境介質(zhì)完全匹配的良好效果。

碳納米管作為擁有超高長(zhǎng)徑比的終極纖維材料，不僅具有優(yōu)異的力學(xué)性能，而且化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性優(yōu)良，具有良好的電性能及微波吸收等特性，使其成為各種基體材料理想的增強(qiáng)體，并能賦予相應(yīng)復(fù)合材料許多新的功能性能。碳納米管充當(dāng)水泥材料的增強(qiáng)體，可使碳納米管水泥基復(fù)合材料具有較好電阻性能及壓敏效應(yīng)，摻量為0.5％的碳納米管就可以使得相應(yīng)的水泥基材料電阻率降低至幾百歐姆。碳納米管水泥基復(fù)合材料的壓阻特性研究結(jié)果顯示該復(fù)合材料電阻隨壓應(yīng)力改變而變化，穩(wěn)定可靠，可作為傳感器應(yīng)用于土木工程結(jié)構(gòu)。因此新型碳納米管水泥基復(fù)合材料傳感器技術(shù)的研究與工程應(yīng)用將具有極其重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明利用碳納米管水泥基復(fù)合材料制作傳感器，用于工程結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)，保證傳感器與混凝土環(huán)境介質(zhì)的匹配，減少測(cè)量誤差，技術(shù)方案如下：

1、碳納米管在分散劑中分散形成混合溶液，加入水泥中進(jìn)行攪拌均勻，傳感器基體成型。基體尺寸可根據(jù)實(shí)際需要分別成型不同的規(guī)格。

2、傳感器基體內(nèi)布置固定規(guī)格的四片導(dǎo)電性能良好的細(xì)密的金屬網(wǎng)片。

3、在傳感器基體內(nèi)插入四個(gè)導(dǎo)電金屬電極，每個(gè)電極都與一片導(dǎo)電金屬網(wǎng)片可靠連接(可以焊接)。

4、四個(gè)電極上部均連接導(dǎo)電金屬接線柱，接線柱伸出傳感器基體，可以外接導(dǎo)線。

5、外部?jī)啥藘蓚€(gè)接線柱連接輸入端導(dǎo)線，中間內(nèi)部?jī)蓚€(gè)接線柱連接輸出端導(dǎo)線。

6、傳感器基體按照水泥試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)方法進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，達(dá)到規(guī)定的齡期。

本發(fā)明內(nèi)容產(chǎn)生以下有益效果：

(1)碳納米管水泥基復(fù)合材料制作的傳感器，將傳感器嵌入工程結(jié)構(gòu)需要監(jiān)測(cè)的重要節(jié)點(diǎn)與部位，可方便測(cè)定監(jiān)測(cè)位置應(yīng)力變化情況，進(jìn)行工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)；

(2)傳感器與混凝土環(huán)境介質(zhì)良好匹配，減少測(cè)量誤差；

(3)傳感器制作簡(jiǎn)單，投資較少；

(4)傳感器外接導(dǎo)線方便，輸入端與輸出端利用接線柱連接導(dǎo)線，使用簡(jiǎn)便。

附圖說(shuō)明

圖1為碳納米管水泥基復(fù)合材料傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為碳納米管水泥基復(fù)合材料傳感器截面示意圖。

圖中：

1——碳納米管水泥基復(fù)合材料基體；2——碳納米管水泥基復(fù)合材料基體內(nèi)金屬網(wǎng)片；3——傳感器電極；4——傳感器導(dǎo)線接線柱(輸入端)；5——傳感器導(dǎo)線接線柱(輸出端)。

具體實(shí)施方式

參照附圖，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例詳細(xì)描述。

首先，將碳納米管在分散劑中分散形成混合溶液，加入水泥中進(jìn)行攪拌(碳納米管摻量為水泥重量的1％)，成型碳納米管水泥基復(fù)合材料傳感器基體1，碳納米管水泥基復(fù)合材料傳感器基體尺寸規(guī)格可設(shè)為30mm×30mm×120mm。然后，在基體內(nèi)插入尺寸30mm×30mm的四片導(dǎo)電性能良好的細(xì)密的金屬網(wǎng)片2，網(wǎng)片間隔30mm。金屬網(wǎng)片的頂部提前焊接導(dǎo)電金屬電極3和接線柱4(輸入端)、接線柱5(輸出端)。該碳納米管水泥基復(fù)合材料傳感器在水泥混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，至規(guī)定齡期(28天)，傳感器制作完成。