專利名稱：一種具有溫度補償功能的水泥基智能復合材料應變傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種應變傳感器，特別是涉及到一種具有溫度補償功能的水泥基智能復合材料應變傳感器，該應變傳感器用于混凝土結構的應變監(jiān)測。
背景技術：
目前土木工程結構中，廣泛使用電阻應變片來監(jiān)測混凝土結構的應變，具有技術成熟、穩(wěn)定可靠的優(yōu)點，但是應變片靈敏系數(shù)僅為2-3，耐久性很差，并且安裝工藝復雜、造價較高，無法滿足對人們對重要土木工程結構的全壽命長期監(jiān)測的技術需求。而水泥基智能復合材料應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，并且布設工藝與數(shù)據(jù)采集簡單，是大跨度橋梁、水利提壩、超高層建筑等重要土木工程混凝土結構長期監(jiān)測的重要手段和應變傳感器發(fā)展的主要方向。目前水泥基智能復合材料應變傳感器在混凝土結構健康檢測過程中，應變導致的傳感器電阻率變化和溫敏效應導致的電阻率變化的疊加耦合，仍是導致水泥基智能復合材料應變傳感器電阻率穩(wěn)定性差、應變測試精度不高的主要原因，嚴重影響著水泥基智能復合材料應變傳感器的應用和發(fā)展。采用溫度補償?shù)姆椒?，對傳感器在混凝土結構健康監(jiān)測時的輸出電阻率進行補償，避免由于環(huán)境溫度變化導致的傳感器電阻率波動和應變-電阻率線性相關性降低，提高傳感器在各種環(huán)境下的性能穩(wěn)定性和應變監(jiān)測精度，已經(jīng)成為當今水泥基智能復合材料應變傳感器應用技術研究的關鍵內(nèi)容之一。文獻1 “專利號為ZL 03U8010. 2”和文獻2 “專利號為ZL 03254119. 8”的中國
專利公開一種含溫度補償?shù)母哽`敏度碳纖維水泥基電阻應變傳感系統(tǒng)。該系統(tǒng)為碳纖維水泥基智能復合材料在混凝土梁上下表面組成的夾層結構，其利用環(huán)境溫度變化時混凝土梁上下表面智能復合材料層電阻率變化相同的現(xiàn)象，通過差動電路設計，實現(xiàn)了該應變傳感系統(tǒng)輸出電阻率的溫度補償，消除了環(huán)境溫度的影響，改善了碳纖維水泥基電阻應變傳感系統(tǒng)的應變敏感穩(wěn)定性，并且具有極高的應變-電阻敏感性。但是該應變傳感系統(tǒng)的組成結構與布設工藝非常復雜，并且只能適用于混凝土梁的彎曲變形監(jiān)測，限制了該水泥基智能復合材料應變傳感系統(tǒng)的應用和推廣。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種具有溫度補償功能的水泥基智能復合材料應變傳感器，具有溫度補償功能，靈敏系數(shù)高、壓敏特性線性度高、性能穩(wěn)定性好，適用于各種環(huán)境條件下的混凝土結構應變監(jiān)測。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是—種具有溫度補償功能的水泥基智能復合材料應變傳感器，包括應變監(jiān)測模塊1 和溫度監(jiān)測模塊2，應變監(jiān)測模塊1和溫度監(jiān)測模塊2相接，所述應變監(jiān)測模塊1和溫度監(jiān)測模塊2都由碳纖維水泥基本征智能復合材料以及設置在所述復合材料上的四片平行的電極3組成。
所述碳纖維水泥基本征智能復合材料主要由質(zhì)量比為(0. 001 0. 01) 1的PAN 基短切碳纖維和硅酸鹽水泥組成；或者，所述碳纖維水泥基本征智能復合材料主要由質(zhì)量比為(0. 001 0.01) 1 (0. 5 3. 0)的PAN基短切碳纖維、硅酸鹽水泥和石英砂組成。所述電極3為高純銅網(wǎng)。應變監(jiān)測模塊1和溫度監(jiān)測模塊2的外形均為長方體，電極3垂直于長方體最長邊排列，并左右對稱。溫度監(jiān)測模塊2的外表面包覆有柔性水泥基材料4，其包覆厚度大于溫度監(jiān)測模塊2最長邊的3. 0%。應變監(jiān)測模塊1和溫度監(jiān)測模塊2之間也使用柔性水泥基材料4連接。所述柔性水泥基材料4與溫度監(jiān)測模塊2的彈性模量之比為(0.05-0. 1) 1。所述柔性水泥基材料4主要由質(zhì)量比為1 (0. 02 0. 80) 0.01的硅酸鹽水泥、耐堿性乳膠粉和減水劑組成；或者，所述柔性水泥基材料4主要由質(zhì)量比為1 (0. 02 0. 80) 0.01的硅酸鹽水泥、聚合物乳液和減水劑組成，其余為雜質(zhì)；或者，所述柔性水泥基材料4主要由質(zhì)量比為1 (0.02 0.80) 0. 01 (0. 5 2.0)的硅酸鹽水泥、耐堿性乳膠粉、減水劑和石英砂組成，其余為雜質(zhì)；或者，所述柔性水泥基材料4主要由質(zhì)量比為1 (0.02 0.80) 0. 01 (0. 5 2.0)的硅酸鹽水泥、聚合物乳液、減水劑和石英砂組成，其余為雜質(zhì)；其中，聚合物乳液采用固含量計算。每個電極3上都有導線引出。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是1)本發(fā)明具有溫度補償功能的水泥基智能復合材料應變傳感器，主要由應變監(jiān)測模塊和溫度監(jiān)測模塊兩部分構成，具有溫度補償功能，靈敏系數(shù)高、壓敏特性線性度高、性能穩(wěn)定性好，適用于各種環(huán)境條件下的混凝土結構應變監(jiān)測。2)本發(fā)明溫度監(jiān)測模塊用于測定混凝土結構應變監(jiān)測部位溫度變化引起的智能復合材料電阻率波動，并對應變監(jiān)測模塊健康監(jiān)測時的輸出電阻率進行補償，避免由于環(huán)境溫度變化導致的傳感器電阻率波動和應變-電阻率線性相關性降低，提高了傳感器在各種環(huán)境下的性能穩(wěn)定性和應變監(jiān)測精度。3)本發(fā)明溫度監(jiān)測模塊用于測定溫度變化引起的碳纖維水泥基本征智能復合材料的電阻率波動，避免熱電偶直接測定溫度進行溫度補償?shù)募夹g效果不好的缺點，具有溫度補償精度高，技術簡單的特點。4)本發(fā)明傳感器的溫度監(jiān)測模塊外表面包覆有柔性水泥基材料，避免溫度監(jiān)測模塊在混凝土結構嵌入條件下應力引起的電阻率波動，提高了傳感器在各種應變條件下的溫度補償效果和應變監(jiān)測精度。


圖1是本發(fā)明具有溫度補償功能的水泥基智能復合材料應變傳感器(長方體外形)結構示意圖，箭頭所指為應變方向。圖2是圖1的A-A剖面圖。圖3是圖1的B-B剖面圖。圖4是圖1的C-C剖面圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。實施例1參照圖1至圖4，一種具有溫度補償功能的水泥基智能復合材料應變傳感器，包括應變監(jiān)測模塊1和溫度監(jiān)測模塊2，所述應變監(jiān)測模塊1和溫度監(jiān)測模塊2都由碳纖維水泥基本征智能復合材料以及設置在所述復合材料上的四片平行的電極3組成，應變監(jiān)測模塊 1和溫度監(jiān)測模塊2相接且各自上面都設置有四片平行的電極3，電極3為高純銅網(wǎng)，每個電極3上都有導線引出，應變監(jiān)測模塊1和溫度監(jiān)測模塊2的外形均為長方體，電極3垂直于長方體最長邊排列，并左右對稱。其中，碳纖維水泥基本征智能復合材料主要由質(zhì)量比為0.001 1的PAN基短切碳纖維和硅酸鹽水泥組成，經(jīng)干燥分散工藝得到碳纖維水泥拌合物，并與銅網(wǎng)電極澆注在一起，固化形成傳感器的應變監(jiān)測模塊1和溫度監(jiān)測模塊2。溫度監(jiān)測模塊2的外表面包覆有柔性水泥基材料4，并通過柔性水泥基材料4與應變監(jiān)測模塊1連接。柔性水泥基材料4 主要由質(zhì)量比為1 0.02 0.01的硅酸鹽水泥、耐堿性乳膠粉和減水劑組成，其彈性模量為溫度監(jiān)測模塊的10.0%。具有溫度補償功能的水泥基智能復合材料應變傳感器中，垂直于應變監(jiān)測模塊1 四片網(wǎng)狀電極3方向的應變?yōu)閭鞲衅鞯妮斎肓浚辉谖挥趹儽O(jiān)測模塊1和溫度監(jiān)測模塊2 各自外側的兩片電極之間施加直流電壓，則內(nèi)側兩片電極分別檢測得到的電壓變化為傳感器的輸出量。傳感器使用過程中，利用電流值和傳感器幾何參數(shù)，將應變監(jiān)測模塊1內(nèi)側兩片電極檢測到的電壓變化換算為應變監(jiān)測模塊1的電阻率變化ARl ；再利用電流值和傳感器幾何參數(shù)，將溫度監(jiān)測模塊2內(nèi)側兩片電極檢測到的電壓變化換算為溫度監(jiān)測模塊2的電阻率變化AR2。然后可以獲得溫度補償后，應變監(jiān)測模塊的電阻率變化AR= AR1-AR2, 即混凝土結構應變引起的傳感器電阻率變化。最后對照已建立的水泥基智能復合材料傳感器應變與電阻率變化之間的關系曲線或關系式，實現(xiàn)各種環(huán)境溫度下混凝土結構的應變監(jiān)測。實施例2參照圖1至圖4，一種具有溫度補償功能的水泥基智能復合材料應變傳感器，包括應變監(jiān)測模塊1和溫度監(jiān)測模塊2，所述應變監(jiān)測模塊1和溫度監(jiān)測模塊2都由碳纖維水泥基本征智能復合材料以及設置在所述復合材料上的四片平行的電極3組成，應變監(jiān)測模塊 1和溫度監(jiān)測模塊2相接且各自上面都設置有四片平行的電極3，電極3為高純銅網(wǎng)，每個電極3上都有導線引出，應變監(jiān)測模塊1和溫度監(jiān)測模塊2的外形均為長方體，電極3垂直于長方體最長邊排列，并左右對稱。其中，碳纖維水泥基本征智能復合材料主要由質(zhì)量比為0.004 1 0.5的PAN 基短切碳纖維、硅酸鹽水泥和石英砂組成，經(jīng)干燥分散工藝得到碳纖維水泥拌合物，并與銅網(wǎng)電極澆注在一起，固化形成傳感器的應變監(jiān)測模塊1和溫度監(jiān)測模塊2。溫度監(jiān)測模塊2 的外表面包覆有柔性水泥基材料4，并通過柔性水泥基材料4與應變監(jiān)測模塊1連接。柔性水泥基材料4主要由質(zhì)量比為1 0.20 0.01的硅酸鹽水泥、耐堿性乳膠粉和減水劑組成，其彈性模量為溫度監(jiān)測模塊的8. 0%。具有溫度補償功能的水泥基智能復合材料應變傳感器中，垂直于應變監(jiān)測模塊1 四片網(wǎng)狀電極3方向的應變?yōu)閭鞲衅鞯妮斎肓?；在位于應變監(jiān)測模塊1和溫度監(jiān)測模塊2 各自外側的兩片電極之間施加直流電壓，則內(nèi)側兩片電極分別檢測得到的電壓變化為傳感器的輸出量。傳感器使用過程中，利用電流值和傳感器幾何參數(shù)，將應變監(jiān)測模塊1內(nèi)側兩片電極檢測到的電壓變化換算為應變監(jiān)測模塊1的電阻率變化ARl ；再利用電流值和傳感器幾何參數(shù)，將溫度監(jiān)測模塊2內(nèi)側兩片電極檢測到的電壓變化換算為溫度監(jiān)測模塊2的電阻率變化AR2。然后可以獲得溫度補償后，應變監(jiān)測模塊的電阻率變化AR= AR1-AR2, 即混凝土結構應變引起的傳感器電阻率變化。最后對照已建立的水泥基智能復合材料傳感器應變與電阻率變化之間的關系曲線或關系式，實現(xiàn)各種環(huán)境溫度下混凝土結構的應變監(jiān)測。實施例3參照圖1至圖4，一種具有溫度補償功能的水泥基智能復合材料應變傳感器，包括應變監(jiān)測模塊1和溫度監(jiān)測模塊2，所述應變監(jiān)測模塊1和溫度監(jiān)測模塊2都由碳纖維水泥基本征智能復合材料以及設置在所述復合材料上的四片平行的電極3組成，應變監(jiān)測模塊 1和溫度監(jiān)測模塊2相接且各自上面都設置有四片平行的電極3，電極3為高純銅網(wǎng)，每個電極3上都有導線引出，應變監(jiān)測模塊1和溫度監(jiān)測模塊2的外形均為長方體，電極3垂直于長方體最長邊排列，并左右對稱。其中，碳纖維水泥基本征智能復合材料主要由質(zhì)量比為0. 006 1的PAN基短切碳纖維和硅酸鹽水泥組成，經(jīng)干燥分散工藝得到碳纖維水泥拌合物，并與銅網(wǎng)電極澆注在一起，固化形成傳感器的應變監(jiān)測模塊1和溫度監(jiān)測模塊2。溫度監(jiān)測模塊2的外表面包覆有柔性水泥基材料4，并通過柔性水泥基材料4與應變監(jiān)測模塊1連接。柔性水泥基材料4 主要由質(zhì)量比為1 0.40 0.01 2.0的硅酸鹽水泥、聚合物乳液(采用固含量計算)、 減水劑和石英砂組成，其彈性模量為溫度監(jiān)測模塊的7. 0%。具有溫度補償功能的水泥基智能復合材料應變傳感器中，垂直于應變監(jiān)測模塊1 四片網(wǎng)狀電極3方向的應變?yōu)閭鞲衅鞯妮斎肓?；在位于應變監(jiān)測模塊1和溫度監(jiān)測模塊2 各自外側的兩片電極之間施加直流電壓，則內(nèi)側兩片電極分別檢測得到的電壓變化為傳感器的輸出量。傳感器使用過程中，利用電流值和傳感器幾何參數(shù)，將應變監(jiān)測模塊1內(nèi)側兩片電極檢測到的電壓變化換算為應變監(jiān)測模塊1的電阻率變化ARl ；再利用電流值和傳感器幾何參數(shù)，將溫度監(jiān)測模塊2內(nèi)側兩片電極檢測到的電壓變化換算為溫度監(jiān)測模塊2的電阻率變化AR2。然后可以獲得溫度補償后，應變監(jiān)測模塊的電阻率變化AR= AR1-AR2, 即混凝土結構應變引起的傳感器電阻率變化。最后對照已建立的水泥基智能復合材料傳感器應變與電阻率變化之間的關系曲線或關系式，實現(xiàn)各種環(huán)境溫度下混凝土結構的應變監(jiān)測。實施例4參照圖1至圖4，一種具有溫度補償功能的水泥基智能復合材料應變傳感器，包括應變監(jiān)測模塊1和溫度監(jiān)測模塊2，所述應變監(jiān)測模塊1和溫度監(jiān)測模塊2都由碳纖維水泥基本征智能復合材料以及設置在所述復合材料上的四片平行的電極3組成，應變監(jiān)測模塊 1和溫度監(jiān)測模塊2相接且各自上面都設置有四片平行的電極3，電極3為高純銅網(wǎng)，每個電極3上都有導線引出，應變監(jiān)測模塊1和溫度監(jiān)測模塊2的外形均為長方體，電極3垂直于長方體最長邊排列，并左右對稱。其中，碳纖維水泥基本征智能復合材料主要由質(zhì)量比為0.01 1 3.0的PAN基短切碳纖維、硅酸鹽水泥和石英砂組成，經(jīng)干燥分散工藝得到碳纖維水泥拌合物，并與銅網(wǎng)電極澆注在一起，固化形成傳感器的應變監(jiān)測模塊1和溫度監(jiān)測模塊2。溫度監(jiān)測模塊2的外表面包覆有柔性水泥基材料4，并通過柔性水泥基材料4與應變監(jiān)測模塊1連接。柔性水泥基材料4主要由質(zhì)量比為1 0.80 0.01 0.5的硅酸鹽水泥、聚合物乳液(采用固含量計算)、減水劑和石英砂組成，其彈性模量為溫度監(jiān)測模塊的5. 0%。具有溫度補償功能的水泥基智能復合材料應變傳感器中，垂直于應變監(jiān)測模塊1 四片網(wǎng)狀電極3方向的應變?yōu)閭鞲衅鞯妮斎肓浚辉谖挥趹儽O(jiān)測模塊1和溫度監(jiān)測模塊2 各自外側的兩片電極之間施加直流電壓，則內(nèi)側兩片電極分別檢測得到的電壓變化為傳感器的輸出量。傳感器使用過程中，利用電流值和傳感器幾何參數(shù)，將應變監(jiān)測模塊1內(nèi)側兩片電極檢測到的電壓變化換算為應變監(jiān)測模塊1的電阻率變化ARl ；再利用電流值和傳感器幾何參數(shù)，將溫度監(jiān)測模塊2內(nèi)側兩片電極檢測到的電壓變化換算為溫度監(jiān)測模塊2的電阻率變化AR2。然后可以獲得溫度補償后，應變監(jiān)測模塊的電阻率變化AR= AR1-AR2, 即混凝土結構應變引起的傳感器電阻率變化。最后對照已建立的水泥基智能復合材料傳感器應變與電阻率變化之間的關系曲線或關系式，實現(xiàn)各種環(huán)境溫度下混凝土結構的應變監(jiān)測。以上所述僅為本發(fā)明的一種實施方式，不是全部或唯一的實施方式，本領域普通技術人員通過閱讀本發(fā)明說明書而對本發(fā)明技術方案采取的任何等效的變換，均為本發(fā)明的權利要求所涵蓋。
權利要求
1.一種具有溫度補償功能的水泥基智能復合材料應變傳感器，其特征在于，包括應變監(jiān)測模塊(1)和溫度監(jiān)測模塊O)，應變監(jiān)測模塊(1)和溫度監(jiān)測模塊( 相接，所述應變監(jiān)測模塊(1)和溫度監(jiān)測模塊( 都由碳纖維水泥基本征智能復合材料以及設置在所述復合材料上的四片平行的電極C3)組成。
2.根據(jù)權利要求1所述的具有溫度補償功能的水泥基智能復合材料應變傳感器，其特征在于，所述碳纖維水泥基本征智能復合材料主要由質(zhì)量比為(0. 001 0. 01) 1的PAN基短切碳纖維和硅酸鹽水泥組成；或者，所述碳纖維水泥基本征智能復合材料主要由質(zhì)量比為(0.001 0.01) 1 (0.5 3. 0)的PAN基短切碳纖維、硅酸鹽水泥和石英砂組成。
3.根據(jù)權利要求1所述的具有溫度補償功能的水泥基智能復合材料應變傳感器，其特征在于，所述電極(3)為高純銅網(wǎng)。
4.根據(jù)權利要求1所述的具有溫度補償功能的水泥基智能復合材料應變傳感器，其特征在于，所述應變監(jiān)測模塊(1)和溫度監(jiān)測模塊( 的外形均為長方體，電極C3)垂直于長方體最長邊排列，并左右對稱。
5.根據(jù)權利要求1所述的具有溫度補償功能的水泥基智能復合材料應變傳感器，其特征在于，所述溫度監(jiān)測模塊O)的外表面包覆有柔性水泥基材料G)，其包覆厚度大于溫度監(jiān)測模塊(2)最長邊的3.0%。
6.根據(jù)權利要求5所述的具有溫度補償功能的水泥基智能復合材料應變傳感器，其特征在于，所述柔性水泥基材料⑷與溫度監(jiān)測模塊⑵的彈性模量之比為(0.05-0. 1) 1。
7.根據(jù)權利要求1所述的具有溫度補償功能的水泥基智能復合材料應變傳感器，其特征在于，所述應變監(jiān)測模塊(1)和溫度監(jiān)測模塊( 之間使用柔性水泥基材料(4)連接。
8.根據(jù)權利要求5至7任一權利要求所述的具有溫度補償功能的水泥基智能復合材料應變傳感器，其特征在于，所述柔性水泥基材料(4)主要由質(zhì)量比為1 (0. 02 0. 80) 0.01的硅酸鹽水泥、 耐堿性乳膠粉和減水劑組成；或者，所述柔性水泥基材料(4)主要由質(zhì)量比為1 (0. 02 0. 80) 0.01的硅酸鹽水泥、 聚合物乳液和減水劑組成；或者，所述柔性水泥基材料(4)主要由質(zhì)量比為1 (0.02 0.80) 0.01 (0. 5 2. 0) 的硅酸鹽水泥、耐堿性乳膠粉、減水劑和石英砂組成；或者所述柔性水泥基材料(4)主要由質(zhì)量比為1 (0.02 0.80) 0.01 (0. 5 2. 0) 的硅酸鹽水泥、聚合物乳液、減水劑和石英砂組成；其中，聚合物乳液采用固含量計算。
9.根據(jù)權利要求1所述的具有溫度補償功能的水泥基智能復合材料應變傳感器，其特征在于，每個電極(3)上都有導線引出。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有溫度補償功能的水泥基智能復合材料應變傳感器，包括應變監(jiān)測模塊和溫度監(jiān)測模塊，所述應變監(jiān)測模塊和溫度監(jiān)測模塊都由碳纖維水泥基本征智能復合材料以及設置在所述復合材料上的四片平行的電極組成，應變監(jiān)測模塊和溫度監(jiān)測模塊相接且各自有四片平行的電極，本發(fā)明具有溫度補償功能，靈敏系數(shù)高、壓敏特性線性度高、性能穩(wěn)定性好，適用于各種環(huán)境條件下的混凝土結構應變監(jiān)測，避免熱電偶直接測定溫度進行溫度補償?shù)募夹g效果不好的缺點，具有溫度補償精度高，技術簡單的特點，同時提高了傳感器在各種應變條件下的溫度補償效果和應變監(jiān)測精度。
文檔編號G01B7/16GK102506691SQ20111031871
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月19日 優(yōu)先權日2011年10月19日
發(fā)明者賀格平, 陳晉, 魏劍 申請人:西安建筑科技大學