[发明专利]一种水泥基智能复合材料应变传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及到一种水泥基智能复合材料应变传感器及其制备方法，该应变传感器用于土木工程混凝土结构应变监测。

背景技术

目前土木工程结构中，广泛使用电阻应变片来监测混凝土结构的应变，具有技术成熟、稳定可靠的优点，但是应变片灵敏系数仅为2-3，耐久性很差，并且安装工艺复杂、造价较高，无法满足对人们对重要土木工程结构的全寿命长期监测的技术需求。而水泥基智能复合材料应变传感器具有灵敏系数高，极好的耐久性，成本低廉的优点，并且布设工艺与数据采集简单，是大跨度桥梁、水利堤坝、超高层建筑等重要土木工程混凝土结构长期监测的重要手段和应变传感器发展的主要方向。

目前水泥基智能复合材料应变传感器制备工艺的不成熟，综合力学性能较差，以及脆性较高的缺陷，仍是导致传感器体积电阻率稳定性差、压敏特性线性度不高的主要原因，严重影响着水泥基智能复合材料应变传感器的应用和发展。采用各种工艺方法制备混凝土结构监测用水泥基智能复合材料应变传感器，避免由于材料性能或制备方法原因导致的传感器应变-电阻率线性相关性差和电阻率波动，提高水泥基智能复合材料应变传感器的灵敏系数和电阻率稳定性，已经成为当今水泥基智能复合材料应变传感器制备技术领域研究的关键内容之一。

文献1“专利号为ZL 02132967.2”的中国专利公开了一种机敏混凝土传感元件。该传感元件由具有1-2对电极的试块构成，试块材料由碳纤维和水泥基材料组成，传感器结构简单，对拉应力和压应力均具有应变敏感性。但是该传感元件在弹性范围内电阻率与应力呈现非线性对应关系，并且其应变与电阻率的变化关系也未给出，影响该传感元件作为混凝土应变传感器时的测量准确性。

文献2“申请号为200510031313.4”的中国专利公开了一种智能混凝土试块及其二级三次或二干一湿的制作方法，并使用电容值作为应力、应变传感器的电性能测试参数，具有压应力反应敏感、单个数据测试稳定的特点。但是该智能混凝土传感器在低应力状态下(＜4MPa)，应力电容值的增长速度比应力增长速度快，为非线性增长，严重影响低应力状态下混凝土结构监测的准确性。

文献3“专利号为ZL 03128010.2”的中国专利公开一种含温度补偿的高灵敏度碳纤维水泥基电阻应变传感系统。该系统在普通混凝土梁的上下表面铺设碳纤维水泥基智能复合材料，组成夹层结构，通过上下量对称表面的差动电路测量出混凝土梁承载发生弯曲变形的程度。该应变传感系统消除了环境温度的影响，改善了水泥基智能复合材料应变传感器的应变敏感稳定性，并且具有极高的应变-电阻敏感性，但是该传感器系统组成结构与布设工艺复杂、只能用于混凝土梁的弯曲变形监测，限制了该水泥基智能复合材料应变传感器的应用。

文献4“申请号为200510057227.0”的中国专利公开了一种利用含有铁氧化物的钢渣和粉煤灰作为导电相的机敏混凝土。该机敏混凝土具有废物利用、应力敏感性高、力学性能好和制备工艺简单的优点，但是由于炼钢工艺和各地区原料的差异性、发电厂电煤成分的波动性，导致钢渣和粉煤灰中的铁氧化物含量波动十分常见，致使这种机敏混凝土的电阻率和压敏性能的波动也较大，严重影响利用该机敏混凝土制作的应变传感器的性能稳定性。

文献5(“B.G.Han，X.C.Guan，J.P.Ou，Sensors and Actuators A，2007，135：360-369”)公开了一种利用碳纤维为导电相的水泥基智能复合材料应变传感器及其制备方法。该水泥基智能复合材料应变传感器应力敏感性高，力学性能较好，并且碳纤维导电相在水泥基智能复合材料中分布均匀。但是其制备过程却存在其他弊端：一方面，该应变传感器制备过程中，由于使用甲基纤维素导致碳纤维水泥拌合物粘度增加，致使为获得必要的浇注流动性而增加拌合用水量，降低最终水泥基智能复合材料及其应变传感器的强度；另一方面，甲基纤维素还会存留在碳纤维水泥基复合材料中，在碳纤维与水泥石的界面处形成一层绝缘高分子层，增大最终复合材料电阻率的波动范围，影响水泥基智能复合材料应变传感器的电阻率和压敏性能稳定性。

文献6“申请号为200710072165.X”的中国专利公开了一种混凝土结构局部检测压敏水泥基应力、应变传感器，由四片网状电极互相平行的固定在压敏水泥基材料中构成，具有灵敏度高、耐久性好、埋置成活率高的特点。但是该传感器压敏水泥基材料由短切碳纤维、碳纤维粉或碳黑或其中的两种或三种组成，而碳纤维粉和碳黑的加入往往会导致水泥基智能复合材料力学性能降低，进而影响传感器的压敏性能，并且该传感器为马鞍形形状，仅能用于混凝土结构的某些局部部位的检测。