[发明专利]埋置式厚膜电阻应变传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及混凝土应变监测领域，具体涉及一种埋置式厚膜电阻应变传感器及其制备方法。

背景技术

对重大工程结构的结构性能进行实时的监测和诊断，及时发现结构的损伤，并评估其安全性，预测结构的性能变化和剩余寿命并做出维护决定，对提高工程结构的运营效率、保障人民生命财产安全具有极其重大的意义，已经成为现代工程越来越迫切的要求。

一般的混凝土结构健康监测系统包括传感器系统，数据采集、存储、分析系统，损伤识别、模型修正、安全评估系统，数据管理系统。传感子系统是健康监测系统最前端和最基础的子系统，它不仅制约着健康监测的内容，而且直接决定了监测系统的可靠性和工作寿命而应变是评价材料与结构损伤的关键参数，应变传感器在土木工程中的应用也最为广泛，包括光纤传感器、压电材料、金属应变计、半导体应变计等。虽然应变传感器种类众多，但各自都或多或少存在一些问题。

光纤传感器的最大劣势在于其需要大量设备与之相辅助，布置较困难，且成本很高；压电材料存在阻抗、界面粘结和变形等方面与基体混凝土材料不匹配的问题；而金属应变计灵敏度低，应变系数仅为2，采用树脂粘贴，易受外界环境影响并会随时间老化；半导体应变计最主要的缺点是电阻温度系数大，应变一电阻变化的非线性比较大。

厚膜电阻是指采用厚膜工艺，将电阻、介质以及导体涂料印刷在陶瓷基片上所形成的电阻。厚膜电阻有较高的应变敏感性、较低的电阻温度系数和应变温度系数。另外，通过手工或自动的丝网印刷工艺，经烧结即可实现生产，且成本较低。厚膜电阻膜层较厚，烧结后表面光滑、致密、耐磨，因此具有很高的稳定性。当厚膜电阻因外力而产生形变时，导电颗粒在基体内的分布就会发生变化，进而引起材料电阻值的变化，这就是厚膜电阻的压阻效应。

厚膜电阻主要是用于制备混合电路中的一个电阻元件，其压阻效应还没有得到足够重视。厚膜电阻的压阻效应的典型应用是制备陶瓷压力传感器。该传感器的原理为，将厚膜电阻和电极浆料印刷在形状类似带底的圆桶的底部中心膜上。当中心膜层受到气体或者液体压力时，膜层产生一定挠度，处于膜层边缘的两厚膜电阻处于受压状态，电阻减小；处于中心位置的两厚膜电阻处于受拉状态，电阻增大。通过外接电路采集该电桥的输出电压情况，就可以判断电阻的变化情况，进而推导出膜层处压力值。该类压力传感器仅适用于气体或液体的压力测量，不适用于固体内部的压力测量。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种灵敏度高、与混凝土匹配性好、稳定性好且耐久性好的埋置式厚膜电阻应变传感器，同时还提供了一种该埋置式厚膜电阻应变传感器的制备方法。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

埋置式厚膜电阻应变传感器，用于混凝土结构内部的应变监测，其包括：

石材基底；

厚膜电阻区，其设置于石材基底的侧表面；

第一导电电极区，其设置于石材基底的侧表面并连接于厚膜电阻区的一端；

第二导电电极区，其设置于石材基底的侧表面并相对第一导电电极区而连接于厚膜电阻区的另一端，第二导电电极区与第一导电电极区、厚膜电阻区一起构成电阻电极组件，且第二导电电极区和第一导电电极区上还皆连接有导线。

进一步地，石材基底为天然石材基底、陶瓷基底或者水泥石基底。

进一步地，电阻电极组件和石材基底一起构成呈立方体的传感器。

进一步地，厚膜电阻区与第一导电电极区、第二导电电极区之间分设有第一电极电阻搭接部和第二电极电阻搭接部。

埋置式厚膜电阻应变传感器的制备方法，埋置式厚膜电阻应变传感器用于混凝土结构内部的应变监测，其包括以下步骤：

1)选取石材作为基底材料，并对所述石材的表面进行研磨处理，形成基底；

2)按照所需图形在基底的表面进行电极的制作，并与基底一起进行高温烧结，在基底上形成导电电极区；

3)按照所需图形在基底的表面进行电阻的制作，并与基底一起进行高温烧结，在基底上形成连接导电电极区的厚膜电阻区；

4)在导电电极区上安装连接导线。

进一步地，第2)和第3)步骤中，高温烧结包括三个阶段：

第一阶段，进行升温，以25-35℃/分钟的速率升温到800-900℃；

第二阶段，进行保温，达到第一阶段的温度后进行保温8-12分钟；

第三阶段，停止加热，使炉体自然降温，整个过程在110-130分钟。

进一步地，石材为天然石材、陶瓷或者水泥石。