[发明专利]机敏水泥基材料压力传感器的制备方法及监测装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种机敏水泥基材料压力传感器的制备方法及监测装置，属于土木工程新型试验技术领域。

背景技术

水泥基材料在制备过程中加入导电组份后，导电性能得到改善。目前已有研究表明，水泥基材料在掺入导电相材料后，其材料的电阻率变小，成型后试样的电阻抗降低。并且在导电组份处于特定掺量下材料的电阻率会随其应力应变的变化而变化，这种特性被称为压敏特性，具有压敏特性的水泥基材料称为机敏水泥基材料。因此可以通过测量材料的电阻率的方法来反测出材料所处的应力应变状态，从而制备出以水泥基材料为主体的应力(应变)传感器，对建筑工程结构的受力状态进行长期监测。这种传感器的优势在于其耐久性好，能在建筑工程恶劣的施工、维护、保养过程中保持长年使用，并且以水泥基材料为主体，可以预埋在建筑工程结构之中，与载体良好的结合，协同工作。这些优点都是目前传统的应力应变传感器(电阻应变片、压电陶瓷传感器)所希望改进的。

已有的关于水泥基材料压力传感器的研究主要有以下两个方面的内容有待改进：

一、材料的制备与传感器的制作。目前研究较多的机敏水泥基材料压力传感器是碳纤维混凝土压力传感器。碳纤维作为导电材料加入到混凝土材料中后，可以提高混凝土材料的抗压、抗拉强度，表现出压敏、温敏、力电、电力等机敏特性。但同时又具有一定的局限性。目前研究的碳纤维混凝土所用碳纤维掺量较大，而碳纤维的成本较高，导致了碳纤维混凝土压力传感器的成本高。并且碳纤维在混凝土材料中的分散工艺较为复杂，常需要进行如表面处理或在成型时加电磁场等方法。这些局限性大大提高了传感器的制作成本与工艺难度。

二、监测装置的设计。目前对于水泥基材料压力传感器的电阻抗测量方法有多种，主要可分为万用表直接测量法与伏安法两类。万用表法测量方法，但是由于万用表测电阻的基机所限，测量水泥基材料时候结果随时间变化，难以得到稳定的数据。伏安法测量时由于水泥基材料电阻率较大，因此在试验的外部测量电路中所测得的电流极小。即使将测量电压调节至220V，所得电流仍然很难被一般精度的电流表测得(毫安表无读数)，并且测量电压加大后会引起监测系统中的电流增大，试样的电阻抗会随着通电时间的增加而变化，很不稳定。同时，必须有两部仪表显示电流与电压读数才能完成测量工作，因此需要较高的成本购置高精度设备，并且两部仪表同时记录数据加大了测量的工作量。若测量中用较高电压，还可能会对测量的操作人员造成危害。

针对上述水泥基材料压力传感器的研究现状，本发明采用微量的颗粒类碳质导电相材料(质量分数小于水泥质量的1％)加入水泥基材料之中制成机敏水泥基材料，结合框状、网状或片状等电极形式将材料制成不同尺寸传感器，材料制备工艺简单。同时，设计了一种分压电路作为水泥基材料电阻率测量电路作为监测系统，监测系统测量得到的结果稳定，并且改进了伏安法的需要仪表数量多、精度高、操作不便等局限性。所制成的石墨水泥基材料压力监测装置易于在实际工程中进行应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机敏水泥基材料压力传感器的制备方法及监测装置，以克服现有技术中的不足。本发明所用碳质导电相材料掺量较低，在水泥基材料中分散简单，成本低。电极形式采用双电极，数量少，形状多样，因此传感器试件的形状与尺寸不受约束。

本发明一种机敏水泥基材料压力传感器的制备方法，具体的制备过程为以下几步：

步骤一、材料的准备。

压力传感器的制作所需原材料可分为以下几部分：

1、碳质颗粒类导电相材料

碳质颗粒类导电相材料可选用如片状石墨、石墨粉、碳黑粉末等。其所占质量不超过传感器总质量的5％。

2、基材料

基材料可选用不同的原材料制作，其配方可分为三种：

(1)、水泥净浆基材料：所需原材料为水泥、水、添加剂。其中水灰比在0.25～0.6之间；添加剂按照其相应的使用方法确定用量。

(2)、水泥砂浆基材料：所需原材料为水泥、砂、水、添加剂。其中砂与水泥的质量比在0～3之间；水灰比在0.4～0.6之间；添加剂按照其相应的使用方法确定用量。

(3)、混凝土基材料：所需原材料为水泥、骨料(包括砂与石子)、水、添加剂。各组份配比如下：最小水泥用量为总质量的25％；骨料质量占总质量的65％以下，其中砂与石子的质量比在0.25～0.45之间；水灰比在0.4～0.8之间；添加剂按照其相应的使用方法确定用量。