CN108871180A - 一种单向敏感型水泥基应变传感器 - Google Patents

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肖会刚
皮振宇
李惠
欧进萍
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Harbin Institute of Technology
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Harbin Institute of Technology
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    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/16—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge
    • G01B7/18—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge using change in resistance

Abstract

一种单向敏感型水泥基应变传感器，属于传感器设计技术领域。所述的传感器由压阻各向异性基体、四个电极及引线、绝缘封装层组成；所述的四个电极及引线插入压阻各向异性基体中；所述的绝缘封装层在压阻各向异性基体外围进行封装。所述的压阻各向异性基体为水泥基导电相复合材料，所述的导电相为镍粉或磁性导电材料。所述的四个电极均为铜网。所述的绝缘封装层材料为环氧树脂或绝缘漆。本发明的传感器基体为水泥基导电相复合材料，与混凝土结构基体具有弹性模量的匹配性和变形的同步性，能更准确的反映混凝土结构基体的应变；并且其电阻变化只与单向应变相关，不受其它方向复杂应变状态的耦合影响，因此灵敏度系数更为稳定、测试结果更准确。

Description

一种单向敏感型水泥基应变传感器
技术领域
本发明属于传感器设计技术领域，具体涉及一种单向敏感型水泥基应变传感器，可用于海洋、水利等重大混凝土工程设施关键部位的冲刷磨损深度监测。
背景技术
重大工程结构和生命线系统的使用期长达几十年、甚至上百年，载荷的疲劳效应、环境腐蚀和材料老化等灾变因素的耦合作用将不可避免地导致结构和系统的损伤积累和抗力衰减，从而抵抗自然灾害的能力下降，甚至引发灾难性的突发事故。为保障结构和基础设施的安全性、适用性和耐久性，健康监测与安全诊断已经成为土木工程结构安全的重要保障手段。美国八十年代中后期开始在多座桥梁上布设监测传感器，监测环境荷载、结构振动和局部应力应变状态，用以监视施工质量、验证设计假定和评定服役安全状态。1987年，英国在总长522 m的三跨变高度连续钢箱梁桥Foyle桥上布设传感器，监测大桥运营阶段在车辆与风载作用下主梁的振动、挠度和应变等响应。我国内地自1997年起也在一些大型重要桥梁上建立了不同规模的结构监测系统，如上海的徐浦大桥和卢浦大桥，江阴长江大桥，南京长江第三桥等10余座重大工程结构。
传感器是健康监测系统的重要组成部分和基础。近年来发展的具有应力/应变自感知功能的智能混凝土，与混凝土结构具有天然的物理参数匹配性和同寿命性，能准确反映混凝土结构应力应变状态，为土木工程结构长期健康监测提供了新材料和新方法。本征智能混凝土是20世纪80年代末提出的。其原理是在水泥基材料中复合适当掺量的功能组分（如碳纤维、碳黑、镍粉等）形成导电通路，通过适当的工艺而制成的。在应变场下，导电通路发生变化而导致其电阻发生有规律的改变，从而具有应变感知特性。目前的水泥基传感器大多是将导电相均匀随机的分散在基体中，因此形成的导电通路各向同性，造成了压阻性能的各向同性。基于此类压阻材料所开发传感器的电阻对各个方向的应变/应力都有反应且解耦困难，因此其监测精度和应用受到局限。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的传感器对多向应变敏感、监测精度低、应用范围有限的问题，提供一种单向敏感型水泥基应变传感器，该种传感器通过控制导电通路各向异性特征实现单向敏感型，克服其电阻对多向应变敏感的特性，可用于重大混凝土工程结构关键部位的应变监测，为结构安全评定提供依据。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种单向敏感型水泥基应变传感器，所述的传感器由压阻各向异性基体、四个电极及引线、绝缘封装层组成；
所述的四个电极及引线插入压阻各向异性基体中；所述的绝缘封装层在压阻各向异性基体外围进行封装。
本发明相对于现有技术的有益效果是：传感器基体为水泥基导电相复合材料，与混凝土结构基体具有弹性模量的匹配性和变形的同步性，能更准确的反映混凝土结构基体的应变；并且其电阻变化只与单向应变相关，不受其它方向复杂应变状态的耦合影响，因此灵敏度系数更为稳定、测试结果更准确。
附图说明
图1为本发明的传感器示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修正或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神范围，均应涵盖在本发明的保护范围之中。
本发明的传感器是一种“块”状结构，埋置于混凝土结构中与基体同步变形并实时采集电阻，利用应变引起的电阻变化（即压阻效应）来实时监测应变。传感器的基材是一种压阻效应各向异性水泥基导电复合材料：成型时利用均匀磁场将导电颗粒镍粉定向排列，使得导电通路只沿镍粉排列方向形成并在该方向产生显著压阻效应，而在其它方向不能形成导电通路与压阻效应。本发明的水泥基传感器埋设于混凝土基体内后，其电阻变化只与电阻测试方向的应变相关，不受其它方向应变的耦合影响，是一种单向敏感型的先进水泥基应变传感器，可用于重大混凝土结构工程的健康监测，保障服役安全。
具体实施方式一：本实施方式记载的是一种单向敏感型水泥基应变传感器，所述的传感器由压阻各向异性基体、四个电极及引线、绝缘封装层组成；
所述的四个电极及引线插入压阻各向异性基体中；所述的绝缘封装层在压阻各向异性基体外围进行封装，使其与外界绝缘绝湿，如附图1所示。
具体实施方式二：具体实施方式一所述的一种单向敏感型水泥基应变传感器，所述的压阻各向异性基体为水泥基导电相复合材料，所述的导电相为镍粉或磁性导电材料。
具体实施方式三：具体实施方式二所述的一种单向敏感型水泥基应变传感器，当导电相为镍粉时，镍粉在所述的压阻各向异性基体中的体积含量接近渗流阈值，镍粉在基体内定向排列。
具体实施方式四：具体实施方式三所述的一种单向敏感型水泥基应变传感器，所述的压阻各向异性基体沿镍粉排列方向形成导电通路，其它方向镍粉间距大不能形成导电通路。
具体实施方式五：具体实施方式一所述的一种单向敏感型水泥基应变传感器，所述的四个电极均为铜网，引线为铜芯导线，与每个电极单独连接，电阻测试方向沿镍粉定向排列方向。
具体实施方式六：具体实施方式一所述的一种单向敏感型水泥基应变传感器，所述的绝缘封装层材料为环氧树脂或绝缘漆。
结合附图1阐述本发明实现的途径和原理。传感器的基体材料为导电相填充水泥基复合材料，与混凝土结构相容性好、匹配性高，能较好的保持与混凝土结构的整体性和变形的一致性。传感器应变感知性能的基本原理是隧道效应诱发的压阻机理，即传感器电阻与应变的对应关系。如附图1所示，将微米级镍粉搅拌分散到水泥浆体中，镍粉的体积掺量应达到渗流阈值附近（具体应由电阻-掺量曲线确定）。在水泥水化硬化过程中，通过HELM-HOLTZ线圈施加150Gs以上均匀磁场，使镍粉在水泥浆体内沿磁场方向定向排列，并随着水泥水化硬化固定下来。在传感器内插入4个铜网电极，用四电极法测试电阻，电阻测试方向与镍粉排列方向相同。传感器内沿镍粉排列方向形成隧道效应为机制的单向导电通路，沿此方向的应变将改变镍粉间距而引起电阻变化，即产生压阻效应和应变感知性能。其它方向的应变不会引起镍粉间距变化，因此本发明传感器实现了单向敏感型。如果镍粉是均匀随机分布，则导电通路各向同性，镍粉间距与多向应变相关，难以实现单向敏感。传感器养护完成后表面涂敷环氧树脂等加以封装保护。

Claims (6)

1.一种单向敏感型水泥基应变传感器，其特征在于：所述的传感器由压阻各向异性基体、四个电极及引线、绝缘封装层组成；
所述的四个电极及引线插入压阻各向异性基体中；所述的绝缘封装层在压阻各向异性基体外围进行封装。
2.根据权利要求1所述的一种单向敏感型水泥基应变传感器，其特征在于：所述的压阻各向异性基体为水泥基导电相复合材料，所述的导电相为镍粉或磁性导电材料。
3.根据权利要求2所述的一种单向敏感型水泥基应变传感器，其特征在于：当导电相为镍粉时，镍粉在所述的压阻各向异性基体中的体积含量接近渗流阈值，镍粉在基体内定向排列。
4.根据权利要求3所述的一种单向敏感型水泥基应变传感器，其特征在于：所述的压阻各向异性基体沿镍粉排列方向形成导电通路，其它方向镍粉间距大不能形成导电通路。
5.根据权利要求1所述的一种单向敏感型水泥基应变传感器，其特征在于：所述的四个电极均为铜网。
6.根据权利要求1所述的一种单向敏感型水泥基应变传感器，其特征在于：所述的绝缘封装层材料为环氧树脂或绝缘漆。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114592443A (zh) * 2022-03-28 2022-06-07 东莞理工学院 一种加固滨海侵蚀混凝土的装置及方法
CN114775459A (zh) * 2022-04-02 2022-07-22 东莞理工学院 一种滨海混凝土的加固和监测一体化装置及方法
JP7370111B2 (ja) 2021-12-14 2023-10-27 青島理工大学 監視システムおよび監視システムの製造方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003247802A (ja) * 2002-02-25 2003-09-05 Toyoaki Kimura 導電性粒子−高分子系による歪みセンサー
CN1818643A (zh) * 2006-03-20 2006-08-16 哈尔滨工业大学 压敏水泥基材料的压敏性能测试方法
CN101149302A (zh) * 2007-11-06 2008-03-26 哈尔滨工业大学 一种用于监测/测量应力/应变的传感器
CN204632810U (zh) * 2015-05-21 2015-09-09 中国特种设备检测研究院 一种用于面内应变传感的各向异性薄膜
CN105371744A (zh) * 2015-11-02 2016-03-02 武汉理工大学 一种高延性水泥基应变传感器

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003247802A (ja) * 2002-02-25 2003-09-05 Toyoaki Kimura 導電性粒子−高分子系による歪みセンサー
CN1818643A (zh) * 2006-03-20 2006-08-16 哈尔滨工业大学 压敏水泥基材料的压敏性能测试方法
CN101149302A (zh) * 2007-11-06 2008-03-26 哈尔滨工业大学 一种用于监测/测量应力/应变的传感器
CN204632810U (zh) * 2015-05-21 2015-09-09 中国特种设备检测研究院 一种用于面内应变传感的各向异性薄膜
CN105371744A (zh) * 2015-11-02 2016-03-02 武汉理工大学 一种高延性水泥基应变传感器

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7370111B2 (ja) 2021-12-14 2023-10-27 青島理工大学 監視システムおよび監視システムの製造方法
CN114592443A (zh) * 2022-03-28 2022-06-07 东莞理工学院 一种加固滨海侵蚀混凝土的装置及方法
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