CN113432525B - 用于实时监测锚杆变形的传感器的制备方法及使用方法 - Google Patents

用于实时监测锚杆变形的传感器的制备方法及使用方法 Download PDF

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Abstract

用于实时监测锚杆变形的传感器的制备方法及使用方法，制备方法是首先将热固性聚氨酯（TPU）分散于有机溶剂中，然后将碳纳米管（CNT）分散于有机溶剂中，再将CNT悬浊液与TPU溶液混合，得到TPU与CNT的混合物，最后将混合物转移到固定在锚杆上的注模器内固化，得到一种用于实时监测锚杆变形的传感器。本发明制备得到的传感器具有高灵敏度、大量程和柔性的优点，能与锚杆同步变形，具有良好的抗老化、抗酸、抗碱、防水的优点，适用于长期监测锚杆变形的地下复杂工况。传感器与锚杆的结合方法采用直接浇筑的方法，能达到传感器与锚杆同步变形的目的。本发明制备工艺简单，制备成本低。

Description

用于实时监测锚杆变形的传感器的制备方法及使用方法
技术领域
本发明涉及一种用于实时监测锚杆变形的传感器的制备方法及使用方法，属于高分子复合材料及传感器领域。
背景技术
锚杆作为岩土体加固的杆件体系结构，被广泛应用于建筑、采掘、基坑、巷道及边坡工程领域。通过锚杆杆体的纵向拉力作用，以及锚杆周围注浆体与岩土体之间的紧密结合，大大加强岩土体自身的承载能力，提高岩土体的整体稳定性。
在锚杆施工后要对锚杆变形进行实时性、长期性监测，将监测结果及时反馈给管理者，以便掌握锚杆的受力情况，确认锚杆的工作性能。目前监测锚杆变形的方法主要有应变传感器监测法。传统的应变传感器主要有电阻式应变传感器，光纤光栅应变传感器，振弦式应变传感器和柔性高分子应变传感器。
电阻式应变传感器的传感机理是：在外力作用下，通过电阻式应变传感器内部金属丝的长度和横截面积变化，电阻式应变传感器的电阻发生变化。电阻式应变传感器具有一定的灵敏度性，但缺点是制作材料坚硬，拉伸性低，量程小。由于锚杆的变形量大，电阻式应变传感器难以满足监测锚杆变形的需求。此外，电阻式应变传感器通常采用胶水将电阻式应变传感器与锚杆连接固定，监测过程中电阻式应变传感器与锚杆间易发生脱离，导致监测失败。
光纤光栅应变传感器的传感机理是：通过外力作用对光纤布拉格波长的调制获取传感信息。光纤光栅应变传感器精度高，通过光纤光栅应变传感器与锚杆焊接，实现光纤光栅应变传感器与锚杆同步变形的目的。但是，对于锚杆的施工工况，光纤光栅应变传感器存在易于锈蚀、难于保护的问题。其次，光纤光栅应变传感器受温度影响大，在监测过程中需要进行温度补偿，传感信息调解过程复杂。再者，光纤光栅应变传感器及传感信息调节装置价格高昂，锚杆的多段监测和多根锚杆的整体监测难以实现。
振弦式应变传感器的传感机理是：在一定长度的钢弦两端施加拉力，通过焊接的方式将钢弦固定在锚杆上，在外力作用下，钢弦的张力发生变化，通过读取钢弦的张力的变化来得到锚杆的应变。振弦式应变传感器具有高的灵敏度，通过振弦式应变传感器与锚杆焊接，实现振弦式应变传感器与锚杆同步变形的目的。但是振弦式应变传感器受温度、湿度影响大，在地下潮湿环境中，振弦式应变传感器极易失效，影响监测结果。
柔性高分子应变传感器的传感机理是：将导电填料分散到不导电的聚合物基底中制得的导电复合材料，在外力作用下，导电复合材料内部的导电通路会发生重构，通过导电复合材料电阻的变化来计算锚杆的应变。与传统的应变传感器相比，柔性高分子应变传感器具有稳定的力学性能和稳定的电学性能，具有体积形状灵活、结构简单、灵敏性高、量程大的优点，同时表现出良好的生物相容性和连续监测的优势，在人体运动监测、工程监测、制造生产监测领域有广阔的应用前景。在柔性高分子应变传感器中导电填料和柔性基底是决定柔性高分子应变传感器性能的关键。目前报道的柔性高分子应变传感器常用的导电填料有：金属导电填料（银纳米线、铜）、碳系导电填料（碳纳米管、石墨烯、炭黑），柔性基底有：聚二甲基硅氧烷（PDMS）、热固性聚氨酯（TPU）。
在常用的导电填料中，金属导电填料在地下长期监测过程中极易受到氧化，导致柔性高分子应变传感器失效。与金属导电填料相比，碳系导电填料具有适应性强，力学性能与电学性能稳定，价格低廉的优点。石墨烯是一种二维片状材料，石墨烯制备的柔性高分子应变传感器具有高的灵敏性，大的应变系数，小的反应时间，但石墨烯材料拉伸性能差，具有脆性，石墨烯制备的柔性高分子应变传感器不适用于大变形监测。炭黑作为导电填料成本低廉，但炭黑不具有规则的微观结构，在柔性高分子应变传感器中不能形成良好的导电通路，导致由炭黑制作的柔性高分子应变传感器灵敏性低，精度低。多壁碳纳米管是一种一维纤维材料。多壁碳纳米管制备的柔性高分子应变传感器具有高的拉伸性，大的监测范围，优异的耐受性和稳定性，通过调节多壁碳纳米管的含量，实现对应变传感器的导电性和灵敏度的调节。其次，多壁碳纳米管与柔性基底易相互掺杂，多壁碳纳米管在柔性基底中有低的渗滤阈值，所需添加量少，成本低廉。
在常用的柔性基底中，PDMS具有良好的生物相容性、弹性和透明性，但是在地下复杂潮湿环境中，PDMS易腐蚀。与PDMS相比，TPU具有强度高、韧性大、耐磨、耐低温、耐油、耐水、耐老化、防寒、防霉的优点。由于TPU耐酸碱的特性，在地下长期监测过程中难以破坏失效。
发明内容
本发明旨在提供有效提高锚杆变形监测的实时性、长期性的一种传感器的制备方法。
本发明通过在柔性基底热固性聚氨酯（TPU）中掺杂碳纳米管使TPU具有导电性，在与锚杆同步变形作用下TPU内部的导电通路会发生重构，由此得到具有一定应变响应性能的材料，制备得到的用于实时监测锚杆变形的传感器具有高灵敏度、大量程和柔性的优点。传感器与锚杆的结合方法采用直接浇筑的方法，能达到传感器与锚杆同步变形的目的，其次，采用TPU材料制作的传感器具有良好的抗老化、抗酸、抗碱、防水的优点，适用于长期监测锚杆变形的地下复杂工况，同时，该传感器制备工艺简单，制备成本低，在区域监测情况下可实现多根锚杆的实时变形监测。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种用于实时监测锚杆变形的传感器的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）在磁力搅拌器内将热固性聚氨酯弹性橡胶体（TPU）分散于有机溶剂中，充分搅拌，得到具有良好分散性的TPU溶液；
（2）将碳纳米管（CNT）分散于有机溶剂中，通过超声振荡器充分震荡，得到具有良好分散性的CNT悬浊液；
（3）将CNT悬浊液与TPU溶液混合，得到TPU与CNT的混合物；
（4）利用毛刷取TPU溶液均匀涂敷于锚杆需要监测位置，静置脱泡5-30分钟，并进行固化；
（5）将注模器安装固定至锚杆需要监测的部位，在注模器两端粘贴铜网电极；
（6）利用注射器将TPU与CNT的混合物转移到注模器中，静置脱泡5-30分钟，并进行固化，得到传感器的柔性电阻层；
（7）将传感器的柔性电阻层两端的铜网电极用导电银胶与导线相连，得到传感器的集流体；
（8）利用毛刷取TPU溶液均匀涂敷于柔性电阻层外，静置脱泡5-30分钟，并进行固化，得到传感器的柔性绝缘保护层，即得传感器；
所述的有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺（DMF）。
所述的碳纳米管为多壁碳纳米管。
所述碳纳米管用量为TPU柔性基底材料质量的0.6%-3%。
所述的固化条件为-0.8MPa，80℃，640min。
所述热塑性聚氨酯弹性体橡胶（TPU）与有机溶剂的质量比例为3：25。
所述碳纳米管（CNT）与有机溶剂的质量比例为9：2500。
所述注模器为下部与锚杆紧密贴合的刚性环形护套，由可拆卸的左右对称的两部分组成，注模器的中上部与锚杆间距为0.1mm。
本发明提供了一种用于实时监测锚杆变形的传感器的使用方法，包括以下步骤：
步骤一：将传感器接入控制装置部分；
步骤二：通过控制装置调节传感器的初始值；
步骤三：通过公式
Figure 245731DEST_PATH_IMAGE001
将传感器的电阻值转换为传感器的锚杆应变值。
Figure 982743DEST_PATH_IMAGE002
：锚杆应变值；
Figure 709391DEST_PATH_IMAGE003
：传感器实时电阻，单位：欧姆；
Figure 404814DEST_PATH_IMAGE004
：传感器初始电阻，单位：欧姆；
Figure 849702DEST_PATH_IMAGE005
：灵敏度系数，
Figure 124825DEST_PATH_IMAGE005
为
Figure 33876DEST_PATH_IMAGE006
的函数，
Figure 572304DEST_PATH_IMAGE007
；
Figure 301226DEST_PATH_IMAGE008
：尺寸修正系数，
Figure 645620DEST_PATH_IMAGE009
取值介于0.9-1.2之间；
在一个具体的实施例中，所述控制装置包括计算机、控制面板、自动化采集装置、电源、报警器。
所述计算机通过数据线与所述控制面板相连，通过配套软件，计算机可实现对控制部分的控制、监测数据的收集处理和报警信号的发出功能。
所述控制面板通过导线与所述自动化采集装置、电源以及报警器连接；所述自动化采集装置设置有信号转换模块、采样频率调节模块、初始电阻校正模块以及数据接口；信号转换模块将传感器的电信号转换为数字信号，采样频率调节模块控制自动化采集装置的采样频率，初始电阻校正模块校正传感器的初始电阻，数据接口输出实时监测数据。
所述电源包括阳能电池板和蓄电池，蓄电池通过导线与各用电部件连接，太阳能电池板为蓄电池充电。
所述报警器通过安装座固定在控制面板上，通过接收计算机发出的报警信号实现报警功能。
本发明的有益效果：
（1）本发明制备的传感器能实时性、长期性地反映锚杆的变形情况和工程整体的稳定情况。
（2）本发明制备的的传感器具有抗老化、耐酸、耐碱、防水的特性，适用于长期监测锚杆变形的地下复杂工况。
（3）传感器与锚杆粘结方式采用直接浇筑一次成型的方式，能达到与锚杆同步变形的目的。
（4）本发明制备的传感器成本低廉，在区域监测情况下可实现对多根锚杆的变形监测，具有良好的行业推广前景。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例：
1、一种用于实时监测锚杆变形的传感器的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）在磁力搅拌器内将热固性聚氨酯弹性橡胶体（TPU）分散于有机溶剂中，充分搅拌，得到具有良好分散性的TPU溶液；
（2）将碳纳米管（CNT）分散于有机溶剂中，通过超声振荡器充分震荡，得到具有良好分散性的CNT悬浊液；
（3）将CNT悬浊液与TPU溶液混合，得到TPU与CNT的混合物；
（4）利用毛刷取TPU溶液均匀涂敷于锚杆需要监测位置，静置脱泡5-30分钟，并进行固化；
（5）将注模器安装固定至锚杆需要监测的部位，在注模器两端粘贴铜网电极；
（6）利用注射器将TPU与CNT的混合物转移到注模器中，静置脱泡5-30分钟，并进行固化，得到传感器的柔性电阻层；
（7）将传感器的柔性电阻层两端的铜网电极用导电银胶与导线相连，得到传感器的集流体；
（8）利用毛刷取TPU溶液均匀涂敷于柔性电阻层外，静置脱泡5-30分钟，并进行固化，得到传感器的柔性绝缘保护层，即得传感器；
所述的有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺（DMF）。
所述的碳纳米管为多壁碳纳米管。
所述碳纳米管用量为TPU柔性基底材料质量的0.6%-3%。
所述的固化条件为-0.8MPa，80℃，640min。
所述热塑性聚氨酯弹性体橡胶（TPU）与有机溶剂的质量比例为3：25。
所述碳纳米管（CNT）与有机溶剂的质量比例为9：2500。
所述注模器为下部与锚杆紧密贴合的刚性环形护套，由可拆卸的左右对称的两部分组成，注模器的中上部与锚杆间距为0.1mm。
一种用于实时监测锚杆变形的传感器的使用方法，包括以下步骤：
步骤一：将所述传感器接入控制装置部分；
步骤二：通过控制装置调节传感器的初始值；
步骤三：通过公式将传感器的电阻值转换为传感器的锚杆应变值
Figure 596127DEST_PATH_IMAGE001
Figure 633353DEST_PATH_IMAGE002
：锚杆应变值；
Figure 583992DEST_PATH_IMAGE003
：传感器实时电阻，单位是欧姆；
Figure 669759DEST_PATH_IMAGE004
：传感器初始电阻，单位是欧姆；
Figure 287822DEST_PATH_IMAGE005
：灵敏度系数，
Figure 230371DEST_PATH_IMAGE005
为
Figure 871568DEST_PATH_IMAGE006
的函数，
Figure 557764DEST_PATH_IMAGE007
；
Figure 233596DEST_PATH_IMAGE008
：尺寸修正系数，
Figure 612625DEST_PATH_IMAGE009
取值介于0.9-1.2之间；
所述控制装置包括计算机、控制面板、自动化采集装置、电源、报警器。
所述计算机通过数据线与所述控制面板相连，通过配套软件，计算机可实现对控制部分的控制、监测数据的收集处理和报警信号的发出功能。
所述控制面板通过导线与所述自动化采集装置、电源以及报警器连接；所述自动化采集装置设置有信号转换模块、采样频率调节模块、初始电阻校正模块以及数据接口；信号转换模块将传感器的电信号转换为数字信号，采样频率调节模块控制自动化采集装置的采样频率，初始电阻校正模块校正传感器的初始电阻，数据接口输出实时监测数据。
所述电源包括阳能电池板和蓄电池，蓄电池通过导线与各用电部件连接，太阳能电池板为蓄电池充电。
所述报警器通过安装座固定在控制面板上，通过接收计算机发出的报警信号实现报警功能。
本传感器监测应变数据与锚杆真实应变量差别小，结果精确，数据稳定，监测结果真实可靠。
本发明所述原材料均市售可得。

Claims (2)

1.一种用于实时监测锚杆变形的传感器的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）在磁力搅拌器内将热固性聚氨酯分散于有机溶剂中，充分搅拌，得到具有良好分散性的聚氨酯溶液；热固性聚氨酯与有机溶剂的质量比例为3：25；
（2）将碳纳米管分散于有机溶剂N,N-二甲基甲酰胺中，通过超声振荡器充分震荡，得到具有良好分散性的碳纳米悬浊液；碳纳米管与有机溶剂的质量比例为9：2500；所述的碳纳米管为多壁碳纳米管；碳纳米管用量为聚氨酯质量的0.6%-3%；
（3）将碳纳米悬浊液与聚氨酯溶液混合，得到聚氨酯与碳纳米的混合物；
（4）利用毛刷取聚氨酯溶液均匀涂敷于锚杆需要监测位置，静置脱泡5-30分钟，并进行在-0.8MPa，80℃，640min固化条件下固化；
（5）将注模器安装固定至锚杆需要监测的部位，在注模器两端粘贴铜网电极；
（6）利用注射器将聚氨酯与碳纳米的混合物转移到注模器中，静置脱泡5-30分钟，并在-0.8MPa，80℃，640min固化条件下进行固化，得到传感器的柔性电阻层；所述注模器为下部与锚杆紧密贴合的刚性环形护套，由可拆卸的左右对称的两部分组成，注模器的中上部与锚杆间距为0.1mm；
（7）将传感器的柔性电阻层两端的铜网电极用导电银胶与导线相连，得到传感器的集流体；
（8）利用毛刷取聚氨酯溶液均匀涂敷于柔性电阻层外，静置脱泡5-30分钟，并进行固化，得到传感器的柔性绝缘保护层，即得传感器。
2.一种用于实时监测锚杆变形的传感器的使用方法，其特征在于包括下述步骤：
（1）将采用权利要求1所述的用于实时监测锚杆变形的传感器的制备方法制备的传感器接入控制装置；
（2）通过控制装置调节传感器的初始值；
（3）通过公式
Figure DEST_PATH_IMAGE001
将传感器的电阻值转换为传感器的锚杆应变值；
Figure DEST_PATH_IMAGE002
：锚杆应变值；
Figure DEST_PATH_IMAGE003
：传感器实时电阻，单位是欧姆；
Figure DEST_PATH_IMAGE004
：传感器初始电阻单位是欧姆；
Figure DEST_PATH_IMAGE005
：灵敏度系数，
Figure 333645DEST_PATH_IMAGE005
为
Figure DEST_PATH_IMAGE006
的函数，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
；
Figure DEST_PATH_IMAGE008
：尺寸修正系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
取值0.9-1.2；
所述控制装置包括计算机、控制面板、自动化采集装置、电源、报警器；所述计算机通过数据线与所述控制面板相连，通过配套软件，计算机可实现对控制部分的控制、监测数据的收集处理和报警信号的发出功能；所述控制面板通过导线与所述自动化采集装置、电源以及报警器连接；所述自动化采集装置设置有信号转换模块、采样频率调节模块、初始电阻校正模块以及数据接口；信号转换模块将传感器的电信号转换为数字信号，采样频率调节模块控制自动化采集装置的采样频率，初始电阻校正模块校正传感器的初始电阻，数据接口输出实时监测数据；所述电源包括阳能电池板和蓄电池，蓄电池通过导线与各用电部件连接，太阳能电池板为蓄电池充电；所述报警器通过安装座固定在控制面板上，通过接收计算机发出的报警信号实现报警功能。
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