一种具有温度补偿功能的水泥基智能复合材料应变传感器

摘要

本发明公开了一种具有温度补偿功能的水泥基智能复合材料应变传感器，包括应变监测模块和温度监测模块，所述应变监测模块和温度监测模块都由碳纤维水泥基本征智能复合材料以及设置在所述复合材料上的四片平行的电极组成，应变监测模块和温度监测模块相接且各自有四片平行的电极，本发明具有温度补偿功能，灵敏系数高、压敏特性线性度高、性能稳定性好，适用于各种环境条件下的混凝土结构应变监测，避免热电偶直接测定温度进行温度补偿的技术效果不好的缺点，具有温度补偿精度高，技术简单的特点，同时提高了传感器在各种应变条件下的温度补偿效果和应变监测精度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种应变传感器，特别是涉及到一种具有温度补偿功能的水 泥基智能复合材料应变传感器，该应变传感器用于混凝土结构的应变监测。

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在混凝土结构健康检测过程中，应 变导致的传感器电阻率变化和温敏效应导致的电阻率变化的叠加耦合，仍是 导致水泥基智能复合材料应变传感器电阻率稳定性差、应变测试精度不高的 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 温度补偿的方法，对传感器在混凝土结构健康监测时的输出电阻率进行补偿， 避免由于环境温度变化导致的传感器电阻率波动和应变-电阻率线性相关性 降低，提高传感器在各种环境下的性能稳定性和应变监测精度，已经成为当 今水泥基智能复合材料应变传感器应用技术研究的关键内容之一。

文献1“专利号为ZL 03128010.2”和文献2“专利号为ZL 03254119.8”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 为碳纤维水泥基智能复合材料在混凝土梁上下表面组成的夹层结构，其利用环 境温度变化时混凝土梁上下表面智能复合材料层电阻率变化相同的现象，通过 差动电路设计，实现了该应变传感系统输出电阻率的温度补偿，消除了环境温 度的影响，改善了碳纤维水泥基电阻应变传感系统的应变敏感稳定性，并且具 有极高的应变-电阻敏感性。但是该应变传感系统的组成结构与布设工艺非常复 杂，并且只能适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 应变传感系统的应用和推广。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种具有温度补 偿功能的水泥基智能复合材料应变传感器，具有温度补偿功能，灵敏系数高、 压敏特性线性度高、性能稳定性好，适用于各种环境条件下的混凝土结构应 变监测。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种具有温度补偿功能的水泥基智能复合材料应变传感器，包括应变监 测模块1和温度监测模块2，应变监测模块1和温度监测模块2相接，所述 应变监测模块1和温度监测模块2都由碳纤维水泥基本征智能复合材料以及 设置在所述复合材料上的四片平行的电极3组成。

所述碳纤维水泥基本征智能复合材料主要由质量比为(0.001～0.01)∶ 1的PAN基短切碳纤维和硅酸盐水泥组成；

或者，

所述碳纤维水泥基本征智能复合材料主要由质量比为(0.001～0.01)∶ 1∶(0.5～3.0)的PAN基短切碳纤维、硅酸盐水泥和石英砂组成。

所述电极3为高纯铜网。

应变监测模块1和温度监测模块2的外形均为长方体，电极3垂直于长 方体最长边排列，并左右对称。

温度监测模块2的外表面包覆有柔性水泥基材料4，其包覆厚度大于温 度监测模块2最长边的3.0％。应变监测模块1和温度监测模块2之间也使用 柔性水泥基材料4连接。

所述柔性水泥基材料4与温度监测模块2的弹性模量之比为(0.05-0.1)∶ 1。

所述柔性水泥基材料4主要由质量比为1∶(0.02～0.80)∶0.01的硅酸 盐水泥、耐碱性乳胶粉和减水剂组成；

或者，

所述柔性水泥基材料4主要由质量比为1∶(0.02～0.80)∶0.01的硅酸 盐水泥、聚合物乳液和减水剂组成，其余为杂质；

或者，

所述柔性水泥基材料4主要由质量比为1∶(0.02～0.80)∶0.01∶(0.5～ 2.0)的硅酸盐水泥、耐碱性乳胶粉、减水剂和石英砂组成，其余为杂质；

或者，

所述柔性水泥基材料4主要由质量比为1∶(0.02～0.80)∶0.01∶(0.5～ 2.0)的硅酸盐水泥、聚合物乳液、减水剂和石英砂组成，其余为杂质；

其中，聚合物乳液采用固含量计算。

每个电极3上都有导线引出。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明具有温度补偿功能的水泥基智能复合材料应变传感器，主要由 应变监测模块和温度监测模块两部分构成，具有温度补偿功能，灵敏系数高、 压敏特性线性度高、性能稳定性好，适用于各种环境条件下的混凝土结构应 变监测。

2)本发明温度监测模块用于测定混凝土结构应变监测部位温度变化引起 的智能复合材料电阻率波动，并对应变监测模块健康监测时的输出电阻率进 行补偿，避免由于环境温度变化导致的传感器电阻率波动和应变-电阻率线性 相关性降低，提高了传感器在各种环境下的性能稳定性和应变监测精度。

3)本发明温度监测模块用于测定温度变化引起的碳纤维水泥基本征智能 复合材料的电阻率波动，避免热电偶直接测定温度进行温度补偿的技术效果 不好的缺点，具有温度补偿精度高，技术简单的特点。

4)本发明传感器的温度监测模块外表面包覆有柔性水泥基材料，避免温 度监测模块在混凝土结构嵌入条件下应力引起的电阻率波动，提高了传感器 在各种应变条件下的温度补偿效果和应变监测精度。

附图说明

图1是本发明具有温度补偿功能的水泥基智能复合材料应变传感器(长 方体外形)结构示意图，箭头所指为应变方向。

图2是图1的A-A剖面图。

图3是图1的B-B剖面图。

图4是图1的C-C剖面图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1

参照图1至图4，一种具有温度补偿功能的水泥基智能复合材料应变传 感器，包括应变监测模块1和温度监测模块2，所述应变监测模块1和温度 监测模块2都由碳纤维水泥基本征智能复合材料以及设置在所述复合材料上 的四片平行的电极3组成，应变监测模块1和温度监测模块2相接且各自上 面都设置有四片平行的电极3，电极3为高纯铜网，每个电极3上都有导线 引出，应变监测模块1和温度监测模块2的外形均为长方体，电极3垂直于 长方体最长边排列，并左右对称。

其中，碳纤维水泥基本征智能复合材料主要由质量比为0.001∶1的PAN 基短切碳纤维和硅酸盐水泥组成，经干燥分散工艺得到碳纤维水泥拌合物， 并与铜网电极浇注在一起，固化形成传感器的应变监测模块1和温度监测模 块2。温度监测模块2的外表面包覆有柔性水泥基材料4，并通过柔性水泥基 材料4与应变监测模块1连接。柔性水泥基材料4主要由质量比为1∶0.02∶ 0.01的硅酸盐水泥、耐碱性乳胶粉和减水剂组成，其弹性模量为温度监测模 块的10.0％。

具有温度补偿功能的水泥基智能复合材料应变传感器中，垂直于应变监 测模块1四片网状电极3方向的应变为传感器的输入量；在位于应变监测模 块1和温度监测模块2各自外侧的两片电极之间施加直流电压，则内侧两片 电极分别检测得到的电压变化为传感器的输出量。

传感器使用过程中，利用电流值和传感器几何参数，将应变监测模块1 内侧两片电极检测到的电压变化换算为应变监测模块1的电阻率变化ΔR1； 再利用电流值和传感器几何参数，将温度监测模块2内侧两片电极检测到的 电压变化换算为温度监测模块2的电阻率变化ΔR2。然后可以获得温度补偿 后，应变监测模块的电阻率变化ΔR＝ΔR1-ΔR2，即混凝土结构应变引起的 传感器电阻率变化。最后对照已建立的水泥基智能复合材料传感器应变与电 阻率变化之间的关系曲线或关系式，实现各种环境温度下混凝土结构的应变 监测。

实施例2

参照图1至图4，一种具有温度补偿功能的水泥基智能复合材料应变传 感器，包括应变监测模块1和温度监测模块2，所述应变监测模块1和温度 监测模块2都由碳纤维水泥基本征智能复合材料以及设置在所述复合材料上 的四片平行的电极3组成，应变监测模块1和温度监测模块2相接且各自上 面都设置有四片平行的电极3，电极3为高纯铜网，每个电极3上都有导线 引出，应变监测模块1和温度监测模块2的外形均为长方体，电极3垂直于 长方体最长边排列，并左右对称。

其中，碳纤维水泥基本征智能复合材料主要由质量比为0.004∶1∶0.5 的PAN基短切碳纤维、硅酸盐水泥和石英砂组成，经干燥分散工艺得到碳纤 维水泥拌合物，并与铜网电极浇注在一起，固化形成传感器的应变监测模块 1和温度监测模块2。温度监测模块2的外表面包覆有柔性水泥基材料4，并 通过柔性水泥基材料4与应变监测模块1连接。柔性水泥基材料4主要由质 量比为1∶0.20∶0.01的硅酸盐水泥、耐碱性乳胶粉和减水剂组成，其弹性 模量为温度监测模块的8.0％。

具有温度补偿功能的水泥基智能复合材料应变传感器中，垂直于应变监 测模块1四片网状电极3方向的应变为传感器的输入量；在位于应变监测模 块1和温度监测模块2各自外侧的两片电极之间施加直流电压，则内侧两片 电极分别检测得到的电压变化为传感器的输出量。

传感器使用过程中，利用电流值和传感器几何参数，将应变监测模块1 内侧两片电极检测到的电压变化换算为应变监测模块1的电阻率变化ΔR1； 再利用电流值和传感器几何参数，将温度监测模块2内侧两片电极检测到的 电压变化换算为温度监测模块2的电阻率变化ΔR2。然后可以获得温度补偿 后，应变监测模块的电阻率变化ΔR＝ΔR1-ΔR2，即混凝土结构应变引起的 传感器电阻率变化。最后对照已建立的水泥基智能复合材料传感器应变与电 阻率变化之间的关系曲线或关系式，实现各种环境温度下混凝土结构的应变 监测。

实施例3

参照图1至图4，一种具有温度补偿功能的水泥基智能复合材料应变传 感器，包括应变监测模块1和温度监测模块2，所述应变监测模块1和温度 监测模块2都由碳纤维水泥基本征智能复合材料以及设置在所述复合材料上 的四片平行的电极3组成，应变监测模块1和温度监测模块2相接且各自上 面都设置有四片平行的电极3，电极3为高纯铜网，每个电极3上都有导线 引出，应变监测模块1和温度监测模块2的外形均为长方体，电极3垂直于 长方体最长边排列，并左右对称。

其中，碳纤维水泥基本征智能复合材料主要由质量比为0.006∶1的PAN 基短切碳纤维和硅酸盐水泥组成，经干燥分散工艺得到碳纤维水泥拌合物， 并与铜网电极浇注在一起，固化形成传感器的应变监测模块1和温度监测模 块2。温度监测模块2的外表面包覆有柔性水泥基材料4，并通过柔性水泥基 材料4与应变监测模块1连接。柔性水泥基材料4主要由质量比为1∶0.40∶ 0.01∶2.0的硅酸盐水泥、聚合物乳液(采用固含量计算)、减水剂和石英砂 组成，其弹性模量为温度监测模块的7.0％。

具有温度补偿功能的水泥基智能复合材料应变传感器中，垂直于应变监 测模块1四片网状电极3方向的应变为传感器的输入量；在位于应变监测模 块1和温度监测模块2各自外侧的两片电极之间施加直流电压，则内侧两片 电极分别检测得到的电压变化为传感器的输出量。

传感器使用过程中，利用电流值和传感器几何参数，将应变监测模块1 内侧两片电极检测到的电压变化换算为应变监测模块1的电阻率变化ΔR1； 再利用电流值和传感器几何参数，将温度监测模块2内侧两片电极检测到的 电压变化换算为温度监测模块2的电阻率变化ΔR2。然后可以获得温度补偿 后，应变监测模块的电阻率变化ΔR＝ΔR1-ΔR2，即混凝土结构应变引起的 传感器电阻率变化。最后对照已建立的水泥基智能复合材料传感器应变与电 阻率变化之间的关系曲线或关系式，实现各种环境温度下混凝土结构的应变 监测。

实施例4

参照图1至图4，一种具有温度补偿功能的水泥基智能复合材料应变传 感器，包括应变监测模块1和温度监测模块2，所述应变监测模块1和温度 监测模块2都由碳纤维水泥基本征智能复合材料以及设置在所述复合材料上 的四片平行的电极3组成，应变监测模块1和温度监测模块2相接且各自上 面都设置有四片平行的电极3，电极3为高纯铜网，每个电极3上都有导线 引出，应变监测模块1和温度监测模块2的外形均为长方体，电极3垂直于 长方体最长边排列，并左右对称。

其中，碳纤维水泥基本征智能复合材料主要由质量比为0.01∶1∶3.0的 PAN基短切碳纤维、硅酸盐水泥和石英砂组成，经干燥分散工艺得到碳纤维 水泥拌合物，并与铜网电极浇注在一起，固化形成传感器的应变监测模块1 和温度监测模块2。温度监测模块2的外表面包覆有柔性水泥基材料4，并通 过柔性水泥基材料4与应变监测模块1连接。柔性水泥基材料4主要由质量 比为1∶0.80∶0.01∶0.5的硅酸盐水泥、聚合物乳液(采用固含量计算)、 减水剂和石英砂组成，其弹性模量为温度监测模块的5.0％。

具有温度补偿功能的水泥基智能复合材料应变传感器中，垂直于应变监 测模块1四片网状电极3方向的应变为传感器的输入量；在位于应变监测模 块1和温度监测模块2各自外侧的两片电极之间施加直流电压，则内侧两片 电极分别检测得到的电压变化为传感器的输出量。

传感器使用过程中，利用电流值和传感器几何参数，将应变监测模块1 内侧两片电极检测到的电压变化换算为应变监测模块1的电阻率变化ΔR1； 再利用电流值和传感器几何参数，将温度监测模块2内侧两片电极检测到的 电压变化换算为温度监测模块2的电阻率变化ΔR2。然后可以获得温度补偿 后，应变监测模块的电阻率变化ΔR＝ΔR1-ΔR2，即混凝土结构应变引起的 传感器电阻率变化。最后对照已建立的水泥基智能复合材料传感器应变与电 阻率变化之间的关系曲线或关系式，实现各种环境温度下混凝土结构的应变 监测。

以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本 领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等 效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。