專利名稱：碳纖維導電水泥基復合材料工程應變測量系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于土木工程、水利水電工程和交通工程技術領域，涉及一種工程 現場檢測領域的應變測量系統，特別涉及到碳纖維導電水泥基復合材料的工程 應變測量系統。
背景技術：
在工程現場檢測中，目前常用的方法有外貼應變片法和光彈貼片法。電阻 應變片的電阻值隨結構的變形而變化，其制作和檢測技術也比較成熟。但是電 阻應變片的靈敏系數比較低，且耐久性較差，不適宜做長期的現場監測；電阻 應變片所量測部位混凝土一旦開裂，應變片即失效，不能繼續工作，適用范圍 也有很大的限制。碳纖維導電水泥基復合材料的電阻隨其變形而可逆變化，電 阻一應變靈敏度遠高于傳統的電阻應變片測量方法，因此有望實現高精度的應 變測量。但由于碳纖維導電水泥基復合材料的電阻受到含水率、齡期、溫度等 多方面的影響，致使測量結果有很大的不確定性，在實際應用中受到很大的限 制。
大量文獻中直接采用萬用表測量基于碳纖維導電砂漿、碳纖維導電混凝土 等材料的電阻，或者釆用精密電壓表和精密電流表間接得到其電阻，并通過整 體電阻的對比來分析應力與電阻或電阻變化量的關系，具有試驗裝置簡單，測 試結果直觀等優點。但是由于應力引起的電阻變化量與基體電阻相比仍然比較 小，因此上述方法精度不高。
專利CN 1451955A在混凝土梁的上下表面敷設碳纖維增強水泥，組成夾層結構進行檢測，可以消除環境溫度的影響并改善應變敏感的穩定性。但是碳纖 維增強水泥的電阻還受到含水率、齡期等其它因素的影響，由于實際的工程現 場條件復雜，梁上下表面必然出現溫度、含水率的不一致，從而影響補償的效果。
發明內容
本發明要解決技術問題是提供一種適用于工程現場長期監測、穩定性高、 適用范圍廣、實現多因素補償的碳纖維導電水泥基復合材料工程應變測量系統， 以彌補目前碳纖維導電水泥基復合材料在實際應用中應變檢測方面的不足。
本發明的技術方案是
采用短切碳纖維制作碳纖維水泥基導電試件，在試件的兩端埋設不銹鋼網 電極，制作出碳纖維導電水泥基應變傳感器；將碳纖維導電水泥基應變傳感器 嵌入需要檢測的部位；同時在應力較小的部位嵌入起補償作用的碳纖維導電水 泥基應變傳感器，該處的碳纖維導電水泥基應變傳感器布設方向與主受力方向 垂直；將碳纖維導電水泥基應變傳感器和補償用碳纖維導電水泥基應變傳感器 等同為兩個電阻，采用雙路恒流源進行激勵，采用兩根屏蔽信號線將兩個傳感 器的電壓信號接入信號濾波放大器，計算機通過數據采集卡采集放大的電信號， 通過運算得到結構待測部位的應變值。
通過補償用碳纖維導電水泥基應變傳感器的設置，可以抵消碳纖維導電水 泥基應變傳感器因含水率、齡期、溫度等多種因素引起的電阻變化，提高測量 準確度。為了實現準確補償，需要保證所用的碳纖維導電水泥基應變傳感器和 補償用碳纖維導電水泥基應變傳感器是同批次、同規格的，二者電阻在相同條 件下應相等，如果電阻值不等，則采用精細研磨的方式對兩種傳感器的電阻進 行修正。上述碳纖維導電水泥基應變傳感器的制作方法為將分散均勻的短切碳纖 維加到由水泥、硅灰、砂、減水劑、消泡劑、水拌合的混合砂漿中充分攪拌， 之后澆筑成型，拆模后在實際結構施工時預埋入相應的位置。碳纖維導電水泥 基應變傳感器的配合比根據實際工程需要進行調整，其強度宜低于所測位置的 強度。
本發明的效果和益處是采用本發明提出的碳纖維導電水泥基復合材料工 程應變測量系統，能夠提高碳纖維導電水泥基應變傳感器的應變檢測靈敏度， 并且能夠置入需要檢測的部位，具有良好的界面相容性；通過補償用碳纖維導 電水泥基應變傳感器的設置，能夠消除含水率、齡期、溫度等因素對其應變一 電阻特性的影響，實現穩定、準確的應變測量；通過恒流源和信號濾波放大器 能夠準確測量外界應力引起的碳纖維導電水泥基應變傳感器電阻的變化量，應 變檢測的靈敏度高。
附圖1是碳纖維導電水泥基復合材料工程應變測量系統。
附圖2是碳纖維導電水泥基應變傳感器的結構示意圖。
圖中l碳纖維導電水泥基應變傳感器；2補償用碳纖維導電水泥基應變傳 感器；3混凝土梁；4屏蔽信號線；5 100WV精密恒流源；6信號濾 波放大器；7數據采集卡；8計算機；9碳纖維導電水泥基應變傳感 器基體；IO不銹鋼網電極。
具體實施例方式
以下結合技術方案和附圖詳細敘述說明本發明的最佳實施例。 碳纖維導電水泥基應變傳感器的制作過程為首先取適量溫水(4(TC左右)，
把甲基纖維素置于水中并不斷攪拌使其完全溶解，冷卻后放入消泡劑和碳纖維，在此過程中要不斷攪拌至碳纖維均勻分散，無任何團聚現象，將其加入攪拌鍋 中；然后把稱取的硅灰、水泥、砂等加入攪拌機中并不斷攪拌；最后加入溶解 于水的減水劑，繼續攪拌直到拌合物達到合適的工作性能；把攪拌好的碳纖維 混合砂漿倒入模具中，插入不銹鋼絲網電極，并在振動臺上振搗成型。
本發明中可以將碳纖維導電水泥基應變傳感器嵌入任何需要對應變進行檢 測的混凝土結構中，本實施例以混凝土梁為例說明本發明的具體實施過程。對 于三點彎曲梁實驗，首先將碳纖維導電水泥基應變傳感器1埋設在混凝土梁3 下部的跨中部位，將補償用碳纖維導電水泥基應變傳感器2埋設在距跨中四分 之一跨度的位置，并與受力方向垂直布設；采用兩根屏蔽信號線4將兩個應變 傳感器與兩個100PA精密恒流源5和信號濾波放大器6相連，由于兩個導線的 長度相等且平行走線，因此能夠補償導線電阻隨溫度和外力的變化；屏蔽信號 線的采用能夠有效的抑制各種電磁輻射干擾；信號濾波運算放大器具有很高的 共模抑制比，因此能夠有效的抑制碳纖維導電水泥基應變傳感器和補償用碳纖 維導電水泥基應變傳感器的共模電壓，而將二者的電壓差有效放大。
設碳纖維導電水泥基應變傳感器和補償用碳纖維導電水泥基應變傳感器的 電阻為&和&， /為精密恒流源的電流，此處為100M， / 為信號濾波放大器的
電壓放大倍數。則放大器的輸出信號為
=河d + Mm￡ + Mmr +風冊)-(i rQ + Mrr + M礎)] =- i r。 + M r + M譜-Ai rr - M郝)+ Mm￡ ] (1 )
上式中，i^。和A。為未埋入結構時的初始電阻，Ai^為結構應力引起的碳纖 維導電水泥基應變傳感器的電阻變化量，Ai 7.和分別為檢測用和補償用應變 傳感器由于溫度引起的電阻變化量，M,皿和M^為傳感器含水率和齡期等因素引起的電阻變化量。
由于碳纖維導電水泥基應變傳感器和補償用碳纖維導電水泥基應變傳感器
是同批制作，規格相同，安裝位置較近，因此二者由于濕度和齡期引起的變化
量基本一致。因此(1)式變為
r。=河(l。 -1 )(l + , + M郵] (2 )
上式中，AT為溫度的變化量，"為碳纖維導電水泥基應變傳感器電阻的溫
度系數。
從上式可以看出，只有碳纖維導電水泥基應變傳感器和補償用碳纖維導電
水泥基應變傳感器的初始電阻相等，才能夠完全補償掉溫度變化對測量結果的
干擾，因此在實際的應用中需要通過精細研磨的方式對二者的電阻進行微調，
使二者電阻相等，此時可以得到
K=,A^￡ (3)
即輸出電壓與應力產生的電阻變化量成正比。
計算機8通過數據采集卡7采集(3)式中的電壓，并通過預先標定的應變 一電阻關系曲線得到加載過程中混凝土梁的應變變化。
權利要求
1. 碳纖維導電水泥基復合材料工程應變測量系統，其特征在于通過短切碳纖維和兩端埋設不銹鋼網電極(10)的方法制作碳纖維導電水泥基應變傳感器(1)；將碳纖維導電水泥基應變傳感器(1)嵌入混凝土結構中需要測量應變的部位，并在結構應力較小的部位嵌入補償用碳纖維導電水泥基應變傳感器(2)，布設方向與受力方向垂直；將碳纖維導電水泥基應變傳感器(1)和補償用碳纖維導電水泥基應變傳感器(2)等同為兩個電阻，采用雙路恒流源(5)進行激勵，采用屏蔽信號線(4)將二者的電壓接入信號濾波放大器(6)，計算機(8)通過數據采集卡(7)采集放大的電壓差信號，通過運算得到結構待測部位的應變值。
2. 如權利要求1所述的碳纖維導電水泥基復合材料工程應變測量系統，其特征 在于碳纖維導電水泥基應變傳感器(1)和補償用碳纖維導電水泥基應變傳 感器(2)在相同條件下電阻相等。
全文摘要
本發明公開了一種碳纖維導電水泥基復合材料工程應變測量系統，屬于土木工程、水利水電工程和交通工程技術領域。其特征是采用短切碳纖維和兩端埋設不銹鋼網電極的方法制作出碳纖維導電水泥基應變傳感器，并埋入混凝土結構中，將同批、同規格、電阻相等的補償用碳纖維導電水泥基應變傳感器埋設在應力變化較小的位置，垂直于受力方向；采用恒流源和信號濾波放大器測量電阻變化量，由數據采集卡采集電壓信號，由計算機運算得到應變值。本發明的有益效果是碳纖維導電水泥基復合材料工程應變測量系統能夠消除含水率、齡期和溫度等多方面不確定因素對碳纖維導電水泥基應變傳感器電阻影響，電阻的變化量的檢測精度高，可實現穩定、準確的應變測量。
文檔編號G01B7/16GK101509757SQ20091001018
公開日2009年8月19日 申請日期2009年1月17日 優先權日2009年1月17日
發明者宋世德, 尉文婷, 尹世平, 徐世烺, 田亞峰 申請人:大連理工大學