專利名稱：機敏水泥基材料壓力傳感器的制備方法及監測裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種機敏水泥基材料壓力傳感器的制備方法及監測裝置，屬于土木工程新型 試驗技術領域。
背景技術：
水泥基材料在制備過程中加入導電組份后，導電性能得到改善。目前已有研究表明，水 泥基材料在摻入導電相材料后，其材料的電阻率變小，成型后試樣的電阻抗降低。并且在導 電組份處于特定摻量下材料的電阻率會隨其應力應變的變化而變化，這種特性被稱為壓敏特 性，具有壓敏特性的水泥基材料稱為機敏水泥基材料。因此可以通過測量材料的電阻率的方 法來反測出材料所處的應力應變狀態，從而制備出以水泥基材料為主體的應力(應變)傳感 器，對建筑工程結構的受力狀態進行長期監測。這種傳感器的優勢在于其耐久性好，能在建 筑工程惡劣的施工、維護、保養過程中保持長年使用，并且以水泥基材料為主體，可以預埋 在建筑工程結構之中，與載體良好的結合，協同工作。這些優點都是目前傳統的應力應變傳 感器(電阻應變片、壓電陶瓷傳感器)所希望改進的。
己有的關于水泥基材料壓力傳感器的研究主要有以下兩個方面的內容有待改進
一、 材料的制備與傳感器的制作。目前研究較多的機敏水泥基材料壓力傳感器是碳纖維 混凝土壓力傳感器。碳纖維作為導電材料加入到混凝土材料中后，可以提高混凝土材料的抗 壓、抗拉強度，表現出壓敏、溫敏、力電、電力等機敏特性。但同時又具有一定的局限性。 目前研究的碳纖維混凝土所用碳纖維摻量較大，而碳纖維的成本較高，導致了碳纖維混凝土 壓力傳感器的成本高。并且碳纖維在混凝土材料中的分散工藝較為復雜，常需要進行如表面 處理或在成型時加電磁場等方法。這些局限性大大提高了傳感器的制作成本與工藝難度。
二、 監測裝置的設計。目前對于水泥基材料壓力傳感器的電阻抗測量方法有多種，主要 可分為萬用表直接測量法與伏安法兩類。萬用表法測量方法，但是由于萬用表測電阻的基機 所限，測量水泥基材料時候結果隨時間變化，難以得到穩定的數據。伏安法測量時由于水泥 基材料電阻率較大，因此在試驗的外部測量電路中所測得的電流極小。即使將測量電壓調節
4至220V，所得電流仍然很難被一般精度的電流表測得(毫安表無讀數)，并且測量電壓加大 后會引起監測系統中的電流增大，試樣的電阻抗會隨著通電時間的增加而變化，很不穩定。 同時，必須有兩部儀表顯示電流與電壓讀數才能完成測量工作，因此需要較高的成本購置高 精度設備，并且兩部儀表同時記錄數據加大了測量的工作量。若測量中用較高電壓，還可能 會對測量的操作人員造成危害。
針對上述水泥基材料壓力傳感器的研究現狀，本發明采用微量的顆粒類碳質導電相材料 (質量分數小于水泥質量的1%)加入水泥基材料之中制成機敏水泥基材料，結合框狀、網 狀或片狀等電極形式將材料制成不同尺寸傳感器，材料制備工藝簡單。同時，設計了一種分 壓電路作為水泥基材料電阻率測量電路作為監測系統，監測系統測量得到的結果穩定，并且 改進了伏安法的需要儀表數量多、精度高、操作不便等局限性。所制成的石墨水泥基材料壓 力監測裝置易于在實際工程中進行應用。
發明內容
本發明的目的在于提供一種機敏水泥基材料壓力傳感器的制備方法及監測裝置，以克服 現有技術中的不足。本發明所用碳質導電相材料摻量較低，在水泥基材料中分散簡單，成本 低。電極形式采用雙電極，數量少，形狀多樣，因此傳感器試件的形狀與尺寸不受約束。
本發明一種機敏水泥基材料壓力傳感器的制備方法，具體的制備過程為以下幾步-
步驟一、材料的準備。
壓力傳感器的制作所需原材料可分為以下幾部分-
1、 碳質顆粒類導電相材料
碳質顆粒類導電相材料可選用如片狀石墨、石墨粉、碳黑粉末等。其所占質量不超過 傳感器總質量的5%。
2、 基材料
基材料可選用不同的原材料制作，其配方可分為三種-
(1) 、水泥凈漿基材料所需原材料為水泥、水、添加劑。其中水灰比在0.25 0.6之間； 添加劑按照其相應的使用方法確定用量。
(2) 、水泥砂漿基材料所需原材料為水泥、砂、水、添加劑。其中砂與水泥的質量比在 0~3之間；水灰比在0.4 0.6之間；添加劑按照其相應的使用方法確定用量。
(3) 、混凝土基材料所需原材料為水泥、骨料(包括砂與石子)、水、添加劑。各組份配比如下最小水泥用量為總質量的25%;骨料質量占總質量的65%以下，其中砂與石子的
質量比在0.25~0.45之間；水灰比在0.4 0.8之間；添加劑按照其相應的使用方法確定用量。
上述制作基材料所用的原材料中，水泥可選用硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥、 鐵鋁酸鹽水泥、水化物脫水相基膠凝材料、聚合物水泥等水泥材料。砂、石子可根據實際操 作的需要自行篩選確定粒徑與級配。添加劑可選用減水劑、分散劑、固化劑、膨脹劑等。
3、電極
電極可選用銅、鋁、石墨電極、合金等導電材料，制成框狀、網狀或片狀等形狀。電極 形式舉例與預埋后示意圖如圖1。
步驟二、將粒類碳質導電相材料分散到基材料中。用上述材料進行傳感器的制備，在 攪拌過程中將導電相顆粒在基材料中分散。
步驟三、在模具中用澆搗或加壓等方式成型，并在成型過程中埋入電極。若用壓力成 型則壓力控制在20MPa以下。模具可以結合具體的應用需求，選用長方體、正方體等不同 的形狀與尺寸。在向模具中填料時在試件兩端預埋電極。
步驟四、成型后用蒸汽或水浴等水泥基材料可用的養護方式對成形的傳感器進行養護。 蒸汽養護濕度控制在70%以上，溫度控制在10 3(TC。水浴養護水溫控制在10~30'C。養護 齡期在7d 30d之間。
本發明一種機敏水泥基材料壓力傳感器的監測裝置， 本發明所采用的外部分壓電路如圖2，主要由以下幾部分組成。
1、 電源電源可以選用直流或交流電源，電源電壓采用對人體安全無害的電壓，通常 小于36V。
2、 電壓計電壓計可以選用數字式或指針式電壓表、萬用表。
3、 分壓電阻圖中^為一分壓電阻，其阻值可跟據測量對象的不同而選用不同值，也
可直接選用變阻器來根據試驗的具體要求隨時調節分壓電阻的大小。將^與待測的材料串 聯，在A兩端連接電壓計。
本發明所采用的外部分壓電路是用依據串聯電路分壓原理設計。假設電源電壓為t/ (直
流電或交流電)，電壓表讀數為c/,，待測試樣的電阻抗為z，則根據串聯電路分壓公式，可以推導出Z =
、"x 乂
即通過對t/,的測量計算出待測試樣的電阻大小。在同一次測
量工作中，分壓電路法可以通過調整分壓電阻/ ,的大小來調節測量讀數t^的值，以便適用
于各種不同精度的電壓計。
本發明所用的外部監測電路的優點在于l)傳感器用雙電極，預埋工藝簡單，材料成型 時尺寸大小不受電極制約;2)只需要記錄電壓表的讀數^4就可以直接算出待測試樣的電阻抗
Z。將以前所用的兩部儀表變為一部，減小了測量的工作量，并且測得的結果穩定；3)可以
通過對電路中分壓電阻的調節來調整測量結果的讀數范圍，以適用于各種精度的儀器。例如，
當以石墨水泥基材料為待測試樣，電源電壓為交流15V，測量儀器為毫伏表時，可將分壓電 阻的阻值大小調節為50Q。此時，測得的電壓數量級約為100mV，利用毫伏表可完成測量工 作。4)電源電壓可以降低至36V以下，對人體無害，保證了測量操作人員的人身安全；5) 試驗表明本發明所用的外部監測方法測量結果穩定，試樣的電阻率不會隨著通電時間的增長 而變化。
圖1是電極形式舉例與預埋后效果示意圖。 圖2是本發明所采用的外部量測電路原理圖。
圖3是傳統方法之一的萬用表直接接在雙電極上測量試樣電阻抗的結果。
圖4是用本發明的雙電極分壓電路法測量試樣電阻抗的結果(直流電)。 圖5是用本發明的雙電極分壓電路法測量試樣電阻抗的結果(交流電)。
具體實施例方式
1、用本發明設計的外部監測裝置測量水泥基壓力傳感器的電阻抗。制作三種材料配比 的石墨水泥基壓力傳感器。碳質導電相材料選取微觀結構為磷片狀的石墨，三種材料的碳質 導電相材料摻量占水泥的質量分數為別為O、 0. 與0.8%。基材料選用水泥砂漿，其中，水 泥選用復合硅酸鹽水泥，砂選用水泥膠砂強度試驗用標準砂，添加劑選用高效減水劑。水灰 比為0.5，砂子與水泥的質量比為3，高效減水劑用量為碳質導電相材料質量的2%。用澆搗 成形的方法在5X5X16. 5cm3的模具中成型，并在試樣兩端預埋網狀銅電極。成型后在濕度 為90%、溫度為25'C的蒸汽養護箱中用養護至28d齡期。制作完成后對這三種材料用前述的伏安法進行測量，對于儀器的數量、精度都有很高的要求，不易實現。用萬用表直接接
在雙電極上測量結果見圖3，可以看出其結果隨通電時間的隨加而增大。尤其是在通電開始 的1分鐘以內，結果變化劇烈，變化幅值可以達到測量結果的30%。采用本發明所用的監測 方法測定其電阻抗，電源電壓選用17V交流電，電壓計選用六位半數字萬用表，外部電路分 壓電阻阻值為50Q，直流電與交流電的結果如圖4與圖5。可以看出在試驗開始，測量電路 接通的20分鐘內，得到的測量結果穩定，沒有隨通電時間的增加而發生變化。
2、 在試驗室結構試驗中應用本發明。碳質導電相材料選取石墨粉，摻量占水泥質量分 數的1%。基材料選用水泥凈漿，其中，水泥選用普通硅酸鹽水泥，添加劑選用分散劑。水 灰比為0.3，分散劑用量為碳質導電相材料質量的1%。用澆搗成形的方法在4X4X16cm3的 模具中成型，并在試樣兩端預埋框狀鋁電極。成型后在濕度為95%、溫度為2(TC的蒸汽養護 箱中用養護至28d齡期。外部監測電路電源電壓選用15V直流電，分壓電阻用變阻箱隨時調 節阻值大小，利用普通數字萬用表可對分壓電阻的電壓進行測量，從而通過計算對傳感器的 電阻變化進行測量。
3、 在試驗室結構試驗中應用本發明。碳質導電相材料選取微觀結構為片狀的石墨，摻 量占水泥質量分數的2%。、基材料選用水泥砂漿。水泥選用高鋁水泥。砂選用自配n區砂， 其中粒徑為1. 25、 0. 63、 0. 315、 0. 16mra的各粒徑砂分別占砂總質量的20%、 30%、 30%、 20%。 添加劑選用萘系減水劑。水灰比為0.4，砂與水泥的質量比為2.5，添加劑用量為碳質導電 相材料質量的2%。用加壓成形的方法在5X5X5cm3的模具中成型，壓力大小為lMPa。向模 具中填料的過程中在試樣兩端預埋框狀鎳鈦合金電極。成型后在溫度為25'C的水箱中水浴 養護至21d齡期。外部監測電路電源電壓選用15V交流電，電壓計選用指針式毫伏表，分壓 電阻選用變阻箱，可隨時調節分壓電阻，將讀數調節至測量儀表所需要的精度范圍。利用電 壓表可對分壓電阻的電壓進行測量，從而通過計算對傳感器的電阻變化進行測量。
4、 在一般民用建筑中應用本發明。碳質導電相材料選取碳黑粉末，摻量占水泥質量分 數的5%。基材料選用混凝土。其中，水泥選用鐵鋁酸鹽水泥，砂選用標準砂，石子選用卵 石，最大粒徑20mm。水泥質量為總質量的30%，水灰比為0.4，砂子與石子的質量比為0. 3， 添加劑用量為碳質導電相材料質量的2M。用澆搗成形的方法在10X10X10cm3的模具中成型， 在振搗成型過程中預埋網狀鋁電極。成型后在溫度為2(TC的水箱中水浴養護至30d齡期。 在施工中將傳感器預埋在建筑物的等測部位，將電極引線引至載體結構之外。外部監測電路 電源電壓選用36V交流電，電壓計選用伏特表，分壓電阻阻值為IOOOQ，對其電壓變化進 行測量，而后通過計算得到壓力傳感器的電阻。5、在特殊環境下的建筑或構筑物中應用本發明。例如在沿海地區、碼頭、港口的水下
結構中進行使用，要求傳感器材料、電極及其引線所用材料、形式，以及外部監測系統均要
進行有針對性的設計。碳質導電相材料選取石墨粉，摻量占水泥質量分數的5%。基材料選 用水泥凈漿，其中，水泥選用硫鋁酸鹽水泥，添加劑選用分散劑。水灰比為0.35，分散劑 用量為碳質導電相材料質量的1%。用澆搗成形的方法在5X5X5cm3的模具中成型，在試樣 兩端預埋鎳鈦合金制成的網狀電極。為防止導線在海水中暴露造成電極與導線的腐蝕以及在 測量過程中海水與導線的導電連通造成無法測量，除電極本身以外，導線部分從載體結構內 部開始均包裹保護層，直至引出海水表面。外部電路采用電源電壓為20V交流電，分壓電阻 阻值為500Q，在分壓電阻兩端接入毫伏表來對分壓電阻的電壓變化進行監測，從而反算出 傳感器的電阻。
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權利要求
1、一種機敏水泥基材料壓力傳感器的制備方法，其特征在于該方法包括如下步驟步驟一、材料的準備A、碳質顆粒類導電相材料碳質顆粒類導電相材料選用片狀石墨、石墨粉、碳黑粉末中的一種，其所占質量不超過傳感器總質量的5％；B、基材料基材料的配方分為三種(1)、水泥凈漿基材料所需原材料為水泥、水、添加劑；其中水灰比在0.25～0.6之間；(2)、水泥砂漿基材料所需原材料為水泥、砂、水、添加劑；其中砂與水泥的質量比在0～3之間；水灰比在0.4～0.6之間；(3)、混凝土基材料所需原材料為水泥、骨料、水、添加劑；各組份配比如下最小水泥用量為總質量的25％；骨料質量占總質量的65％以下，其中砂與石子的質量比在0.25～0.45之間；水灰比在0.4～0.8之間；C、電極；步驟二、將顆粒類碳質導電相材料分散到基材料中；步驟三、在模具中用澆搗或加壓等方式成型，并在成型過程中埋入電極；步驟四、成型后用蒸汽或水浴等水泥基材料可用的養護方式對成形的傳感器進行養護。
2、 根據權利要1所述的機敏水泥基材料壓力傳感器的制備方法，其特征在于所述水泥選 用硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥、鐵鋁酸鹽水泥、水化物脫水相基膠凝材料、聚 合物水泥。
3、 根據權利要1所述的機敏水泥基材料壓力傳感器的制備方法，其特征在于所述的添加 劑選用減水劑、分散劑、固化劑、膨脹劑。
4、 根據權利要1所述的機敏水泥基材料壓力傳感器的制備方法，其特征在于所述的電極 選用銅、鋁、石墨電極、合金，形狀為框狀、網狀或片狀。
5、 根據權利要1所述的機敏水泥基材料壓力傳感器的制備方法，其特征在于所述的步驟三中，若采用加壓方式成型，則壓力控制在20MPa以下。
6、 根據權利要1所述的機敏水泥基材料壓力傳感器的制備方法，其特征在于所述的步驟 四中，蒸汽養護濕度控制在70%以上，溫度控制在10 3(TC，養護齡期在7d 30d之間。
7、 根據權利要1所述的機敏水泥基材料壓力傳感器的制備方法，其特征在于所述的步驟 四中，水浴養護水溫控制在10~30°C;養護齡期在7d 30d之間。
8、 一種機敏水泥基材料壓力傳感器的監測裝置，其特征在于所述的監測裝置主要由以下幾部分組成電源電源選用直流或交流電源，通常小于36V; 電壓計電壓計選用數字式或指針式電壓表、萬用表；分壓電阻將分壓電阻與待測的材料串聯，在分壓電阻兩端連接電壓計。
全文摘要
本發明涉及一種機敏水泥基材料壓力傳感器的制備方法，包括如下步驟步驟一、材料的準備步驟二、將顆粒類碳質導電相材料分散到基材料中；步驟三、在模具中用澆搗或加壓等方式成型，并在成型過程中埋入電極；步驟四、成型后用蒸汽或水浴等水泥基材料可用的養護方式對成形的傳感器進行養護。一種機敏水泥基材料壓力傳感器的監測裝置，由以下幾部分組成電源電源選用直流或交流電源，通常小于36V；電壓計電壓計選用數字式或指針式電壓表、萬用表；分壓電阻將分壓電阻與待測的材料串聯，在分壓電阻兩端連接電壓計。
文檔編號G01L1/18GK101493368SQ20091007872
公開日2009年7月29日 申請日期2009年3月2日 優先權日2009年3月2日
發明者王傳業, 甘偉民, 陳鵬飛, 新 黃 申請人:北京航空航天大學