專利名稱：一種納米炭黑壓電陶瓷復(fù)合水泥基測力探傷傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳感器領(lǐng)域，特別是一種與混凝土相容性好，能夠精確定位裂縫位置， 同時測定壓力變化的高強(qiáng)度高靈敏度的納米碳黑壓電陶瓷復(fù)合水泥基傳感器。
背景技術(shù)：
目前，土木工程領(lǐng)域中所用的傳感元件，一般都是在其他領(lǐng)域已經(jīng)使用過比較成熟的材料，如光導(dǎo)纖維，壓電陶瓷，記憶金屬合金等。這些材料與土木工程領(lǐng)域中最重要的結(jié)構(gòu)材料，混凝土，往往存在著明顯的相容性問題，這樣會是智能材料產(chǎn)生虛假信號，影響傳感精度，甚至?xí)?dǎo)致錯誤的判斷，對結(jié)構(gòu)地正常使用造成極大損害，例如，工程中常用的光纖光柵傳感器存在精度低，易受外界應(yīng)力溫度影響，封裝材料和結(jié)構(gòu)形式與基體存在不匹配的問題，導(dǎo)致在高頻應(yīng)變下，光纖光柵傳感器不能有效跟蹤基體的應(yīng)變變化。本發(fā)明使用以水泥基為載體，內(nèi)附壓電陶瓷片和納米級炭黑的傳感器具有精度高，相容性好的特點(diǎn)， 可以有效解決這一工程問題。利用壓電陶瓷傳感器進(jìn)行裂縫定位和利用炭黑壓敏特性進(jìn)行測壓的傳感器都存在，但是并沒有將兩者有效結(jié)合，本發(fā)明有效的結(jié)合了兩者的特性，是可以同時進(jìn)行探傷定位和工程測力的水泥基傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明克服了現(xiàn)有的傳感器與混凝土存在的明顯的相容性問題，而導(dǎo)致虛假信號的產(chǎn)生和傳感精度的降低等的不足。本發(fā)明提供了一種與混凝土相容性好，能夠精確定位裂縫位置，同時測定壓力變化的高強(qiáng)度高靈敏度的納米碳黑壓電陶瓷復(fù)合水泥基傳感器。 不僅可以進(jìn)行損傷精確定位，而且能同時分析內(nèi)部受力情況。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是該傳感器包括四部分水泥基體、壓電陶瓷片、金屬網(wǎng)和導(dǎo)線；水泥基體是水泥與納米級導(dǎo)電炭黑按5 1的比例均勻混合制作成的水泥立方塊體；三個壓電陶瓷片植入水泥立方塊體內(nèi)且不在同一平面內(nèi)，各壓電陶瓷片分別與導(dǎo)線相連；在水泥立方塊體內(nèi)設(shè)置兩片金屬網(wǎng)，通過金屬網(wǎng)輸出炭粒由于壓力變化產(chǎn)生的信號。以水泥基為載體，將壓電陶瓷片和炭粒同時應(yīng)用于傳感器當(dāng)中，利用兩種物質(zhì)協(xié)同完成結(jié)構(gòu)性能監(jiān)測工作。利用壓電陶瓷片(PZT)波傳播法的基本原理進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)損傷，缺陷裂縫的精細(xì)識別；利用納米炭黑的壓敏性能，判斷結(jié)構(gòu)所受壓力。壓電材料依據(jù)正壓電效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)傳感功能，依據(jù)逆壓電效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動功能。在混凝土中加入適量的納米碳黑后，力學(xué)性能和電學(xué)性能都有所提高，混凝土的抗折抗壓強(qiáng)度也相應(yīng)增加。本發(fā)明與已有技術(shù)相比的突出效果為其一與混凝土相容性好，本發(fā)明是由與混凝土相容性好的水泥基壓電復(fù)合材料為傳感單元，經(jīng)水泥塊包裹而成。該傳感器與土木工程中最常用的混凝土材料具有良好的相容性，如相似的聲阻抗、等同的收縮率及相近的熱脹系數(shù)等；它埋在混凝土中，與周圍混凝土之間不存在不連續(xù)的界面問題，即不會改變結(jié)構(gòu)的特性，也不會出現(xiàn)應(yīng)力突變現(xiàn)象。
其二 強(qiáng)度高，耐久性好，納米炭黑材料，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性，尺寸很小，比表面積大，界面性能優(yōu)異，已有研究人員將其應(yīng)用在混凝土中，改善混凝土材料微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性。其三感知靈敏度高，充分結(jié)合了壓電陶瓷片和納米炭黑的優(yōu)點(diǎn)，可以進(jìn)行損傷精確定位，同時利用材料的壓敏特性分析內(nèi)部受力情況。其四能同時進(jìn)行損傷精確定位和分析內(nèi)部受力情況。利用壓電陶瓷片(PZT)波傳播法的基本原理進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)損傷，缺陷裂縫的精細(xì)識別；利用納米炭黑的壓敏性能， 判斷結(jié)構(gòu)所受壓力。


圖1是納米炭黑壓電陶瓷復(fù)合水泥基傳感器的外觀整體示意圖。圖2是納米炭黑壓電陶瓷復(fù)合水泥基傳感器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是納米炭黑壓電陶瓷復(fù)合水泥基傳感器的透視結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1導(dǎo)線；2納米級導(dǎo)電炭黑；3壓電陶瓷片；4金屬網(wǎng)。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施例。將水泥與納米級導(dǎo)電炭黑按5 1的比例利用分散劑均勻混合制作成 5cmX5cmX5cm的立方塊體，在水泥立方塊體內(nèi)附加兩片銅絲網(wǎng)，植入3個不在同一平面內(nèi)且分別與導(dǎo)線相連的壓電陶瓷片，并利用導(dǎo)線對外傳遞聲發(fā)射信號。炭黑采用表面處理或未處理的納米級導(dǎo)電炭黑，分散劑為水性分散劑。所制作的水泥基體，可以按所需制作成各種尺寸的立方體，也可以采用其他的非立方體形狀，都沒有超出本專利保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1.一種納米炭黑壓電陶瓷復(fù)合水泥基測力探傷傳感器，其特征在于該傳感器包括四部分水泥基體、壓電陶瓷片、金屬網(wǎng)和導(dǎo)線；水泥基體是水泥與納米級導(dǎo)電炭黑按5 1 的比例均勻混合制作成的水泥立方塊體；三個壓電陶瓷片植入水泥立方塊體內(nèi)且不在同一平面內(nèi)，各壓電陶瓷片分別與導(dǎo)線相連；在水泥立方塊體內(nèi)設(shè)置兩片金屬網(wǎng)，通過金屬網(wǎng)輸出炭粒由于壓力變化產(chǎn)生的信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米炭黑壓電陶瓷復(fù)合水泥基測力探傷傳感器，其特征是，將水泥與納米級導(dǎo)電炭黑按5 1的比例均勻混合制作5CmX5CmX5Cm的立方塊體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種納米炭黑壓電陶瓷復(fù)合水泥基測力探傷傳感器，其特征是利用分散劑將均勻混合的水泥與納米級導(dǎo)電炭黑制作成的立方塊體。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種納米炭黑壓電陶瓷復(fù)合水泥基傳感器，是一種與混凝土相容性好，能夠精確定位裂縫位置，同時測定壓力變化的高強(qiáng)度高靈敏度的納米碳黑壓電陶瓷復(fù)合水泥基傳感器。將水泥與炭黑按5∶1的比例均勻混合制作成立方塊體，在水泥立方塊體內(nèi)附加兩片銅絲網(wǎng)，并植入3個壓電陶瓷片，各壓電陶瓷片分別與導(dǎo)線相連。本發(fā)明利用了納米炭黑的壓敏特性測力，利用壓電陶瓷片進(jìn)行機(jī)械損傷定位，可以同時實(shí)現(xiàn)壓力測定和探傷定位，能夠廣泛應(yīng)用于工程監(jiān)測領(lǐng)域。
文檔編號G01N29/14GK102495135SQ20111041364
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月12日
發(fā)明者李冬生, 王琪, 王艷艷 申請人:大連理工大學(xué)