專利名稱：一種納米炭黑壓電陶瓷復合水泥基測力探傷傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及傳感器領域，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度高靈敏度的納米碳黑壓電陶瓷復合水泥基傳感器。
背景技術：
目前，土木工程領域中所用的傳感元件，一般都是在其他領域已經使用過比較成熟的材料，如光導纖維，壓電陶瓷，記憶金屬合金等。這些材料與土木工程領域中最重要的結構材料，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生虛假信號，影響傳感精度，甚至會導致錯誤的判斷，對結構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，易受外界應力溫度影響，封裝材料和結構形式與基體存在不匹配的問題，導致在高頻應變下，光纖光柵傳感器不能有效跟蹤基體的應變變化。本發(fā)明使用以水泥基為載體，內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， 可以有效解決這一工程問題。利用壓電陶瓷傳感器進行裂縫定位和利用炭黑壓敏特性進行測壓的傳感器都存在，但是并沒有將兩者有效結合，本發(fā)明有效的結合了兩者的特性，是可以同時進行探傷定位和工程測力的水泥基傳感器。

發(fā)明內容
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，而導致虛假信號的產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度高靈敏度的納米碳黑壓電陶瓷復合水泥基傳感器。 不僅可以進行損傷精確定位，而且能同時分析內部受力情況。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是該傳感器包括四部分水泥基體、壓電陶瓷片、金屬網和導線；水泥基體是水泥與納米級導電炭黑按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且不在同一平面內，各壓電陶瓷片分別與導線相連；在水泥立方塊體內設置兩片金屬網，通過金屬網輸出炭粒由于壓力變化產生的信號。以水泥基為載體，將壓電陶瓷片和炭粒同時應用于傳感器當中，利用兩種物質協(xié)同完成結構性能監(jiān)測工作。利用壓電陶瓷片(PZT)波傳播法的基本原理進行混凝土結構損傷，缺陷裂縫的精細識別；利用納米炭黑的壓敏性能，判斷結構所受壓力。壓電材料依據(jù)正壓電效應可實現(xiàn)傳感功能，依據(jù)逆壓電效應可實現(xiàn)驅動功能。在混凝土中加入適量的納米碳黑后，力學性能和電學性能都有所提高，混凝土的抗折抗壓強度也相應增加。本發(fā)明與已有技術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合材料為傳感單元，經水泥塊包裹而成。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，即不會改變結構的特性，也不會出現(xiàn)應力突變現(xiàn)象。
其二 強度高，耐久性好，納米炭黑材料，具有優(yōu)良的導電性，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用在混凝土中，改善混凝土材料微觀結構和力學性。其三感知靈敏度高，充分結合了壓電陶瓷片和納米炭黑的優(yōu)點，可以進行損傷精確定位，同時利用材料的壓敏特性分析內部受力情況。其四能同時進行損傷精確定位和分析內部受力情況。利用壓電陶瓷片(PZT)波傳播法的基本原理進行混凝土結構損傷，缺陷裂縫的精細識別；利用納米炭黑的壓敏性能， 判斷結構所受壓力。


圖1是納米炭黑壓電陶瓷復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合水泥基傳感器的剖面結構示意圖。圖3是納米炭黑壓電陶瓷復合水泥基傳感器的透視結構示意圖。圖中1導線；2納米級導電炭黑；3壓電陶瓷片；4金屬網。
具體實施例方式以下結合技術方案和附圖詳細敘述本發(fā)明的具體實施例。將水泥與納米級導電炭黑按5 1的比例利用分散劑均勻混合制作成 5cmX5cmX5cm的立方塊體，在水泥立方塊體內附加兩片銅絲網，植入3個不在同一平面內且分別與導線相連的壓電陶瓷片，并利用導線對外傳遞聲發(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的范圍。
權利要求
1.一種納米炭黑壓電陶瓷復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、金屬網和導線；水泥基體是水泥與納米級導電炭黑按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且不在同一平面內，各壓電陶瓷片分別與導線相連；在水泥立方塊體內設置兩片金屬網，通過金屬網輸出炭粒由于壓力變化產生的信號。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種納米炭黑壓電陶瓷復合水泥基測力探傷傳感器，其特征是，將水泥與納米級導電炭黑按5 1的比例均勻混合制作5CmX5CmX5Cm的立方塊體。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的一種納米炭黑壓電陶瓷復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度高靈敏度的納米碳黑壓電陶瓷復合水泥基傳感器。將水泥與炭黑按5∶1的比例均勻混合制作成立方塊體，在水泥立方塊體內附加兩片銅絲網，并植入3個壓電陶瓷片，各壓電陶瓷片分別與導線相連。本發(fā)明利用了納米炭黑的壓敏特性測力，利用壓電陶瓷片進行機械損傷定位，可以同時實現(xiàn)壓力測定和探傷定位，能夠廣泛應用于工程監(jiān)測領域。
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