专利名称：含温度补偿的高灵敏度碳纤维水泥基电阻应变传感系统的制作方法
技术领域：
本发明属于建筑工程结构测试领域，具体地是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。
背景技术：
在工程结构测试中，梁的弯曲变形是测试最多的性能指标之一。测试梁在载荷和外部环境作用下的静态和动态响应，是保证梁正常工作的必要前提。目前使用最多的是粘贴电阻应变片，应变片的电阻值随梁的变形而变化，稳定可靠，技术成熟。但电阻应变片的灵敏系数太低，仅为2，而且不适宜作长期监测。碳纤维增强水泥对变形有很高的电阻敏感性，受拉时，电阻可逆地增加，受压时，电阻可逆地减小。在普通的混凝土梁的上表面或下表面敷上一层碳纤维增强水泥，当混凝土梁承受弯曲载荷时，通过检测碳纤维增强水泥的电阻变化，就能对混凝土结构进行实时监测。此外碳纤维增强水泥的电阻不仅对其变形非常敏感(压敏性)，而且对其温度也十分敏感(温敏性)。当温度升高，电阻将减小；温度降低，电阻将增大。由于碳纤维增强水泥的压敏和温敏两种效应混合在一起，将给测试带来很大的不便，目前尚无理想且实用的解耦方法。这样，就造成由于温度影响引起压敏自诊断的不稳定性。因此，在复杂环境下碳纤维增强水泥的压敏功能稳定性研究，成为自诊断机敏混凝土在其结构层次上进行应用的关键性问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种灵敏系数高、适宜作长期监测、稳定性高的含温度补偿的高灵敏度碳纤维水泥基电阻应变传感系统，以克服上述的不足。
为了实现上述目的，本发明的特点是将碳纤维增强水泥敷在普通混凝土梁的上下表面，组成夹层结构，保证碳纤维增强水泥层与原混凝土梁连接牢靠，在上下碳纤维增强水泥层分别用导电胶对称地粘上四个电极，上下碳纤维增强水泥层的外面两个电极分别接入直流恒流电源，中间两个电极分别测量电压，其测量电压输出与外部的测量仪器相连接；上述碳纤维增强水泥敷在普通混凝土梁的上下表面的厚度为3～20mm；上述上下碳纤维增强水泥层中间两个电极之间的电阻大致相等；上述上下碳纤维增强水泥层电压输出端一个同极性的两端连接起来，另两个同极性端作为输出，而组成一个差动电路，输出与外部的测量仪器相连接；上述直流恒流电源的电流强度为10-100mA；上述碳纤维增强水泥的制作工艺为将4-7mm长的聚丙烯腈基短切碳纤维加入配有分散剂的水溶液中，先用手搅拌大约2分钟分散，然后按比例加入水泥、硅灰、减水剂、消泡剂，用净浆搅拌机搅拌3分钟，同时按1∶1的比例与砂混合制成碳纤维增强水泥；上述分散剂为羟甲基纤维素钠；上述减水剂和消泡剂的加入量为各2-3滴；上述各原料的配比为水泥∶碳纤维∶硅灰∶水∶分散剂＝100∶0.2-1∶15∶55∶0.4。
由于本发明采用短切碳纤维、添加剂、水泥、砂为主要原材料制作的机敏混凝土，以及采用这种材料制作的机敏混凝土结构，采用特殊工艺，可使碳纤维均匀分散在混凝土中，使其机敏混凝土材料具有良好的应变-电阻敏感效应。本发明利用碳纤维增强水泥的应变敏感性，在普通混凝土梁的上下表面铺设碳纤维增强水泥层，组成夹层结构(sandwich)，采用四电极法，并利用差动原理接线，可获得极高的应变-电阻敏感性。碳纤维增强水泥同时还有温度-电阻敏感效应，这种效应会给混凝土梁的变形测量带来很大的误差。混凝土结构梁承载发生弯曲变形，梁上下碳纤维增强水泥层的电阻一个增加，一个减小；而环境温度的变化使梁上下碳纤维增强水泥层的电阻同时增加或减小。根据这一原理，设计电路，实现温度补偿。在土木工程结构健康诊断(SHM)中，梁的弯曲变形是监测最多的性能指标之一。采用碳纤维增强水泥及其夹层结构，可实现在线变形监测；由于碳纤维增强水泥与混凝土材料具有良好的材料相容性，其所测信息能真实反映混凝土结构的变形；由于碳纤维增强水泥的本征性，具有持久性好，感应体积大，可用于长期监测；此外，碳纤维增强水泥的成本低，而且有很好的力学性能。采用本发明结构除有极高的应变-电阻敏感性外，还可消除环境温度的影响，同时改善了应变敏感的稳定性。
附图为本发明的结构示意图。
具体实施例方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步的描述，但该实施例不应理解为对本发明的限制。
本发明将碳纤维增强水泥敷在普通混凝土梁的上下表面，组成夹层结构，采用四电极测电阻法，(如附图所示)在普通混凝土梁试块上下碳纤维增强水泥(CFRC)层各粘贴四个电极，依据四电极法，每一层外面两个电极通电流，里面两个电极测电压。将上CFRC层与下CFRC层由一直流双路恒流源供电，以保证通过上下CFRC层的电流是相等的、恒定的。
根据欧姆定律UAB＝I×RABUCD＝I×RCD(1)当混凝土梁承载压力P发生弯曲变形，同时环境温度也有变化ΔT。那么，梁上下CFRC层的电阻会发生变化(假设混凝土梁是向下弯曲，环境温度降低)ΔRAB＝-ΔRABb+ΔRABTΔRCD＝ΔRCDb+ΔRCDT(2)式中ΔRABb和ΔRCDb为梁上下CFRC层的电阻因弯曲变形而发生变化的绝对值；ΔRABT和ΔRCDT为梁上下CFRC层的电阻因环境温度而发生变化的绝对值。
值得注意的是，当混凝土梁承载发生弯曲变形时ΔRABb和ΔRCDb的符号以及ΔRABT和ΔRCDT的符号都相同(说明在式(2)中ΔRABb的前面有一个负号)。
将上CFRC层测电压的正端A与下CFRC层测电压的正端C连接起来，上下层测电压的负端B和D作为差动输出给外部的测量仪器进行计算和换算，即UBD＝UCD-UAB＝I×(RCD-RAB) (3)得出电压差而换算出混凝土梁承载发生弯曲变形程度，完成测试过程。
当混凝土梁承载发生弯曲变形时ΔUBD＝ΔUCD-ΔUAB＝I×ΔRCD-I×ΔRAB＝I×(ΔRCDb+ΔRCDT)-I×(-ΔRABb+ΔRABT)
＝I×[(ΔRCDb+ΔRABb)+(ΔRCDT-ΔRABT)](4)由于上下CFRC层的材料组分相同，RCD和RAB基本相等，即使由于工艺原因，上下CFRC层电阻不同，也可通过调整电极的位置而使RCD和RAB接近相等。上下CFRC层的温度特性也基本相同，(ΔRCDT-ΔRABT)与(ΔRCDb+ΔRABb)相比可以忽略不计。即ΔUBD≈I×(ΔRCDb+ΔRABb) (5)输出只反映了混凝土梁的变形，实现了温度补偿。
普通混凝土梁试块受弯时输出电压的相对变化率(即式(3)被式(5)除)为ΔUBD/UBD＝(ΔRCDb+ΔRABb)/(RCD-RAB)(ΔRCDb+ΔRABb)/(RCD-RAB)＞＞ΔRCD/RCD(6)(ΔRCDb+ΔRABb)/(RCD-RAB)＞＞ΔRAB/RAB这说明由于混凝土梁变形，采用本发明设计的结构而引起的电阻变化率比任意一层(上层或下层)碳纤维增强水泥的电阻变化率要成数量级的增加。
本发明碳纤维增强混凝土(CFRC)的制作工艺是将4-7mm长的聚丙烯腈基短切碳纤维(其性能如表1)加入配有分散剂(羟甲基纤维素钠)的水溶液中(各种配比见表2)，先用手搅拌大约2分钟分散，然后按设定比例加入水泥(425#、525#)硅灰、减水剂(二、三滴)、消泡剂(二、三滴)，用净浆搅拌机搅拌3分钟，再按1∶1的比例与砂混合制成碳纤维增强混凝土。
表1碳纤维性能直径 拉伸强度拉伸模量 电阻率 密度/μm /GPa/GPa /Ω·m /g·-37±0.2 ≥1.95 ≥17525.0×10-5≥1.75表2试样用料配比碳纤维/水泥硅灰/水泥水/水泥分散剂/水泥(wt.％) (％) (％) (％)0.5 1555.0 0.权利要求
1.一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，其特征在于将碳纤维增强水泥敷在普通混凝土梁的上下表面，组成夹层结构，保证碳纤维增强水泥层与原混凝土梁连接牢靠，在上下碳纤维增强水泥层分别用导电胶对称地粘上四个电极，上下碳纤维增强水泥层的外面两个电极分别接入直流恒流电源，中间两个电极分别测量电压，其测量电压输出与外部的测量仪器相连接。
2.如权利要求1所述的含温度补偿的高灵敏度碳纤维水泥基电阻应变传感系统，其特征在于碳纤维增强水泥敷在普通混凝土梁的上下表面的厚度为3～20mm。
3.如权利要求1所述的含温度补偿的高灵敏度碳纤维水泥基电阻应变传感系统，其特征在于上下碳纤维增强水泥层中间两个电极之间的电阻大致相等。
4.如权利要求1所述的含温度补偿的高灵敏度碳纤维水泥基电阻应变传感系统，其特征在于上下碳纤维增强水泥层电压输出端一个同极性的两端连接起来，另两个同极性端作为输出，而组成一个差动电路，输出与外部的测量仪器相连接。
5.如权利要求1所述的含温度补偿的高灵敏度碳纤维水泥基电阻应变传感系统，其特征在于直流恒流电源的电流强度为10-100mA。
6.如权利要求1所述的含温度补偿的高灵敏度碳纤维水泥基电阻应变传感系统，其特征在于碳纤维增强水泥的制作工艺为将4-7mm长的聚丙烯腈基短切碳纤维加入配有分散剂的水溶液中，先用手搅拌大约2分钟分散，然后按比例加入水泥、硅灰、减水剂、消泡剂，用净浆搅拌机搅拌3分钟，同时按1∶1的比例与砂混合制成碳纤维增强水泥。
7.如权利要求6所述的含温度补偿的高灵敏度碳纤维水泥基电阻应变传感系统，其特征在于分散剂为羟甲基纤维素钠。
8.如权利要求6所述的含温度补偿的高灵敏度碳纤维水泥基电阻应变传感系统，其特征在于减水剂和消泡剂的加入量为各2-3滴。
9.如权利要求6所述的含温度补偿的高灵敏度碳纤维水泥基电阻应变传感系统，其特征在于碳纤维增强水泥各原料的配比为水泥∶碳纤维∶硅灰∶水∶分散剂＝100∶0.2-1∶15∶55∶0.4。
全文摘要
本发明涉及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，其特点是将碳纤维增强水泥敷在普通混凝土梁的上下表面，组成夹层结构，在上下碳纤维增强水泥层分别用导电胶对称地粘上四个电极，外面两个电极分别接入直流恒流电源，中间两个电极分别测量电压，其测量电压输出与外部的测量仪器相连接，计算得出电压差而换算出混凝土梁承载发生弯曲变形程度，完成测试过程。由于本发明采用碳纤维均匀分散在混凝土中，利用碳纤维增强水泥的应变敏感性，可获得极高的应变－电阻敏感性。采用本发明结构除有极高的应变－电阻敏感性外，还可消除环境温度的影响，同时改善了应变敏感的稳定性。
文档编号G01B7/16GK1451955SQ03128010
公开日2003年10月29日 申请日期2003年5月22日 优先权日2003年5月22日
发明者宋显辉, 李卓球, 郑立霞, 朱四荣, 王茵 申请人:武汉理工大学