埋置式厚膜电阻应变传感器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种埋置式厚膜电阻应变传感器，用于混凝土结构内部的应变监测，其包括：石材基底；厚膜电阻区，其设置于石材基底的侧表面；第一导电电极区，其设置于石材基底的侧表面并连接于厚膜电阻区的一端；第二导电电极区，其设置于石材基底的侧表面并相对第一导电电极区而连接于厚膜电阻区的另一端，第二导电电极区与第一导电电极区、厚膜电阻区一起构成电阻电极组件，且第二导电电极区和第一导电电极区上还皆连接有导线。本实用新型具有灵敏度高、与混凝土匹配性好、稳定性好且耐久性好的优点。
【专利说明】埋置式厚膜电阻应变传感器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及混凝土应变监测领域，具体涉及一种埋置式厚膜电阻应变传感器。
【背景技术】
[0002]对重大工程结构的结构性能进行实时的监测和诊断，及时发现结构的损伤，并评估其安全性，预测结构的性能变化和剩余寿命并做出维护决定，对提高工程结构的运营效率、保障人民生命财产安全具有极其重大的意义，已经成为现代工程越来越迫切的要求。
[0003]一般的混凝土结构健康监测系统包括传感器系统，数据采集、存储、分析系统，损伤识别、模型修正、安全评估系统，数据管理系统。传感子系统是健康监测系统最前端和最基础的子系统，它不仅制约着健康监测的内容，而且直接决定了监测系统的可靠性和工作寿命而应变是评价材料与结构损伤的关键参数，应变传感器在土木工程中的应用也最为广泛，包括光纤传感器、压电材料、金属应变计、半导体应变计等。虽然应变传感器种类众多，但各自都或多或少存在一些问题。
[0004]光纤传感器的最大劣势在于其需要大量设备与之相辅助，布置较困难，且成本很高；压电材料存在阻抗、界面粘结和变形等方面与基体混凝土材料不匹配的问题；而金属应变计灵敏度低，应变系数仅为2，采用树脂粘贴，易受外界环境影响并会随时间老化；半导体应变计最主要的缺点是电阻温度系数大，应变一电阻变化的非线性比较大。
[0005]厚膜电阻是指采用厚膜工艺，将电阻、介质以及导体涂料印刷在陶瓷基片上所形成的电阻。厚膜电阻有较高的应变敏感性、较低的电阻温度系数和应变温度系数。另外，通过手工或自动的丝网印刷工艺，经烧结即可实现生产，且成本较低。厚膜电阻膜层较厚，烧结后表面光滑、致密、耐磨，因此具有很高的稳定性。当厚膜电阻因外力而产生形变时，导电颗粒在基体内的分布就会发生变化，进而引起材料电阻值的变化，这就是厚膜电阻的压阻效应。
[0006]厚膜电阻主要是用于制备混合电路中的一个电阻元件，其压阻效应还没有得到足够重视。厚膜电阻的压阻效应的典型应用是制备陶瓷压力传感器。该传感器的原理为，将厚膜电阻和电极浆料印刷在形状类似带底的圆桶的底部中心膜上。当中心膜层受到气体或者液体压力时，膜层产生一定挠度，处于膜层边缘的两厚膜电阻处于受压状态，电阻减小；处于中心位置的两厚膜电阻处于受拉状态，电阻增大。通过外接电路采集该电桥的输出电压情况，就可以判断电阻的变化情况，进而推导出膜层处压力值。该类压力传感器仅适用于气体或液体的压力测量，不适用于固体内部的压力测量。
实用新型内容
[0007]为了解决上述技术问题，本实用新型的目的在于提供一种灵敏度高、与混凝土匹配性好、稳定性好且耐久性好的埋置式厚膜电阻应变传感器，同时还提供了一种该埋置式厚膜电阻应变传感器的制备方法。
[0008]为了达到上述目的，本实用新型的技术方案如下:
[0009]埋置式厚膜电阻应变传感器，用于混凝土结构内部的应变监测，其包括:
[0010]石材基底；
[0011]厚膜电阻区，其设置于石材基底的侧表面；
[0012]第一导电电极区，其设置于石材基底的侧表面并连接于厚膜电阻区的一端；
[0013]第二导电电极区，其设置于石材基底的侧表面并相对第一导电电极区而连接于厚膜电阻区的另一端，第二导电电极区与第一导电电极区、厚膜电阻区一起构成电阻电极组件，且第二导电电极区和第一导电电极区上还皆连接有导线。
[0014]进一步地，石材基底为天然石材基底、陶瓷基底或者水泥石基底。
[0015]进一步地，电阻电极组件和石材基底一起构成呈立方体的传感器。
[0016]进一步地，厚膜电阻区与第一导电电极区、第二导电电极区之间分设有第一电极电阻搭接部和第二电极电阻搭接部。
[0017]采用上述技术方案的有益效果在于:本实用新型利用厚膜电阻的应变敏感性，将厚膜电阻应用于传感领域，制作得到灵敏度高，电阻温度系数较小，稳定性好的应变传感器；同时本实用新型采用接近混凝土材质的石材作为基底，使得传感器的力学性能与混凝土相似，解决了传感器与混凝土的匹配性问题，更使得传感器成为了混凝土的一部分；此外该类传感器不含有机胶，耐久性好，理论上具有与混凝土同等的寿命。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为本实用新型的埋置式厚膜电阻应变传感器的立体图。
[0019]图2为本实用新型的埋置式厚膜电阻应变传感器的结构示意图。
[0020]图3为本实用新型的埋置式厚膜电阻应变传感器的工作示意图。
[0021]图4为本实用新型的埋置式厚膜电阻应变传感器的性能曲线图。
[0022]其中，1.电阻电极组件11.厚膜电阻区12.第一导电电极区13.第二导电电极区14.第一电极电阻搭接部15.第二电极电阻搭接部2.石材基底3.导线F.荷载。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图详细说明本实用新型的优选实施方式。
[0024]为了达到本实用新型的目的，如图1-3所示，在本实用新型的埋置式厚膜电阻应变传感器的第一种实施方式中，其用于混凝土结构内部的应变监测，该传感器包括:石材基底2 ;厚膜电阻区11，其设置于石材基底2的侧表面；第一导电电极区12，其设置于石材基底2的侧表面并连接于厚膜电阻区11的一端；第二导电电极区13，其设置于石材基底2的侧表面并相对第一导电电极区12而连接于厚膜电阻区11的另一端，第二导电电极区13与第一导电电极区12、厚膜电阻区11 一起构成电阻电极组件1，且第二导电电极区13和第一导电电极区12上还皆连接有导线3。
[0025]本传感器利用厚膜电阻的应变敏感性，将厚膜电阻应用于传感领域，制作得到灵敏度高，电阻温度系数较小，稳定性好的应变传感器；同时本传感器采用接近混凝土材质的石材作为基底，使得传感器的力学性能与混凝土相似，解决了传感器与混凝土的匹配性问题，更使得传感器成为了混凝土的一部分；此外该类传感器不含有机胶，耐久性好，理论上具有与混凝土同等的寿命。
[0026]为了进一步地优化上述第一种实施方式的实施效果，在本实用新型的埋置式厚膜电阻应变传感器的第二种实施方式中，石材基底为天然石材基底、陶瓷基底或者水泥石基底，天然石材基底、陶瓷基底或者水泥石基底可以形成和混凝土之间更优的匹配性，其力学性能更接近于混凝土。
[0027]为了进一步地优化上述第一种实施方式的实施效果，如图1-3所示，在本实用新型的埋置式厚膜电阻应变传感器的第三种实施方式中，电阻电极组件I和石材基底2 —起构成呈立方体的传感器，立方体的传感器的受力性能更好，可以承受更强的荷载。当然，除了立方体，我们也可以根据空间等实际变化对形状作出变化，如圆形、长方形或者其他形状，在此不再一一赘述。
[0028]为了进一步地优化上述第一种实施方式的实施效果，如图1-3所示，在本实用新型的埋置式厚膜电阻应变传感器的第四种实施方式中，厚膜电阻区11与第一导电电极区12、第二导电电极区13之间分设有第一电极电阻搭接部14和第二电极电阻搭接部15。
[0029]结合图1-3所示，在本实用新型的埋置式厚膜电阻应变传感器的制备方法的第一种实施方式中，其包括了以下步骤:
[0030]I)选取石材作为基底材料，并对所述石材的表面进行研磨处理，形成基底，即石材基底2 ;
[0031]2)按照所需图形在基底的表面进行电极的制作，即在所述基底的表面印刷电极浆料，并与基底一起进行高温烧结，在基底上形成导电电极区，即第一导电电极区12和第二导电电极区13 ；
[0032]3)按照所需图形在基底的表面进行电阻的制作，即在所述基底的表面印刷电阻浆料，并与基底一起进行高温烧结，在基底上形成连接导电电极区12、13的厚膜电阻区11 ；
[0033]4)在导电电极区上安装连接导线3。
电阻变化率M//?
[0034]如图4所示，应变系数GF=^函^ =同时结合图3，传感器的上下
'O
两个面为受压面，当施加一个均布荷载F，传感器就会产生应变ε，由于厚膜电阻的厚度与传感器尺寸相比可忽略不计，可认为厚膜电阻的应变等于基底的应变；厚膜电阻GF是表征厚膜电阻应变计电阻变化对应变敏感性的参数。其定义为电阻的相对变化量(AR/!?)与轴向应变(ε = Λ 1/1)的比值:GF = (Λ_/Λ1/1。
[0035]所以此时通过引出的导线测量电阻的变化情况即可通过应变系数换算出此时的应变ε，由于传感器与混凝土的匹配性较好，可以认为该结构位置的应变即为ε。
[0036]本制备方法利用厚膜电阻的应变敏感性，将厚膜电阻应用于传感领域，制作得到灵敏度高，电阻温度系数较小，稳定性好的应变传感器；同时本制备方法采用接近混凝土材质的石材作为基底，使得传感器的力学性能与混凝土相似，解决了传感器与混凝土的匹配性问题，更使得传感器成为了混凝土的一部分；此外该类传感器不含有机胶，耐久性好，理论上具有与混凝土同等的寿命。
[0037]为了进一步地优化上述制备方法第一种实施方式的实施效果，在本实用新型的埋置式厚膜电阻应变传感器的制备方法的第二种实施方式中，第2)和第3)步骤中，高温烧结包括三个阶段:第一阶段，进行升温，以25-35°C /分钟的速率升温到800-900°C;第二阶段，进行保温，达到第一阶段的温度后进行保温8-12分钟；第三阶段，停止加热，使炉体自然降温，整个过程在110-130分钟。作为优选，我们在第一阶段中可以选取850°C，在第二阶段中保温10分钟，在第三阶段中降温120分钟，当然，在实际中，我们也可以根据实际的加工需要进行在本范围内的调整，在此不再一一列举。通过三步的灼烧，使得基底在这一温度下不分解、体积膨胀较小、灼烧后强度较高且不产生裂纹。
[0038]为了进一步地优化上述制备方法第一种实施方式的实施效果，在本实用新型的埋置式厚膜电阻应变传感器的制备方法的第二种实施方式中，石材为天然石材、陶瓷或者水泥石。天然石材、陶瓷或者水泥石可以形成和混凝土之间更优的匹配性，其力学性能更接近于混凝土。
[0039]为了进一步地优化上述制备方法第一种实施方式的实施效果，在本实用新型的埋置式厚膜电阻应变传感器的制备方法的第三种实施方式中，如图1-3所示，基底、导电电极区和厚膜电阻区形成立方体。立方体的传感器的受力性能更好，可以承受更强的荷载。当然，除了立方体，我们也可以根据空间等实际变化对形状作出变化，如圆形、长方形或者其他形状，在此不再一一赘述。
[0040]为了进一步地优化上述制备方法第一种实施方式的实施效果，在本实用新型的埋置式厚膜电阻应变传感器的制备方法的第四种实施方式中，导电电极区和厚膜电阻区的制作在高温烧结之前还包括印刷、流平及烘干的过程，该制作过程属于本领域技术人员根据现有技术可以获知的内容，在此不再详细赘述。
[0041]为了进一步地优化上述制备方法第一种实施方式的实施效果，在本实用新型的埋置式厚膜电阻应变传感器的制备方法的第五种实施方式中，连接导线还焊接于所述导电电极区上，防止导线损伤。
[0042]以上所述的仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。
【权利要求】
1.埋置式厚膜电阻应变传感器，用于混凝土结构内部的应变监测，其特征在于，包括: 石材基底； 厚膜电阻区，其设置于所述石材基底的侧表面； 第一导电电极区，其设置于所述石材基底的侧表面并连接于所述厚膜电阻区的一端； 第二导电电极区，其设置于所述石材基底的侧表面并相对所述第一导电电极区而连接于所述厚膜电阻区的另一端，所述第二导电电极区与所述第一导电电极区、所述厚膜电阻区一起构成电阻电极组件，且所述第二导电电极区和第一导电电极区上还皆连接有导线。
2.根据权利要求1所述的埋置式厚膜电阻应变传感器，其特征在于，所述石材基底为天然石材基底、陶瓷基底或者水泥石基底。
3.根据权利要求1或2所述的埋置式厚膜电阻应变传感器，其特征在于，所述电阻电极组件和所述石材基底一起构成呈立方体的传感器。
4.根据权利要求1所述的埋置式厚膜电阻应变传感器，其特征在于，所述厚膜电阻区与所述第一导电电极区、所述第二导电电极区之间分设有第一电极电阻搭接部和第二电极电阻搭接部。
【文档编号】G01B7/16GK203949622SQ201420313002
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年6月12日 优先权日:2014年6月12日
【发明者】关新春, 李惠, 欧进萍 申请人:智性科技南通有限公司