[发明专利]一种纳米炭黑压电陶瓷复合水泥基测力探伤传感器

说明书

技术领域

本发明涉及传感器领域，特别是一种与混凝土相容性好，能够精确定位裂缝位置，同时测定压力变化的高强度高灵敏度的纳米碳黑压电陶瓷复合水泥基传感器。 

背景技术

目前，土木工程领域中所用的传感元件，一般都是在其他领域已经使用过比较成熟的材料，如光导纤维，压电陶瓷，记忆金属合金等。这些材料与土木工程领域中最重要的结构材料，混凝土，往往存在着明显的相容性问题，这样会是智能材料产生虚假信号，影响传感精度，甚至会导致错误的判断，对结构地正常使用造成极大损害，例如，工程中常用的光纤光栅传感器存在精度低，易受外界应力温度影响，封装材料和结构形式与基体存在不匹配的问题，导致在高频应变下，光纤光栅传感器不能有效跟踪基体的应变变化。本发明使用以水泥基为载体，内附压电陶瓷片和纳米级炭黑的传感器具有精度高，相容性好的特点，可以有效解决这一工程问题。利用压电陶瓷传感器进行裂缝定位和利用炭黑压敏特性进行测压的传感器都存在，但是并没有将两者有效结合，本发明有效的结合了两者的特性，是可以同时进行探伤定位和工程测力的水泥基传感器。 

发明内容

本发明克服了现有的传感器与混凝土存在的明显的相容性问题，而导致虚假信号的产生和传感精度的降低等的不足。本发明提供了一种与混凝土相容性好，能够精确定位裂缝位置，同时测定压力变化的高强度高灵敏度的纳米碳黑压电陶瓷复合水泥基传感器。不仅可以进行损伤精确定位，而且能同时分析内 部受力情况。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是： 

该传感器包括四部分：水泥基体、压电陶瓷片、金属网和导线；水泥基体是水泥与纳米级导电炭黑按5∶1的比例均匀混合制作成的水泥立方块体；三个压电陶瓷片植入水泥立方块体内且不在同一平面内，各压电陶瓷片分别与导线相连；在水泥立方块体内设置两片金属网，通过金属网输出炭粒由于压力变化产生的信号。 

以水泥基为载体，将压电陶瓷片和炭粒同时应用于传感器当中，利用两种物质协同完成结构性能监测工作。利用压电陶瓷片(PZT)波传播法的基本原理进行混凝土结构损伤，缺陷裂缝的精细识别；利用纳米炭黑的压敏性能，判断结构所受压力。压电材料依据正压电效应可实现传感功能，依据逆压电效应可实现驱动功能。在混凝土中加入适量的纳米碳黑后，力学性能和电学性能都有所提高，混凝土的抗折抗压强度也相应增加。 

本发明与已有技术相比的突出效果为： 

其一：与混凝土相容性好，本发明是由与混凝土相容性好的水泥基压电复合材料为传感单元，经水泥块包裹而成。该传感器与土木工程中最常用的混凝土材料具有良好的相容性，如相似的声阻抗、等同的收缩率及相近的热胀系数等；它埋在混凝土中，与周围混凝土之间不存在不连续的界面问题，即不会改变结构的特性，也不会出现应力突变现象。 

其二：强度高，耐久性好，纳米炭黑材料，具有优良的导电性，尺寸很小，比表面积大，界面性能优异，已有研究人员将其应用在混凝土中，改善混凝土材料微观结构和力学性。 

其三：感知灵敏度高，充分结合了压电陶瓷片和纳米炭黑的优点，可以进 行损伤精确定位，同时利用材料的压敏特性分析内部受力情况。 

其四：能同时进行损伤精确定位和分析内部受力情况。利用压电陶瓷片(PZT)波传播法的基本原理进行混凝土结构损伤，缺陷裂缝的精细识别；利用纳米炭黑的压敏性能，判断结构所受压力。 

附图说明

图1是纳米炭黑压电陶瓷复合水泥基传感器的外观整体示意图。 

图2是纳米炭黑压电陶瓷复合水泥基传感器的剖面结构示意图。 

图3是纳米炭黑压电陶瓷复合水泥基传感器的透视结构示意图。 

图中：1导线；2纳米级导电炭黑；3压电陶瓷片；4金属网。 

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。 

将水泥与纳米级导电炭黑按5∶1的比例利用分散剂均匀混合制作成5cm×5cm×5cm的立方块体，在水泥立方块体内附加两片铜丝网，植入3个不在同一平面内且分别与导线相连的压电陶瓷片，并利用导线对外传递声发射信号。炭黑采用表面处理或未处理的纳米级导电炭黑，分散剂为水性分散剂。 

所制作的水泥基体，可以按所需制作成各种尺寸的立方体，也可以采用其他的非立方体形状，都没有超出本专利保护的范围。