埋置式厚膜電阻應(yīng)變傳感器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種埋置式厚膜電阻應(yīng)變傳感器，用于混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)變監(jiān)測，其包括：石材基底；厚膜電阻區(qū)，其設(shè)置于石材基底的側(cè)表面；第一導(dǎo)電電極區(qū)，其設(shè)置于石材基底的側(cè)表面并連接于厚膜電阻區(qū)的一端；第二導(dǎo)電電極區(qū)，其設(shè)置于石材基底的側(cè)表面并相對第一導(dǎo)電電極區(qū)而連接于厚膜電阻區(qū)的另一端，第二導(dǎo)電電極區(qū)與第一導(dǎo)電電極區(qū)、厚膜電阻區(qū)一起構(gòu)成電阻電極組件，且第二導(dǎo)電電極區(qū)和第一導(dǎo)電電極區(qū)上還皆連接有導(dǎo)線。另外，本發(fā)明還公開了一種該傳感器的制備方法。本發(fā)明具有靈敏度高、與混凝土匹配性好、穩(wěn)定性好且耐久性好的優(yōu)點。
【專利說明】埋置式厚膜電阻應(yīng)變傳感器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及混凝土應(yīng)變監(jiān)測領(lǐng)域，具體涉及一種埋置式厚膜電阻應(yīng)變傳感器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]對重大工程結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行實時的監(jiān)測和診斷，及時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的損傷，并評估其安全性，預(yù)測結(jié)構(gòu)的性能變化和剩余壽命并做出維護(hù)決定，對提高工程結(jié)構(gòu)的運營效率、保障人民生命財產(chǎn)安全具有極其重大的意義，已經(jīng)成為現(xiàn)代工程越來越迫切的要求。
[0003]一般的混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)包括傳感器系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集、存儲、分析系統(tǒng)，損傷識別、模型修正、安全評估系統(tǒng)，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。傳感子系統(tǒng)是健康監(jiān)測系統(tǒng)最前端和最基礎(chǔ)的子系統(tǒng)，它不僅制約著健康監(jiān)測的內(nèi)容，而且直接決定了監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性和工作壽命而應(yīng)變是評價材料與結(jié)構(gòu)損傷的關(guān)鍵參數(shù)，應(yīng)變傳感器在土木工程中的應(yīng)用也最為廣泛，包括光纖傳感器、壓電材料、金屬應(yīng)變計、半導(dǎo)體應(yīng)變計等。雖然應(yīng)變傳感器種類眾多，但各自都或多或少存在一些問題。
[0004]光纖傳感器的最大劣勢在于其需要大量設(shè)備與之相輔助，布置較困難，且成本很高；壓電材料存在阻抗、界面粘結(jié)和變形等方面與基體混凝土材料不匹配的問題；而金屬應(yīng)變計靈敏度低，應(yīng)變系數(shù)僅為2，采用樹脂粘貼，易受外界環(huán)境影響并會隨時間老化；半導(dǎo)體應(yīng)變計最主要的缺點是電阻溫度系數(shù)大，應(yīng)變一電阻變化的非線性比較大。
[0005]厚膜電阻是指采用厚膜工藝，將電阻、介質(zhì)以及導(dǎo)體涂料印刷在陶瓷基片上所形成的電阻。厚膜電阻有較高的應(yīng)變敏感性、較低的電阻溫度系數(shù)和應(yīng)變溫度系數(shù)。另外，通過手工或自動的絲網(wǎng)印刷工藝，經(jīng)燒結(jié)即可實現(xiàn)生產(chǎn)，且成本較低。厚膜電阻膜層較厚，燒結(jié)后表面光滑、致密、耐磨，因此具有很高的穩(wěn)定性。當(dāng)厚膜電阻因外力而產(chǎn)生形變時，導(dǎo)電顆粒在基體內(nèi)的分布就會發(fā)生變化，進(jìn)而引起材料電阻值的變化，這就是厚膜電阻的壓阻效應(yīng)。
[0006]厚膜電阻主要是用于制備混合電路中的一個電阻元件，其壓阻效應(yīng)還沒有得到足夠重視。厚膜電阻的壓阻效應(yīng)的典型應(yīng)用是制備陶瓷壓力傳感器。該傳感器的原理為，將厚膜電阻和電極漿料印刷在形狀類似帶底的圓桶的底部中心膜上。當(dāng)中心膜層受到氣體或者液體壓力時，膜層產(chǎn)生一定撓度，處于膜層邊緣的兩厚膜電阻處于受壓狀態(tài)，電阻減小；處于中心位置的兩厚膜電阻處于受拉狀態(tài)，電阻增大。通過外接電路采集該電橋的輸出電壓情況，就可以判斷電阻的變化情況，進(jìn)而推導(dǎo)出膜層處壓力值。該類壓力傳感器僅適用于氣體或液體的壓力測量，不適用于固體內(nèi)部的壓力測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種靈敏度高、與混凝土匹配性好、穩(wěn)定性好且耐久性好的埋置式厚膜電阻應(yīng)變傳感器，同時還提供了一種該埋置式厚膜電阻應(yīng)變傳感器的制備方法。[0008]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0009]埋置式厚膜電阻應(yīng)變傳感器，用于混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)變監(jiān)測，其包括:
[0010]石材基底；
[0011]厚膜電阻區(qū)，其設(shè)置于石材基底的側(cè)表面；
[0012]第一導(dǎo)電電極區(qū)，其設(shè)置于石材基底的側(cè)表面并連接于厚膜電阻區(qū)的一端；
[0013]第二導(dǎo)電電極區(qū)，其設(shè)置于石材基底的側(cè)表面并相對第一導(dǎo)電電極區(qū)而連接于厚膜電阻區(qū)的另一端，第二導(dǎo)電電極區(qū)與第一導(dǎo)電電極區(qū)、厚膜電阻區(qū)一起構(gòu)成電阻電極組件，且第二導(dǎo)電電極區(qū)和第一導(dǎo)電電極區(qū)上還皆連接有導(dǎo)線。
[0014]進(jìn)一步地，石材基底為天然石材基底、陶瓷基底或者水泥石基底。
[0015]進(jìn)一步地，電阻電極組件和石材基底一起構(gòu)成呈立方體的傳感器。
[0016]進(jìn)一步地，厚膜電阻區(qū)與第一導(dǎo)電電極區(qū)、第二導(dǎo)電電極區(qū)之間分設(shè)有第一電極電阻搭接部和第二電極電阻搭接部。
[0017]埋置式厚膜電阻應(yīng)變傳感器的制備方法，埋置式厚膜電阻應(yīng)變傳感器用于混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)變監(jiān)測，其包括以下步驟:
[0018]I)選取石材作為基底材料，并對所述石材的表面進(jìn)行研磨處理，形成基底；
[0019]2)按照所需圖形在基底的表面進(jìn)行電極的制作，并與基底一起進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，在基底上形成導(dǎo)電電極區(qū)；
[0020]3)按照所需圖形在基底的表面進(jìn)行電阻的制作，并與基底一起進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，在基底上形成連接導(dǎo)電電極區(qū)的厚膜電阻區(qū)；
[0021 ] 4)在導(dǎo)電電極區(qū)上安裝連接導(dǎo)線。
[0022]進(jìn)一步地，第2)和第3)步驟中，高溫?zé)Y(jié)包括三個階段:
[0023]第一階段，進(jìn)行升溫，以25_35°C /分鐘的速率升溫到800_900°C ；
[0024]第二階段，進(jìn)行保溫，達(dá)到第一階段的溫度后進(jìn)行保溫8-12分鐘；
[0025]第三階段，停止加熱，使?fàn)t體自然降溫，整個過程在110-130分鐘。
[0026]進(jìn)一步地，石材為天然石材、陶瓷或者水泥石。
[0027]進(jìn)一步地，基底、導(dǎo)電電極區(qū)和厚膜電阻區(qū)形成立方體。
[0028]進(jìn)一步地，導(dǎo)電電極區(qū)和厚膜電阻區(qū)的制作在高溫?zé)Y(jié)之前還包括印刷、流平及烘干的過程。
[0029]進(jìn)一步地，連接導(dǎo)線焊接于所述導(dǎo)電電極區(qū)上。
[0030]采用上述技術(shù)方案的有益效果在于:本發(fā)明利用厚膜電阻的應(yīng)變敏感性，將厚膜電阻應(yīng)用于傳感領(lǐng)域，制作得到靈敏度高，電阻溫度系數(shù)較小，穩(wěn)定性好的應(yīng)變傳感器；同時本發(fā)明采用接近混凝土材質(zhì)的石材作為基底，使得傳感器的力學(xué)性能與混凝土相似，解決了傳感器與混凝土的匹配性問題，更使得傳感器成為了混凝土的一部分；此外該類傳感器不含有機(jī)膠，耐久性好，理論上具有與混凝土同等的壽命。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]圖1為本發(fā)明的埋置式厚膜電阻應(yīng)變傳感器的立體圖。
[0032]圖2為本發(fā)明的埋置式厚膜電阻應(yīng)變傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033]圖3為本發(fā)明的埋置式厚膜電阻應(yīng)變傳感器的工作示意圖。[0034]圖4為本發(fā)明的埋置式厚膜電阻應(yīng)變傳感器的性能曲線圖。
[0035]其中，1.電阻電極組件11.厚膜電阻區(qū)12.第一導(dǎo)電電極區(qū)13.第二導(dǎo)電電極區(qū)14.第一電極電阻搭接部15.第二電極電阻搭接部2.石材基底3.導(dǎo)線F.荷載。
【具體實施方式】
[0036]下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。
[0037]為了達(dá)到本發(fā)明的目的，如圖1-3所示，在本發(fā)明的埋置式厚膜電阻應(yīng)變傳感器的第一種實施方式中，其用于混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)變監(jiān)測，該傳感器包括:石材基底2 ;厚膜電阻區(qū)11，其設(shè)置于石材基底2的側(cè)表面；第一導(dǎo)電電極區(qū)12,其設(shè)置于石材基底2的側(cè)表面并連接于厚膜電阻區(qū)11的一端；第二導(dǎo)電電極區(qū)13，其設(shè)置于石材基底2的側(cè)表面并相對第一導(dǎo)電電極區(qū)12而連接于厚膜電阻區(qū)11的另一端，第二導(dǎo)電電極區(qū)13與第一導(dǎo)電電極區(qū)12、厚膜電阻區(qū)11 一起構(gòu)成電阻電極組件1，且第二導(dǎo)電電極區(qū)13和第一導(dǎo)電電極區(qū)12上還皆連接有導(dǎo)線3。
[0038]本傳感器利用厚膜電阻的應(yīng)變敏感性，將厚膜電阻應(yīng)用于傳感領(lǐng)域，制作得到靈敏度高，電阻溫度系數(shù)較小，穩(wěn)定性好的應(yīng)變傳感器；同時本傳感器采用接近混凝土材質(zhì)的石材作為基底，使得傳感器的力學(xué)性能與混凝土相似，解決了傳感器與混凝土的匹配性問題，更使得傳感器成為了混凝土的一部分；此外該類傳感器不含有機(jī)膠，耐久性好，理論上具有與混凝土同等的壽命。
[0039]為了進(jìn)一步地優(yōu)化上述第一種實施方式的實施效果，在本發(fā)明的埋置式厚膜電阻應(yīng)變傳感器的第二種實施方式中，石材基底為天然石材基底、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間更優(yōu)的匹配性，其力學(xué)性能更接近于混凝土。
[0040]為了進(jìn)一步地優(yōu)化上述第一種實施方式的實施效果，如圖1-3所示，在本發(fā)明的埋置式厚膜電阻應(yīng)變傳感器的第三種實施方式中，電阻電極組件I和石材基底2 —起構(gòu)成呈立方體的傳感器，立方體的傳感器的受力性能更好，可以承受更強(qiáng)的荷載。當(dāng)然，除了立方體，我們也可以根據(jù)空間等實際變化對形狀作出變化，如圓形、長方形或者其他形狀，在此不再一一贅述。
[0041]為了進(jìn)一步地優(yōu)化上述第一種實施方式的實施效果，如圖1-3所示，在本發(fā)明的埋置式厚膜電阻應(yīng)變傳感器的第四種實施方式中，厚膜電阻區(qū)11與第一導(dǎo)電電極區(qū)12、第二導(dǎo)電電極區(qū)13之間分設(shè)有第一電極電阻搭接部14和第二電極電阻搭接部15。
[0042]結(jié)合圖1-3所示，在本發(fā)明的埋置式厚膜電阻應(yīng)變傳感器的制備方法的第一種實施方式中，其包括了以下步驟:
[0043]I)選取石材作為基底材料，并對所述石材的表面進(jìn)行研磨處理，形成基底，即石材基底2 ;
[0044]2)按照所需圖形在基底的表面進(jìn)行電極的制作，即在所述基底的表面印刷電極漿料，并與基底一起進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，在基底上形成導(dǎo)電電極區(qū)，即第一導(dǎo)電電極區(qū)12和第二導(dǎo)電電極區(qū)13 ；
[0045]3)按照所需圖形在基底的表面進(jìn)行電阻的制作，即在所述基底的表面印刷電阻漿料，并與基底一起進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，在基底上形成連接導(dǎo)電電極區(qū)12、13的厚膜電阻區(qū)11 ；[0046]4)在導(dǎo)電電極區(qū)上安裝連接導(dǎo)線3。
[0047]如圖4所示，應(yīng)變系數(shù)
【權(quán)利要求】
1.埋置式厚膜電阻應(yīng)變傳感器，用于混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)變監(jiān)測，其特征在于，包括: 石材基底； 厚膜電阻區(qū)，其設(shè)置于所述石材基底的側(cè)表面； 第一導(dǎo)電電極區(qū)，其設(shè)置于所述石材基底的側(cè)表面并連接于所述厚膜電阻區(qū)的一端； 第二導(dǎo)電電極區(qū)，其設(shè)置于所述石材基底的側(cè)表面并相對所述第一導(dǎo)電電極區(qū)而連接于所述厚膜電阻區(qū)的另一端，所述第二導(dǎo)電電極區(qū)與所述第一導(dǎo)電電極區(qū)、所述厚膜電阻區(qū)一起構(gòu)成電阻電極組件，且所述第二導(dǎo)電電極區(qū)和第一導(dǎo)電電極區(qū)上還皆連接有導(dǎo)線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的埋置式厚膜電阻應(yīng)變傳感器，其特征在于，所述石材基底為天然石材基底、陶瓷基底或者水泥石基底。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的埋置式厚膜電阻應(yīng)變傳感器，其特征在于，所述電阻電極組件和所述石材基底一起構(gòu)成呈立方體的傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的埋置式厚膜電阻應(yīng)變傳感器，其特征在于，所述厚膜電阻區(qū)與所述第一導(dǎo)電電極區(qū)、所述第二導(dǎo)電電極區(qū)之間分設(shè)有第一電極電阻搭接部和第二電極電阻搭接部。
5.埋置式厚膜電阻應(yīng)變傳感器的制備方法，所述埋置式厚膜電阻應(yīng)變傳感器用于混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)變監(jiān)測，其特征在于，包括以下步驟: 1)選取石材作為基底材料，并對所述石材的表面進(jìn)行研磨處理，形成基底； 2)按照所需圖形在所述基底的表面上進(jìn)行電極的制作，并與所述基底一起進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，在所述基底上形成導(dǎo)電電極區(qū)； 3)按照所需圖形在所述基底的表面上進(jìn)行電阻的制作，并與所述基底一起進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，在所述基底上形成連接所述導(dǎo)電電極區(qū)的厚膜電阻區(qū)； 4)在所述導(dǎo)電電極區(qū)上安裝連接導(dǎo)線。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的埋置式厚膜電阻應(yīng)變傳感器的制備方法，其特征在于，所述第2)和第3)步驟中，所述高溫?zé)Y(jié)包括三個階段: 第一階段，進(jìn)行升溫，以25-35°C /分鐘的速率升溫到800-900°C ； 第二階段，進(jìn)行保溫，達(dá)到第一階段的溫度后進(jìn)行保溫8-12分鐘； 第三階段，停止加熱，使?fàn)t體自然降溫，整個過程在110-130分鐘。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的埋置式厚膜電阻應(yīng)變傳感器的制備方法，其特征在于，所述石材為天然石材、陶瓷或者水泥石。
8.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的埋置式厚膜電阻應(yīng)變傳感器的制備方法，其特征在于，所述基底、導(dǎo)電電極區(qū)和厚膜電阻區(qū)形成立方體。
9.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的埋置式厚膜電阻應(yīng)變傳感器的制備方法，其特征在于，所述導(dǎo)電電極區(qū)和所述厚膜電阻區(qū)的制作在所述高溫?zé)Y(jié)之前還包括印刷、流平及烘干的過程。
10.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的埋置式厚膜電阻應(yīng)變傳感器的制備方法，其特征在于，所述連接導(dǎo)線焊接于所述導(dǎo)電電極區(qū)上。
【文檔編號】G01B7/16GK104006735SQ201410262302
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年6月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月12日
【發(fā)明者】關(guān)新春, 李惠, 歐進(jìn)萍 申請人:智性科技南通有限公司