埋置式厚膜電阻應(yīng)變傳感器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)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(cè)，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(duì)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。本實(shí)用新型具有靈敏度高、與混凝土匹配性好、穩(wěn)定性好且耐久性好的優(yōu)點(diǎn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】埋置式厚膜電阻應(yīng)變傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及混凝土應(yīng)變監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種埋置式厚膜電阻應(yīng)變傳感器。

【背景技術(shù)】
[0002]對(duì)重大工程結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)和診斷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的損傷，并評(píng)估其安全性，預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的性能變化和剩余壽命并做出維護(hù)決定，對(duì)提高工程結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)效率、保障人民生命財(cái)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(lái)越迫切的要求。
[0003]一般的混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括傳感器系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、分析系統(tǒng)，損傷識(shí)別、模型修正、安全評(píng)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(cè)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(cè)的內(nèi)容，而且直接決定了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性和工作壽命而應(yīng)變是評(píng)價(jià)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(jì)、半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)等。雖然應(yīng)變傳感器種類(lèi)眾多，但各自都或多或少存在一些問(wèn)題。
[0004]光纖傳感器的最大劣勢(shì)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(wèn)題；而金屬應(yīng)變計(jì)靈敏度低，應(yīng)變系數(shù)僅為2，采用樹(shù)脂粘貼，易受外界環(huán)境影響并會(huì)隨時(shí)間老化；半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)最主要的缺點(diǎn)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(guò)手工或自動(dòng)的絲網(wǎng)印刷工藝，經(jīng)燒結(jié)即可實(shí)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(shí)，導(dǎo)電顆粒在基體內(nèi)的分布就會(huì)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(gè)電阻元件，其壓阻效應(yīng)還沒(méi)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(lèi)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(shí)，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??；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(guò)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(lèi)壓力傳感器僅適用于氣體或液體的壓力測(cè)量，不適用于固體內(nèi)部的壓力測(cè)量。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0007]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型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(shí)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，本實(shí)用新型的技術(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(cè)，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(duì)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]采用上述技術(shù)方案的有益效果在于:本實(shí)用新型利用厚膜電阻的應(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(shí)本實(shí)用新型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(wèn)題，更使得傳感器成為了混凝土的一部分；此外該類(lèi)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(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為本實(shí)用新型的埋置式厚膜電阻應(yīng)變傳感器的立體圖。
[0019]圖2為本實(shí)用新型的埋置式厚膜電阻應(yīng)變傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖3為本實(shí)用新型的埋置式厚膜電阻應(yīng)變傳感器的工作示意圖。
[0021]圖4為本實(shí)用新型的埋置式厚膜電阻應(yīng)變傳感器的性能曲線圖。
[0022]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(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式。
[0024]為了達(dá)到本實(shí)用新型的目的，如圖1-3所示，在本實(shí)用新型的埋置式厚膜電阻應(yīng)變傳感器的第一種實(shí)施方式中，其用于混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)變監(jiān)測(cè)，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(duì)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。
[0025]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(shí)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(wèn)題，更使得傳感器成為了混凝土的一部分；此外該類(lèi)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。
[0026]為了進(jìn)一步地優(yōu)化上述第一種實(shí)施方式的實(shí)施效果，在本實(shí)用新型的埋置式厚膜電阻應(yīng)變傳感器的第二種實(shí)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。
[0027]為了進(jìn)一步地優(yōu)化上述第一種實(shí)施方式的實(shí)施效果，如圖1-3所示，在本實(shí)用新型的埋置式厚膜電阻應(yīng)變傳感器的第三種實(shí)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(shí)際變化對(duì)形狀作出變化，如圓形、長(zhǎng)方形或者其他形狀，在此不再一一贅述。
[0028]為了進(jìn)一步地優(yōu)化上述第一種實(shí)施方式的實(shí)施效果，如圖1-3所示，在本實(shí)用新型的埋置式厚膜電阻應(yīng)變傳感器的第四種實(shí)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。
[0029]結(jié)合圖1-3所示，在本實(shí)用新型的埋置式厚膜電阻應(yīng)變傳感器的制備方法的第一種實(shí)施方式中，其包括了以下步驟:
[0030]I)選取石材作為基底材料，并對(duì)所述石材的表面進(jìn)行研磨處理，形成基底，即石材基底2 ;
[0031]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 ；
[0032]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 ；
[0033]4)在導(dǎo)電電極區(qū)上安裝連接導(dǎo)線3。

電阻變化率M//?
[0034]如圖4所示，應(yīng)變系數(shù)GF=^函^ =同時(shí)結(jié)合圖3，傳感器的上下
'O
兩個(gè)面為受壓面，當(dāng)施加一個(gè)均布荷載F，傳感器就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變?chǔ)?，由于厚膜電阻的厚度與傳感器尺寸相比可忽略不計(jì)，可認(rèn)為厚膜電阻的應(yīng)變等于基底的應(yīng)變；厚膜電阻GF是表征厚膜電阻應(yīng)變計(jì)電阻變化對(duì)應(yīng)變敏感性的參數(shù)。其定義為電阻的相對(duì)變化量(AR/!?)與軸向應(yīng)變(ε = Λ 1/1)的比值:GF = (Λ_/Λ1/1。
[0035]所以此時(shí)通過(guò)引出的導(dǎo)線測(cè)量電阻的變化情況即可通過(guò)應(yīng)變系數(shù)換算出此時(shí)的應(yīng)變?chǔ)?，由于傳感器與混凝土的匹配性較好，可以認(rèn)為該結(jié)構(gòu)位置的應(yīng)變即為ε。
[0036]本制備方法利用厚膜電阻的應(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(shí)本制備方法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(wèn)題，更使得傳感器成為了混凝土的一部分；此外該類(lèi)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。
[0037]為了進(jìn)一步地優(yōu)化上述制備方法第一種實(shí)施方式的實(shí)施效果，在本實(shí)用新型的埋置式厚膜電阻應(yīng)變傳感器的制備方法的第二種實(shí)施方式中，第2)和第3)步驟中，高溫?zé)Y(jié)包括三個(gè)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(gè)過(guò)程在110-130分鐘。作為優(yōu)選，我們?cè)诘谝浑A段中可以選取850°C，在第二階段中保溫10分鐘，在第三階段中降溫120分鐘，當(dāng)然，在實(shí)際中，我們也可以根據(jù)實(shí)際的加工需要進(jìn)行在本范圍內(nèi)的調(diào)整，在此不再一一列舉。通過(guò)三步的灼燒，使得基底在這一溫度下不分解、體積膨脹較小、灼燒后強(qiáng)度較高且不產(chǎn)生裂紋。
[0038]為了進(jìn)一步地優(yōu)化上述制備方法第一種實(shí)施方式的實(shí)施效果，在本實(shí)用新型的埋置式厚膜電阻應(yīng)變傳感器的制備方法的第二種實(shí)施方式中，石材為天然石材、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間更優(yōu)的匹配性，其力學(xué)性能更接近于混凝土。
[0039]為了進(jìn)一步地優(yōu)化上述制備方法第一種實(shí)施方式的實(shí)施效果，在本實(shí)用新型的埋置式厚膜電阻應(yīng)變傳感器的制備方法的第三種實(shí)施方式中，如圖1-3所示，基底、導(dǎo)電電極區(qū)和厚膜電阻區(qū)形成立方體。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(shí)際變化對(duì)形狀作出變化，如圓形、長(zhǎng)方形或者其他形狀，在此不再一一贅述。
[0040]為了進(jìn)一步地優(yōu)化上述制備方法第一種實(shí)施方式的實(shí)施效果，在本實(shí)用新型的埋置式厚膜電阻應(yīng)變傳感器的制備方法的第四種實(shí)施方式中，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(guò)程，該制作過(guò)程屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)可以獲知的內(nèi)容，在此不再詳細(xì)贅述。
[0041]為了進(jìn)一步地優(yōu)化上述制備方法第一種實(shí)施方式的實(shí)施效果，在本實(shí)用新型的埋置式厚膜電阻應(yīng)變傳感器的制備方法的第五種實(shí)施方式中，連接導(dǎo)線還焊接于所述導(dǎo)電電極區(qū)上，防止導(dǎo)線損傷。
[0042]以上所述的僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本實(shí)用新型創(chuàng)造構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
【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(cè)，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(duì)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。
【文檔編號(hào)】G01B7/16GK203949622SQ201420313002
【公開(kāi)日】2014年11月19日 申請(qǐng)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(qǐng)人:智性科技南通有限公司