机敏水泥基传感元件信号的无线采集传输系统

随着科学技术和社会需求的不断发展,工程结构日趋大型化和复杂化。由于混凝土材料可靠性低、离散性大,加之恶劣的使用环境对混凝土材料及工程结构的破坏作用,使混凝土工程结构的安全性、可靠性和耐久性问题更为突出。因此必须对一些重大、重要混凝土工程结构在建造和服役过程中的性能和安全状况采用合理的安全监测措施[1-4]。

在混凝土结构监测中应用最为广泛的是电测传感元件(如电阻应变计、振弦式传感器)以及光纤传感元件,但耐久性和相容性差是它们在工程应用中的共性问题[5,6]。而具有应力/应变自感知性能的机敏水泥基材料的出现,可克服上述传感元件的缺点。所谓机敏水泥基复合材料是在普通的水泥基材料中均匀地掺进适当的功能组分,在力场的作用下,复合材料的微观结构发生变化,导电通路受到影响,会导致其体积电阻发生有规律的改变,从而具有感知特性,即机敏性(包括压阻性和拉阻性)。自1989年Chung教授首次提出碳纤维水泥基复合材料的机敏性以来,国内外的学者从材料的组成、制备工艺和测试方法等角度对机敏水泥基材料进行了深入系统的研究,而且对其工程应用形式进行了一些探索,例如用于车辆称重、交通测速、混凝土中钢筋锈蚀的监测以及混凝土梁、柱的受力、变形监测等[7-12]。但对于用其制成(或构成)的传感元件的传感信号无线采集传输方法的研究还未见报道。传统的传感信号采集传输,主要采用的是“有线”方式来实现,尽管这种方式采集传输信号准确、抗干扰性好,但其布线量大、采集精度受布线长度的影响、安装和维护费用高、可靠性差,甚至在一些结构中无法布线。随着传感技术和无线通信技术的发展,无线采集传输技术脱颖而出,为上述问题的解决提供了途径[13,14]。

在此笔者结合机敏水泥基传感元件传感信号的特点和模块化的设计思路,提出机敏水泥基传感元件的信号无线采集传输系统的设计方法,力争实现采集传输以及集成电路小型化、高可靠性和低成本。

1　机敏水泥基传感元件及其传感机理

传感元件可采用如图1的嵌入式(制成小型传感元件相当于“传感”骨料)、层合式(传感层和结构层构成)或结构-感知一体式来感知结构的应力和应变及损伤程度。与传统的电阻应变片相比,其具有较高的灵敏因数(可高达700,而常用的电阻应变片的灵敏因数仅为2)、良好的相容性和耐久性(由于其组成材料和混凝土结构同质同源或本身即为结构材料)。

以图2所示嵌入式机敏水泥基传感元件[11]为例,说明其传感机理。图3是该传感元件的压应力/应变(σ/ε)和电阻率Δρ变化率之间的关系。由图3可见,两者之间存在良好的对应关系。通过标定可得Δρ/ρ=ασ和Δρ/ρ=kε(α和k为常数),将其埋入混凝土结构中即可通过其电阻率(或电阻)的变化实时、在线地监测混凝土结构局部压应力/应变。