一種基于柔性碳纖維絲的傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)計(jì)土木工程中使用的壓力傳感器，尤其是一種基于柔性碳纖維絲的傳感 器。
【背景技術(shù)】
[0002] 碳纖維材料因其輕質(zhì)高強(qiáng)、抗疲勞、抗腐蝕等優(yōu)良性能而被廣泛應(yīng)用于軍事、航天 等諸多領(lǐng)域，同時(shí)，研究表明，該材料具有良好的自感知特性，其力阻效應(yīng)明顯。根據(jù)電阻定 律：
[0003]
[0004] P :材料的電阻率；L :材料的長(zhǎng)度；S :材料的橫截面積
[0005] 因此，若材料的電阻率P保持不變，增大其長(zhǎng)度L或者縮小其截面積S，材料的電 阻值均會(huì)增大。碳纖維材料受拉時(shí)，其電阻率近似不變，長(zhǎng)度增大，截面積減小，因此其受 拉，產(chǎn)生拉應(yīng)變后，電阻值會(huì)增大。
[0006] 以碳纖維作為傳感元，設(shè)計(jì)為傳感器，并應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域，可以使碳纖維同時(shí) 具備結(jié)構(gòu)性能和測(cè)量性能的雙重特性，是目前土木工程研究的熱點(diǎn)。但是，開(kāi)發(fā)這樣的傳感 器也存在許多的問(wèn)題和困難。
[0007] 對(duì)于電阻應(yīng)變片傳感器而言，其既能應(yīng)用于受拉測(cè)試，又能應(yīng)用于受壓測(cè)試。然 而，對(duì)于柔性碳纖維絲而言，將其作為傳感元應(yīng)用于受拉測(cè)試，尚可以實(shí)現(xiàn)，但是如果想使 其測(cè)量壓區(qū)，則存在如下的問(wèn)題：對(duì)于碳纖維絲柔性材料，只能受拉，無(wú)法受壓，如圖1所 不。
[0008] -般，傳感器是需要布置于各種不同受力區(qū)域的（廣義上包括壓區(qū)和拉區(qū)），所 以，要基于碳纖維的力阻特性（應(yīng)變-電阻特性），研發(fā)壓區(qū)的傳感器，必須要避免碳纖維受 壓。因此，本發(fā)明就是設(shè)計(jì)了一種拉壓轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，它能夠基于柔性碳纖維絲的拉伸特性，來(lái) 實(shí)現(xiàn)對(duì)壓區(qū)的測(cè)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 針對(duì)上述的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于柔性碳纖維絲的傳感器，能夠?qū)⒋郎y(cè)結(jié)構(gòu) 的壓應(yīng)變轉(zhuǎn)換為碳纖維的拉應(yīng)變，實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)結(jié)構(gòu)壓區(qū)的應(yīng)變（應(yīng)力）的測(cè)量，為碳纖維傳 感器的廣泛應(yīng)用提供技術(shù)支持。
[0010] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0011] 一種基于柔性碳纖維絲的傳感器，其特征在于，包括拉壓轉(zhuǎn)換裝置、至少一束柔性 碳纖維，所述拉壓轉(zhuǎn)換裝置包括至少4根剛性外弦桿，所述外弦桿相互交叉布置，兩根外旋 桿重疊的部分相互鉸接，構(gòu)成至少一個(gè)形狀可變的四邊形，所述外旋桿上構(gòu)成所述四邊形 邊框的部分設(shè)置有數(shù)個(gè)通孔；每個(gè)所述四邊形的邊框上的通孔中貫穿一束柔性碳纖維絲， 所述柔性碳纖維絲交替穿過(guò)兩根外弦桿上的通孔，所述纖維束的兩端端部固定在所述外旋 桿上或設(shè)置一直徑大于所述通孔的結(jié)。
[0012] 優(yōu)選地，所述外弦桿組成的形狀可變的四邊形為四邊長(zhǎng)度相等的四邊形。
[0013] 優(yōu)選地，所述外旋桿具有通孔的部位設(shè)有保護(hù)罩。
[0014] 優(yōu)選地，所述通孔及兩根外弦桿的鉸接處打磨光滑、并涂抹潤(rùn)滑劑。
[0015] 優(yōu)選地，所述外弦桿構(gòu)成多個(gè)形狀可變的四邊形，所述多個(gè)四邊形位于同一條直 線上。
[0016] 優(yōu)選地，所述外弦桿構(gòu)成多個(gè)形狀可變的四邊形，所述多個(gè)四邊形構(gòu)成一個(gè)平面。
[0017] 本發(fā)明根據(jù)桁架工作原理，實(shí)現(xiàn)待測(cè)的壓應(yīng)變轉(zhuǎn)換為碳纖維絲的拉應(yīng)變的轉(zhuǎn)換。 桁架結(jié)構(gòu)，只存在拉應(yīng)力與壓應(yīng)力。當(dāng)對(duì)其中某一個(gè)桿件施加壓力時(shí)，該壓力會(huì)隨著桁架傳 遞，最終可能在桁架其他某些桿件中形成拉應(yīng)力，即拉壓轉(zhuǎn)換，以拉代壓的核心思想，數(shù)學(xué) 模型如下：
[0018] 根據(jù)勾股定理，圖2所示的桁架變形前后分別有如下兩個(gè)方程：
[0019] C2= a2+b2
[0020] C2= (b- δ ) 2+ (a+ μ )2
[0021] 其中c為斜邊長(zhǎng)度；a、b分別為兩個(gè)直角邊長(zhǎng)度；δ為X方向縮短長(zhǎng)度；μ為Y方 向伸長(zhǎng)長(zhǎng)度。
[0022] 將斜邊c作為剛體考慮，即不考慮其形變，將兩直角邊a、b作為彈性體考慮。當(dāng)保 持斜邊c度不變，直角邊b的長(zhǎng)度縮短，則直角邊a的長(zhǎng)度必然增大。據(jù)此，如果把縮短的 直角b邊類比于壓區(qū)待測(cè)變化長(zhǎng)度，把伸長(zhǎng)的直角邊a類比于碳纖維，則當(dāng)壓區(qū)待測(cè)變化長(zhǎng) 度所代表的b縮短時(shí)，碳纖維所代表的a直角邊必然伸長(zhǎng)，即完成了從壓應(yīng)變到拉應(yīng)變的轉(zhuǎn) 換。
[0023] 以梁為例，如圖7所示，當(dāng)其受到軸向壓力或者彎矩等作用時(shí)，產(chǎn)生局部壓應(yīng)變， 將本發(fā)明所述的傳感器放置在梁壓應(yīng)變位置時(shí)，其拉壓轉(zhuǎn)換裝置受到梁上部的壓應(yīng)變，并 將壓應(yīng)變轉(zhuǎn)換為拉伸形變，如圖7 (d)所示，并傳遞給碳纖維絲，使碳纖維承受拉應(yīng)變，如圖 7 (e)所示，從而完成拉壓轉(zhuǎn)換的過(guò)程，最終根據(jù)碳纖維的拉應(yīng)變反推出梁的壓應(yīng)變實(shí)現(xiàn)傳 感器的功能。
[0024] 本發(fā)明的有益效果：
[0025] (1)碳纖維作為一種新型材料，具有較好的抗拉性能，用它作為傳感器具有比較大 的測(cè)量范圍，其次，由于碳纖維作為一種柔性材料，無(wú)法承受壓力，從而對(duì)于碳纖維作為傳 感器測(cè)量受壓區(qū)，存在較大的限制，因此本發(fā)明旨在解決這一限制，采用以拉代壓的設(shè)計(jì)思 路，能使得碳纖維作為柔性傳感元材料，也能對(duì)受壓區(qū)進(jìn)行測(cè)量；
[0026] (2)本發(fā)明的加工工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低，且安裝、卸載柔性碳纖維絲均較為方 便，重復(fù)性好；
[0027] (3)本發(fā)明擴(kuò)展性較好，布置方式靈活，可以分別布置成點(diǎn)式、線式、面式、三種形 式，從而滿足工程中不用的測(cè)量要求。
【附圖說(shuō)明】
[0028] 圖1為柔性碳纖維絲受拉受壓示意圖。
[0029] 圖2為拉壓轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)原理圖。
[0030] 圖3為相鄰?fù)庀覘U布置碳纖維絲的計(jì)算原理圖。
[0031] 圖4為對(duì)邊外弦桿布置碳纖維絲的計(jì)算原理圖。
[0032] 圖5為以柔性碳纖維絲為傳感器設(shè)計(jì)圖。
[0033] 圖6為本發(fā)明所述基于柔性碳纖維絲的傳感器的結(jié)構(gòu)圖。
[0034] 圖7為所述傳感器的原理結(jié)構(gòu)圖。
[0035] 圖8為所述傳感器在壓區(qū)的安裝示意圖。
[0036] 圖9為所述傳感器在拉區(qū)的安裝示意圖。
[0037] 圖10為線形傳感器的結(jié)構(gòu)及安裝示意圖。
[0038] 圖11為線形傳感器的測(cè)量結(jié)果擬合曲線。
[0039] 圖12為面型傳感器的結(jié)構(gòu)及安裝示意圖。
[0040] 圖13為面型傳感器陣列測(cè)量結(jié)果擬合圖。
[0041] 附圖標(biāo)記說(shuō)明如下：
[0042] 1-拉壓轉(zhuǎn)換裝置，11-外弦桿AD，12-外弦桿AB，13-外弦桿BC，14-外弦桿CD， ll-ι外弦桿AD的第一個(gè)通孔，11-2外弦桿AD的第二個(gè)通孔，11-3外弦桿AD的第三個(gè)通 孔，11-4外弦桿AD的第四個(gè)通孔，12-1外弦桿AB的第一個(gè)通孔，12-2外弦桿AB的第二個(gè) 通孔，12-3外弦桿AB的第三個(gè)通孔，12-4外弦桿AB的第四個(gè)通孔，13-1外弦桿BC的第一 個(gè)通孔，13-2外弦桿BC的第二個(gè)通孔，13-3外弦桿BC的第三個(gè)通孔，13-4外弦桿BC的第 四個(gè)通孔，14-1外弦桿⑶的第一個(gè)通孔，14-2外弦桿⑶的第二個(gè)通孔，14-3外弦桿⑶的 第三個(gè)通孔，14-4外弦桿⑶的第四個(gè)通孔，2-柔性碳纖維絲，3-保護(hù)罩，4-傳感器。
【具體實(shí)施方式】
[0043] 為了更清楚的說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】做 進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0044] 本發(fā)明根據(jù)桁架工作原理，實(shí)現(xiàn)待測(cè)的壓應(yīng)變轉(zhuǎn)換為碳纖維絲2的拉應(yīng)變的轉(zhuǎn) 換。桁架結(jié)構(gòu)，只存在拉應(yīng)力與壓應(yīng)力。當(dāng)對(duì)其中某一個(gè)桿件施加壓力時(shí)，該壓力會(huì)隨著桁 架傳遞，最終可能在桁架其他某些桿件中形成拉應(yīng)力，即拉壓轉(zhuǎn)換，以拉代壓的核心思想， 數(shù)學(xué)模型如下：
[0045] 根據(jù)勾股定理，圖2所示的桁架變形前后分別有如下兩個(gè)方程：
[0046] C2= a 2+b2
[0047] c2= (b_ δ ) 2+(a+μ )2
[0048] 其中c為斜邊長(zhǎng)度；a、b分別為兩個(gè)直角邊長(zhǎng)度；δ為X方向縮短長(zhǎng)度；μ為Y方 向伸長(zhǎng)長(zhǎng)度。
[0049] 將斜邊c作為剛體考慮，即不考慮其形變，將兩直角邊a、b作為彈性體考慮。當(dāng)保 持斜邊c度不變，直角邊b的長(zhǎng)度縮短，則直角邊a的長(zhǎng)度必然增大。據(jù)此，如果把縮短的 直角b邊類比于壓區(qū)待測(cè)變化長(zhǎng)度，把伸長(zhǎng)的直角邊a類比于碳纖維，則當(dāng)壓區(qū)待測(cè)變化長(zhǎng) 度所代表的b縮短時(shí)，碳纖維所代表的a直角邊必然伸長(zhǎng)，即完成了從壓應(yīng)變到拉應(yīng)變的轉(zhuǎn) 換。
[0050] 具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，拉-壓應(yīng)變關(guān)系的數(shù)學(xué)關(guān)系如下：
[0051] I.碳纖維絲布置于桁架鄰邊位置：
[0052] 如圖3所示，四邊形AB⑶四邊長(zhǎng)度保持不變，將碳纖維絲2布置于圖3中麗處， 假設(shè)AC為縮短方向，BD為伸長(zhǎng)方向，則麗的伸長(zhǎng)量計(jì)算如下：
[0053] 根據(jù)：cosA = (b2+c2_a2)/2bc
[0059][0060] 因此，麗的拉應(yīng)變?yōu)椋篬0061] Δ ΜΝ= Μ' Ν' -MN = F ( λ，η，b，δ )
[0054]
[0055]
[0056]
[0057]
[0058]
[0062] 其中λ、τι分別代表Μ、N在AD和AB上的相對(duì)位置比值，即
[0063]
[0064] 特別的，當(dāng)碳纖維布置方向與受壓方向垂直時(shí)（即MN丄AC，λ = r〇
[0065]
[0066] II.碳纖維絲對(duì)稱布置于桁架對(duì)邊方向：
[0067] 如圖4所示，四邊形AB⑶長(zhǎng)度四邊保持不變，將碳纖維絲2布置于圖4中麗處， 假設(shè)AC為縮短方向，BD為伸長(zhǎng)方向，則麗的伸長(zhǎng)量計(jì)算如下：
[0068]
[0069]
[007