0]
[0071]
[0072]
[0073] 以上數(shù)學(xué)關(guān)系包含了將碳纖維布置在各種不同位置時，其拉壓轉(zhuǎn)換時的數(shù)學(xué)關(guān) 系，現(xiàn)以此為原型，設(shè)計本發(fā)明所述的傳感器4如圖5所示。
[0074] 由外弦桿作為四邊形的邊，外弦桿由剛性金屬材料制成，兩兩相互順序鉸接于A、 B、C、D四個結(jié)點(diǎn)，構(gòu)成在外力作用下其形狀可變的四邊形。在每根外弦桿上鉆有若干個光 滑通孔，通孔在每個角度都進(jìn)行弧形打磨，去除所有尖銳、鋒利工作面；在所述通孔上添加 潤滑劑，防止產(chǎn)生較大的局部摩擦力。
[0075] 碳纖維絲2的貫穿方式如圖5所示：碳纖維絲2從外弦桿ADll的第一個通孔11-1 開始，固定于所述通孔11-1，從所述通孔11-1的反面穿入、正面穿出，之后貫穿到外弦桿 AB12的第一個通孔12-1，從所述通孔12-1的正面穿入、反面穿出，再貫穿到所述通孔12-2 的反面，從所述通孔12-2的反面穿入、正面穿出，之后貫穿到外弦桿ADll的第二個通孔 11-2，從所述通孔11-2的正面穿入、反面穿出，再貫穿到所述通孔11-3，從所述通孔11-3的 反面穿入、正面穿出，再貫穿到所述通孔12-3,從所述通孔12-3的正面穿入、反面穿出，再 貫穿到所述通孔12-4,從所述通孔12-4的反面穿入、正面穿出，再貫穿到所述通孔11-4,從 所述通孔11-4的正面穿入、反面穿出，再貫穿到外弦桿BC3的第一個通孔13-1，從所述通孔 13-1的反面穿入、正面穿出，再貫穿到外弦桿⑶4的第一個通孔14-1，從所述通孔14-1的 正面穿入、反面穿出，再貫穿到所述通孔14-2,從14-2的反面穿入，正面穿出，再貫穿到所 述通孔13-2,從所述通孔13-2的正面穿入、反面穿出，再貫穿到13-3,從所述通孔13-3的 反面穿入、正面穿出，再貫穿到所述通孔14-3,從所述通孔14-3的正面穿入、反面穿出，再 貫穿到14-4,從所述通孔14-4的反面穿入、正面穿出，再貫穿到所述通孔13-4,從所述通孔 13-4的正面穿入、反面穿出，最后固定在所述通孔13-4的正面，防止碳纖維絲2滑移；。
[0076] 在圓孔處涂刷潤滑劑加以保護(hù)，對于所述傳感器4,在垂直于所述碳纖維絲2的方 向，即圖5中X軸方向可以自由伸長，但必須在外力作用下才能縮短，在平行于所述碳纖維 絲2的方向，即圖5中y方向上可以自由縮短，但必須在外力作用下才能伸長。
[0077] 當(dāng)對圖5中A、C點(diǎn)施加等值反向的壓力Fc時，貫穿其中所述通孔中的碳纖維將受 到拉力，當(dāng)壓力Fc足夠大，以至于使得所述拉壓轉(zhuǎn)換裝置1產(chǎn)生明顯形變，即在X方向AC 兩點(diǎn)的距離變小，BD兩點(diǎn)的距離變長，根據(jù)結(jié)構(gòu)協(xié)同變形的幾何關(guān)系，貫穿于其中的碳纖維 也將被拉長。至此，所述拉壓轉(zhuǎn)換裝置1完成了對橫向壓應(yīng)變到豎向拉應(yīng)變的轉(zhuǎn)換。根據(jù) 之前的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，可以計算出貫穿其中所有碳纖維的總伸長量：
[0078] Acfrp= 2m · [Η( λ , b, a, δ )+F( λ , η , b, δ )]+G( λ , b, c, δ )
[0079] 其中，m代表單根外弦桿上的孔數(shù)。
[0080] 實(shí)施例1
[0081] 圖6所示為本發(fā)明所述的傳感器4的一個實(shí)施例的立體結(jié)構(gòu)圖，所述基于柔性碳 纖維絲2的傳感器4,包括、至少一束柔性碳纖維，所述拉壓轉(zhuǎn)換裝置1包括4根剛性外弦桿 相互交叉布置，兩兩首尾相鉸接構(gòu)成一個形狀可變的四邊形，為拉壓轉(zhuǎn)換裝置1。為了計算 方便，所述外弦桿組成的形狀可變的四邊形優(yōu)選為為四邊長度相等的四邊形。所述外旋桿 上設(shè)置數(shù)個通孔；一束柔性碳纖維絲2貫穿于所述通孔中，具體地，所述柔性碳纖維絲2交 替穿過相鄰的兩根外弦桿上的通孔，所述碳纖維絲2的兩端端部設(shè)置一直徑大于所述通孔 的結(jié)，以固定所述碳纖維絲2。為了減小摩擦，所述外弦桿的鉸接孔、通孔處打磨光滑、并涂 抹潤滑劑。同時在所述外旋桿具有通孔的部位設(shè)有保護(hù)罩3,以防止被測工程構(gòu)件對碳纖維 絲2產(chǎn)生摩擦。
[0082] 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，產(chǎn)生局部壓應(yīng)變， 將本發(fā)明所述的傳感器4放置在梁壓應(yīng)變位置時，其拉壓轉(zhuǎn)換裝置1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2,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4的功能。
[0083] 本發(fā)明所述的傳感器4的尺寸對于實(shí)際工程構(gòu)件來說較小，可以將其視為點(diǎn)。將 所述傳感器4布置于工程構(gòu)件上時，實(shí)際測量的時該工程構(gòu)件在該點(diǎn)的應(yīng)變。而在實(shí)際工 程應(yīng)用中，在待測工程構(gòu)件的受壓區(qū)域，固定所述傳感器4A、C兩點(diǎn)，懸空B、D兩點(diǎn)來安裝傳 感器4,如圖8所示，即使位于兩根外弦桿之間的碳纖維絲2與壓應(yīng)力的方向相垂直，碳纖維 絲2受拉，拉應(yīng)力與受壓方向垂直。當(dāng)壓區(qū)產(chǎn)生壓應(yīng)變時，AC之間發(fā)生壓應(yīng)變，從而協(xié)同所 鉸接的碳纖維絲2發(fā)生拉應(yīng)變，根據(jù)全部碳纖維絲2的電阻變化量之和，即可反推出AC兩 點(diǎn)對應(yīng)壓區(qū)長度元的壓應(yīng)變。AC間距相對于整個結(jié)構(gòu)來說較小，因此測量值即為AC微小長 度段內(nèi)的平均應(yīng)變。
[0084] 在待測工程構(gòu)件的受拉區(qū)域，固定所述傳感器4B、D兩點(diǎn)，懸空A、C兩點(diǎn)來安裝傳 感器4,如圖9所示，即使位于兩根外弦桿之間的碳纖維絲2與拉應(yīng)力的方向相平行，碳纖維 絲2仍受拉，不過拉應(yīng)力與受壓方向平行。當(dāng)拉區(qū)產(chǎn)生拉應(yīng)變時，AC之間發(fā)生壓應(yīng)變，從而 協(xié)同所鉸接的碳纖維絲2發(fā)生拉應(yīng)變，根據(jù)全部碳纖維絲2的電阻變化量之和，即可反推出 AC兩點(diǎn)對應(yīng)壓區(qū)長度元的壓應(yīng)變。AC間距相對于整個結(jié)構(gòu)來說較小，因此測量值即為AC 微小長度段內(nèi)的平均應(yīng)變。
[0085] 實(shí)施例2
[0086] 本發(fā)明所述傳感器4布置方式比較靈活，既可以像實(shí)施例1中所述的單個布置，也 可由多個子傳感器4組合構(gòu)成線形的傳感器4。如圖10所示，使用至少5根外旋桿，相互交 叉布置，兩個外旋桿相重疊的部分鉸接，構(gòu)成至少兩個形狀可變的四邊形，由于所述至少兩 個四邊形的邊框共用部分外弦桿，其形狀的變換是協(xié)同發(fā)生的，可用于梁柱等結(jié)構(gòu)上的近 似連續(xù)測量。在使用中，將線形傳感器4連續(xù)布置于梁柱等結(jié)構(gòu)上，測得其相應(yīng)的應(yīng)變值， 由于所述子傳感器4尺寸相對梁柱等結(jié)構(gòu)來說較小，因此將這些離散的測量數(shù)據(jù)擬合，即 可得到整個梁柱等結(jié)構(gòu)沿線性傳感器4延伸方向的近似應(yīng)變曲線，如圖11所示。
[0087] 實(shí)施例3
[0088] 如圖12所示，使用至少6根外旋桿，相互交叉布置，兩個外旋桿相重疊的部分鉸 接，構(gòu)成至少三個形狀可變的四邊形，構(gòu)成面型傳感陣列由于所述至少三個四邊形的邊框 共用部分外弦桿，其形狀的變換是協(xié)同發(fā)生的，可用于板式結(jié)構(gòu)測量，如圖11所示。本實(shí)施 例中設(shè)置了九個形狀可變的四邊形，即9個子傳感器4,組成3*3的傳感器4陣列，每個子傳 感器4測量值為該子區(qū)域內(nèi)的平均應(yīng)變，由于子區(qū)域相對于整個板式結(jié)構(gòu)來說較小，可以 視為點(diǎn)。因此，對于面型的傳感陣列，其測量值可以寫成板式結(jié)構(gòu)的應(yīng)變矩陣：A (i，j，k)， 其中i代表x方向位置，j代表y方向位置，k代表該點(diǎn)的應(yīng)變值。該空間矩陣近似擬合，可 以進(jìn)一步繪制成空間曲面，如圖13所示，能更為直觀表現(xiàn)各點(diǎn)的應(yīng)變情況。
[0089] 所述實(shí)施例為本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施方式，但本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式，在不 背離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠做出的任何顯而易見的改進(jìn)、替換 或變型均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項】
1. 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（I)、至少一束柔 性碳纖維，所述拉壓轉(zhuǎn)換裝置（1)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)個通孔；每個所述四邊形的邊框上的通孔中貫穿一束柔性碳纖 維絲（2)，所述柔性碳纖維絲（2)交替穿過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)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述外弦桿組成的形狀可變的四邊形 為四邊長度相等的四邊形。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述外旋桿具有通孔的部位設(shè)有保護(hù) 罩⑶。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述通孔及兩根外弦桿的鉸接處打磨 光滑、并涂抹潤滑劑。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述外弦桿構(gòu)成多個形狀可變的四邊 形，所述多個四邊形位于同一條直線上。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述外弦桿構(gòu)成多個形狀可變的四邊 形，所述多個四邊形構(gòu)成一個平面。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于柔性碳纖維絲的傳感器，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)個通孔；每個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)。所述傳感器的加工工藝相對簡單，成本較低，解決了柔性碳纖維絲作為傳感元無法受壓的問題，且安裝、卸載柔性碳纖維絲均較為方便，重復(fù)性好；擴(kuò)展性較好，還可組成線形或面型傳感器陣列。
【IPC分類】G01L1/22
【公開號】CN105136355
【申請?zhí)枴緾N201510574647
【發(fā)明人】劉榮桂, 黃俊捷, 許兆輝, 劉聃, 梁戈
【申請人】江蘇大學(xué)
【公開日】2015年12月9日
【申請日】2015年9月10日