CN102494603A - 一种分布式高精度长标距碳纤维应变测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

一种分布式高精度长标距碳纤维应变测试装置及测试方法，涉及了一种用于土建交通结构中健康检测和监测的技术领域。本发明其中一个长标距碳纤维应变传感器作为工作片，另一个长标距碳纤维应变传感器作为温度补偿片；惠斯登温度补偿电桥的信号输出端与初级信号的信号输入端连接，初级信号的信号输出端与单片机的信号输入端连接，单片机的信号输出端与高可信度的近似真值的信号输入端连接。本发明的目的是在综合碳纤维材料在小应变范围内的传感性能，提供一种分布式高精度长标距碳纤维应变测试装置，实现在长期不稳定温度条件下对大范围内结构微小应变的感知以达到对结构的应力（应变）的连续检测和监测。

Description

一种分布式高精度长标距碳纤维应变测试装置及测试方法

 

技术领域

本发明涉及了一种用于土建交通结构中健康检测和监测的技术领域，尤其涉及了以碳纤维为基材的分布式高精度长标距碳纤维应变测试装置的技术领域。

 

背景技术

在结构健康监测系统中，长期的静态应力（应变）的监测以及结构在激励后动态响应的检测，是用来评价结构长期性能和损伤识别的重要方法。在实际应用中，一方面在小应变激励范围内高灵敏度的传感器容易受到噪音以及环境条件变化的影响，而导致监测系统不能正确反应结构自身的参数变化；另一方面，传统的‘点’式应变片常因局部应力集中而传感器自身损坏或因损伤点距离传感器较远而无法预知结构的破坏。此时，一种大范围监测可能的稳定传感器显得尤为重要。

对于混凝土结构中，其表面在100至200张拉微应变下就会出现微裂缝。因此，经济而且高灵敏度的传感器的选用是正确获得结构信息的前提保证。在实际应用中，在小应变范围内高灵敏度的传感器容易受到噪音以及环境条件变化的影响，而导致监测系统不能正确反应结构自身的参数变化。此时，对传感器的信号进行处理就显得尤为重要。

现在已经有研究提出利用复合碳纤维片材在大应变条件下，碳丝的微断裂而引起的信号阶跃作为结构破坏的预警器。但是对于碳纤维材料在小应变范围内的传感性能和信号特性的研究，还只是刚刚起步。

碳纤维是一种高强度的耐腐蚀结构材料，同时还具有力阻特性。作为一种新型传感材料，不但比传统的金属电阻应变式传感器更具有长期的稳定性，而且碳纤维材料受力而引起的电阻变化主要来自于电阻率变化而不是传感器的尺寸变化，因此与传统电阻应变式传感器的金属传感材料相比碳纤维具有灵敏度高和横向效应小的特点。

但是碳纤维本身是一种热敏材料，在应力/应变条件稳定而温度条件变化的情况下，其电阻会随温度的变化而明显变化，其温度系数为负值。另外因为碳纤维的电阻系数小电阻初值小，因此在小应变范围内测试时其输出信号偏小。在通过常用电阻测试方法的实际测量中，受测试条件的限制其输出信号不是稳定地显示一个值，其采样偏差离散现象严重。

 

发明内容

本发明的目的是在综合碳纤维材料在小应变范围内的传感性能，提供一种分布式高精度长标距碳纤维应变测试装置，实现在长期不稳定温度条件下对大范围内结构微小应变的感知以达到对结构的应力（应变）的连续检测和监测。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

一种分布式高精度长标距碳纤维应变测试装置，包括两个长标距碳纤维应变传感器、两个阻值与长标距碳纤维应变传感器相同的电阻，长标距碳纤维应变传感器、电阻、恒流电源按照惠斯登温度补偿电桥形式布置，其中一个长标距碳纤维应变传感器作为工作片，另一个长标距碳纤维应变传感器作为温度补偿片；惠斯登温度补偿电桥的信号输出端与初级信号的信号输入端连接，初级信号的信号输出端与单片机的信号输入端连接，单片机的信号输出端与高可信度的近似真值的信号输入端连接。

本发明的长标距碳纤维应变传感器包括连续碳纤维丝、树脂包覆层、测试电极，沿连续碳纤维丝长度方向的外周包覆树脂包覆层，连续碳纤维丝的两端分别涂抹5mm-10mm长度的导电树脂，导电树脂完全固化后形成导电树脂层，再在导电树脂层上焊接导线，形成所述测试电极。

本发明连续碳纤维丝的长度为50cm。

本发明连续碳纤维丝是由多根单向碳纤维丝沿纤维方向排列编织而成。

本发明连续碳纤维丝为高强度的碳纤维丝或高弹模的碳纤维丝。

本发明长标距碳纤维应变传感器的宽度与长度的比值小于0.02，厚度为0.1～0.5mm。

基于本发明的分布式高精度长标距碳纤维应变测试装置的测试方法，包括如下步骤：

第一步：搭建测试电桥：首先将其中一个长标距碳纤维应变传感器作为工作片安装在结构被监测部件上，其次将另一个长标距碳纤维应变传感器作为温度补偿片安装在同一空间内结构应变不敏感部件上，再将两个电阻接入惠斯登温度补偿电桥；

第二步：信号计测：将上述第一步搭建的惠斯登温度补偿电桥通过初级信号接入单片机，当工作片处于张拉状态下，在一次计测过程中对惠斯登温度补偿电桥的输出信号以频率f进行连续计测得到一组初级信号，其中f≥25；

第三步：近似真值计算：通过单片机的数字滤波算法，用于对上述初级信号进行滤波，最终输出一个高可信度的近似真值。

本发明的信号测试方法的有益效果是：获得的初级信号是惠斯登温度补偿电桥的输出信号，其信号不受温度的影响；获得的初级信号是对多次重复测量的初级信号通过单片机而获得可信度信的近似真值，减少了信号后期处理的步骤，提高了传感器的线性，解决了小应变测量时传感器的信号波动带来的影响。

本发明的分布式高精度长标距碳纤维应变测试装置的有益效果是：实现了以碳纤维为基体的新型长标距碳纤维应变传感器，其长久性能优越于传感金属电阻应变式传感器；实现了结构应变的监测和检测，与点式应变片相比更适合在大监测范围内反应结构整体信息，不但节约监测成本，也为大型结构如大跨度桥梁和边坡的整体监测提供了有效的工具；在小应变范围内为高精度的应变测量提供了保证。本发明适用于高精度的静态测试，也适用于高频率的动态测试。

 

附图说明

图1是本发明分布式高精度长标距碳纤维应变测试装置工作电路示意图。

图2是本发明长标距碳纤维应变传感器的结构示意图。

图3是本发明图1中长标距碳纤维应变传感器端部的俯视图。

图中：1、连续碳纤维丝；2、树脂包覆层；3、测试电极；4、导电树脂层；5、导线；6、工作片；7、温度补偿片；8、电阻；9、单片机；10、初级信号；11、恒流电源；12、高可信度近似真值。

 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

如图1所示，一种分布式高精度长标距碳纤维应变测试装置，包括两个长标距碳纤维应变传感器、两个阻值与长标距碳纤维应变传感器相同的电阻8，长标距碳纤维应变传感器、电阻8、恒流电源11按照惠斯登温度补偿电桥形式布置，其中一个长标距碳纤维应变传感器作为工作片6，另一个长标距碳纤维应变传感器作为温度补偿片7；惠斯登温度补偿电桥的信号输出端与初级信号10的信号输入端连接，初级信号10的信号输出端与单片机9的信号输入端连接，单片机9的信号输出端与高可信度的近似真值12的信号输入端连接。

如图2、图3所示，本发明的长标距碳纤维应变传感器包括连续碳纤维丝1、树脂包覆层2、测试电极3，沿连续碳纤维丝1长度方向的外周包覆树脂包覆层2，连续碳纤维丝1的两端分别涂抹5mm-10mm长度的导电树脂，导电树脂完全固化后形成导电树脂层4，再在导电树脂层4上焊接导线5，形成所述测试电极3。

本发明的长标距碳纤维应变传感器需要如下的制作步骤：

1）在平整的桌面上铺一层塑料薄膜，将由多根碳纤维丝沿纤维方向排列编织而成连续碳纤维丝1拉直平铺在塑料薄膜上；

2）在连续碳纤维丝1的两端沿纤维方向张拉，张拉条件在100微应变以下，并保持张拉状态不变；

3）在连续碳纤维丝1上选出一段50cm的长度作为传感段，在传感段的两端分布涂抹5mm-10mm长度的导电树脂，导电树脂完全固化后形成导电树脂层，其导电树脂为填银导电树脂；

4）再在导电树脂层上焊接导线，形成测试电极3，焊接方式点焊，焊接温度不宜过高，每个接头焊接时间不超过3秒，保证导电树脂层不氧化不起皮；

5）用软毛刷蘸取环氧树脂对连续碳纤维丝的传感段进行含浸处理，树脂的涂抹厚度为0.1～0.5mm；

6）在常温条件下静置1周后待树脂完全固化后，放松连续碳纤维丝，剪去测试电极外侧多余纤维。

本发明的连续碳纤维丝1的长度为50cm。

本发明的连续碳纤维丝1是由多根单向碳纤维丝沿纤维方向排列编织而成。

本发明的连续碳纤维丝1为高强度的碳纤维丝或高弹模的碳纤维丝。

本发明的长标距碳纤维应变传感器的宽度与长度的比值小于0.02，厚度为0.1～0.5mm。

基于本发明的分布式高精度长标距碳纤维应变测试装置的测试方法，包括如下步骤：

第一步：搭建测试电桥：首先将其中一个长标距碳纤维应变传感器作为工作片6安装在结构被监测部件上，其次将另一个长标距碳纤维应变传感器作为温度补偿片7安装在同一空间内结构应变不敏感部件上，再将两个电阻接入惠斯登温度补偿电桥；

第二步：信号计测：将上述第一步搭建的惠斯登温度补偿电桥通过初级信号10接入单片机9，当工作片6处于张拉状态下，在一次计测过程中对惠斯登温度补偿电桥的输出信号以频率f进行连续计测得到一组初级信号10，其中f≥25；

第三步：近似真值计算：通过单片机9的数字滤波算法，用于对上述初级信号10进行滤波，最终输出一个高可信度的近似真值12。

如图1所示，本发明的分布式高精度长标距碳纤维应变测试装置的信号由惠斯登温度补偿电桥测试获得，其惠斯登温度补偿电桥由一个工作片6、一个温度补偿片7、一个恒流电源11和二个标准电阻8组成；其惠斯登温度补偿电桥的初级信号10接入单片机9中，通过数字滤波算法得到高可信度的近似真值12，在本实例中使用了限幅平均滤波算法。

本发明的信号测试方法经过如下步骤实现：测试电桥搭建步骤，用于首先将一个长标距碳纤维应变测试装置作为工作片6安装在结构被监测部件上，其次将一个长标距碳纤维应变测试装置作为温度补偿片7安装在同一空间内结构应变不敏感部件上，再将2个阻值与工作片6和温度补偿片7一样的标准电阻8接入惠斯登温度补偿电桥，其中标准电阻8的选取需要反复调试，在本实例中标准电阻8的阻值为17～18欧姆；信号计测步骤，用于将电桥接入恒流电源9，对工作片6施加小应变级的循环加载卸载，在每个荷载点保持1～2秒并实行一次计测，在各次计测过程中对惠斯登温度补偿电桥的输出信号以频率f进行连续计测获得对应各级荷载的初级信号10，整个循环过程持续一天，在本实例中频率f为25Hz；近似真值计算步骤，用于对上述各级荷载对应的初级信号10进行数字滤波，通过限幅平均滤波算法计算95%置信区间内信号平均值，得到各级荷载对应的高可信度近似真值12。

根据试验结果可看出，尽管在一天的循环中温度呈现上下波动，但获得信号并没有随之变化而是真实的反应了荷载的变化；尽管在各级荷载点的初级信号10的噪音影响了对各级小应变变化的识别，但是进过处理的各级荷载对应的高可信度近似真值12在对应的各级荷载点表现出了明显的收敛，整个循环中处理后信号的线性非常好。因此，基于上述长标距碳纤维应变测试装置的静态信号处理方法处理后的信号适合对结构进行长期监测。

本发明的分布式长标距碳纤维应变测试装置可布置在混凝土梁上。将3个标距为50cm的长标距碳纤维应变测试装置被依次安装在一长1.8m的混凝土梁上，每个传感器中部都对应安装有对应监测长度的位移计。在混凝土梁中部预先刻有一段损伤，在梁两端张拉，对比长标距碳纤维应变测试装置和位移计的结果。

试验结果表明: 长标距碳纤维应变测试装置可以准确的监测梁通长范围内的应变分布；对传感器标距长度范围内的不均与应变可以通过特征值而真实反应；结构的整体变形可以成功被监测。

本发明的分布式长标距碳纤维应变测试装置可用于动态信号测量。将3个标距为50cm的长标距碳纤维应变传感器作为工作片依次安装在一长1.5m，宽5cm的简支钢梁上，每个传感器中部都对应安装有一采样频率50Hz的加速度计。

在本实例中长标距碳纤维应变传感器的动态信号测量过程经过如下步骤实现：信号计测步骤，用于将工作片所安装在钢梁上后，调整单片机的执行循环时间，使工作片的输出信号的频率为50HZ，当钢梁受激励后，连续计测输出信号得到初始动态应变信号；基线漂移去除步骤，用于将初始动态应变信号按时间序列排列，然后依次记录各个波峰和波谷的时间点，再计算各个波峰和波谷的时间点内所有信号平均值获得基线漂移线，最后将初始动态应变信号减去基线漂移线获得基线稳定的信号；信号降噪步骤，用于对获得的基线稳定的信号通过Birge—Massart策略确定的阈值，再用小波软阈值加权方法对基线稳定信号进行降噪获得降噪信号。

通过快速傅立叶变换分别从长标距碳纤维动态应变传感器处理后的动态信号和加速度计的信号从获得钢梁的响应的频率曲线，再从频率曲线的各段峰值中得到钢梁各阶固有频率。根据试验结果可看出，从长标距碳纤维动态应变传感器处理后的动态信号中获得的各阶固有频率和从加速度计的信号获得的各阶固有频率非常吻合，同时安装在简支钢梁中部的长标距碳纤维动态应变传感器只能获得1和3阶振型而安装在简支钢梁两端的长标距碳纤维动态应变传感器能获得1、2和3阶振型，这也符合简支梁的动态振型。因此，基于上述长标距碳纤维动态应变传感器的动态信号处理方法处理后的信号适合对结构进行长标距范围内动态监测。

Claims (7)

1.一种分布式高精度长标距碳纤维应变测试装置，其特征在于：包括两个长标距碳纤维应变传感器、两个阻值与长标距碳纤维应变传感器相同的电阻（8），长标距碳纤维应变传感器、电阻（8）、恒流电源（11）按照惠斯登温度补偿电桥形式布置，其中一个长标距碳纤维应变传感器作为工作片（6），另一个长标距碳纤维应变传感器作为温度补偿片（7）；惠斯登温度补偿电桥的信号输出端与初级信号（10）的信号输入端连接，初级信号（10）的信号输出端与单片机（9）的信号输入端连接，单片机（9）的信号输出端与高可信度的近似真值（12）的信号输入端连接。

2.根据权利要求1所述的分布式高精度长标距碳纤维应变测试装置，其特征在于：上述长标距碳纤维应变传感器包括连续碳纤维丝（1）、树脂包覆层（2）、测试电极（3），沿连续碳纤维丝（1）长度方向的外周包覆树脂包覆层（2），连续碳纤维丝（1）的两端分别涂抹5mm-10mm长度的导电树脂，导电树脂完全固化后形成导电树脂层（4），再在导电树脂层（4）上焊接导线（5），形成所述测试电极（3）。

3.根据权利要求2所述的分布式高精度长标距碳纤维应变测试装置，其特征在于：上述连续碳纤维丝（1）的长度为50cm或50cm以上。

4.根据权利要求2所述的分布式高精度长标距碳纤维应变测试装置，其特征在于：上述连续碳纤维丝（1）是由多根单向碳纤维丝沿纤维方向排列编织而成。

5.根据权利要求2所述的分布式高精度长标距碳纤维应变测试装置，其特征在于：上述连续碳纤维丝（1）为高强度的碳纤维丝或高弹模的碳纤维丝。

6.根据权利要求2所述的分布式高精度长标距碳纤维应变测试装置，其特征在于：上述应变传感器的宽度与长度的比值小于0.02，厚度为0.1～0.5mm。

7.基于权利要求1所述的分布式高精度长标距碳纤维应变测试装置的测试方法，其特征在于包括如下步骤：第一步：搭建测试电桥：首先将其中一个长标距碳纤维应变传感器作为工作片（6）安装在结构被监测部件上，其次将另一个长标距碳纤维应变传感器作为温度补偿片（7）安装在同一空间内结构应变不敏感部件上，再将两个电阻接入惠斯登温度补偿电桥；第二步：信号计测：将上述第一步搭建的惠斯登温度补偿电桥通过初级信号（10）接入单片机（9），当工作片（6）处于张拉状态下，在一次计测过程中对惠斯登温度补偿电桥的输出信号以频率f进行连续计测得到一组初级信号（10），其中f≥25；第三步：近似真值计算：通过单片机（9）的数字滤波算法，用于对上述初级信号（10）进行滤波，最终输出一个高可信度的近似真值（12）。

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