CN103453833B - 一种长标距碳纤维应变传感器件及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
一种长标距碳纤维应变传感器件包括两组具有相同几何尺寸的长标距碳纤维应变传感元件以及三层隔离膜，一个测量接头，两个锚固段和两个并联接头组成，所述长标距碳纤维应变传感元件各有一端分别通过电极连接并联接头，其另一端通过导线串联连接测量接头，所述两组长标距碳纤维应变传感器元件分别位于相邻的两个隔离膜之间，所述两组长标距碳纤维应变传感元件具有相同的应变灵敏度系数和热敏系数。本发明长标距碳纤维应变传感器件，实现在长期不稳定温度和湿度条件下对大范围内结构微小应变的感知，以满足在土木工程结构的应力（应变）的连续检测和监测的要求。
Description
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，尤其涉及了一种适合长期监测和分布式应变传感用的长标距碳纤维应变传感器件及其测试方法。
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，现场不稳定的工作环境(腐蚀、高温)对传感器的正常使用具有很大的干扰，往往导致检测误差。此时，一种可大范围监测的稳定传感器显得尤为重要。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。但是在实际传感性能的调查研究中，发现以碳纤维为基材的传感器并不能满足稳定的应变测量。因为一根连续碳纤维是由大量微纤维通过偶联剂定型而成，作为一种电阻传感元件其内部电路搭接情况严重影响了传感性能的稳定性，以致于限制了碳纤维传感器在测量小级别应变变化时传感性能。随着关于以碳纤维为基材的传感技术的深入，已经有研究发现了通过采用长标距封装技术，可以提高碳纤维传感器的稳定性，实现了小级别应变变化的测量。
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，且其温度系数为负值。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级别偏小。此外，碳纤维材料需要通过树脂含浸固化后，形成适合实际应用的复合材料。在实际运用中，树脂作为传递应力的重要部件，其本身的物理性质如弹性模量和粘结强度，易受环境温度的影响，造成碳纤维传感元件的非线性输出，降低了碳纤维传感元件的可操作性和重复性。因此，必须采取相应补偿措施以满足碳纤维传感元件关于准确度和长期耐久性的要求，并满足结构分布式应变测量的要求。
发明内容
本发明的目的是在长标距碳纤维应变传感元件在小应变范围内的高精度测量性能的基础上，提供一种适合长期监测和分布式应变传感用的长标距碳纤维应变传感器件，实现在长期不稳定温度和湿度条件下对大范围内结构微小应变的感知，以满足在土木工程结构的应力（应变）的连续检测和监测的要求。
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：一种长标距碳纤维应变传感器件，所述传感器件包括两组具有相同几何尺寸的第一长标距碳纤维应变传感元件和第二长标距碳纤维应变传感元件以及第一隔离膜，第二隔离膜，第三隔离膜，一个测量接头，第一锚固段，第二锚固段和第一并联接头和第二并联接头，所述第一长标距碳纤维应变传感元件和第二长标距碳纤维应变传感元件各有一端分别通过电极连接所述第一并联接头和第二并联接头，其另一端通过导线串联连接测量接头，所述第一长标距碳纤维应变传感器元件位于第一隔离膜和第二隔离膜之间，所述第二长标距碳纤维应变传感器元件位于第二隔离膜和第三隔离膜之间，所述第一长标距碳纤维应变传感元件和第二长标距碳纤维应变传感元件具有相同的应变灵敏度系数和热敏系数。
所述第一长标距碳纤维应变传感器元件和第二长标距碳纤维应变传感器元件通过所述测量接头和第一并联接头和第二并联接头接入测量电桥中，其中第一长标距碳纤维应变传感元件作为补偿片，第二长标距碳纤维应变传感元件作为工作片。
所述第一长标距碳纤维应变传感元件的电极端长度小于第二长标距碳纤维应变传感元件的电极端长度。
所述第一长标距碳纤维应变传感器元件位于第一隔离膜和第二隔离膜之间自由变形；所述第二长标距碳纤维应变传感器元件位于第二隔离膜和第三隔离膜之间自由变形。
所述第一锚固段和第二锚固段的一端与第二长标距碳纤维应变传感元件等宽度，并通过树脂锚固粘结，其另一端呈放射状散开。
所述第一锚固段和第二锚固段将测量接头和第一并联接头和第二并联接头的接头处完全封装在内用以保护传感器件电极。
所述第二长标距碳纤维应变传感器元件通过所述第一锚固段和第二锚固段与测量对象粘结，所述第一长标距碳纤维应变传感元件通过所述第一隔离膜和第二隔离膜与所述第二长标距碳纤维应变传感器元件一体化。
所述第一长标距碳纤维应变传感器元件和第二长标距碳纤维应变传感器元件是碳纤维为传感基材的高精度长标距应变传感元件，其标距长度为50厘米到2米之间。
所述第一锚固段和第二锚固段的长度为第二长标距碳纤维应变传感元件的标距长度十分之一以上，其末端宽度为第二长标距碳纤维应变传感元件宽度的五倍以上。
所述第一隔离膜、第二隔离膜和第三隔离膜为具有耐腐蚀性、防水性，以及延展性良好的绝缘薄膜。
所述第一锚固段和第二锚固段是由玻璃、玄武岩纤维连续的高强度绝缘纤维材料与树脂含浸固化后构成。
本发明还采用如下技术方案：一种长标距碳纤维应变传感器件的测试方法，包括如下步骤：
第一步：安装长标距碳纤维应变传感器件，首先在需要监测或检测的结构对象表面涂抹适量树脂，然后依次对多组前述任意一项权利要求中所述的长标距碳纤维应变传感器件的第一锚固段和第二锚固段导入适当的张拉后，将长标距碳纤维应变传感器件分布式布置于涂抹了树脂的结构对象上，待树脂完全固化后撤去张拉，完成长标距碳纤维应变传感器件安装；
第二步：搭建测试电桥，将上述第一步安装完成的长标距碳纤维应变传感器件通过第一并联接头和第二并联接头并联后，再与2个电阻作为电桥桥臂构成测量电路，之后接入恒定电源；
第三步：信号计测，根据上述第二步搭建的测量电路，分别将各个长标距碳纤维应变传感器件的测量接头接入数据采集器，获得各个长标距碳纤维应变传感器件对应的桥间信号变化，并计算对应的应变。
本发明所述的技术方案的有益效果是：
（1）.实现了长标距碳纤维应变传感元件的长期监测，通过具有稳定化学性质的传感基材以及封装材料，解决了在长期监测中温度和湿度对长标距碳纤维应变传感元件影响的问题，提高了传感器件耐久性；
（2）.实现了大型结构的应变监测和检测时多组传感器件分布布设和测量，简化多组传感器件同步测量的电桥布置程序，提高了实际操作性能。
附图说明
图1是本发明的长标距碳纤维应变传感器件内部的长标距碳纤维应变传感元件和电极的示意图。
图2是本发明的长标距碳纤维应变传感器件的俯视图。
图3是本发明的长标距碳纤维应变传感器件内补偿片、工作片以及隔离膜位置示意图。
图4是本发明的长标距碳纤维应变传感器件的端部俯视图。
图5是本发明的长标距碳纤维应变传感器件剖面图。
图6是本发明的长标距碳纤维应变传感器件左侧锚固段剖面图。
图7是本发明的长标距碳纤维应变传感器件右侧锚固段剖面图。
图8是多组本发明的长标距碳纤维应变传感器件的测试电路布设图。
图9是本发明的长标距碳纤维应变传感器件的循环加载实验装置图。
其中：
1-第一长标距碳纤维应变传感元件；2-第二长标距碳纤维应变传感元件；3-第一隔离膜；4-第二隔离膜；5-第三隔离膜；6-测量接头；7-第一锚固段；8-第二锚固段；9-第一并联接头；10-第二并联接头；11-电阻；12-数据采集器；13-夹具；14-弹性张拉试件；15-应变片；16-电子温度传感器；17-循环张拉试验机。
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至图3所示，本发明长标距碳纤维应变传感器件包括：两组具有相同几何尺寸的长度为50厘米到2米的第一长标距碳纤维应变传感元件1和第二长标距碳纤维应变传感元件2，三层隔离膜3、4、5（该三层隔离膜分别定义为第一隔离膜3、第二隔离膜4及第三隔离膜5），一个测量接头6，两个锚固段7、8（该两个锚固段分别定义为第一锚固段7和第二锚固段8）和两个并联接头9、10（该两个并联接头分别定义为第一并联接头9和第二并联接头10）组成，并按顺序整体封装而成。其中第一长标距碳纤维应变传感元件1和第二长标距碳纤维应变传感元件2具有相同的应变灵敏度系数和热敏系数，其标距长度为50厘米到2米之间，并有不同长度的电极端。
其中第一长标距碳纤维应变传感元件1和第二长标距碳纤维应变传感元件2各有一端分别通过电极连接第一并联接头9和第二并联接头10，其另一端通过导线串联连接测量接头6。其中所述的第一长标距碳纤维应变传感器元件1和第二长标距碳纤维应变传感器元件2通过测量接头6和第一并联接头9及第二并联接头10接入测量电桥中。其中第一长标距碳纤维应变传感元件1作为补偿片，第二长标距碳纤维应变传感元件2作为工作片。其中第一长标距碳纤维应变传感元件1的电极端长度小于第二长标距碳纤维应变传感元件2的电极端长度。
其中第一长标距碳纤维应变传感器元件1位于第一隔离膜3和第二隔离膜4之间，并可以在其之间自由变形；第二长标距碳纤维应变传感器元件2位于第二隔离膜4和第三隔离膜5之间，并可以在其之间自由变形。
如图1至图3并结合图4所示，本发明第一锚固段7和第二锚固段8的一端与第二长标距碳纤维应变传感元件2等宽度，并通过树脂锚固粘结，其另一端呈放射状散开。
如图1至图4并结合图5至图7所示，本发明第一锚固段7和第二锚固段8将测量接头6和第一并联接头9及第二并联接头10的接头处完全封装在内，用于保护传感器件电极。其中第二长标距碳纤维应变传感器元件2通过第一锚固段7和第二锚固段8与测量对象粘结；所述第一长标距碳纤维应变传感元件1通过所述第一隔离膜3和第二隔离膜4与所述第二长标距碳纤维应变传感器元件2一体化。
本发明第一锚固段7和第二8的长度为第二长标距碳纤维应变传感元件2的标距长度十分之一以上，其末端宽度为第二长标距碳纤维应变传感元件2宽度的五倍以上。
本发明第一隔离膜3、第二隔离膜4及第三隔离膜5为具有耐腐蚀性、防水性，以及延展性良好的绝缘薄膜。
本发明第一锚固段7和第二锚固段8是由如玻璃、玄武岩纤维等连续的高强度绝缘纤维材料与树脂含浸固化后构成。
本发明技术方案可以实现长标距碳纤维传感元件关于温度、湿度等环境因素的自补偿效果。
如图1至图7并结合图8所示，将多组本发明的长标距碳纤维应变传感器件通过第一并联接头9和第二联接头10并联后，再与2个电阻11作为电桥桥臂构成测量电路，接入恒定电源；之后分别将各个长标距碳纤维应变传感器件的测量接头6接入数据采集器，获得各个长标距碳纤维应变传感器件对应的桥间信号变化，并计算对应的应变。
多组本发明的长标距碳纤维应变传感器件的分布测试方法，包括如下步骤：
第一步：安装长标距碳纤维应变传感器件，首先在需要监测或检测的结构对象表面涂抹适量树脂，然后依次对多组前述的长标距碳纤维应变传感器件的第一锚固段7和第二锚固段8导入适当的张拉后，将传感器件分布式布置于涂抹了树脂的结构对象上，待树脂完全固化后撤去张拉，完成传感器件安装；
第二步：搭建测试电桥，将上述第一步安装完成的长标距碳纤维应变传感器件通过第一并联接头9和第二并联接头10并联后，再与2个电阻作为电桥桥臂构成测量电路，之后接入恒定电源；
第三步：信号计测，根据上述第二步搭建的测量电路，分别将各个传感器件的测量接头6接入数据采集器，获得各个传感器件对应的桥间信号变化，并计算对应的应变值。
下面结合两个具体的实施例，具体来阐述本发明长标距碳纤维应变传感器件：
实例例一
在对于5根标距长为500毫米的本发明的长标距碳纤维应变传感器件的长期循环加载试验中可看出，其实验装置图如图9所示。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，整个循环中获得的信号的线性非常好，并且各个传感器获得信号一致性良好。
实例例二
在对于2根标距长为500毫米的本发明的长标距碳纤维应变传感器件的分别置于加热箱内进行干燥加热和在带温控装置的水槽内进行水浴加热试验中可看出，尽管2根传感器件分别处于不同的湿度环境，但获得信号并没有明显的差别，加热的温度上限为70摄氏度，达到了树脂的玻璃化温度，树脂的非线性形变会影响碳纤维传感元件的热敏系数，但长标距封装碳纤维应变传感器件实现了均一变形，并没有受到明显的影响。因此，本发明的传感器件适合在不同温度和湿度条件下，对结构进行长期监测。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种长标距碳纤维应变传感器件，其特征在于：所述传感器件包括两组具有相同几何尺寸的第一长标距碳纤维应变传感元件（1）和第二长标距碳纤维应变传感元件（2）以及第一隔离膜（3），第二隔离膜（4），第三隔离膜（5），一个测量接头（6），第一锚固段（7），第二锚固段（8）和第一并联接头（9）和第二并联接头（10），所述第一长标距碳纤维应变传感元件（1）和第二长标距碳纤维应变传感元件（2）各有一端分别通过电极连接所述第一并联接头（9）和第二并联接头（10），其另一端通过导线串联连接测量接头（6），所述第一长标距碳纤维应变传感器元件（1）位于第一隔离膜（3）和第二隔离膜（4）之间，所述第二长标距碳纤维应变传感器元件（2）位于第二隔离膜（4）和第三隔离膜（5）之间，所述第一长标距碳纤维应变传感元件（1）和第二长标距碳纤维应变传感元件（2）具有相同的应变灵敏度系数和热敏系数。
2.根据权利要求1所述的一种长标距碳纤维应变传感器件，其特征在于：所述第一长标距碳纤维应变传感器元件（1）和第二长标距碳纤维应变传感器元件（2）通过所述测量接头（6）和第一并联接头（9）和第二并联接头（10）接入测量电桥中，其中第一长标距碳纤维应变传感元件（1）作为补偿片，第二长标距碳纤维应变传感元件（2）作为工作片。
3.根据权利要求2所述的一种长标距碳纤维应变传感器件，其特征在于：所述第一长标距碳纤维应变传感元件（1）的电极端长度小于第二长标距碳纤维应变传感元件（2）的电极端长度。
4.根据权利要求3所述的一种长标距碳纤维应变传感器件，其特征在于：所述第一长标距碳纤维应变传感器元件（1）位于第一隔离膜（3）和第二隔离膜（4）之间自由变形；所述第二长标距碳纤维应变传感器元件（2）位于第二隔离膜（4）和第三隔离膜（5）之间自由变形。
5.根据权利要求4所述的一种长标距碳纤维应变传感器件，其特征在于：所述第一锚固段（7）和第二锚固段（8）的一端与第二长标距碳纤维应变传感元件（2）等宽度，并通过树脂锚固粘结，其另一端呈放射状散开。
6.根据权利要求5所述的一种长标距碳纤维应变传感器件，其特征在于：所述第一锚固段（7）和第二锚固段（8）将测量接头（6）和第一并联接头（9）和第二并联接头（10）的接头处完全封装在内用以保护传感器件电极。
7.根据权利要求6所述的一种长标距碳纤维应变传感器件，其特征在于：所述第二长标距碳纤维应变传感器元件（2）通过所述第一锚固段（7）和第二锚固段（8）与测量对象粘结，所述第一长标距碳纤维应变传感元件（1）通过所述第一隔离膜（3）和第二隔离膜（4）与所述第二长标距碳纤维应变传感器元件（2）一体化。
8.根据权利要求7所述的一种长标距碳纤维应变传感器件，其特征在于：所述第一锚固段（7）和第二锚固段（8）的长度为第二长标距碳纤维应变传感元件（2）的标距长度十分之一以上，其末端宽度为第二长标距碳纤维应变传感元件（2）宽度的五倍以上。
9.一种如前述任意一项所述的长标距碳纤维应变传感器件的测试方法，包括如下步骤：
第一步：安装长标距碳纤维应变传感器件，首先在需要监测或检测的结构对象表面涂抹适量树脂，然后依次对多组前述任意一项权利要求中所述的长标距碳纤维应变传感器件的第一锚固段（7）和第二锚固段（8）导入适当的张拉后，将长标距碳纤维应变传感器件分布式布置于涂抹了树脂的结构对象上，待树脂完全固化后撤去张拉，完成长标距碳纤维应变传感器件安装；
第二步：搭建测试电桥，将上述第一步安装完成的长标距碳纤维应变传感器件通过第一并联接头（9）和第二并联接头（10）并联后，再与2个电阻（11）作为电桥桥臂构成测量电路，之后接入恒定电源；
第三步：信号计测，根据上述第二步搭建的测量电路，分别将各个长标距碳纤维应变传感器件的测量接头（6）接入数据采集器（12），获得各个长标距碳纤维应变传感器件对应的桥间信号变化，并计算对应的应变。
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