CN103471497A - 一种智能长标距应变传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能长标距应变传感器及制造方法，其中智能长标距应变传感器包括传感芯、智能模块，传感芯的一端与智能模块连接；所述传感芯由电阻丝和包覆在电阻丝外周的增强层组成，增强层可采用纤维增强复合材料制作；增强层的外周布置套管，套管的外周布置封装层，封装层可采用编织纤维复合材料制作；在封装层的两端，分别设置封装锚固点；所述智能模块由数据采集芯片和无线传感器组成。与现有技术相比，本发明测量性能与监测精度得到改善与提高；抗腐蚀与耐久性提高；测量范围增大；数据采集与传输实现了智能化且检测费用低。

Description

一种智能长标距应变传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及智能传感与监测、信息处理及土建交通工程的技术领域。

背景技术

电阻应变片有多种形式，常用的有丝式和箔式。它是由直径为0.02～0.05mm的康铜丝或者镍铬丝绕成栅状（或用很薄的金属箔腐蚀成栅状）夹在两层绝缘薄片（基底）中制成，用镀锡铜线与应变片丝栅连接作为应变片引线，用来连接测量导线。电阻应变片的测量原理为：金属丝的电阻值除了与材料的性质有关之外，还与金属丝的长度，横截面积有关。将金属丝粘贴在构件上，当构件受力变形时，金属丝的长度和横截面积也随着构件一起变化，进而发生电阻变化。

根据欧姆定律，电阻应变片的传感原理：ΔR/R=K*ε

其中，K为电阻丝的应变灵敏系数，其物理意义是单位应变的电阻变化率，标志着该类电阻丝电阻应变片效应显著与否。ε为测点处应变，为无量纲的量，但习惯上仍给以单位微应变，常用符号με表示。由此可知，金属丝在产生应变效应时，应变ε与电阻变化率ΔR/R成线性关系，这就是利用金属应变片来测量构件应变的理论基础。

电阻应变片虽然已在工程和实验室中被广泛运用，但在实际应用中普遍存在以下方面问题：

1）耐久性不足。传统电阻应变片的封装一般采用绝缘纸，在较恶劣环境下受损伤严重，因此不适合长期实时监测，很难满足长期结构健康监测的需求。

2）传感标距短、不适合分布式监测。传统的应变片传感标距短，一般只有5mm-10cm，通常只适合“点式”监测，而“点式”监测方法适合均质、小型结构，而对于大型、非均质的土木工程结构则需要进行改善或二次开发。

3）操作繁琐。传统的应变片除了粘贴应变片本身外，还包括粘贴接线端子、焊接等复杂程序。

4）需对温度进行补偿。传统应变片需外设应变片对温度进行补偿，却无法进行定位补偿，这样会影响测量准确度。

发明内容

本发明目的是能够自行地进行温度补偿，测量一定标距内的有效应变，并能进行数据处理和无线传输；同时，该应变传感器具有很好的耐久性和长期测量稳定性，适用于土建交通工程中各类结构（如桥梁、高层、大跨等）的检测与监测。且制作方法简单，成本低廉，测量仪器便宜，测量操作简单，有效降低了结构的检测费用。

一种智能长标距应变传感器，包括传感芯、智能模块，传感芯的一端与智能模块连接；所述传感芯由电阻丝和包覆在电阻丝外周的增强层组成，增强层可采用纤维增强复合材料制作；增强层的外周布置套管，套管的外周布置封装层，封装层可采用编织纤维复合材料制作；在封装层的两端，分别设置封装锚固点；所述智能模块由数据采集芯片和无线传感器组成。

比较好的是，本发明的电阻丝包括至少两根平行布置的第一电阻丝、第二电阻丝，第一电阻丝、第二电阻丝的外周分别包覆有增强层，增强层可以采用纤维增强复合材料制作，第一电阻丝、第二电阻丝分别呈U型，第一电阻丝、第二电阻丝之间设置连接点。

基于本发明的智能长标距应变传感器的制造方法，包括如下步骤：

第一步：将电阻丝布置在模具内，然后在电阻丝的表面制作增强层；

第二步：将在表面制作了增强层的电阻丝穿置在套管内；

第三步，在套管的外周面制作封装层，封装层可以采用纤维增强复合材料等制作，封装层的两端分别固定封装锚固点；

第四步：将第三步得到的电阻丝的一端连接智能模块。

与现有的应变传感器相比，本发明所提出的智能长标距传感器具有以下优点：

1）测量性能与监测精度的改善与提高。首先，由于不同温度系数或电阻系数电阻丝的使用，使得该传感器能自行进行温度补偿，避免了传统电阻应变片需对温度进行专门补偿及其产生的误差，且由多种电阻丝制成的传感芯可以在同一标段内测量出各个电阻丝的应变值，通过处理后可以求得最优化的应变值，大幅提高了测量精度。其次，电阻丝的绝缘增强以及其长标距化封装后，也消除了因电阻丝蠕变等因素产生的测量不准确性，改善了测量精度。

2）抗腐蚀与耐久性的提高。首先，对电阻丝采用了高聚物以及纤维等高性能材料进行绝缘封装增强，对电阻丝进行了良好保护，提高了传感芯的耐久性；再者，封装结构中采用了抗老化基体材料以及纤维材料，同时对传感芯进行密闭封装，有效提高了抗老化性能及耐久性，能够对结构进行长期稳定监测，且该电阻传感器可用于较恶劣的环境，如海洋环境、地下工程等。

3）测量范围的增大。该应变传感器能对结构进行分布式监测，能对大型结构的损伤进行定位和对局部的损伤进行定量化监测，避免传统电阻应变片只适合“点式”监测的方式。

4）数据采集与传输的智能化。数据采集芯片的采用，使得能对测量数据进行智能采集和处理，同时可采用无线传感技术对数据进行传递，极大方便了大型工程结构的检/监测。此外，也可以采用有线的方式进行数据传递。

5）检测费用低。原材料主要为电阻丝、纤维复合材料等，价格便宜；该制作方法及程序简单；同时该应变传感器的施工操作简便；必要时，传感芯也可用作应变传感器进行定点粘贴或全面帖。

附图说明

图1单一电阻丝传感芯的圆形横截面示意图；

图2两种电阻丝传感芯的圆形横截面示意图；

图3单一电阻丝传感芯的三维示意图；

图4两种电阻丝传感芯的三维示意图；

图5单一电阻丝传感芯的矩形横截面示意图；

图6两种电阻丝传感芯的矩形截面示意图

图7含单一电阻丝的传感芯封装后的示意图；

图8智能长标距应变传感器示意图；

图9传感芯定点粘贴示意图；

图10传感芯全面粘贴示意图。

图中：1、第一电阻丝，2、第二电阻丝，3、增强层，4、传感芯，5、封装锚固点，6、封装层，7、智能模块，8、被测物，9、定点粘贴结构胶，10、连接导线，11、全面粘贴结构胶，12、套管，13、连接点。

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到图8所示，一种智能长标距应变传感器，包括传感芯4、智能模块7，传感芯4的一端与智能模块7连接；所述传感芯4由电阻丝和包覆在电阻丝外周的增强层3组成，增强层3的外周布置套管12，套管12的外周布置封装层6，封装层6的两端分别设置封装锚固点5；其中，增强层和封装层可以采用纤维增强复合材料或高性能的聚合物材料制作；所述智能模块7由数据采集芯片和无线传感器组成。

如图2、图4、图6所示，本发明的电阻丝包括至少两根平行布置的第一电阻丝1、第二电阻丝2，第一电阻丝1、第二电阻丝2的外周分别包覆有增强层3，第一电阻丝1、第二电阻丝2分别呈U型，第一电阻丝1、第二电阻丝2之间设置连接点13。

基于本发明的智能长标距应变传感器的制造方法，包括如下步骤：

第一步：将电阻丝布置在模具内，然后在电阻丝的表面制作增强层3；

第二步：将在表面制作了增强层3的电阻丝穿置在套管12内；

第三步，在套管12的外周面制作封装层6，在封装层6的两端分别固定封装锚固点5；

第四步：将第三步得到的电阻丝的一端连接智能模块7。

基于本发明的智能长标距应变传感器的制造方法，包括如下步骤：

第一步：将每根电阻丝弯曲成U型，均匀布置在模具内，然后在电阻丝的表面制作增强层3，电阻丝之间通过连接点13连接；

第二步：将在表面制作了增强层3的电阻丝穿置在套管12内；

第三步：在套管12的外周面制作封装层6，在封装层6的两端分别固定封装锚固点5；

第四步：将第三步得到的电阻丝上开口的一端连接智能模块7。

本发明在制作过程中，主要需要解决以下三个方面的问题：

1)传感芯的制作，其关键是选取的电阻丝要有稳定的温度系数和应变灵敏度系数，为了进行温度自补偿需要采用温度系数和应变灵敏度系数不同的两种或多种电阻丝，这样根据电阻丝测量应变及温度变化的原理，可以得到结构的应变及温度变化。假设传感芯中有两种应变灵敏度系数和温度系数不同的电阻丝R₁和R₂，可联立建立包括应变变化和温度变化两个独立参数的下述方程式组

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔR}}_1=k_1\mathrm{\ϵ}+t_1\mathrm{\ΔT}\\ {\mathrm{\ΔR}}_2=k_2\mathrm{\ϵ}+t_2\mathrm{\ΔT}\end{array}\right.$

其中，ε和ΔT为所要测量的结构应变及温度变化；ΔR₁和ΔR₂、k₁和k₂、t₁和t₂分别为第一电阻丝1和第二电阻丝2的电阻变化量、应变灵敏度系数和温度系数。

通过求解上述方程组，可分别得到结构的应变以及温度变化为

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ϵ}=(t_1\mathrm{\Δ}{R}_2-t_2\mathrm{\Δ}{R}_1)/(t_1{k}_2-t_2{k}_1)\\ \mathrm{\ΔT}=(k_1\mathrm{\Δ}{R}_2-k_2\mathrm{\Δ}{R}_1)/(k_1{t}_2-k_2{t}_1)\end{array}\right.$

其次，要使电阻丝平行排列并处于拉伸状态，这样使得每个电阻丝测量的应变方向相同、大小一致，即同一标距内的应变相同。同时，根据所要测量压应变的大小，对电阻丝进行一定的张拉，使传感芯能对压应变进行测量；再者，为了提高电阻丝的抗破坏能力和在恶劣环境下的耐久性与长期测量稳定性，采用纤维材料、高聚合物等耐久性材料对电阻丝进行封装和保护，形成电阻丝传感芯，大幅提升了电阻丝的保护能力和传感性能，使其适合在土建交通等恶劣、粗放的环境下的长期测量。

2)长标距化封装技术，即长标距的实现，其关键在于在传感标距内形成均匀的应变场，为此采用直径略大于传感芯直径的套管对传感芯进行封装。为降低摩擦造成的测量误差，封装套管内壁要均匀光滑,与传感芯的摩擦系数小，使长标距传感段内的传感芯在受力后可自由移动并形成均匀应变场；同时，传感芯处于一定的张拉状态，使封装后的传感器能测量压应变；为使该长标距传感器具有长期检测稳定性和耐久性，封装中采用的基体树脂为抗老化环氧树脂，能极大的提高传感器的抗老化性能及耐久性。

3）智能监测模块，其主要功能是对长标距应变传感器进行数据采集和传输，采用智能芯片采集长标距应变传感器的电阻变化，并进行智能运算处理获得被测结构的应变和温度；同时，采用无线传输模块对采集的数据进行无线传输，也可采用有线的数据传输。

此外，在传感芯制作中，也可以单独采用一根电阻丝制作传感芯，这样工艺上简便，但不能自行进行温度补偿，需另设温度补偿传感器。

在传感芯的制作过程中，可以用纤维复合材料对电阻丝进行封装保护制成传感芯，也可以单独用高聚物材料或其他材料对电阻丝进行封装保护制成传感芯。当采用纤维复合材料时，所选用的纤维材料与所选用的电阻丝的弹性模量相近，防止纤维材料与电阻丝间出现微小滑移，以保证电阻丝与纤维材料共同变形；当直接采用高聚物进行封装保护时，最好对高聚物进行改性以提高其弹性模量，通常可以在高聚物中添加质量百分比为0.5-10%的陶瓷颗粒、金属颗粒、炭黑及金属氧化物颗粒等增强颗粒的一种或几种混合物。

所选用的封装层6应具有良好的绝缘性、力学性能以及耐久性。同时，对封装基体树脂材料加入相应的抗老化剂和增强相以提高其耐久性、长期测量稳定性及其强韧性等性能，以满足土建交通以及恶劣环境对传感器各方面的性能要求。

传感芯与应变传感器的截面可以做成多种形状，如圆形和矩形等，以满足不同的实际需要。且传感芯可以单独作为传感器使用，根据不同的环境以及使用要求进行全面粘贴或定点粘贴。

原材料

所选用的电阻丝为传统应变片所用的铜镍合金（康铜）、镍铬系合金、铁铬铝合金、镍铬铁合金、铂和铂合金等，电阻丝产生变形时，电阻将会变化；所用高聚物具有良好的力学性能、绝缘性能以及耐久性，必要时掺入相应的改性剂（如抗老化剂、增强颗粒等），以提高环氧树脂的性能（力学性能、绝缘性能、耐久性）；制作传感芯所用纤维的性能稳定且绝缘，如玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维等。封装时采用的纤维材料可以选择常用的纤维，如碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维等纤维材料。

具体制作过程：

1）传感芯的制作

第一步，选择合适的单种或多种电阻丝（温度系数或电阻系数不同），将每一根电阻丝都拉直并处于一定的拉伸状态。当采用多种电阻丝时，不同电阻丝平行排列，丝与丝之间无接触且相邻间距基本相同。

第二步，对电阻丝表面进行绝缘处理，涂刷充实均匀，必要时在绝缘处理高聚物中加入适量的改性剂，以提高高聚物的绝缘性、耐久性以及力学性能。当采用纤维材料进行增强时，将纤维材料与电阻丝同向布置，填充于电阻的表面及间隙，并处于一定的拉伸状态，然后再均匀浸渍高聚物。

第三步，将经过绝缘化处理的电阻丝进行烘干处理，冷却后，将其盘绕起来。

2）封装结构工艺

第一步，根据实际需要的标距长度，截取相应长度的套管，将传感芯穿于套管中。

第二步，将传感芯进行预张拉，在套管以及传感芯的表面制作封装层。

第三步，对封装层以及锚固点（套管外5mm的范围内）进行刷胶保护。

第四步，进行加热烘干和养护。

3）智能监测模块的安装

将数据采集芯片与无线传感器先制作成智能模块，然后再将智能模块与封装后的传感芯进行安装。

本发明在使用时一般进行全面粘贴，以保证其粘结效果及耐久性。如图9所示，当将传感芯4当作传感器使用时，传感芯4的两端通过定点粘贴结构胶9固定在被测物8上，每个定点粘贴结构胶9上连接导线10；如图10所示，此时测量的是该标距段内的平均应变；也可进行全面粘贴，此时该传感器能对裂缝或者该全面粘贴范围内的某点出现突变能进行很好的捕捉。传感芯4通过全面粘贴结构胶11固定在被测物8上，传感芯4的两端分别连接导线10。

Claims (5)

1.一种智能长标距应变传感器，其特征在于包括传感芯（4）、智能模块（7），传感芯（4）的一端与智能模块（7）连接；所述传感芯（4）由电阻丝和包覆在电阻丝外周的增强层（3）组成，增强层（3）的外周布置套管（12），套管（12）的外周布置封装层（6），封装层（6）的两端分别设置封装锚固点（5）；所述智能模块（7）由数据采集芯片和无线传感器组成。

2.根据权利要求1所述的智能长标距应变传感器，其特征在于上述电阻丝包括至少两根平行布置的第一电阻丝（1）、第二电阻丝（2），第一电阻丝（1）、第二电阻丝（2）的外周分别包覆有电阻丝外周的增强层（3），第一电阻丝（1）、第二电阻丝（2）分别呈U型，第一电阻丝（1）、第二电阻丝（2）之间设置连接点（13）。

3.根据权利要求1或2所述的智能长标距应变传感器，其特征在于上述电阻丝为铜镍合金或镍铬系合金或铁铬铝合金或镍铬铁合金或铂或铂合金中的一种。

4.基于权利要求1所述的智能长标距应变传感器的制造方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步：将电阻丝布置在模具内，在电阻丝的外周制作增强层（3）；

第二步：将通过增强层（3）增强的电阻丝穿置在套管（12）内；

第三步，在套管（12）的外周制作封装层（6），在封装层（6）的两端分别固定封装锚固点（5）；

第四步：将第三步得到的电阻丝的一端连接智能模块（7）。

5.基于权利要求2所述的智能长标距应变传感器的制造方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步：将每根电阻丝弯曲成U型，均匀布置在模具内，然后在电阻丝的制作增强层（3），电阻丝之间通过连接点（13）连接；

第二步：将增强的电阻丝穿置在套管（12）内；

第三步，在套管（12）的外周面制作封装层（6），在封装层（6）的两端分别固定封装锚固点（5）；

第四步：将第三步得到的电阻丝上开口的一端连接智能模块（7）。

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