CN105136355B - 一种基于柔性碳纤维丝的传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于柔性碳纤维丝的传感器，包括拉压转换装置、至少一束柔性碳纤维，所述拉压转换装置包括至少4根刚性外弦杆，所述外弦杆相互交叉布置，两根外旋杆重叠的部分相互铰接，构成至少一个形状可变的四边形，所述外旋杆上构成所述四边形边框的部分设置有数个通孔；每个所述四边形的边框上的通孔中贯穿一束柔性碳纤维丝，所述柔性碳纤维丝交替穿过两根外弦杆上的通孔，所述纤维束的两端端部固定在所述外旋杆上或设置一直径大于所述通孔的结。所述传感器的加工工艺相对简单，成本较低，解决了柔性碳纤维丝作为传感元无法受压的问题，且安装、卸载柔性碳纤维丝均较为方便，重复性好；扩展性较好，还可组成线形或面型传感器阵列。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程中使用的压力传感器，尤其是一种基于柔性碳纤维丝的传感器。
背景技术
碳纤维材料因其轻质高强、抗疲劳、抗腐蚀等优良性能而被广泛应用于军事、航天等诸多领域，同时，研究表明，该材料具有良好的自感知特性，其力阻效应明显。根据电阻定律：
ρ：材料的电阻率；L：材料的长度；S：材料的横截面积
因此，若材料的电阻率ρ保持不变，增大其长度L或者缩小其截面积S，材料的电阻值均会增大。碳纤维材料受拉时，其电阻率近似不变，长度增大，截面积减小，因此其受拉，产生拉应变后，电阻值会增大。
以碳纤维作为传感元，设计为传感器，并应用于土木工程领域，可以使碳纤维同时具备结构性能和测量性能的双重特性，是目前土木工程研究的热点。但是，开发这样的传感器也存在许多的问题和困难。
对于电阻应变片传感器而言，其既能应用于受拉测试，又能应用于受压测试。然而，对于柔性碳纤维丝而言，将其作为传感元应用于受拉测试，尚可以实现，但是如果想使其测量压区，则存在如下的问题：对于碳纤维丝柔性材料，只能受拉，无法受压，如图1所示。
一般，传感器是需要布置于各种不同受力区域的(广义上包括压区和拉区)，所以，要基于碳纤维的力阻特性(应变-电阻特性)，研发压区的传感器，必须要避免碳纤维受压。因此，本发明就是设计了一种拉压转换结构，它能够基于柔性碳纤维丝的拉伸特性，来实现对压区的测量。
发明内容
针对上述的问题，本发明提供一种基于柔性碳纤维丝的传感器，能够将待测结构的压应变转换为碳纤维的拉应变，实现对待测结构压区的应变(应力)的测量，为碳纤维传感器的广泛应用提供技术支持。
本发明的技术方案如下：
一种基于柔性碳纤维丝的传感器，其特征在于，包括拉压转换装置、至少一束柔性碳纤维，所述拉压转换装置包括至少4根刚性外弦杆，所述外弦杆相互交叉布置，两根外弦杆重叠的部分相互铰接，构成至少一个形状可变的四边形，所述外弦杆上构成所述四边形边框的部分设置有数个通孔；每个所述四边形边框上的通孔中贯穿一束柔性碳纤维丝，所述柔性碳纤维丝交替穿过两根外弦杆上的通孔，所述柔性碳纤维丝的两端端部固定在所述外弦杆上或设置一直径大于所述通孔的结。
优选地，所述外弦杆组成的形状可变的四边形为四边长度相等的四边形。
优选地，所述外弦杆具有通孔的部位设有保护罩。
优选地，所述通孔及两根外弦杆的铰接处打磨光滑、并涂抹润滑剂。
优选地，所述外弦杆构成多个形状可变的四边形，所述多个四边形位于同一条直线上。
优选地，所述外弦杆构成多个形状可变的四边形，所述多个四边形构成一个平面。
本发明根据桁架工作原理，实现待测的压应变转换为碳纤维丝的拉应变的转换。桁架结构，只存在拉应力与压应力。当对其中某一个杆件施加压力时，该压力会随着桁架传递，最终可能在桁架其他某些杆件中形成拉应力，即拉压转换，以拉代压的核心思想，数学模型如下：
根据勾股定理，图2所示的桁架变形前后分别有如下两个方程：
c2＝a2+b2
c2＝(b-δ)2+(a+μ)2
其中c为斜边长度；a、b分别为两个直角边长度；δ为X方向缩短长度；μ为Y方向伸长长度。
将斜边c作为刚体考虑，即不考虑其形变，将两直角边a、b作为弹性体考虑。当保持斜边c度不变，直角边b的长度缩短，则直角边a的长度必然增大。据此，如果把缩短的直角b边类比于压区待测变化长度，把伸长的直角边a类比于碳纤维，则当压区待测变化长度所代表的b缩短时，碳纤维所代表的a直角边必然伸长，即完成了从压应变到拉应变的转换。
以梁为例，如图7所示，当其受到轴向压力或者弯矩等作用时，产生局部压应变，将本发明所述的传感器放置在梁压应变位置时，其拉压转换装置受到梁上部的压应变，并将压应变转换为拉伸形变，如图7(d)所示，并传递给碳纤维丝，使碳纤维承受拉应变，如图7(e)所示，从而完成拉压转换的过程，最终根据碳纤维的拉应变反推出梁的压应变实现传感器的功能。
本发明的有益效果：
(1)碳纤维作为一种新型材料，具有较好的抗拉性能，用它作为传感器具有比较大的测量范围，其次，由于碳纤维作为一种柔性材料，无法承受压力，从而对于碳纤维作为传感器测量受压区，存在较大的限制，因此本发明旨在解决这一限制，采用以拉代压的设计思路，能使得碳纤维作为柔性传感元材料，也能对受压区进行测量；
(2)本发明的加工工艺相对简单，成本较低，且安装、卸载柔性碳纤维丝均较为方便，重复性好；
(3)本发明扩展性较好，布置方式灵活，可以分别布置成点式、线式、面式、三种形式，从而满足工程中不同的测量要求。
附图说明
图1为柔性碳纤维丝受拉受压示意图。
图2为拉压转换数学原理图。
图3为相邻外弦杆布置碳纤维丝的计算原理图。
图4为对边外弦杆布置碳纤维丝的计算原理图。
图5为以柔性碳纤维丝为传感器设计图。
图6为本发明所述基于柔性碳纤维丝的传感器的结构图。
图7为所述传感器的原理结构图。
图8为所述传感器在压区的安装示意图。
图9为所述传感器在拉区的安装示意图。
图10为线形传感器的结构及安装示意图。
图11为线形传感器的测量结果拟合曲线。
图12为面型传感器的结构及安装示意图。
图13为面型传感器阵列测量结果拟合图。
附图标记说明如下：
1-拉压转换装置，11-外弦杆AD，12-外弦杆AB，13-外弦杆BC，14-外弦杆CD，11-1外弦杆AD的第一个通孔，11-2外弦杆AD的第二个通孔，11-3外弦杆AD的第三个通孔，11-4外弦杆AD的第四个通孔，12-1外弦杆AB的第一个通孔，12-2外弦杆AB的第二个通孔，12-3外弦杆AB的第三个通孔，12-4外弦杆AB的第四个通孔，13-1外弦杆BC的第一个通孔，13-2外弦杆BC的第二个通孔，13-3外弦杆BC的第三个通孔，13-4外弦杆BC的第四个通孔，14-1外弦杆CD的第一个通孔，14-2外弦杆CD的第二个通孔，14-3外弦杆CD的第三个通孔，14-4外弦杆CD的第四个通孔，2-柔性碳纤维丝，3-保护罩，4-传感器。
具体实施方式
为了更清楚的说明本发明的技术方案，下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。
本发明根据桁架工作原理，实现待测的压应变转换为碳纤维丝2的拉应变的转换。桁架结构，只存在拉应力与压应力。当对其中某一个杆件施加压力时，该压力会随着桁架传递，最终可能在桁架其他某些杆件中形成拉应力，即拉压转换，以拉代压的核心思想，数学模型如下：
根据勾股定理，图2所示的桁架变形前后分别有如下两个方程：
c2＝a2+b2
c2＝(b-δ)2+(a+μ)2
其中c为斜边长度；a、b分别为两个直角边长度；δ为X方向缩短长度；μ为Y方向伸长长度。
将斜边c作为刚体考虑，即不考虑其形变，将两直角边a、b作为弹性体考虑。当保持斜边c度不变，直角边b的长度缩短，则直角边a的长度必然增大。据此，如果把缩短的直角b边类比于压区待测变化长度，把伸长的直角边a类比于碳纤维，则当压区待测变化长度所代表的b缩短时，碳纤维所代表的a直角边必然伸长，即完成了从压应变到拉应变的转换。
具体实现时，拉-压应变关系的数学关系如下：
I.碳纤维丝布置于桁架邻边位置：
如图3所示，四边形ABCD四边长度保持不变，将碳纤维丝2布置于图3中MN处，假设AC为缩短方向，BD为伸长方向，则MN的伸长量计算如下：
根据:cosA＝(b2+c2-a2)/2bc
得：
b'＝b-δ
因此，MN的拉应变为：
ΔMN＝M'N'-MN＝F(λ,η,b,δ)
其中λ、η分别代表M、N在AD和AB上的相对位置比值，即
特别的，当碳纤维布置方向与受压方向垂直时(即MN⊥AC，λ＝η)
II.碳纤维丝对称布置于桁架对边方向：
如图4所示，四边形ABCD长度四边保持不变，将碳纤维丝2布置于图4中MN处，假设AC为缩短方向，BD为伸长方向，则MN的伸长量计算如下：
cosA＝(b2+c2-a2)/2bc，
ΔMN＝M'N'-MN＝G(λ,b,c,δ)
以上数学关系包含了将碳纤维布置在各种不同位置时，其拉压转换时的数学关系，现以此为原型，设计本发明所述的传感器4如图5所示。
由外弦杆作为四边形的边，外弦杆由刚性金属材料制成，两两相互顺序铰接于A、B、C、D四个结点，构成在外力作用下其形状可变的四边形。在每根外弦杆上钻有若干个光滑通孔，通孔在每个角度都进行弧形打磨，去除所有尖锐、锋利工作面；在所述通孔上添加润滑剂，防止产生较大的局部摩擦力。
碳纤维丝2的贯穿方式如图5所示：碳纤维丝2从外弦杆AD11的第一个通孔11-1开始，固定于所述通孔11-1，从所述通孔11-1的反面穿入、正面穿出，之后贯穿到外弦杆AB12的第一个通孔12-1，从所述通孔12-1的正面穿入、反面穿出，再贯穿到所述通孔12-2的反面，从所述通孔12-2的反面穿入、正面穿出，之后贯穿到外弦杆AD11的第二个通孔11-2，从所述通孔11-2的正面穿入、反面穿出，再贯穿到所述通孔11-3，从所述通孔11-3的反面穿入、正面穿出，再贯穿到所述通孔12-3，从所述通孔12-3的正面穿入、反面穿出，再贯穿到所述通孔12-4，从所述通孔12-4的反面穿入、正面穿出，再贯穿到所述通孔11-4，从所述通孔11-4的正面穿入、反面穿出，再贯穿到外弦杆BC3的第一个通孔13-1，从所述通孔13-1的反面穿入、正面穿出，再贯穿到外弦杆CD4的第一个通孔14-1，从所述通孔14-1的正面穿入、反面穿出，再贯穿到所述通孔14-2，从14-2的反面穿入，正面穿出，再贯穿到所述通孔13-2，从所述通孔13-2的正面穿入、反面穿出，再贯穿到13-3，从所述通孔13-3的反面穿入、正面穿出，再贯穿到所述通孔14-3，从所述通孔14-3的正面穿入、反面穿出，再贯穿到14-4，从所述通孔14-4的反面穿入、正面穿出，再贯穿到所述通孔13-4，从所述通孔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，防止碳纤维丝2滑移；。
在圆孔处涂刷润滑剂加以保护，对于所述传感器4，在垂直于所述碳纤维丝2的方向，即图5中x轴方向可以自由伸长，但必须在外力作用下才能缩短，在平行于所述碳纤维丝2的方向，即图5中y方向上可以自由缩短，但必须在外力作用下才能伸长。
当对图5中A、C点施加等值反向的压力Fc时，贯穿其中所述通孔中的碳纤维将受到拉力，当压力Fc足够大，以至于使得所述拉压转换装置1产生明显形变，即在x方向AC两点的距离变小，BD两点的距离变长，根据结构协同变形的几何关系，贯穿于其中的碳纤维也将被拉长。至此，所述拉压转换装置1完成了对横向压应变到竖向拉应变的转换。根据之前的数学推导，可以计算出贯穿其中所有碳纤维的总伸长量：
ΔCFRP＝2m·[H(λ,b,a,δ)+F(λ,η,b,δ)]+G(λ,b,c,δ)
其中，m代表单根外弦杆上的孔数。
实施例1
图6所示为本发明所述的传感器4的一个实施例的立体结构图，所述基于柔性碳纤维丝2的传感器4，包括、至少一束柔性碳纤维，所述拉压转换装置1包括4根刚性外弦杆相互交叉布置，两两首尾相铰接构成一个形状可变的四边形，为拉压转换装置1。为了计算方便，所述外弦杆组成的形状可变的四边形优选为四边长度相等的四边形。所述外弦杆上设置数个通孔；一束柔性碳纤维丝2贯穿于所述通孔中，具体地，所述柔性碳纤维丝2交替穿过相邻的两根外弦杆上的通孔，所述碳纤维丝2的两端端部设置一直径大于所述通孔的结，以固定所述碳纤维丝2。为了减小摩擦，所述外弦杆的铰接孔、通孔处打磨光滑、并涂抹润滑剂。同时在所述外弦杆具有通孔的部位设有保护罩3，以防止被测工程构件对碳纤维丝2产生摩擦。
以梁为例，如图7所示，当其受到轴向压力或者弯矩等作用时，产生局部压应变，将本发明所述的传感器4放置在梁压应变位置时，其拉压转换装置1受到梁上部的压应变，并将压应变转换为拉伸形变，如图7(d)所示，并传递给碳纤维丝2，使碳纤维承受拉应变，如图7(e)所示，从而完成拉压转换的过程，最终根据碳纤维的拉应变反推出梁的压应变实现传感器4的功能。
本发明所述的传感器4的尺寸对于实际工程构件来说较小，可以将其视为点。将所述传感器4布置于工程构件上时，实际测量的时该工程构件在该点的应变。而在实际工程应用中，在待测工程构件的受压区域，固定所述传感器4A、C两点，悬空B、D两点来安装传感器4，如图8所示，即使位于两根外弦杆之间的碳纤维丝2与压应力的方向相垂直，碳纤维丝2受拉，拉应力与受压方向垂直。当压区产生压应变时，AC之间发生压应变，从而协同所铰接的碳纤维丝2发生拉应变，根据全部碳纤维丝2的电阻变化量之和，即可反推出AC两点对应压区长度元的压应变。AC间距相对于整个结构来说较小，因此测量值即为AC微小长度段内的平均应变。
在待测工程构件的受拉区域，固定所述传感器4B、D两点，悬空A、C两点来安装传感器4，如图9所示，即使位于两根外弦杆之间的碳纤维丝2与拉应力的方向相平行，碳纤维丝2仍受拉，不过拉应力与受压方向平行。当拉区产生拉应变时，AC之间发生压应变，从而协同所铰接的碳纤维丝2发生拉应变，根据全部碳纤维丝2的电阻变化量之和，即可反推出AC两点对应压区长度元的压应变。AC间距相对于整个结构来说较小，因此测量值即为AC微小长度段内的平均应变。
实施例2
本发明所述传感器4布置方式比较灵活，既可以像实施例1中所述的单个布置，也可由多个子传感器4组合构成线形的传感器4。如图10所示，使用至少5根外弦杆，相互交叉布置，两个外弦杆相重叠的部分铰接，构成至少两个形状可变的四边形，由于所述至少两个四边形的边框共用部分外弦杆，其形状的变换是协同发生的，可用于梁柱等结构上的近似连续测量。在使用中，将线形传感器4连续布置于梁柱等结构上，测得其相应的应变值，由于所述子传感器4尺寸相对梁柱等结构来说较小，因此将这些离散的测量数据拟合，即可得到整个梁柱等结构沿线性传感器4延伸方向的近似应变曲线，如图11所示。
实施例3
如图12所示，使用至少6根外弦杆，相互交叉布置，两个外弦杆相重叠的部分铰接，构成至少三个形状可变的四边形，构成面型传感阵列由于所述至少三个四边形的边框共用部分外弦杆，其形状的变换是协同发生的，可用于板式结构测量，如图12所示。本实施例中设置了九个形状可变的四边形，即9个子传感器4，组成3*3的传感器4阵列，每个子传感器4测量值为该子区域内的平均应变，由于子区域相对于整个板式结构来说较小，可以视为点。因此，对于面型的传感阵列，其测量值可以写成板式结构的应变矩阵：Δ(i,j,k)，其中i代表x方向位置，j代表y方向位置，k代表该点的应变值。该空间矩阵近似拟合，可以进一步绘制成空间曲面，如图13所示，能更为直观表现各点的应变情况。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于柔性碳纤维丝的传感器，其特征在于，包括拉压转换装置(1)、至少一束柔性碳纤维，所述拉压转换装置(1)包括至少4根刚性外弦杆，所述外弦杆相互交叉布置，两根外弦杆重叠的部分相互铰接，构成至少一个形状可变的四边形，所述外弦杆上构成所述四边形边框的部分设置有数个通孔；每个所述四边形边框上的通孔中贯穿一束柔性碳纤维丝(2)，所述柔性碳纤维丝(2)交替穿过两根外弦杆上的通孔，所述柔性碳纤维丝的两端端部固定在所述外弦杆上或设置一直径大于所述通孔的结。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述外弦杆组成的形状可变的四边形为四边长度相等的四边形。
3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述外弦杆具有通孔的部位设有保护罩(3)。
4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述通孔及两根外弦杆的铰接处打磨光滑、并涂抹润滑剂。
5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述外弦杆构成多个形状可变的四边形，所述多个四边形位于同一条直线上。
6.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述外弦杆构成多个形状可变的四边形，所述多个四边形构成一个平面。
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