CN108489642A - 电容式曲面压力分布传感装置、制作方法及其测力方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电容式曲面压力分布传感装置，其包括曲面基底、纤维增强复合材料以及多路数据处理模块；其中，所述纤维增强复合材料贴合于曲面基底上，其由树脂以及注塑于树脂内的纤维织物组成；所述纤维织物由碳纤维和绝缘纤维三维机织而成；所述碳纤维的端部设有电极接口；所述电极接口通过导线连接至多路数据处理模块。本发明采用树脂基纤维增强复合材料作为敏感性材料，这种既有稳定性又有可塑性，能够在传统的压力传感器不能应运于曲面物体表面时，实现曲面物体表面的压力分布测量；纤维织物中的每根碳纤维不相接触，有利于电容测量，在纤维数总量不变的情况下，调整绝缘纤维与碳纤维的比例，实现调节压力传感器的空间分辨能力。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种力传感装置，具体涉及一种电容式曲面压力分布传感装置、制作方法及其测力方法，属于传感器技术领域。
【背景技术】
压力传感器是工业实践中最为常见的一种传感器，其广泛运用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业；对普通规则物体表面进行压力测试的压力传感装置已经有着成熟的工业技术。而随着时代、经济、科技等方面的发展，适用于规则物体表面的压力传感装置已经不能满足人们的需求，对典型的不规则物体表面，如复杂曲面上进行的压力分布测量的需求不断增加。因此对复杂曲面的压力传感装置的研究有着越来越重要的意义。
扩散硅压力变送器(压力传感器)有着非常成熟的技术，具有抗过载和抗冲击能力，过压可达量程的数倍，甚至用硬物直接敲打测量元件也不致使其损坏，且对测量毫无影响。但以硅材料有着硬脆性这一特点，因此用它作为敏感材料制成曲面压力传感装置就存在着不能适应复杂曲面问题。为满足时代的发展的需求，采用合适的敏感性材料来代替硅制备曲面压力传感装置是一个有效的研究方向。目前对柔顺性材料和延展性材料进行研究的比较多。
在对以上两者的研究中出现了一些不可避免的问题。在对柔顺性敏感材料的研究中发现对于一些比较平缓的曲面是可以实现曲面压力测量的，但在一些比较复杂的曲面中柔顺性材料不能与被测表面完美的贴合。在延展性敏感材料制成的压力传感器中，一种电容式真空压力传感器已有产品出现。其中较为出名的要数Endress+Hauser公司的电容式压力传感器，它是由一块基片和厚度为0.8～2.8mm的氧化铝构成，其间用一个自熔焊接钎焊圆环在一起。它有着高阻抗、小功率、动态范围大、动态响应较快、结构简单、环境适应性好等特性；但氧化铝作为延展性敏感材料本身的强度往往差，并且其结构与制造过程较为复杂，易发生损坏，长期工作稳定性不足。
为了综合以上两种材料的优点并摒弃它们缺点，树脂基纤维增强复合材料可以作为敏感性材料来替代它们。它既有稳定性又有可塑性。其中碳纤维作为可导电性材料，而基体的树脂则可以作为介电材料。在碳纤维复合材料发生变形时，两根不相接触的碳纤维在通电的情况下电容值将发生变化。因此在不需要其它的外加器材的情况下，可以通过测量碳纤维之间的电容变化来有效的判断纤维复合材料的受力情况。此复合材料可以有效的运用于相对复杂的曲面之中。
因此，为解决上述问题，确有必要提供一种电容式曲面压力分布传感装置、制作方法及其测力方法，以克服现有技术中的所述缺陷。
【发明内容】
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种电容式曲面压力分布传感装置，其利用纤维增强复合材料的曲面适应性与自敏感特性，能够在相对复杂曲面上长期稳定工作。
本发明的第二目的在于提供一种电容式曲面压力分布传感装置的制作方法。
本发明的第三目的在于提供一种电容式曲面压力分布传感装置的测力方法。
为实现上述第一目的，本发明采取的技术方案为：电容式曲面压力分布传感装置，其包括曲面基底、纤维增强复合材料以及多路数据处理模块；其中，所述纤维增强复合材料贴合于曲面基底上，其由树脂以及注塑于树脂内的纤维织物组成；所述纤维织物由碳纤维和绝缘纤维三维机织而成；所述碳纤维的端部设有电极接口；所述电极接口通过导线连接至多路数据处理模块。
本发明的电容式曲面压力分布传感装置进一步设置为：所述碳纤维包括径向碳纤维和纬向碳纤维。
为实现上述第二目的，本发明采取的技术方案为：电容式曲面压力分布传感装置的制作方法，其包括如下步骤：将用碳纤维和绝缘纤维织成的纤维织物放入至根据被测曲面的形状而设计的模具中；再通过对纤维织物浸入树脂的方法形成固定形态的纤维增强复合材料；从复合材料中打磨出碳纤维头，用电极环套在碳纤维上，并涂上导电银胶和进行高温处理使两者连接牢固；再通过导线与多路数据处理模块连接。
为实现上述第三目的，本发明采取的技术方案为：电容式曲面压力分布传感装置的测力方法包括：外力将作用在曲面压力传感器表面，曲面压力传感器中的纤维增强复合材料受力发生形变，处于其内的具备压力敏感特性的碳纤维将会发生形变，导致相邻的经向碳纤维之间与纬向碳纤维之间的距离以及经向碳纤维与纬向碳纤维在空间上交叉点的距离发生变化，使得纤维之间的电容测量值随着外力大小产生相应的变化；碳纤维阵列中每个相邻经向碳纤维、纬向碳纤维以及经向碳纤维与纬向碳纤维空间交叉点处的电容值大小通过多路数据处理模块采集并调理成数字信号，通过有序的记录每个电容值的大小，从而得到曲面压力大小与分布位置信息。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.本发明用纤维复合材料作为敏感材料，同时克服了柔顺性敏感材料可塑性差和延展性材料稳定性不高的缺点。
2.本发明采用碳纤维和绝缘纤维的混合织物能够在保持材料整体强度不变的情况下调节压力检测的空间分辨能力并且使碳纤维之间相互隔离从而实现电容测量的有益效果；相比于其他现有敏感材料的应用方法，纤维增强复合材料的制备更为简单，因此成本更低。
3.本发明在相对复杂的曲面上进行受力分布测量的压力传感装置，采用含有碳纤维的纤维增强复合材料作为敏感性元件，利用纤维符合材料的可塑性等特点，使纤维复合材料可以和相对复杂的曲面贴合。
4.本发明利用纤维复合材料的自敏感特性和其中碳纤维的导电性，可以通过测量电容变化的大小及其分布，来实现对曲面受力大小和分布的测量。
【附图说明】
图1是本发明的电容式曲面压力分布传感装置的示意图。
图2是本发明的电容式曲面压力分布传感装置的纤维织物的主视图。
图3是本发明的电容式曲面压力分布传感装置的纤维织物的侧视图。
图4是本发明的电容式曲面压力分布传感装置的纤维织物的制作流程图。
图5是本发明的电容式曲面压力分布传感装置的纤维织物的测力流程图。
【具体实施方式】
请参阅说明书附图1至附图5所示，本发明为一种电容式曲面压力分布传感装置1，其由曲面基底7、纤维增强复合材料2以及多路数据处理模块6等几部分组成。
其中，所述纤维增强复合材料2贴合于曲面基底1上，并通过纤维增强复合材料的可塑性，可以实现曲面压力传感器与曲面基底(7)、曲面压力传感器与需要测量的曲面物体的完全贴合，将外部受力情况转化为曲面压力传感器中碳纤维之间的电容变化，这一变化通过多路数据处理模块6的采集和处理从而得到曲面受力的大小与分布，再通过多路数据处理模块6与计算机的连接储存数据。该纤维增强复合材料2由树脂8以及注塑于树脂8内的纤维织物10组成，树脂以注塑的方式包覆在纤维织物的表面，经过固化后形成纤维增强复合材料2。所述的曲面压力传感器1形状由注塑模具形状控制，调整注塑时的模具形状，曲面压力传感器1的形状也将变化，以适应对应形状的曲面基底7。
所述纤维织物10由碳纤维3和绝缘纤维4(如玻璃纤维)三维机织而成，两种形式的纤维通过机织的方法形成经纬交叉并碳纤维不接触的五层织物，两根不接触但相邻的碳纤维之间通过接通电压形成电容。如图2、3所示的4根纬向碳纤维11和8根经向碳纤维12中共形成的电容阵列：相邻纬向碳纤维之间3个电容值，相邻经向碳纤维之间7个电容值，经向与纬向碳纤维在空间交叉点上32个电容值。每根碳纤维的一端用导线5与多路数据处理模块连接6。外部压力的变化使得纤维增强复合材料中的碳纤维之间的距离、接触面积发生变化从而使电容值得大小发生变化。
所述纤维织物10通过三维机织的方法形成易于改变形状的结构。同时，在总量不变的情况下，通过调整碳纤维3和绝缘纤维4比例可以改变曲面压力传感器1在空间上的分辨能力；当碳纤维3的含量变少时，在曲面压力传感器1上经向碳纤维11、纬向碳纤维12在空间上的分布就变的稀疏，曲面压力传感器1的空间分辨能力随之变弱；反之，则空间分辨能力越强。
所述碳纤维3又分为径向碳纤维11和纬向碳纤维12，而通过三维机织的方法使得每根碳纤维3都不相接触，并且经向与纬向都有碳纤维分布；通过导线5将经纬两个方向的碳纤维3与多路数据处理模块6相连，来测量所有相邻经向碳纤维11之间、纬向碳纤维12之间和经向与纬向的空间交叉点之间的电容值。
进一步的，所述碳纤维11的端部设有电极接口9；所述电极接口9通过导线5连接至多路数据处理模块6。
本发明的电容式曲面压力分布传感装置的制作方法包括如下步骤：将用碳纤维3和绝缘纤维4编织而成的纤维编织物放入至根据被测曲面的形状而设计的模具中再通过对纤维织物浸入树脂的方法形成固定形态的纤维增强复合材料2，从复合材料中打磨出碳纤维头，用电极环套在碳纤维上，并涂上导电银胶和进行高温处理使两者连接牢固。再通过导线与多路数据处理模块连接。
本发明的电容式曲面压力分布传感装置的测力方法如下：外力将作用在曲面压力传感器1表面，该曲面压力传感器1中的纤维增强复合材料2受力发生形变，处于其内的具备压力敏感特性的碳纤维3将会发生形变，导致相邻的经向碳纤维11之间与纬向碳纤维12之间的距离以及经向碳纤维11与纬向碳纤维12在空间上交叉点的距离发生变化，使得纤维之间的电容测量值随着外力大小产生相应的变化；碳纤维阵列中每个相邻经向碳纤维11、纬向碳纤维12以及经向碳纤维11与纬向碳纤维12空间交叉点处的电容值大小通过多路数据处理模块采集并调理成数字信号，通过有序的记录每个电容值的大小，从而得到曲面压力大小与分布位置信息。
以上的具体实施方式仅为本创作的较佳实施例，并不用以限制本创作，凡在本创作的精神及原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本创作的保护范围之内。
Claims (4)
1.电容式曲面压力分布传感装置，其特征在于：包括曲面基底、纤维增强复合材料以及多路数据处理模块；其中，所述纤维增强复合材料贴合于曲面基底上，其由树脂以及注塑于树脂内的纤维织物组成；所述纤维织物由碳纤维和绝缘纤维三维机织而成；所述碳纤维的端部设有电极接口；所述电极接口通过导线连接至多路数据处理模块。
2.如权利要求1所述的电容式曲面压力分布传感装置，其特征在于：所述碳纤维包括径向碳纤维和纬向碳纤维。
3.如权利要求2所述的电容式曲面压力分布传感装置的制作方法，其特征在于：包括如下步骤：将用碳纤维和绝缘纤维织成的纤维织物放入至根据被测曲面的形状而设计的模具中；再通过对纤维织物浸入树脂的方法形成固定形态的纤维增强复合材料；从复合材料中打磨出碳纤维头，用电极环套在碳纤维上，并涂上导电银胶和进行高温处理使两者连接牢固；再通过导线与多路数据处理模块连接。
4.如权利要求2所述的电容式曲面压力分布传感装置的测力方法，其特征在于：外力将作用在曲面压力传感器表面，曲面压力传感器中的纤维增强复合材料受力发生形变，处于其内的具备压力敏感特性的碳纤维将会发生形变，导致相邻的经向碳纤维之间与纬向碳纤维之间的距离以及经向碳纤维与纬向碳纤维在空间上交叉点的距离发生变化，使得纤维之间的电容测量值随着外力大小产生相应的变化；碳纤维阵列中每个相邻经向碳纤维、纬向碳纤维以及经向碳纤维与纬向碳纤维空间交叉点处的电容值大小通过多路数据处理模块采集并调理成数字信号，通过有序的记录每个电容值的大小，从而得到曲面压力大小与分布位置信息。
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