CN110375639B - 一种改性碳纤维应变传感器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及传感及自传感技术领域，具体为一种改性碳纤维应变传感器件及其制备方法。包括：改性碳纤维应变传感芯线、以及箔式信号解调组件。其制备方法包括：将碳纤维丝束置于300‑1000με以内的预张拉环境下；对碳纤维丝束实施预浸线型化处理；对线型化碳纤维丝束施加二级高应力张拉至初步成型；对初步成型碳纤维丝束后期养护至完全成型后，安装由柔性电路板打印制成的箔式信号解调组件，得到改性碳纤维传感芯线。本发明具有使用性能优越、精度高、动态响应好、测量性能稳定，适合恶劣环境下连续监测项目的特点。

Description

一种改性碳纤维应变传感器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及传感及自传感技术领域，具体为一种改性碳纤维应变传感器件及其制备方法。
背景技术
应变是对于结构损伤最敏感的结构参数之一，目前应变传感技术在土建交通工程结构的结构检测和监测技术中已得到广泛的关注。在结构检测和监测过程中，工程人员已经开始利用电子类、光纤类等应变传感器，以期定性、定量分析和评估结构性能。在通常情况下，土木工程结构的劣化过程非常缓慢，但是在严酷环境中或特殊外力作用下，会加速劣化产生损伤导致结构性能降低。因此对于一个优越性能的应变传感器而言，一方面要求具备良好的稳定性和耐久性以满足结构长期监测的需要。另一方面，由于结构中的局部损伤不是出现在所安置的传感器测试范围之内，则很难被准确地检测到，因此还需具备良好的灵敏性以获取微小应变变化。为了进一步更有效的评价结构性能，工程人员开始对传统传感器进行改良设计，以实现满足各种测量要求的智能传感器。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,可通过常用的电桥电路实现应力(应变)测量。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元件的尺寸变化，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。在实际传感性能的调查研究中，发现以碳纤维为基材的通过长标距封装方法，制作长标距应变传感元件满足稳定的应变测量，可实现了小级别应变变化的测量。[参考文献：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,CN102494603A]。在此基础上，利用应力集中原理对碳纤维传感材料实施预制切口增敏措施，以满足碳纤维传感材料对于微小应变范围内准确度和精度的要求。[参考文献：一种长标距碳纤维应变传感器件,CN103868445A]此外，通过小波解析技术，利用碳纤维传感材料适合分布式布设的传感特性而实施的实时基线及去噪处理方法，可进一步提升了传感器的测量性能，以达到高准确度和高精度的结构动静态应变测量的目的。[参考文献：基于分布传感和小波解析技术的实时基线及去噪处理方法,CN105004278A]
碳纤维传感材料由于可塑性强、力学性能好、和长期性能稳定的特点，适合与传感单元结合以达到智能化设计，实现多功能、高性能化碳纤维传感材料。加之碳纤维传感材料适合应用于土木工程结构中，通过碳纤维传感材料的自传感功能直接感知结构内部应变变化，并结合分布传感技术的损伤识别及动、静态分析理论，获知结构自身应力分布、荷载、变形等结构状态参数，使结构具有了感知状态变化、自我诊断、自适应等功能，进而实现智能结构。碳纤维传感材料通过感知结构自身响应追踪结构实时状态，在结构长期服役过程中，由于外界激励条件存在不确定性，导致难以预测结构响应可能存在的范围，因此要求碳纤维传感材料需具备大量程的测量范围。目前碳纤维传感技术存在的问题是：高应力状态信号线性差碳纤维传感材料主要是由连续碳纤维丝、树脂、以及电极组成的复合材料。组成材料之间耦合响应复杂，容易导致输出信号不稳定，特别是高应力状态下难以保证线性输出。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种改性碳纤维应变传感器件及其制备方法，本发明具有使用性能优越、精度高、动态响应好、测量性能稳定，适合恶劣环境下连续监测项目的特点。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种改性碳纤维应变传感器件的制备方法，改性碳纤维应变传感器件包括改性碳纤维应变传感芯线、以及箔式信号解调组件；所述的箔式信号解调组件包括：信号解调电路、信号放大电路以及信号输出转换电路，包括以下步骤：
步骤一、将碳纤维丝束置于300-1000微应变以内的预张拉环境下选取出满足基本线性测量长度的传感段、电极段及预备锚固段；
步骤二、采用具有黏性的导电树脂，对所述电极段进行预浸处理之后，在导电树脂完全固化前沿垂直纤维方向将所述传感段的碳纤维丝束折叠2次以上实现；
步骤三、采用焊接方式将传感器电极安装于所述电极段上；
步骤四、在保持预张拉不变的条件下，将所述传感段和所述电极段放入树脂中进行含浸处理后静置1-3h，当树脂固化程度达到50-80％时，采用夹具固定所述预备锚固段同时对碳纤维丝束施加7000微应变以内的二级高应力张拉，并维持二级高应力张拉3-6h；
步骤五、待二级高应力张拉完成后，将碳纤维丝束置于300-1000微应变以内的养护张拉力下静置；
步骤六、待树脂完全固化后撤去养护张拉力，对所述预备锚固段进行含浸处理并热压成合适的形状，成型后剪去外部多余的碳纤维丝，得到改性碳纤维传感芯线；
步骤七、将所述箔式信号解调组件通过所述信号解调电路与所述改性碳纤维传感芯线连接，并封装于预备锚固段内部，得到改性碳纤维应变传感器件。
进一步的，所述步骤以一中传感段长度等于需要制备的传感器的标距长度，所述电极段长度为所述碳纤维丝束宽度的1-2倍，所述锚固端长度为所述碳纤维丝束宽度的3倍以上。
进一步的，所述步骤二的导电树脂由环氧树脂、热塑性树脂以及聚氨酯按照质量比为5：3：2混合而成。
进一步的，所述步骤二中折叠次数由碳纤维丝束的宽度决定，不少于3次。
进一步的，所述步骤四与步骤五中二级高应力张拉为匀速加载至峰值，加载速率小于500微应变每分钟。
本发明的有益效果为：
(1)通过两次分级张拉，尤其是二级高应力张拉，有效得抑制了碳纤维丝束和树脂的初期蠕变和制备不均匀的影响，制得的改性的碳纤维传感芯线，线性度高，线性测量范围得到大幅度提升。
(2)制得的改性的碳纤维传感器件温度补偿效果优越、动态响应好、精度高、测量性能稳定。
附图说明
图1是本发明的芯线制作流程的示意图。
图2是本发明的长标距碳纤维应变传感器件的示意图。
图3是本发明的几种芯线结果对比。
图中，1-长标距碳纤维补偿芯线，2-长标距碳纤维应变传感芯线，3-信号输出端口，4-密封层。
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，本发明对比了4种不同类型的芯线制作流程。
类型1是按照现有通用的复合材料制作流程，在保证连续碳纤维沿纤维方向受拉的低应力状态下，对树脂含浸处理的连续碳纤维进行直接固化养护。
类型2是先对树脂含浸处理的连续碳纤维实施高应力预张，当树脂达到一定固化程度后再按照类型1的流程在低应力状态下对传感芯线实施固化养护。
类型3是先按照类型1的流程在低应力状态下对传感芯线实施固化养护，当树脂达到一定固化程度后再对连续碳纤维实施高应力预张。
类型4是先对树脂含浸处理的连续碳纤维实施高应力预张，当树脂达到一定固化程度后在低应力状态下对传感芯线实施固化养护，当当树脂完全固化程度后再次对连续碳纤维实施二次高应力预张。
如图2所示，分别将以上4种流程制作的芯线，通过原有方法(CN102494603A)制造组装构成长标距碳纤维应变传感器件。
下面结合具体的实施例，具体来阐述按照本发明的芯线制作流程制作而成的长标距碳纤维应变传感器件的特点：
实施例
按图1的制作流程，分别制作4根标距长为500毫米的长标距碳纤维应变传感器件，其制作方法分别为通过原有方法(CN102494603A)制造获的原长标距碳纤维应变传感器，和本发明所述方法制造获的改良长标距碳纤维应变传感器。将这4根长标距碳纤维应变传感器安装在同一块铁板上，张拉铁板后分别测量这4根传感器的输出信号。测量结果显示，在1500微应变的范围内，4根传感器的输出信号都具有良好的线性，证明4种类型的长标距碳纤维应变传感器都满足在小应变范围内线性的输出。这个结论与原有方法(CN102494603A)制造的长标距碳纤维应变传感器结论一致，以下将着重针对高应变级别下4种流程制作的碳纤维传感器的测量结果进行讨论。
首先，随着应变增加在6000微应变的范围内，类型1(原有制作方法)的长标距碳纤维应变传感器的信号出现不规则的波动，其原因为在高应变级别下连续碳纤维丝会出现早期微断裂以及树脂的蠕变问题，从而限制了碳纤维传感器有效测量范围。
其次，类型2(预张后固化)的长标距碳纤维应变传感器的信号同样也出现了不规则的波动，其原因是高应力预张施加后树脂并没有完全固化，因此树脂的蠕变问题依然存在。
此外，类型3(固化后预张)的长标距碳纤维应变传感器的信号在应变级别超过6000微应变之后，可以保证一定程度的线性输出，其原因是树脂固化后的高应力预张可以有效抑制树脂问题，但并不能解决高应变级别下连续碳纤维丝的早期微断裂带来信号不规则波动问题。
最后，对比以上3种类型的碳纤维传感器，按照本发明所述流程制作的类型4(多级预张)长标距碳纤维应变传感器持续稳定的线性信号输出，从而实现了高应变级别下碳纤维传感器的线性定量测量。因此，本发明的传感器件满足大量程条件下应变测量，适合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，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种改性碳纤维应变传感器件的制备方法，改性碳纤维应变传感器件包括改性碳纤维应变传感芯线、以及箔式信号解调组件；所述的箔式信号解调组件包括：信号解调电路、信号放大电路以及信号输出转换电路，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将碳纤维丝束置于300-1000με以内的预张拉环境下选取出满足基本线性测量长度的传感段、电极段及预备锚固段；
步骤二、采用具有黏性的导电树脂，对所述电极段进行预浸处理之后，在导电树脂完全固化前沿纤维的垂直方向将所述传感段的碳纤维丝束折叠2次以上；
步骤三、采用焊接方式将传感器电极安装于所述电极段上；
步骤四、在保持预张拉不变的条件下，将所述传感段和所述电极段放入树脂中进行含浸处理后静置1-3h，当树脂固化程度达到50-80％时，采用夹具固定所述预备锚固段同时对碳纤维丝束施加7000με以内的二级高应力张拉，并维持二级高应力张拉3-6h；
步骤五、待二级高应力张拉完成后，将碳纤维丝束置于300-1000με以内的养护张拉力下静置；
步骤六、待树脂完全固化后撤去养护张拉力，对所述预备锚固段进行含浸处理并热压成合适的形状，成型后剪去外部多余的碳纤维丝，得到改性碳纤维传感芯线；
步骤七、将所述箔式信号解调组件通过所述信号解调电路与所述改性碳纤维传感芯线连接，并封装于预备锚固段内部，得到改性碳纤维应变传感器件。
2.根据权利要求1所述的一种改性碳纤维应变传感器件的制备方法，其特征在于，所述步骤一中传感段长度等于需要制备的传感器的标距长度，所述电极段长度为所述碳纤维丝束宽度的1-2倍，所述预备锚固段长度为所述碳纤维丝束宽度的3倍以上。
3.根据权利要求1所述的一种改性碳纤维应变传感器件的制备方法，其特征在于，所述步骤二的导电树脂由环氧树脂、热塑性树脂以及聚氨酯按照质量比为5：3：2混合而成。
4.根据权利要求1所述的一种改性碳纤维应变传感器件的制备方法，其特征在于，所述步骤二中折叠次数由碳纤维丝束的宽度决定，不少于3次。
5.根据权利要求1所述的一种改性碳纤维应变传感器件的制备方法，其特征在于，所述步骤四与步骤五中二级高应力张拉为匀速加载至峰值，加载速率小于500με/min。
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