CN110672004A - 一种将光纤光栅与碳纤维增强复合材料特性相结合的应变传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种将光纤光栅与碳纤维增强复合材料特性相结合的应变传感器，其特征在于，包括：碳纤维布；所述碳纤维布上下表面交替设置有碳纤维束‑光纤光栅传感器组；所述碳纤维束与电阻测量装置相连；所述光纤光栅传感器与光纤光栅解调仪相连；所述碳纤维束‑光纤光栅传感器组由多根碳纤维束和光纤光栅传感器平行排布而成。将光纤光栅与碳纤维增强复合材料特性相结合的应变传感器件，从而扩大应变监测范围，解决量程受到限制的问题，结合两者之长，实现对土木工程结构应力状态的连续稳定的监测。

Description

一种将光纤光栅与碳纤维增强复合材料特性相结合的应变传 感器

技术领域

本发明属于监测技术领域，具体涉及一种将碳纤维电阻值变化与光纤光栅波长变化特性结合起来以扩大应变监测量程的装置。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

工程建成后，需要后期良好的管理维护来保证其安全运行。建筑结构在多种因素共同作用下会产生损伤、变形，因此需要稳定有效的传感装置对结构的状态变化过程进行实时监测，及时发现安全隐患发出预警，以便对其进行修复。随着我国基础设施建设迅速发展，越来越多的应变测量技术被人们研发出来，工程结构的安全性、可靠性得到了不断提高。

碳纤维材料质量轻、强度高、耐腐蚀性好，具有优良的承载力，且材料形状多变，如筋材、板材、碳纤维丝等等；除此之外，碳纤维具有力阻效应，其自身电阻值随受力状态的改变而发生变化。光纤布拉格光栅是一种可作为波长选择镜的微结构，当光谱光源被注入到光纤后，只有布拉格波长的光会被光栅反射，剩余的光波将继续通过光纤传输，到达光纤末端时会折射，不影响测量。当受到拉伸或挤压时，光纤的变形将会导致微结构的周期改变，从而改变布拉格波长，光弹性效应也会使折射率发生变化，因此可应用于对应变的测量。光纤解调器能够连续发出不同波长的光，光通过光纤传播，在某点由布拉格光栅反射，并返回解调器。由于布拉格光栅具有不同周期，因此可以区分不同传感器的信号，从光栅返回的原始光信号可以推导出实际应变，获得材料应力。

对于以上两种材料的传感性能、复合形式、制作工艺、应用方向等等，已存在大量的研究，如：专利CN107956292A公开了一种混合型智能碳纤维板，在碳纤维增强塑料中嵌入高强钢丝和光纤光栅传感器，既提高碳纤维板的抗剪性能又可监测被加固结构。专利CN205785609U提供了一种基于碳纤维封装的光纤光栅应力传感器，将碳纤维作为光纤光栅传感器的封装材料，可以提高传感器的寿命和应力测试范围。

碳纤维复合材料具有良好的抗拉强度、且力阻的线性拟合度好，灵敏度却不够好，在小应变范围内其传感性能有劣势；光纤光栅灵敏度高，但材料脆，拉伸应变小，量程较小(目前国内光纤光栅传感器量程大都在5000με以内。)

而发明人发现：现有技术采用内埋、植入、封装的方式在碳纤维中设置光纤光栅，仍存在以下问题，例如：封装：主要目的为对光纤光栅起保护作用，将碳纤维材料作为应力带动层，解决光纤光栅受力不均匀容易损坏的问题；

内埋：直接将光纤光栅埋入碳纤维布的层间，会破坏原材料的完整性和连续性，由于光纤光栅与碳纤维直径差异较大，在光纤光栅周围会出现树脂富集区，形成较大的应力集中；

植入：将光纤光栅传感器植入结构内部，目的仅仅是使用光纤光栅监测结构内部应力应变，关于光纤光栅量程小的问题并未得到解决。

发明内容

为了克服上述问题，本发明提供一种将光纤光栅与碳纤维增强复合材料特性相结合的应变传感器件，从而扩大应变监测范围，解决量程受到限制的问题，结合两者之长，实现对土木工程结构应力状态的连续稳定的监测，

为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：

一种将光纤光栅与碳纤维增强复合材料特性相结合的应变传感器，包括：

碳纤维布；

所述碳纤维布上下表面交替设置有碳纤维束-光纤光栅传感器组；

所述碳纤维束与电阻测量装置相连；

所述光纤光栅传感器与光纤光栅解调仪相连；

所述碳纤维束-光纤光栅传感器组由多根碳纤维束和光纤光栅传感器平行排布而成。

与现有的内埋、植入、封装等方式相比，本申请优势在于：用碳纤维束丝将光纤光栅充分、均匀地包裹住，极大地减少了因直径差距而产生的空隙，且光纤光栅与碳纤维束呈平行关系，避免了树脂富集区的影响。包裹在光纤光栅外侧的碳纤维也对光纤光栅起到了很好的保护作用。最主要的，同时利用碳纤维力阻效应和光纤光栅波长变化，扩大了监测量程。单向碳纤维布可适用多种情况，附着性好，尺寸可变，具有优良的作业性。

上述设计同时利用了碳纤维的力阻效应和光纤光栅的波长变化，弥补两种材料的各自缺陷，使得材料性能得到更好的发挥。因此，在一些实施例中，所述碳纤维束外涂覆有绝缘涂层。

在一些实施例中，所述光纤光栅传感器装有保护套，提高了光纤光栅传感器的使用寿命和传输稳定性。

在一些实施例中，所述光纤光栅传感器通过测试跳线与光纤光栅解调仪连接，以有效地监测建筑结构的变形。

在一些实施例中，所述碳纤维束两端通过导线与电阻测量装置相连。以通过电阻值的变化，有效地监测建筑结构的变形。

在一些实施例中，所述碳纤维布呈带状，由两组碳纤维束丝正交编织而成。目前，常用光纤光栅传感器的直径与碳纤维相差较大，例如：光纤光栅在125～250微米之间，明显大于直径10微米的增强纤维，因此，光纤的埋入可能会破坏复合材料的微结构，在复合材料内部产生局部应力集中，并且由于材料性质尤其是力学性能的不匹配性，还可能会影响复合材料的强度、刚度等力学性能。对此，本申请系统分析了多点影响复合材料强度的因素，如光纤数量、光纤与碳纤维间的铺放角度、光纤尺寸等，并经过大规模实验摸索，发现：采用单向碳纤维布，光纤与极大部分碳纤维方向一致，强度集中在一个方向上，在垂直光纤光栅方向仅有少量碳纤维丝用于防止碳纤维布散开，且不与光纤光栅直接接触；同时大量碳纤维丝充分均匀的包裹在光纤光栅周围，极大降低了因直径差距产生的空隙，避免了树脂富集区的形成，不会产生大的应力集中，因此对材料的力学性能影响甚微。

在一些实施例中，所述碳纤维束-光纤光栅传感器组被定间距编织在纤维布内。即：将碳纤维束和光纤光栅传感器按设定间距编织在碳纤维布内：将光纤光栅与碳纤维材料复合编织，形成布状(带状)传感材料，可粘贴附着在多种形式的结构上，使用灵活。

在一些实施例中，所述碳纤维束的长度大于碳纤维布的宽度。以便于碳纤维束与光纤光栅相连，安装、拆卸方便。

在一些实施例中，所述光纤光栅传感器的长度大于碳纤维布的宽度。以便于碳纤维束与光纤光栅相连，安装、拆卸方便。

本发明还提供了任一上述的应变传感器在建筑结构应变监测中的应用。

本发明的有益效果在于：

(1)本传感装置能扩大应变监测量程，在小应变阶段由光纤光栅传感器感应微小的应变变化，当光纤抗拉强度达到极限而失效时，继续利用碳纤维的力阻效应进行应变监测。

(2)在光纤光栅和碳纤维应变监测量程重合范围内，即两者共同监测，两种传感材料的监测结果起到互相印证的作用，更加确保了测量的准确性。

(3)碳纤维对光纤光栅起到固定、保护的作用，易于满足施工要求。

(4)本申请的装置结构简单、成本低，易于规模化生产。可根据不同应用情况制成不同尺寸、附着性好，具有普适性。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明的传感装置的结构示意图。

图2为本发明的传感装置的结构剖视图。

在图1至图2中包括有：1——碳纤维布；2——光纤Bragg光栅；3——带绝缘涂层的碳纤维束；4——导线；5——电极。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，针对碳纤维复合材料具有良好的抗拉强度、且力阻的线性拟合度好，灵敏度却不够好，在小应变范围内其传感性能有劣势；光纤光栅灵敏度高，但材料脆，拉伸应变小，量程较小的问题。因此，本发明提出一种将光纤光栅与碳纤维增强复合材料特性相结合的应变传感器，该传感装置包括单向碳纤维布，外部有绝缘涂层的碳纤维束，装有保护套的光纤Bragg光栅，光纤光栅解调仪，精密电子万用表。

光纤光栅传感器通过测试跳线与光纤光栅解调仪连接，将感测到的光信号传递给解调仪，从而推导出应变。碳纤维束两端通过导线与精密电子万用表连接，测出结构产生应变时碳纤维束的电阻率，进而测得实际应变。通过传感器反馈的信号便可以分析出结构的受力状态，评定出结构的安全性。

碳纤维布为单向碳纤维布，呈带状。碳纤维丝束大都在一个方向，另一个垂直方向上仅有少量较细的碳纤维丝，起到固定作用，防止其散开。先将光纤Bragg光栅穿入碳纤维束的中央，使其与碳纤维很好的接触在一起，在碳纤维束的边缘向外引出以便与光纤光栅解调仪相连。表面带有绝缘涂层的碳纤维束的两端伸出碳纤维布，在其两端固定电极以便与精密电子万用表相连。表面带有绝缘涂层的碳纤维束及包裹有光纤光栅的碳纤维束与其余普通碳纤维束平行，按设定间距编织成带状。

以下通过具体的实施例对本申请的技术方案进行说明。以下实施例中，光纤光栅为：光纤Bragg光栅；碳纤维束规格：T300,12K碳纤维。

实施例1：

一种将光纤光栅与碳纤维增强复合材料特性相结合的应变传感器，该传感装置包括碳纤维布，外部有绝缘涂层的碳纤维束，装有保护套的光纤光栅传感器，光纤光栅解调仪，精密电子万用表。

光纤光栅传感器通过测试跳线与光纤光栅解调仪连接，将感测到的光信号传递给解调仪，从而推导出应变。碳纤维束两端通过导线与精密电子万用表连接，测出结构产生应变时碳纤维束的电阻率，进而测得实际应变。通过传感器反馈的信号便可以分析出结构的受力状态，评定出结构的安全性。

碳纤维布呈带状，由两组碳纤维束丝正交编织而成，在编织过程中将碳纤维束和光纤光栅传感器按设定间距编织在内，表面带有绝缘涂层的碳纤维束的两端伸出碳纤维布，在其两端固定电极以便与精密电子万用表相连，光纤光栅同样在碳纤维布边缘向外延长，与光纤光栅解调仪相接。

其中，碳纤维束丝和光纤光栅传感器的编织方式为相间布置，分别处于宽度方向上1/3、2/3位置处。具体地，可根据碳纤维布的宽度分为多种情况，碳纤维布的宽度为30cm及以下的只编织一根碳纤维束丝和一根光纤光栅传感器；当碳纤维布的宽度达到50cm及以上时，则按需增加碳纤维束丝和光纤光栅传感器的数量，碳纤维束丝和光纤仍间隔布置，布置在能将宽度等分的位置。

对采用宽度为30cm的碳纤维布制备的应变传感器的性能进行检测，检测结果如下：应变低于约7500με时，电阻变化率随应变改变表现出较好的线性关系；应变在7500με-25000με之间，电阻变化率增长速度有所降低，应变-电阻率关系曲线出现波动；低应变状态(小于3000με)下，FBG保持着良好的传感特性，应变灵敏度保持在1.2pm/με。

最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种将光纤光栅与碳纤维增强复合材料特性相结合的应变传感器，其特征在于，包括：

碳纤维布；

所述碳纤维布上下表面交替设置有碳纤维束-光纤光栅传感器组；

所述碳纤维束与电阻测量装置相连；

所述光纤光栅传感器与光纤光栅解调仪相连；

所述碳纤维束-光纤光栅传感器组由多根碳纤维束和光纤光栅传感器平行排布而成。

2.如权利要求1所述的应变传感器，其特征在于，所述碳纤维束外涂覆有绝缘涂层。

3.如权利要求1所述的应变传感器，其特征在于，所述光纤光栅传感器装有保护套。

4.如权利要求1所述的应变传感器，其特征在于，所述光纤光栅传感器通过测试跳线与光纤光栅解调仪连接。

5.如权利要求1所述的应变传感器，其特征在于，所述碳纤维束两端通过导线与电阻测量装置相连。

6.如权利要求1所述的应变传感器，其特征在于，所述碳纤维布呈带状，由两组碳纤维束丝正交编织而成。

7.如权利要求1所述的应变传感器，其特征在于，所述碳纤维束-光纤光栅传感器组被定间距编织在纤维布内。

8.如权利要求1所述的应变传感器，其特征在于，所述碳纤维束的长度大于碳纤维布的宽度。

9.如权利要求1所述的应变传感器，其特征在于，所述光纤光栅传感器的长度大于碳纤维布的宽度。

10.权利要求1-9任一项所述的应变传感器在建筑结构应变监测中的应用。

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