CN111175352B - 一种结合柔性电路的微纳米传感器结构健康监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种结合柔性电路的微纳米传感器结构健康监测方法，涉及复合材料健康监测技术领域。本发明提供一种结合柔性电路的微纳米传感器结构健康监测方法，柔性电路为共阴极电路或共阳极电路，极大的减少了导线的数量，增加了被监测点的监测方向，进一步减少埋入柔性传感器列阵而引起的缺陷对复合材料力学性能的影响，极大减少因将大量传感器埋入复合材料结构内部而引缺陷并提高传感器的存活率。

Description

一种结合柔性电路的微纳米传感器结构健康监测方法
技术领域
本发明涉及复合材料健康监测技术领域，尤其涉及一种结合柔性电路的微纳米传感器结构健康监测方法。
背景技术
复合材料具有轻质、高强等特性广泛应用于航空航天、航海、汽车、机械领域，但复合材料是由增强纤维、基体材料和界面等组成的多相体系，其结构易于产生裂纹、纤维脱粘或断裂、分层等多种形式内部损伤，降低了结构的可靠性和安全性，限制了复合材料的使用，因此需要对复合材料进行实时健康监测及损伤评价。
目前最常用的结构健康监测方法有导波压电陶瓷传感器和光纤光栅传感器等。导波监测是在复合材料制造过程中，将压电陶瓷传感器埋入复合材料内部或粘贴在复合材料表面，但是导波在复合材料中的传播具有各向异性、多模式混叠且幅值衰减强烈，难以实现大型复合材料结构的高精度监测。光纤光栅传感器在复合材料结构健康监测领域应用广泛，但光纤光栅传感器质脆易折，在结构复杂区域较难布控，成本也较高。另外两种传感器尺寸较大，在埋入复合材料后会植入缺陷，对复合材料结构力学性能造成一定的影响。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种结合柔性电路的微纳米传感器结构健康监测方法，极大减少因将大量传感器埋入复合材料结构内部而引缺陷并提高传感器的存活率，发明方案如下：
一种结合柔性电路的微纳米传感器结构健康监测方法，包括以下步骤：
步骤1：当被监测材料为绝缘材料时，在柔性电路上的每个传感器粘贴点处裁剪出一个镂空圆环，圆环的小半径r为1-10mm，大半径R为3-12mm，大小半径之差为2mm，在圆环面上可均匀布置4-8个电极，每个电极使用打印导线连接；
当被监测材料为导电材料时，则不裁剪镂空圆环根据所需要粘贴的传感器大小设定4-10mm直径的基准圆，在基准圆上均匀匀布置4-8个电极；
步骤2：根据复合材料结构以及复合材料上所需要进行健康监测点的位置，设计并打印相应形状的柔性电路；
步骤3：裁剪直径不小于所布置电极基准圆的圆形微纳米传感器粘贴到柔性电路上，形成传感器列阵；
步骤4：使用导电银胶将传感器粘贴到柔性印刷电路的电极上，放入恒温干燥箱中，导电银胶充分干燥后取出，将柔性印刷电路埋入复合材料板；
步骤5：在复合材料固化时，将形成传感器列阵的柔性电路埋入复合材料内部，并引出柔性电路接口；固化完成后，通过接口将柔性电路连接到数据采集设备；
步骤6：通过实验测量传感器每个监测方向的电阻变化率和电阻温度系数，随后实现复合材料结构服役过程中的温度监测，计算复合材料温度对传感器的电阻响应的影响。
所述步骤2中：
柔性电路为共阴极电路或共阳极电路，若其中任何一个电极连接正极，其余电极连接负极时为共阳极电路，若选择其中任何一个电极连接负极，其余电极连接正极时，为共阴极电路。共阳极电极与每个负极电极连线方向，或共阴极电极与每个正极电极连线方向，即为传感器监测方向，传感器可监测方向数量比电极数量少一个。
所述步骤6中：
传感器为多向传感器，传感器每个方向的电阻电阻温度系数相同。
本发明的有益效果：
(1)本发明提出的柔性电路为共阴极电路或共阳极电路，极大的减少了导线的数量，增加了被监测点的监测方向，进一步减少埋入柔性传感器列阵而引起的缺陷对复合材料力学性能的影响。
(2)本发明提出的柔性电路的传感器安放位置为镂空设计，树脂可通过镂空圆孔浸润到传感器中，可使传感器与复合材料一体固化成型。
(3)可以实现一个传感器对复合材料温度和应变的实时监测。
(4)微纳米传感器在埋入复合材料内部时极易破损，柔性电路可以对传感器起到良好的支撑保护作用，极大地提高了传感器的存活率。
附图说明
图1为本发明实施例中柔性印刷电路的电路原理图；
图2为本发明实施例中在传感器粘贴位置裁剪和不裁剪镂空圆孔的柔性电路；
图3为本发明实施例中使用粘贴和未粘贴传感器的实际柔性电路；
图4为本发明实施例中柔性电路与玻璃纤维复合一体固化；
图5为本发明实施例中微纳米传感器监测复合材料的电阻变化率；
图(a)为45°的传感器系数，图(b)为0°的传感器系数，图(c)为-45°的传感器系数，；
图6为本发明实施例中微纳米传感器监测复合材料的电阻温度系数。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。实施例给出了详细的实施方式和具体的操作过程。但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
一种结合柔性电路的微纳米传感器结构健康监测方法，包括以下步骤：
步骤1：当被监测材料为绝缘材料时，在柔性电路上的每个传感器粘贴点处裁剪出一个镂空圆环，圆环的小半径r为1-10mm，大半径R为3-12mm，大小半径之差为2mm。在圆环面上可均匀布置4-8个电极，每个电极使用打印导线连接；
当被监测材料为导电材料时，则不裁剪镂空圆环根据所需要粘贴的传感器大小设定4-10mm直径的基准圆，在基准圆上均匀匀布置4-8个电极；
本发明实施例使用的传感器是石墨烯微纳传感器。将石墨烯微纳传感器裁剪为直径为8mm的圆形片状结构单元，作为粘贴在柔性印刷电路上的传感器。
步骤2：根据复合材料结构以及复合材料上所需要进行健康监测点的位置，设计并打印相应形状的柔性电路；
本发明实施例使用柔性印刷电路由基板、铜箔、接着剂和保护膜四部分组成，其中基板和保护膜有聚酷亚胺材料构成。图1中传感器列阵数量为3×3，其中每个传感器有4个电极，例如图1中的1号传感器有分别标号为A、a、b、c的电极，当A端接正极，a、b、c端接负极时，为共阳极电路。其中分别连接Aa、Ab、Ac电极，可以分别测量45°、0°、-45°方向的应变。同理其他传感器也有相同作用。传感器对应变和温度的响应及其灵敏，当研究温度和应变对碳纳米纸薄膜电阻的影响时，可由下公式表示：
Figure BDA0002359202210000031
柔性电路为共阴极电路或共阳极电路，可选择其中任何一个电极连接正极，其余电极连接负极时为共阳极电路，若选择其中任何一个电极连接负极，其余电极连接正极时，为共阴极电路。共阳极电极与每个负极电极连线方向，或共阴极电极与每个正极电极连线方向，即为传感器可监测方向，传感器可监测方向数量比电极数量少一个。
步骤3：裁剪直径不小于所布置电极基准圆的圆形微纳米传感器粘贴到柔性电路上，形成传感器列阵；
步骤4：使用导电银胶将传感器粘贴到柔性印刷电路的电极上，放入恒温干燥箱中，导电银胶充分干燥后取出，将柔性印刷电路埋入复合材料板。
步骤5：在复合材料固化时，将形成传感器列阵的柔性电路埋入复合材料内部，并引出柔性电路接口；固化完成后，通过接口将柔性电路连接到数据采集设备；
步骤6：通过实验测量传感器每个监测方向的电阻变化率和电阻温度系数，随后实现复合材料结构服役过程中的温度监测，计算复合材料温度对传感器的电阻响应的影响；
传感器为多向传感器，传感器每个方向的电阻电阻温度系数相同，若温度变化时，传感器各个监测方向的响应变化相同，而结构发生变形时，通常结构被监测点的各个方向的应变不同，传感器各个监测方向的响应变化不相同，通过这种现象，从而可以实现对复合材料温度和应变的监测。
本实施例中，利用石墨烯微纳传感器对复合材料进行结构健康监测的方法中，裁剪四个直径为8mm的圆形石墨烯微纳传感器；
实施例使用可放置传感器数量为2×2的柔性电路，镂空的圆孔直径为6mm，使用导电银胶涂抹到电极上，并将四个直径为8mm的圆形石墨烯微纳传感器粘贴到柔性电路上，如图2、图3所示；
并把以粘贴传感器的柔性电路放入恒温干燥箱固化，使导电浆充分干燥；
使用玻璃纤维预浸料铺设复合材料层板，将烘干后的柔性电路埋入到复合材料层间，随后固化复合材料板，如图4所示；
将成型后的复合材料板进行单轴拉伸实验，分别采集上述三个方向的电阻变化率和电阻温度系数。实现对复合材料板的多方向应变及损伤监测。如图5、图6所示。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述实施例所记述方案进行修改，或对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换皆应在有专利要求书所确定的保护范围内。

Claims (1)

1.一种结合柔性电路的微纳米传感器结构健康监测方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：当被监测材料为绝缘材料时，在柔性电路上的每个传感器粘贴点处裁剪出一个镂空圆环，圆环的小半径r为1-10mm，大半径R为3-12mm，大小半径之差为2mm，在圆环面上可均匀布置4-8个电极，每个电极使用打印导线连接；
当被监测材料为导电材料时，则不裁剪镂空圆环，根据所需要粘贴的传感器大小设定4-10mm直径的基准圆，在基准圆上均匀布置4-8个电极；
步骤2：根据复合材料结构以及复合材料上所需要进行健康监测点的位置，设计并打印相应形状的柔性电路；
所述步骤2中：
柔性电路为共阴极电路或共阳极电路，若选择其中任何一个电极连接正极，其余电极连接负极时为共阳极电路；若选择其中任何一个电极连接负极，其余电极连接正极时，为共阴极电路，共阳极电极与每个负极电极连线方向，或共阴极电极与每个正极电极连线方向，即为传感器监测方向，传感器监测方向数量比电极数量少一个；
步骤3：裁剪直径不小于所布置电极基准圆的圆形微纳米传感器粘贴到柔性电路上，形成传感器列阵；
步骤4：使用导电银胶将传感器粘贴到柔性印刷电路的电极上，放入恒温干燥箱中，导电银胶充分干燥后取出，将柔性印刷电路埋入复合材料板；
步骤5：在复合材料固化时，将形成传感器列阵的柔性电路埋入复合材料内部，并引出柔性电路接口；固化完成后，通过接口将柔性电路连接到数据采集设备；
步骤6：通过实验测量传感器每个监测方向的电阻变化率和电阻温度系数，随后实现复合材料结构服役过程中的温度监测，计算复合材料温度对传感器的电阻响应的影响；
所述步骤6中：
传感器为多向传感器，传感器每个方向的电阻电阻温度系数相同。
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