CN118031788A - 智能传感芯线、传感单元、土工格栅及智能监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能传感芯线、传感单元、土工格栅及智能监测装置，其中智能传感芯线包括：第一树脂基体；设置在所述第一树脂基体中心的铁氧体；设置在所述树脂基体内的导电纤维束，所述导电纤维束以设定捻度缠绕在所述铁氧体周围；当所述导电纤维束内部通过电流时，会在其周围产生感生磁场并集中于所述铁氧体。传感芯线产生应变时，磁场受电流与纤维捻距变化的双重影响，在相同的电流变化量下测得的数据具有更大的变化量，因而具有更高的灵敏度。
Description
技术领域：
本发明涉及自动化检测技术领域，尤其涉及一种智能型土工格栅的加工方法及智能型土工格栅
背景技术：
路基的变形是使道路平整度降低，甚至路面开裂的主要原因之一。土工格栅对软弱土体具有良好的加固作用，可以限制路基的沉降。
土工格栅的应变是反映其加固可靠性的重要物理量。通过对应变数据的处理，可以得出格栅的损伤程度，路基的沉降量，土体加固的有效性等对于监测的重要参数。当应变参数精确度不足时，误差会在计算中不断累积，甚至淹没真值。
现有的具有监测能力的土工格栅通常是将缆线通过树脂等粘结材料与格栅粘结，从而测量土工格栅的应变。但是，当缆线通过粘结材料与格土工格栅连接时，因为应变传递系数的存在，测量得到的应变数据往往是粘结材料的应变，而无法直接测量土工格栅的真实应变。在工程应用中，应变传递系数随土工格栅、缆线及其粘结材料的强度、弹性模量、厚度的不同而有较大的变化，使得其传感精度大大降低。为了解决以上的问题，目前有研究者提出使用3D打印等方式将缆线复合在土工格栅内部进行传感。但其制作难度大，成本高昂，难以实现量产，无法使用于大体量的土木工程项目中。
还有最为关键的一点，现有监测线缆的传感芯线是基于测量电流或电压大小计算应变，这种方法的灵敏度不高。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，而提供一种提高监测灵敏度的智能传感芯线、传感单元、土工格栅及智能监测装置。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明首先提供一种智能传感芯线，包括：
第一树脂基体；
设置在所述第一树脂基体中心的铁氧体；
设置在所述树脂基体内的导电纤维束，所述导电纤维束以设定捻度缠绕在所述铁氧体周围；当所述导电纤维束内部通过电流时，会在其周围产生感生磁场并集中于所述铁氧体。
本发明还提供一种智能传感芯线加工方法，包括：
对导电纤维束进行预拉伸处理；
在拉伸后的导电碳纤维束外包裹绝缘热塑性弹性体；
在铁氧体芯外布置一圈经过处理后导电碳纤维束，并以一定捻度在铁氧体芯外盘绕；
在盘绕完成的线束外涂敷绝缘热塑性弹性体，制成碳纤维传感器；
在碳纤维传感器外包覆由连续玄武岩纤维与钢纤维混纺制成的纤维护套；
在纤维护套外再次涂敷绝缘热塑性弹性体，制成传感芯线。
本发明还提供一种智能传感单元，包括：
上述提供的智能传感芯线；
以及
磁传感器，用于获取所述智能传感芯线内磁场变化产生的模拟信号。
本发明还提供一种智能型土工格栅，包括径向格栅条和纬向格栅条，其特征在于，在所述径向格栅条和纬向格栅条内均设置有上述提供的智能传感芯线。
本发明还提供一种智能监测装置，包括：
信号发生器，发射低频电脉冲激励信号；
上述提供的智能传感单元；接收所述信号发生器发射的低频电脉冲激励信号，并在其周围产生感生磁场；
信号处理单元；将所述智能传感单元激发出的磁场变化的模拟信号通过整流器以PCM脉码调制方法转换为数字信号；
分析单元：接收所述信号处理单元转换得到的数字信号；根据信号到达的时程差，电信号传输速率，计算得出信号源的距离，从而识别出变形发生位置；根据信号内容得到磁敏传感器测得的磁场变化数据，得到导电纤维束的捻距变化，从而识别出相应的应变值。
本发明还提供一种智能型土工格栅的加工方法，包括：
对导电碳纤维丝进行预拉伸处理；
在拉伸后的导电碳纤维丝外包裹绝缘热塑性弹性体；
将经过处理后碳纤维丝12根一组，以一定捻度盘绕在铁氧体芯外；
在盘绕完成的线束外涂敷绝缘热塑性弹性体，制成碳纤维传感器；
在碳纤维传感器外包覆由连续玄武岩纤维与钢纤维混纺制成的纤维护套；
在纤维护套外再次涂敷绝缘热塑性弹性体，制成传感芯线；
采用由传感芯线和纤维束构成的格栅条带，编织成为复合土工格栅；
在编织时对导电碳纤维丝束外包裹的绝缘热塑性弹性体进行加热，加热后与玄武岩纤维格栅条带固化粘结。
本发明还提供一种智能型土工格栅的布设与监测方法，包括：
在布设时将传感芯线从格栅边缘处剥开，连接磁传感器，形成传感单元。
在布设时对传感单元进行连接，形成准分布式碳纤维传感器阵列。
采用电脉冲信号向传感单元发射激励信号。
由磁传感器对由传感芯线内部电流涡流激发并集中于铁氧体芯的磁场进行测量。
由磁传感器内部的微处理器将磁场变化的模拟信号转换为数字信号，通过通讯缆线进行传输。
对导电纤维丝进行预拉伸处理的方法为：
对导电纤维丝施加一定大小的预应力，消除导电纤维束制造时产生的弯曲。
所述导电纤维丝为碳纤维丝。
所述碳纤维束为聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维及黏胶基碳纤维中的任意一种或多种混杂纤维。
所述铁氧体为软磁铁氧体，为镍锌铁氧体、锰铁氧体、锌铁氧体中的一种。
所述碳纤维束规格为6k-48k。
所述盘绕在铁氧体芯外碳纤维丝的捻度为12d—20d。
所述热塑性弹性体为TPE(热塑性弹性体)、TPEE(热塑性聚酯弹性体)、TPU(热塑性聚氨酯弹性体)的任意一种或多种混合。
所述纤维护套由玄武岩纤维和钢纤维混合编织而成，钢纤维呈网状。
所述传感芯线的编织形式为位于上下层叠的两个平面内、呈相互交错的二向、三向、四向或更多向二维或三维智能型土工格栅格栅条带，格栅间距为10-100mm，格栅厚度为1-2mm。
所述准分布式碳纤维传感器阵列由多个相同传感单元与总线并联而成。
所述电脉冲信号发射为低频脉冲发生器。
所述磁传感器为磁通门传感器，包含传感模块，信号处理模块与信号传输模块。其中传感模块负责感知外部磁场变化，信号处理模块将感知到的磁场变化的模拟信号转换为数字信号，信号传输模块将数字电信号转为光信号并由通讯缆线进行传输。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
(1)本发明加工方法中，采用磁场感应的方式对由监测体变形导致的传感芯线内电流的磁效应的变化进行监测。在传感芯线产生应变时，磁场受电流与纤维捻距变化的双重影响，在相同的电流变化量下测得的数据具有更大的变化量，因而具有更高的灵敏度。
(2)本发明加工方法中，在碳纤维传感器包裹玄武岩纤维钢纤维混纺纤维护套，在保障传感器变形能力的同时屏蔽了外部磁场对传感器的影响，提高了传感精度。
(3)本发明加工方法中，对预张拉后的导电纤维丝束预先涂覆热塑性弹性体处理，避免了传统外贴式传感器粘结可靠性差，易脱落的问题。
(4)本发明采用碳纤维传感芯线具有轻质高强、耐久、耐腐蚀、耐磨损、变形能力强，监测精度高等优点。
(5)本发明编织的复合土工格栅不仅具有加筋增强的作用，同时具有传感能力，可作为一种自动化变形监测设备广泛应用于我国公路、桥梁、机场跑道等交通基础设施变形监测等领域。
(6)本发明采用热塑性弹性体等材料作为涂覆材料，固化后制品具有出色的柔韧性，便于卷曲储存、运输、施工等后续流程。
(7)传统的碳纤维传感器布设方法多采用通长布设，仅可反映某一路段的平均变形状况。本发明提供的智能监测装置，将多个分别布设的碳纤维传感器通过并联电路连接在一起，在监测区域进行多点的分别监测，提高了基于碳纤维传感器的智能型土工格栅的空间分辨率。
(8)本发明智能监测装置，采用了电脉冲时域反射技术，该方法通过记录信号发生器与分析单元接收信号的时程差，计算出信号传输距离，实现信号源定位。解决了大范围碳纤维传感器阵列的监测信号采集与传感器定位问题。
(9)本发明作为智能型土工格栅纬向条带材料适用范围广泛，可与玻璃纤维、玄武岩纤维等多种常见土工格栅条带材料复合编织。
附图说明：
图1为碳纤维智能芯横截面示意图。
图2为智能型土工格栅条带交汇处示意图。
图3为二维二向格栅自身结构与布设方案示意图。
图4为二维二向格栅自身结构图。
图中有：1、热塑性弹性体；2、碳纤维束；3、玄武岩钢纤维混纺纤维护套；4、铁氧体芯；5、玄武岩格栅纤维束；6、乳化沥青；7、传感芯线；8、电脉冲发射器/信号接收器；9、分析仪；10、磁传感器；11、通讯缆线；12、玄武岩纤维格栅条。
具体实施方式：
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，下面结合附图和具体实施例进一步阐明本发明，应理解实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
实施例1
本实施例提供一种智能传感芯线，如图1所示，包括：
第一树脂基体；
设置在第一树脂基体中心的铁氧体芯4；
设置在树脂基体内的导电纤维束2，导电纤维束2以设定捻度缠绕在铁氧体芯4周围；当导电纤维束内部通过电流时，会在其周围产生感生磁场并集中于铁氧体芯4。
在一个实施例中，在第一树脂基体外包覆纤维护套3；在纤维护套外设置第二树脂基体。
在一个实施例中，第一树脂基体和第二树脂基体均为热塑性弹性体1。
在一个实施例中，铁氧体芯4为软磁铁氧体，为镍锌铁氧体、锰铁氧体、锌铁氧体中的一种。
在一个实施例中，导电纤维束2为碳纤维束；碳纤维束规格为6k-48k，k为碳纤维丝束中的单丝数量，1k＝1000根。
在一个实施例中，盘绕在铁氧体芯外的导电纤维束的捻度为12d—20d，d为导电纤维束的直径。
实施例2
本实施例提供一种智能传感芯线的加工方法，用于实施例1所提供的智能传感芯线的加工，方法包括：
对导电纤维束2进行预拉伸处理；
在拉伸后的导电碳纤维束2外包裹绝缘热塑性弹性体；
在铁氧体芯4外布置一圈经过处理后导电碳纤维束2，并以一定捻度在铁氧体芯4外盘绕；
在盘绕完成的线束外涂敷绝缘热塑性弹性体1，制成碳纤维传感器；
在碳纤维传感器外包覆由连续玄武岩纤维与钢纤维混纺制成的纤维护套3；
在纤维护套外再次涂敷绝缘热塑性弹性体，制成传感芯线。
实施例3
本实施例提供一种智能传感单元，包括：
实施例1提供的智能传感芯线；
以及
磁传感器10，用于获取智能传感芯线内磁场变化产生的模拟信号。
实施例4
一种智能型土工格栅，包括径向格栅条和纬向格栅条，在径向格栅条和纬向格栅条内均设置有实施例1所提供的智能传感芯线。
一种智能型土工格栅的加工方法，包括：
对导电碳纤维丝进行预拉伸处理；
在拉伸后的导电碳纤维丝外包裹绝缘热塑性弹性体，将经过处理后碳纤维丝12根一组，以一定捻度盘绕在铁氧体芯外；在盘绕完成的线束外涂敷绝缘热塑性弹性体，制成碳纤维传感器；
在碳纤维传感器外包覆由连续玄武岩纤维与钢纤维混纺制成的纤维护套；在纤维护套外再次涂敷绝缘热塑性弹性体，制成传感芯线；
将传感芯线作为格栅条带的一部分，编织成为复合土工格栅。传感芯线既可以作为复合土工格栅的经向格栅条带的一部分，也可以作为纬向格栅条带的一部分，同时，也不排斥同时作为经向格栅条带的一部分和纬向格栅条带的一部分使用，在本实例中，作为纬向格栅条带的一部分使用。
传感芯线的结构见图1，由热塑性弹性体1和经预拉伸处理的平直碳纤维束2组成，作为纬向格栅条带一部分与纬向玄武岩纤维格栅条带复合编织后，与经向玄武岩纤维格栅带呈垂直分布在上下层叠的两个平面内，参见图2，得到一种节点粘结稳固、绝缘柔韧的二维二向格栅制品(图4)。
传感芯线的横截面形状为椭圆形、圆形或其他任何几何形状，优选矩形横截面形状。
传感芯线的横截面宽度为5-10mm；厚度为3-5mm。
传感芯线在格栅条带横截面中可呈整体均匀分布、束间间距均匀束状分布、束间间距不均匀束状分布、组间间距均匀多束组合分布或组间间距不均匀多束组合分布。
传感芯线适用于编织形式为分别位于上下层叠的两个平面内或可呈相互交错的二向、三向、四向或更多向二维或三维智能型土工格栅格栅条带，格栅间距为10-100mm，格栅厚度为1-2mm。
实施例5
本实施例提供一种智能监测装置，包括：
信号发生器，发射低频电脉冲激励信号；
实施例3所提供的智能传感单元；接收所述信号发生器发射的低频电脉冲激励信号，并在其周围产生感生磁场；
信号处理单元；将所述智能传感单元激发出的磁场变化的模拟信号通过整流器以PCM脉码调制方法转换为数字信号；
分析单元：接收信号处理单元转换得到的数字信号；根据信号到达的时程差，电信号传输速率，计算得出信号源的距离，从而识别出变形发生位置；根据信号内容得到磁敏传感器测得的磁场变化数据，得到导电纤维束的捻距变化，从而识别出相应的应变值。
智能监测装置实现监测的原理是：
当传感芯线产生轴向应变时，碳纤维丝捻距增大，同时纤维内应力增大而截面减小，满足下式：
其中，εx为传感芯线轴向应变，ΔD表示捻距变化量，D表示捻距，εcy为碳纤维丝截面切向应变，μ为碳纤维丝的泊松比，d0为碳纤维丝中心到传感芯线的距离。
与此同时，纤维内应力增大而截面减小，因而电阻R增大，电流I减小，满足下式：
其中，R0为单根碳纤维丝束的电阻，ρ为碳纤维丝材料电阻率，L0为碳纤维丝的长度，S为单根碳纤维丝的面积，L为传感芯线的长度，r为碳纤维丝的半径，R12为单根传感芯线内所有碳纤维丝的电阻，U为电脉冲发射器的脉冲电压，I为脉冲电流。
受电流变化影响，铁氧体内的磁场强度发生变化并被磁敏传感器探测到，满足下式：
其中，B表示待测磁场强度，单位为特斯拉(T)，μ0表示真空磁导率，μr表示铁氧体芯的相对磁导率，I表示电流，单位为安培(A)；D表示捻距，单位为米(m)。
磁敏传感器探头电路的电压发生变化，产生一个电压输出的模拟信号。
将上述模拟信号传入微处理器中，通过滤波元件以PCM脉码调制方法转换为数字信号，输出至分析单元；
分析单元接收数字信号，根据信号传输速度与信号时程差计算出信号源距离，判断其所处位置；根据信号内容得到磁敏传感器测得的磁场变化数据，根据式(1-1)～式(1-5)反算出导电纤维的捻距变化，从而识别出变形发生位置与相应的应变值。
实施例6：
一种智能型土工格栅的布设与监测方法，包括：
将传感芯线从格栅边缘处剥开，连接至供电总线
将磁传感器连接供电总线，将磁传感器的测量方向对准传感芯线的中轴线进行设置，形成传感单元。
多个传感单元以并联方式连接供电总线，并将磁传感器的信号传输模块接入通讯缆线，形成准分布式碳纤维传感器阵列。
采用电脉冲信号发射器向传感单元发射电脉冲激励信号。
当传感芯线产生轴向应变时，碳纤维丝捻距增大，同时纤维内应力增大而截面减小，满足下式。
其中εx为传感芯线轴向应变，εcy为碳纤维丝截面切向应变，μ为碳纤维丝的泊松比，d0为碳纤维丝中心到传感芯线的距离。
与此同时，纤维内应力增大而截面减小，因而电阻R增大，电流I减小，满足下式。
其中R0为单根碳纤维丝束的电阻，ρ为碳纤维丝材料电阻率，L0为碳纤维丝的长度，S为单根碳纤维丝的面积，L为传感芯线的长度，r为碳纤维丝的半径，R12为单根传感芯线内所有碳纤维丝的电阻，U为电脉冲发射器的脉冲电压，I为脉冲电流。
受电流变化影响，铁氧体内的磁场强度发生变化并被磁敏传感器探测到，满足下式：
其中，B表示待测磁场强度，单位为特斯拉(T)，μ0表示真空磁导率，μr表示铁氧体芯的相对磁导率，I表示电流，单位为安培(A)；D表示捻距，单位为米(m)
磁敏传感器探头电路的电压发生变化，产生一个电压输出的模拟信号。
将上述模拟信号传入微处理器中，通过滤波元件以PCM脉码调制方法转换为数字信号，输出至分析单元；
分析单元接收数字信号，根据信号传输速度与信号时程差计算出信号源距离，判断其所处位置；根据信号内容得到磁敏传感器测得的磁场变化数据，根据式(1-1)～式(1-5)反算出导电纤维的捻距变化，从而识别出变形发生位置与相应的应变值。
与传统的通过测量电流或电压大小计算应变的方法相比，依据式(1-1)-(1-5)可以得出，当传感芯线产生应变时，电流减小，捻距变化量增大，磁场相应减弱。其中磁通量B是电流I的高阶量，对同样的应变值，磁通的变化响应较电流的变化响应更大，因而本方法具有更高的灵敏度。
Claims (10)
1.一种智能传感芯线，其特征在于，包括：
第一树脂基体；
设置在所述第一树脂基体中心的铁氧体；
设置在所述树脂基体内的导电纤维束，所述导电纤维束以设定捻度缠绕在所述铁氧体周围；当所述导电纤维束内部通过电流时，会在其周围产生感生磁场并集中于所述铁氧体。
2.根据权利要求1所述的智能传感芯线，其特征在于，在所述第一树脂基体外包覆纤维护套；在纤维护套外设置第二树脂基体。
3.根据权利要求1所述的智能传感芯线，其特征在于，所述铁氧体为软磁铁氧体，为镍锌铁氧体、锰铁氧体、锌铁氧体中的一种。
4.根据权利要求1所述的智能传感芯线，其特征在于，所述导电纤维束为碳纤维束；所述碳纤维束规格为6k-48k，k为碳纤维丝束中的单丝数量，1k＝1000根。
5.根据权利要求1所述的智能传感芯线，其特征在于，盘绕在铁氧体芯外的导电纤维束的捻度为12d—20d，d为导电纤维束的直径。
6.权利要求1-5任一所述的智能传感芯线加工方法，其特征在于，包括：
对导电纤维束进行预拉伸处理；
在拉伸后的导电碳纤维束外包裹绝缘热塑性弹性体；
在铁氧体芯外布置一圈经过处理后导电碳纤维束，并以一定捻度在铁氧体芯外盘绕；
在盘绕完成的线束外涂敷绝缘热塑性弹性体，制成碳纤维传感器；
在碳纤维传感器外包覆由连续玄武岩纤维与钢纤维混纺制成的纤维护套；
在纤维护套外再次涂敷绝缘热塑性弹性体，制成传感芯线。
7.一种智能传感单元，其特征在于，包括：
权利要求1-5任一所述的智能传感芯线；
以及
磁传感器，用于获取所述智能传感芯线内磁场变化产生的模拟信号。
8.一种智能型土工格栅，包括径向格栅条和纬向格栅条，其特征在于，在所述径向格栅条和纬向格栅条内均设置有权利要求1-5任一所述的智能传感芯线。
9.一种智能监测装置，其特征在于，包括：
信号发生器，发射低频电脉冲激励信号；
权利要求7所述的智能传感单元；接收所述信号发生器发射的低频电脉冲激励信号，并在其周围产生感生磁场；
信号处理单元；将所述智能传感单元激发出的磁场变化的模拟信号通过整流器以PCM脉码调制方法转换为数字信号；
分析单元：接收所述信号处理单元转换得到的数字信号；根据信号到达的时程差，电信号传输速率，计算得出信号源的距离，从而识别出变形发生位置；根据信号内容得到磁敏传感器测得的磁场变化数据，得到导电纤维束的捻距变化，从而识别出相应的应变值。
10.根据权利要求9所述的智能监测装置，其特征在于，采用低频电脉冲发生器产生1kHz,1kV的电脉冲对传感器单元施加电流激励；
根据信号内容得到磁敏传感器测得的磁场变化数据，得到导电纤维束的捻距变化，从而识别出相应的应变值的步骤，包括：
根据信号内容得到磁敏传感器测得的磁场变化数据，得到导电纤维束的捻距变化：
其中，ΔD表示捻距变化量；B表示待测磁场强度，μ0表示真空磁导率，μr表示铁氧体芯的相对磁导率，I表示电流；D表示捻距；
根据得到的导电纤维束的捻距变化，识别出相应的应变值：
其中，εx为传感芯线轴向应变。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410182997.0A CN118031788A (zh) | 2024-02-19 | 2024-02-19 | 智能传感芯线、传感单元、土工格栅及智能监测装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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| CN118031788A true CN118031788A (zh) | 2024-05-14 |
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Family Applications (1)
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-
2024
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