一种基于碳纤维复合材料的传感器

摘要

本发明提供了基于碳纤维复合材料的传感器，包括了拉压转换结构即4根外弦杆，其相互顺序铰接形成几何可变体系；CFRP棒材夹持结构，即上下两层夹持钢片，通过紧固螺钉的方式，夹持CFRP棒材；并给出了具体工程应用中的三种(点式、线型、面型)形式。本发明的加工工艺相对简单，成本较低，解决了CFRP作为传感元无法受压的问题，且安装、卸载CFRP棒材均较为方便，重复性好。针对不同尺寸的CFRP棒材，只需要生产预制匹配的夹具即可。此外，本发明扩展性较好，可以单独布置，也可组成阵列布置。

权利要求

1.一种基于碳纤维复合材料的传感器，其特征在于，包括拉压转换结构、多根碳纤维棒(3)、夹持装置，所述拉压转换结构包括至少4根刚性外弦杆(1)，所述外弦杆(1)相互交叉布置，两根外弦杆(1)重叠的部分相互铰接，构成至少一个形状可变的四边形，所述外弦杆(1)上构成所述四边形边框的部分为双层结构，所述双层结构包括上层外弦杆(101)、下层外弦杆(102)，上层外弦杆(101)与下层外弦杆(102)之间留有缝隙，所述上层外弦杆(101)、下层外弦杆(102)上均设置有至少一个通孔(2)、且上层外弦杆(101)、下层外弦杆(102)上的通孔(2)的轴心在同一条直线上；

至少一根碳纤维棒(3)的两端端部延伸至上层外弦杆(101)与下层外弦杆(102)之间留有缝隙、并通过夹持装置固定在所述通孔(2)中；一个所述四边形中的多根碳纤维棒(3)首尾通过导线(9)电联接组成串联电路；

所述夹持装置包括上层夹持钢片(5)、下层夹持钢片(6)、紧固螺栓(7)，所述上层夹持钢片(5)、下层夹持钢片(6)均为中间具有矩形凹槽的长方形钢片，所述矩形凹槽背面设有铰接轴(4)，所述矩形凹槽的两边设置有螺栓孔；

所述上层夹持钢片(5)、下层夹持钢片(6)相向设置、通过所述铰接轴(4)铰接于所述上层外弦杆(101)、下层外弦杆(102)的通孔(2)中，所述碳纤维棒(3)的端部位于所述上层夹持钢片(5)、下层夹持钢片(6)的矩形凹槽中，所述上层夹持钢片(5)、下层夹持钢片(6)由紧固螺栓(7)固定。

2.根据权利要求1所述的基于碳纤维复合材料的传感器，其特征在于，所述上层夹持钢片(5)和下层夹持钢片(6)之间的凹进宽度必须大于上层夹持钢片(5)和下层夹持钢片(6)的宽度。

3.根据权利要求1所述的基于碳纤维复合材料的传感器，其特征在于，所述形状可变的四边形的四条边长度相等。

4.根据权利要求1所述的基于碳纤维复合材料的传感器，其特征在于，所述上层夹持钢片(5)和下层夹持钢片(6)的夹持面应做打磨处理。

5.根据权利要求1所述的基于碳纤维复合材料的传感器，其特征在于，所述外弦杆(1)间的铰接处、上层夹持钢片(5)、下层夹持钢片(6)的铰接轴(4)与上层外弦杆(101)、下层外弦杆(102)的通孔(2)的铰接处涂润滑剂。

6.根据权利要求1-5任一项所述的基于碳纤维复合材料的传感器，其特征在于，所述外弦杆(1)构成多个形状可变的四边形，所述多个四边形位于同一条直线上。

7.根据权利要求1-5任一项所述的基于碳纤维复合材料的传感器，其特征在于，所述外弦杆(1)构成多个形状可变的四边形，所述多个四边形构成一个平面。

说明书

一种基于碳纤维复合材料的传感器

技术领域

[0001] 本发明设计土木工程中使用的压力传感器，尤其是一种基于碳纤维复合材料的传感器。

背景技术

[0002] 碳纤维作为一种柔性抗拉材料，具有较高的抗拉强度，可以广泛应用于结构的受拉部位，比如拉索、负弯矩区加固等。刚性碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastic，简称CFRP)是由柔性碳纤维丝和树脂基体复合而成的具有一定刚度的材料。目前，CFRP的力阻特性(应变0电阻变化特性)逐渐成为研究热点，基于CFRP力阻特性的传感器设计也成为一种新的挑战。

[0003] 根据电阻定律：R＝ρL/A，其中ρ为试件电阻率，L为试件长度，A为试件横截面积。当保持电阻率ρ不变，增大长度L或者缩小截面积A均能使得电阻值增大。因此，碳纤维材料存在着受拉电阻变大的特性，而由碳纤维和基体进一步合成的CFRP复合材料也存在应变0电阻变化特性。

[0004] 在不同的工艺、工序和基体配方基础上制作的CFRP刚性材料，具有不同的力阻特性。以CFRP为传感元设计的传感器，并将其应用于土木工程领域，则是一个新的传感器研究热点，与此同时，开发这样的传感器也面临许多的问题和困难。当前，对于电阻应变片传感器而言，其既能应用于受拉测试，又能应用于受压测试。然而，对于CFRP而言，其作为传感元应用于受拉测试时，可以参考电阻应变片传感器，但是其应用于受压测试时则存在如下两个主要问题：

[0005] (1)如图1(a)所示，虽然CFRP为刚性材料，理论上可以受压，但是一般CFRP的长细比太大(长度远大于直径)，因此在受压时，极易因出现二阶弯矩而造成破坏，导致其承压范围较小；

[0006] (2)如图1(b)所示，CFRP在受压时，虽然CFRP整体是刚性的，但是其内部的碳纤维仍然为柔性，因此在其受压而产生压缩形变时，内部的碳纤维无法协同变形。

发明内容

[0007] 本发明提供了一种能够利用CFRP的拉伸特性，测量待测结构压区的应变(应力)的基于碳纤维复合材料的传感器，从而为基于CFRP的传感器的广泛应用提供技术支持。

[0008] 一种基于碳纤维复合材料的传感器，其特征在于，包括拉压转换结构、多根碳纤维棒、夹持装置，所述拉压转换结构包括至少4根刚性外弦杆，所述外弦杆相互交叉布置，两根外弦杆重叠的部分相互铰接，构成至少一个形状可变的四边形，所述外弦杆上构成所述四边形 边框的部分为双层结构，所述双层结构包括上层外弦杆、下层外弦杆，上层外弦杆与下层外弦杆之间留有缝隙，所述上层外弦杆、下层外弦杆上均设置有至少一个通孔、且上层外弦杆、下层外弦杆上的通孔的轴心在同一条直线上；

[0009] 至少一根碳纤维棒的两端端部延伸至上层外弦杆与下层外弦杆之间留有缝隙、并通过夹持装置固定在所述通孔中；一个所述四边形中的多根碳纤维棒首尾电联接组成串联电路；

[0010] 所述夹持装置包括上层夹持钢片、下层夹持钢片、紧固螺栓，所述上层夹持钢片、下层夹持钢片均为中间具有矩形凹槽的长方形钢片，所述矩形凹槽背面设有铰接轴，所述矩形凹槽的两边设置有螺丝孔；

[0011] 所述上层夹持钢片、下层夹持钢片相向设置、通过所述铰接轴铰接于所述上层外弦杆、下层外弦杆的通孔中，所述碳纤维棒的端部位于所述上层夹持钢片、下层夹持钢片的矩形凹槽中，所述上层夹持钢片、下层夹持钢片由紧固螺栓固定。

[0012] 优选地，所述上层夹持钢片和下层夹持钢片之间的凹进宽度必须大于上层夹持钢片和下层夹持钢片的宽度

[0013] 优选地，所述形状可变的四边形的四条边长度相等。

[0014] 优选地，所述上层夹持钢片和下层夹持钢片的夹持面应做打磨处理。

[0015] 优选地，所述外弦杆间的铰接处、上层夹持钢片、下层夹持钢片的铰接轴与上层外弦杆、下层外弦杆的通孔的铰接处涂润滑剂。

[0016] 优选地，所述外弦杆构成多个形状可变的四边形，所述多个四边形位于同一条直线上。

[0017] 优选地，所述外弦杆构成多个形状可变的四边形，所述多个四边形构成一个平面。

[0018] 本发明模拟桁架工作原理，实现以拉代压。桁架结构中，杆件只存在压力和拉力，如果对其中某一杆件A施加压力，杆件A产生压应变，此压应变效果经过桁架的传递，到达与A位置相异的另一杆件B后，可能在杆件B中形成的是拉应力。这就是以拉代压的思想。

[0019] 所述传感器解决的主要问题是将待测结构的压力(压应变)转换为CFRP的拉力(拉应变)。当待测结构区域形成局部压应变时，本发明所设计的拉压转换体系能感知到待测结构的局部微应变，并通过体系内的转换机制，将所感知到的压应变转换为CFRP能感知到的拉应变(即CFRP受拉)，从而将待测结构的压应变转换为CFRP的拉应变，通过测量CFRP的电阻变化，反推出待测结构局部的压应变(压应力)，完成以CFRP作为传感元的传感器测量压区的全过程。

[0020] 本发明的有益效果：

[0021] 本发明所述的基于碳纤维复合材料的传感器，基于CFRP阻力特性，能够针对CFRP棒材无法受压的缺点，而采用以拉代压的方式将CFRP棒材作为传感元应用于传感器。本发明 的加工工艺相对简单，成本较低，且安装、卸载CFRP棒材均较为方便，重复性好。针对不同尺寸的CFRP棒材，只需要生产预制匹配的夹具即可。此外，本发明扩展性较好，可以单独布置，也可组成阵列布置。

附图说明

[0022] 图1(a)为二次弯矩问题示意图；图1(b)为协同变形问题示意图。

[0023] 图2为所述传感器原理图。

[0024] 图3为拉压转换数学原理图。

[0025] 图4为垂直布置CFRP时拉压转换的数学关系计算原理图。

[0026] 图5为所述拉压转换结构的结构图。

[0027] 图6为CFRP的夹持钢片断面图。

[0028] 图7为CFRP夹持钢片安装步骤图。

[0029] 图8为本发明所述传感器的结构图。

[0030] 图9(a)为具体应用压区示意图；图9(b)为具体应用拉区示意图。

[0031] 图10(a)传感器为线型布置示意图；图10(b)为线型布置测量图。

[0032] 图11为应用于板式结构示意图。

[0033] 图12为传感阵列测量图。

[0034] 附图标记说明如下：

[0035] 1-外弦杆，101-上层外弦杆，102-下层外弦杆，2-通孔，3-碳纤维棒，4-铰接轴，5-上层夹持钢片，6-下层夹持钢片，7-紧固螺栓，8-螺母，9-导线。

具体实施方式

[0036] 为了更清楚的说明本发明的技术方案，下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。

[0037] 本发明模拟桁架工作原理，实现以拉代压。如图3所示，现在给出一个数学推导的例子，根据勾股定理，变形前后分别有如下两个方程：

[0038] c2＝a2+b2

[0039] c2＝(b-δ)2+(a+μ)2

[0040] c：斜边长度；a,b：直角边长度；

[0041] δ：X方向缩短长度；μ：Y方向伸长长度

[0042] 当保持斜边c长度不变，缩短直角边b的长度，则必然增大另外一条直角边a的长度。 据此，如果把缩短的直角b边类比于压区待测长度，把伸长的直角边a类比于碳纤维棒3，当压区待测长度所代表的b缩短时，碳纤维棒3所代表的a直角边必然伸长，即完成了从压应变到拉应变的转换。

[0043] 在推导关系时，将斜边作为刚体考虑，即不考虑其形变，将两直角边作为弹性体考虑一边压缩形变、一边拉伸形变。

[0044] 现在讨论具体实现时，拉-压应变关系的数学关系：

[0045] 如图4所示，四边形ABCD四边长度保持不变，将碳纤维棒3布置于图中MN处(MN⊥AC)，假设AC为缩短方向，BD为伸长方向，则MN的伸长量计算过程如下：

[0046] 由几何关系：

[0047] a＝c sinα b＝c cosα

[0048] (b-δ)2+(a+μ)2＝a2+b2

[0049]

[0050] 由余弦定理：

[0051] 因此，MN拉应变为：

[0052]

[0053] 实施例一：

[0054] 以上述结构为原型，设计的以刚性碳纤维棒3为传感元的传感器，如图5所示，以刚性金属材料制成的外弦杆相互顺序铰接构成形状可变的四边形，为拉压转换结构。所述外弦杆上构成所述四边形边框的部分为双层结构，所述双层结构包括上层外弦杆101、下层外弦杆102，上层外弦杆101与下层外弦杆102之间留有缝隙，所述上层外弦杆101、下层外弦杆102上均设置有至少一个通孔2、且上层外弦杆101、下层外弦杆102上的通孔2的轴心在同一条直线上，所述通孔2用于铰接碳纤维棒3。至少一根碳纤维棒3的两端端部延伸至上层外弦杆101与下层外弦杆102之间留有缝隙、并通过夹持装置固定在所述通孔2中；一个所述四边形中的多根碳纤维棒3首尾通过导线9电联接组成串联电路。

[0055] 首先，所述拉压转换结构为在外力作用下其形态或位置会改变的几何可变体系，当刚性碳纤维棒3平行于Y轴方向布置于拉压转换结构中，会约束了拉压转换结构的变形。将碳纤维棒3首尾相连，组成串联电路后，在拉压转换结构两端施加X方向的反向等值的压力Fc，结构发生微形变并传递给碳纤维棒3，从而碳纤维棒3发生拉应变，其电阻值会变化，总电 阻变化量为各单根碳纤维棒3电阻变化量之和，最终可以反推出结构X方向上的微应变。

[0056] 现在介绍一下碳纤维棒3在测试结构上的具体安装方式：

[0057] 通过紧固螺栓7紧固，用上层夹持钢片5、下层夹持钢片6的矩形凹槽夹卡住碳纤维棒3，上层夹持钢片5、下层夹持钢片6通过铰接轴4铰接在外弦杆上，保证了当所述传感器受到X方向的压力Fc，而发生形变时，X向压缩，Y向伸长，被夹持的刚性碳纤维棒3仅发生Y向的伸长变形，且其应变仅仅来自于拉伸作用而无弯矩效应。

[0058] 夹持断面如图6所示，所述夹持装置包括上层夹持钢片5、下层夹持钢片6、紧固螺栓7，所述上层夹持钢片5、下层夹持钢片6均为中间具有矩形凹槽的长方形钢片，所述矩形凹槽背面设有铰接轴4，所述矩形凹槽的两边设置有螺丝孔。所述上层夹持钢片5、下层夹持钢片6相向设置、通过所述铰接轴4铰接于所述上层外弦杆101、下层外弦杆102的通孔2中，所述碳纤维棒3的端部位于所述上层夹持钢片5、下层夹持钢片6的矩形凹槽中，所述上层夹持钢片5、下层夹持钢片6由紧固螺栓7固定。

[0059] 具体的安装步骤如下：

[0060] 图7为具体安装过程，为方便图解，实际不存在截面，采用外弦杆的假想截面描述安装过程。

[0061] 图7(a)：将刚性外弦杆构成所述四边形边框的部分为双层结构，所述双层结构包括上层外弦杆101、下层外弦杆102，上层外弦杆101与下层外弦杆102之间留有缝隙，所述上层外弦杆101、下层外弦杆102上均设置有至少一个通孔2、且上层外弦杆101、下层外弦杆102上的通孔2的轴心在同一条直线上。

[0062] 图7(b)：上层夹持钢片5、下层夹持钢片6均为中间具有矩形凹槽的长方形钢片，所述矩形凹槽背面设有铰接轴4，所述矩形凹槽的两边设置有螺丝孔。矩形凹槽用于给碳纤维棒3预留穿透空间，铰接轴4用于将其铰接在外弦杆的通孔2中。

[0063] 图7(c)：将下层夹持钢片6垂直于外弦杆，伸入上层外弦杆101、下层外弦杆102之间的缝隙，直至下层夹持钢片6的铰接轴4对准下层外弦杆102上的通孔2。

[0064] 图7(d)：将下层夹持钢片6的铰接轴4插入下层外弦杆102上的通孔2。

[0065] 图7(e)：将下层夹持钢片6绕着铰接轴4旋转90°，使得下层夹持钢片6的长轴方向与外弦杆同向。

[0066] 图7(f)：将上层夹持钢片5也按照下层夹持钢片6的方式，伸入上层外弦杆101、下层外弦杆102之间的缝隙，直至上层夹持钢片5的铰接轴4也对准上层外弦杆101上的通孔2，此处的设计要求满足如下：上层夹持钢片5和下层夹持钢片6的短轴长度小于其中间预留的矩形空隙宽度。

[0067] 图7(g)：将上层夹持钢片5的铰接轴4插入上层外弦杆101的通孔2。

[0068] 图7(h)：继续将下层夹持钢片6绕着铰接轴4旋转90°，使得下层夹持钢片6的长轴方向与外弦杆1垂直，使得上层夹持钢片5和下层夹持钢片6对准。

[0069] 图7(i)：在上层夹持钢片5和下层夹持钢片6对准螺丝孔，使用紧固螺栓7和螺母8紧固。

[0070] 图7(j)：将被夹持碳纤维棒3伸入夹持钢片401与402所预留的凹进矩形孔，调整好位置，分别拧下紧固螺栓7的螺母8，从而实现碳纤维棒3的固定，完成此安装。

[0071] 按照上述安装工程将碳纤维棒3安装完毕，组成所述传感器如图8所示。

[0072] 在实际工程应用中，如图9所示方式布置本传感器：

[0073] 将此传感器布置于待测结构的受压区域时，如图9(a)所示，通过固定A、C两点，悬空B、D两点来安装传感器。当压区产生压应变时，AC之间发生压应变，从而协同所铰接的碳纤维棒3发生拉应变，根据全部碳纤维棒3的电阻变化量之和，即可反推出AC两点对应压区长度元的压应变。相应的，对于受拉区域，如图9(b)所示，将传感器旋转90°布置，即AC垂直于受拉方向布置时，该结构还能测量拉应变。

[0074] 实施例二

[0075] 所述传感器布置方式比较灵活，既可单个布置，也可由多个子传感器组合构成线形传感阵列。如图10(a)所示，使用至少5根外弦杆1，相互交叉布置，两个外弦杆1相重叠的部分铰接，构成至少两个形状可变的四边形，由于所述至少两个四边形的边框共用部分外弦杆1，其形状的变换是协同发生的，可用于梁柱等结构上的近似连续测量。在使用中，将线形传感器连续布置于梁柱等结构上，测得其相应的应变值，由于所述子传感器尺寸相对梁柱等结构来说较小，因此将这些离散的测量数据拟合，即可得到整个梁柱等结构沿线性传感器延伸方向的近似应变曲线，如图10(b)所示。

[0076] 实施例三

[0077] 如图11所示，使用至少6根外弦杆1，相互交叉布置，两个外弦杆1相重叠的部分铰接，构成至少三个形状可变的四边形，构成面型传感阵列由于所述至少三个四边形的边框共用部分外弦杆1，其形状的变换是协同发生的，可用于板式结构测量，如图11所示。本实施例中设置了九个形状可变的四边形，即9个子传感器4，组成3*3的传感器4阵列，每个子传感器4测量值为该子区域内的平均应变，由于子区域相对于整个板式结构来说较小，可以视为点。因此，对于面型的传感阵列，其测量值可以写成板式结构的应变矩阵：Δ(i,j,k)，其中i代表x方向位置，j代表y方向位置，k代表该点的应变值。该空间矩阵近似拟合，可以进一步绘制成空间曲面，如图12所示，能更为直观表现各点的应变情况。

[0078] 所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。