一种基于柔性碳纤维丝的传感器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设计土木工程中使用的压力传感器，尤其是一种基于柔性碳纤维丝的传感 器。
【背景技术】
[0002] 碳纤维材料因其轻质高强、抗疲劳、抗腐蚀等优良性能而被广泛应用于军事、航天 等诸多领域，同时，研究表明，该材料具有良好的自感知特性，其力阻效应明显。根据电阻定 律：
[0003]
[0004] P :材料的电阻率；L :材料的长度；S :材料的横截面积
[0005] 因此，若材料的电阻率P保持不变，增大其长度L或者缩小其截面积S，材料的电 阻值均会增大。碳纤维材料受拉时，其电阻率近似不变，长度增大，截面积减小，因此其受 拉，产生拉应变后，电阻值会增大。
[0006] 以碳纤维作为传感元，设计为传感器，并应用于土木工程领域，可以使碳纤维同时 具备结构性能和测量性能的双重特性，是目前土木工程研究的热点。但是，开发这样的传感 器也存在许多的问题和困难。
[0007] 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，对于柔性碳纤维丝而言，将其作为传感元应用于受拉测试，尚可以实现，但是如果想使 其测量压区，则存在如下的问题：对于碳纤维丝柔性材料，只能受拉，无法受压，如图1所 不。
[0008] -般，传感器是需要布置于各种不同受力区域的（广义上包括压区和拉区），所 以，要基于碳纤维的力阻特性（应变-电阻特性），研发压区的传感器，必须要避免碳纤维受 压。因此，本发明就是设计了一种拉压转换结构，它能够基于柔性碳纤维丝的拉伸特性，来 实现对压区的测量。
【发明内容】
[0009] 针对上述的问题，本发明提供一种基于柔性碳纤维丝的传感器，能够将待测结构 的压应变转换为碳纤维的拉应变，实现对待测结构压区的应变（应力）的测量，为碳纤维传 感器的广泛应用提供技术支持。
[0010] 本发明的技术方案如下：
[0011] 一种基于柔性碳纤维丝的传感器，其特征在于，包括拉压转换装置、至少一束柔性 碳纤维，所述拉压转换装置包括至少4根刚性外弦杆，所述外弦杆相互交叉布置，两根外旋 杆重叠的部分相互铰接，构成至少一个形状可变的四边形，所述外旋杆上构成所述四边形 边框的部分设置有数个通孔；每个所述四边形的边框上的通孔中贯穿一束柔性碳纤维丝， 所述柔性碳纤维丝交替穿过两根外弦杆上的通孔，所述纤维束的两端端部固定在所述外旋 杆上或设置一直径大于所述通孔的结。
[0012] 优选地，所述外弦杆组成的形状可变的四边形为四边长度相等的四边形。
[0013] 优选地，所述外旋杆具有通孔的部位设有保护罩。
[0014] 优选地，所述通孔及两根外弦杆的铰接处打磨光滑、并涂抹润滑剂。
[0015] 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。
[0016] 优选地，所述外弦杆构成多个形状可变的四边形，所述多个四边形构成一个平面。
[0017] 本发明根据桁架工作原理，实现待测的压应变转换为碳纤维丝的拉应变的转换。 桁架结构，只存在拉应力与压应力。当对其中某一个杆件施加压力时，该压力会随着桁架传 递，最终可能在桁架其他某些杆件中形成拉应力，即拉压转换，以拉代压的核心思想，数学 模型如下：
[0018] 根据勾股定理，图2所示的桁架变形前后分别有如下两个方程：
[0019] C2= a2+b2
[0020] C2= (b- δ ) 2+ (a+ μ )2
[0021] 其中c为斜边长度；a、b分别为两个直角边长度；δ为X方向缩短长度；μ为Y方 向伸长长度。
[0022] 将斜边c作为刚体考虑，即不考虑其形变，将两直角边a、b作为弹性体考虑。当保 持斜边c度不变，直角边b的长度缩短，则直角边a的长度必然增大。据此，如果把缩短的 直角b边类比于压区待测变化长度，把伸长的直角边a类比于碳纤维，则当压区待测变化长 度所代表的b缩短时，碳纤维所代表的a直角边必然伸长，即完成了从压应变到拉应变的转 换。
[0023] 以梁为例，如图7所示，当其受到轴向压力或者弯矩等作用时，产生局部压应变， 将本发明所述的传感器放置在梁压应变位置时，其拉压转换装置受到梁上部的压应变，并 将压应变转换为拉伸形变，如图7 (d)所示，并传递给碳纤维丝，使碳纤维承受拉应变，如图 7 (e)所示，从而完成拉压转换的过程，最终根据碳纤维的拉应变反推出梁的压应变实现传 感器的功能。
[0024] 本发明的有益效果：
[0025] (1)碳纤维作为一种新型材料，具有较好的抗拉性能，用它作为传感器具有比较大 的测量范围，其次，由于碳纤维作为一种柔性材料，无法承受压力，从而对于碳纤维作为传 感器测量受压区，存在较大的限制，因此本发明旨在解决这一限制，采用以拉代压的设计思 路，能使得碳纤维作为柔性传感元材料，也能对受压区进行测量；
[0026] (2)本发明的加工工艺相对简单，成本较低，且安装、卸载柔性碳纤维丝均较为方 便，重复性好；
[0027] (3)本发明扩展性较好，布置方式灵活，可以分别布置成点式、线式、面式、三种形 式，从而满足工程中不用的测量要求。
【附图说明】
[0028] 图1为柔性碳纤维丝受拉受压示意图。
[0029] 图2为拉压转换数学原理图。
[0030] 图3为相邻外弦杆布置碳纤维丝的计算原理图。
[0031] 图4为对边外弦杆布置碳纤维丝的计算原理图。
[0032] 图5为以柔性碳纤维丝为传感器设计图。
[0033] 图6为本发明所述基于柔性碳纤维丝的传感器的结构图。
[0034] 图7为所述传感器的原理结构图。
[0035] 图8为所述传感器在压区的安装示意图。
[0036] 图9为所述传感器在拉区的安装示意图。
[0037] 图10为线形传感器的结构及安装示意图。
[0038] 图11为线形传感器的测量结果拟合曲线。
[0039] 图12为面型传感器的结构及安装示意图。
[0040] 图13为面型传感器阵列测量结果拟合图。
[0041] 附图标记说明如下：
[0042] 1-拉压转换装置，11-外弦杆AD，12-外弦杆AB，13-外弦杆BC，14-外弦杆CD， ll-ι外弦杆AD的第一个通孔，11-2外弦杆AD的第二个通孔，11-3外弦杆AD的第三个通 孔，11-4外弦杆AD的第四个通孔，12-1外弦杆AB的第一个通孔，12-2外弦杆AB的第二个 通孔，12-3外弦杆AB的第三个通孔，12-4外弦杆AB的第四个通孔，13-1外弦杆BC的第一 个通孔，13-2外弦杆BC的第二个通孔，13-3外弦杆BC的第三个通孔，13-4外弦杆BC的第 四个通孔，14-1外弦杆⑶的第一个通孔，14-2外弦杆⑶的第二个通孔，14-3外弦杆⑶的 第三个通孔，14-4外弦杆⑶的第四个通孔，2-柔性碳纤维丝，3-保护罩，4-传感器。
【具体实施方式】
[0043] 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。
[0044] 本发明根据桁架工作原理，实现待测的压应变转换为碳纤维丝2的拉应变的转 换。桁架结构，只存在拉应力与压应力。当对其中某一个杆件施加压力时，该压力会随着桁 架传递，最终可能在桁架其他某些杆件中形成拉应力，即拉压转换，以拉代压的核心思想， 数学模型如下：
[0045] 根据勾股定理，图2所示的桁架变形前后分别有如下两个方程：
[0046] C2= a 2+b2
[0047] c2= (b_ δ ) 2+(a+μ )2
[0048] 其中c为斜边长度；a、b分别为两个直角边长度；δ为X方向缩短长度；μ为Y方 向伸长长度。
[0049] 将斜边c作为刚体考虑，即不考虑其形变，将两直角边a、b作为弹性体考虑。当保 持斜边c度不变，直角边b的长度缩短，则直角边a的长度必然增大。据此，如果把缩短的 直角b边类比于压区待测变化长度，把伸长的直角边a类比于碳纤维，则当压区待测变化长 度所代表的b缩短时，碳纤维所代表的a直角边必然伸长，即完成了从压应变到拉应变的转 换。
[0050] 具体实现时，拉-压应变关系的数学关系如下：
[0051] I.碳纤维丝布置于桁架邻边位置：
[0052] 如图3所示，四边形AB⑶四边长度保持不变，将碳纤维丝2布置于图3中丽处， 假设AC为缩短方向，BD为伸长方向，则丽的伸长量计算如下：
[0053] 根据：cosA = (b2+c2_a2)/2bc
[0059][0060] 因此，丽的拉应变为：[0061] Δ ΜΝ= Μ' Ν' -MN = F ( λ，η，b，δ )
[0054]
[0055]
[0056]
[0057]
[0058]
[0062] 其中λ、τι分别代表Μ、N在AD和AB上的相对位置比值，即
[0063]
[0064] 特别的，当碳纤维布置方向与受压方向垂直时（即MN丄AC，λ = r〇
[0065]
[0066] II.碳纤维丝对称布置于桁架对边方向：
[0067] 如图4所示，四边形AB⑶长度四边保持不变，将碳纤维丝2布置于图4中丽处， 假设AC为缩短方向，BD为伸长方向，则丽的伸长量计算如下：
[0068]
[0069]
[007