0]
[0071]
[0072]
[0073] 以上数学关系包含了将碳纤维布置在各种不同位置时，其拉压转换时的数学关 系，现以此为原型，设计本发明所述的传感器4如图5所示。
[0074] 由外弦杆作为四边形的边，外弦杆由刚性金属材料制成，两两相互顺序铰接于A、 B、C、D四个结点，构成在外力作用下其形状可变的四边形。在每根外弦杆上钻有若干个光 滑通孔，通孔在每个角度都进行弧形打磨，去除所有尖锐、锋利工作面；在所述通孔上添加 润滑剂，防止产生较大的局部摩擦力。
[0075] 碳纤维丝2的贯穿方式如图5所示：碳纤维丝2从外弦杆ADll的第一个通孔11-1 开始，固定于所述通孔11-1，从所述通孔11-1的反面穿入、正面穿出，之后贯穿到外弦杆 AB12的第一个通孔12-1，从所述通孔12-1的正面穿入、反面穿出，再贯穿到所述通孔12-2 的反面，从所述通孔12-2的反面穿入、正面穿出，之后贯穿到外弦杆ADll的第二个通孔 11-2，从所述通孔11-2的正面穿入、反面穿出，再贯穿到所述通孔11-3，从所述通孔11-3的 反面穿入、正面穿出，再贯穿到所述通孔12-3,从所述通孔12-3的正面穿入、反面穿出，再 贯穿到所述通孔12-4,从所述通孔12-4的反面穿入、正面穿出，再贯穿到所述通孔11-4,从 所述通孔11-4的正面穿入、反面穿出，再贯穿到外弦杆BC3的第一个通孔13-1，从所述通孔 13-1的反面穿入、正面穿出，再贯穿到外弦杆⑶4的第一个通孔14-1，从所述通孔14-1的 正面穿入、反面穿出，再贯穿到所述通孔14-2,从14-2的反面穿入，正面穿出，再贯穿到所 述通孔13-2,从所述通孔13-2的正面穿入、反面穿出，再贯穿到13-3,从所述通孔13-3的 反面穿入、正面穿出，再贯穿到所述通孔14-3,从所述通孔14-3的正面穿入、反面穿出，再 贯穿到14-4,从所述通孔14-4的反面穿入、正面穿出，再贯穿到所述通孔13-4,从所述通孔 13-4的正面穿入、反面穿出，最后固定在所述通孔13-4的正面，防止碳纤维丝2滑移；。
[0076] 在圆孔处涂刷润滑剂加以保护，对于所述传感器4,在垂直于所述碳纤维丝2的方 向，即图5中X轴方向可以自由伸长，但必须在外力作用下才能缩短，在平行于所述碳纤维 丝2的方向，即图5中y方向上可以自由缩短，但必须在外力作用下才能伸长。
[0077] 当对图5中A、C点施加等值反向的压力Fc时，贯穿其中所述通孔中的碳纤维将受 到拉力，当压力Fc足够大，以至于使得所述拉压转换装置1产生明显形变，即在X方向AC 两点的距离变小，BD两点的距离变长，根据结构协同变形的几何关系，贯穿于其中的碳纤维 也将被拉长。至此，所述拉压转换装置1完成了对横向压应变到竖向拉应变的转换。根据 之前的数学推导，可以计算出贯穿其中所有碳纤维的总伸长量：
[0078] Acfrp= 2m · [Η( λ , b, a, δ )+F( λ , η , b, δ )]+G( λ , b, c, δ )
[0079] 其中，m代表单根外弦杆上的孔数。
[0080] 实施例1
[0081] 图6所示为本发明所述的传感器4的一个实施例的立体结构图，所述基于柔性碳 纤维丝2的传感器4,包括、至少一束柔性碳纤维，所述拉压转换装置1包括4根刚性外弦杆 相互交叉布置，两两首尾相铰接构成一个形状可变的四边形，为拉压转换装置1。为了计算 方便，所述外弦杆组成的形状可变的四边形优选为为四边长度相等的四边形。所述外旋杆 上设置数个通孔；一束柔性碳纤维丝2贯穿于所述通孔中，具体地，所述柔性碳纤维丝2交 替穿过相邻的两根外弦杆上的通孔，所述碳纤维丝2的两端端部设置一直径大于所述通孔 的结，以固定所述碳纤维丝2。为了减小摩擦，所述外弦杆的铰接孔、通孔处打磨光滑、并涂 抹润滑剂。同时在所述外旋杆具有通孔的部位设有保护罩3,以防止被测工程构件对碳纤维 丝2产生摩擦。
[0082] 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4放置在梁压应变位置时，其拉压转换装置1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2,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4的功能。
[0083] 本发明所述的传感器4的尺寸对于实际工程构件来说较小，可以将其视为点。将 所述传感器4布置于工程构件上时，实际测量的时该工程构件在该点的应变。而在实际工 程应用中，在待测工程构件的受压区域，固定所述传感器4A、C两点，悬空B、D两点来安装传 感器4,如图8所示，即使位于两根外弦杆之间的碳纤维丝2与压应力的方向相垂直，碳纤维 丝2受拉，拉应力与受压方向垂直。当压区产生压应变时，AC之间发生压应变，从而协同所 铰接的碳纤维丝2发生拉应变，根据全部碳纤维丝2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。AC间距相对于整个结构来说较小，因此测量值即为AC微小长 度段内的平均应变。
[0084] 在待测工程构件的受拉区域，固定所述传感器4B、D两点，悬空A、C两点来安装传 感器4,如图9所示，即使位于两根外弦杆之间的碳纤维丝2与拉应力的方向相平行，碳纤维 丝2仍受拉，不过拉应力与受压方向平行。当拉区产生拉应变时，AC之间发生压应变，从而 协同所铰接的碳纤维丝2发生拉应变，根据全部碳纤维丝2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。AC间距相对于整个结构来说较小，因此测量值即为AC 微小长度段内的平均应变。
[0085] 实施例2
[0086] 本发明所述传感器4布置方式比较灵活，既可以像实施例1中所述的单个布置，也 可由多个子传感器4组合构成线形的传感器4。如图10所示，使用至少5根外旋杆，相互交 叉布置，两个外旋杆相重叠的部分铰接，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，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4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4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4延伸方向的近似应变曲线，如图11所示。
[0087] 实施例3
[0088] 如图12所示，使用至少6根外旋杆，相互交叉布置，两个外旋杆相重叠的部分铰 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，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：A (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13所示，能更为直观表现各点的应变情况。
[0089] 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。
【主权项】
1. 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（I)、至少一束柔 性碳纤维，所述拉压转换装置（1)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（2)，所述柔性碳纤维丝（2)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。2. 根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，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。3. 根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述外旋杆具有通孔的部位设有保护 罩⑶。4. 根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述通孔及两根外弦杆的铰接处打磨 光滑、并涂抹润滑剂。5. 根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，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。6. 根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，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。
【专利摘要】本发明提供了一种基于柔性碳纤维丝的传感器，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。所述传感器的加工工艺相对简单，成本较低，解决了柔性碳纤维丝作为传感元无法受压的问题，且安装、卸载柔性碳纤维丝均较为方便，重复性好；扩展性较好，还可组成线形或面型传感器阵列。
【IPC分类】G01L1/22
【公开号】CN105136355
【申请号】CN201510574647
【发明人】刘荣桂, 黄俊捷, 许兆辉, 刘聃, 梁戈
【申请人】江苏大学
【公开日】2015年12月9日
【申请日】2015年9月10日