一种基于碳纤维复合材料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 = P L/A，其中P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P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I (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] -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I (a)为二次弯矩问题示意图；图I (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)为具体应用压区不意图；图9 (b)为具体应用拉区不意图。
[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]
[0039]
[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AB⑶四边长度保持不变，将碳纤维棒3布置于图中丽处 (MN丄AC)，假设AC为缩短方向，BD为伸长方向，则丽的伸长量计算过程如下：
[0051] 因此，丽拉应变为：
[0046]
[0047]
[0048]
[0049]
[0050] LlN 丄Ut)丄t)/88y Λ 「/J Ij 4/0
[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