一种长标距碳纤维应变传感器件的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种长标距碳纤维应变传感器件，包括长标距碳纤维应变传感芯线、锚固段以及封装层，所述长标距碳纤维应变传感芯线两端固定于锚固段上，且绝缘封装在封装层内，在所述长标距碳纤维应变传感芯线沿纤维方向上开设有一使所述长标距碳纤维应变传感芯线截面减小的切口，该切口为穿过所述长标距碳纤维应变传感芯线内部的内部切口或设置在所述长标距碳纤维应变传感芯线外表面的外部切口，切口的面积为所述长标距碳纤维应变传感芯线截面的0.5%～5%。实现了长标距碳纤维应变传感芯线对于微小应变变化的长期监测，通过具有稳定化学性质的传感基材以及封装材料，解决了在长期监测中对于微小应变变化的测量要求，提高了传感器件精度。
【专利说明】一种长标距碳纤维应变传感器件
【技术领域】
[0001]本发明涉及了一种用于土建交通工程结构中健康检测和监测的应变传感器件，尤其涉及了一种满足微小应变变化测量要求的，动静态高精度分布式长标距碳纤维应变传感器件。
【背景技术】
[0002]在土建交通工程结构的结构健康检测和监测系统中，结构的应力(应变)变化，是用来评价结构长期性能和损伤识别的重要指标。应变传感器是将测量对象的应力变化转变成可测量信号的测试仪器。常用的应变传感器主要有基于电子传感的点式电阻应变片。在实际应用中，由于结构覆盖面广、监测结点多，往往导致监测成本高的问题。目前，一种可大范围监测的基于光纤传感的长标距光纤传感器，正逐渐在结构健康系统中得到越来越多的应用。长标距传感器是通过局部测量标距内平均应变来反映结构整体变形，对应变测量有很高的精度要求；另一方面铺设完备的光纤传感系统需要重新投入一定的前期铺建成并。此时，一种适于原有电子传感方式的高精度长标距应变传感器，显得尤为重要。
[0003]碳纤维是一种高强度的耐腐蚀结构材料，同时还具有力阻特性，可通过常用的电桥电路实现应力(应变)测量。作为一种新型传感材料，不但比传统的金属电阻应变式传感器更具有长期的稳定性，而且碳纤维材料受力而引起的电阻变化主要来自于电阻率变化而不是传感芯线的尺寸变化，因此与传统电阻应变式传感器的金属传感材料相比碳纤维具有灵敏度高和横向效应小的特点。在实际传感性能的调查研究中，发现以碳纤维为基材的通过长标距封装方法，制作长标距应变传感芯线满足稳定的应变测量，可实现了小级别应变变化的测量。关于碳纤维传感芯线的介绍，请参见参考文献[吴智深.一种分布式高精度长标距碳纤维应变测试装置及测试方法:中国，201110371789.8 [P], 2011-11-22.]。
[0004]但是碳纤维传感芯线本身是由数千根微纤维通过树脂含浸固化成型的复合材料，受制作工艺影响，成型的碳纤维传感芯线在小应变范围内存在离散问题，尚不能满足10个微应变内的微小应变测量要求。因此，必须采取相应增敏措施以满足碳纤维传感芯线关于微小应变范围内准确度和精度的要求，以满足结构分布式应变测量的要求。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是在长标距碳纤维应变传感芯线在小应变范围内应变测量的基础上，提供一种高精度的长标距碳纤维应变传感器件，实现在微小应变范围内动静态应变测量，以满足在土木工程结构的应力(应变)的连续检测和监测的要求。
[0006]本发明为实现上述目的，采用如下技术方案:
一种长标距碳纤维应变传感器件，包括长标距碳纤维应变传感芯线、锚固段以及封装层，所述长标距碳纤维应变传感芯线两端固定于锚固段上，且绝缘封装在封装层内，其特征在于:在所述长标距碳纤维应变传感芯线沿纤维方向上开设有一使所述长标距碳纤维应变传感芯线截面减小的切口，该切口为穿过所述长标距碳纤维应变传感芯线内部的内部切口或设置在所述长标距碳纤维应变传感芯线外表面的外部切口，切口的面积为所述长标距碳纤维应变传感芯线截面的0.5%?5%。
[0007]所述的外部切口为环形切口或局部切口。
[0008]所述切口沿纤维方向长度为2到8cm ;其切线方向宽度大于1mm，并为所述长标距碳纤维应变传感芯线宽度的15到50%。
[0009]所述切口位置距所述锚固段大于10mm。
[0010]所述切口在长标距碳纤维应变传感芯线含浸前预先切制或含浸后切制。
[0011 ] 所述长标距碳纤维应变传感芯线位于封装层之内，并无层间摩擦可以自由变形。
[0012]所述锚固段内封装有与所述长标距碳纤维应变传感芯线连接的测量用电极；所述电极形成方式为封装前使用黏度小的含银导电胶预先对所述长标距碳纤维应变传感芯线两端干丝状态的纤维束做含浸处理形成预含浸段，待导电胶完全固化后再将导线直接焊接在预含浸段表面形成电极段，再使用耐腐蚀树脂对电极段封装形成稳定的电极。
[0013]本发明在长标距碳纤维应变传感芯线的纤维长度方向上局部开有切口，使得长标距碳纤维应变传感芯线局部的截面缩小，根据应力集中原理，当所述传感芯线受拉时，开有切口的局部应力值增大实现整体信号增幅。
[0014]本发明所述的技术方案的有益效果是:
(1)实现了长标距碳纤维应变传感芯线对于微小应变变化的长期监测，通过具有稳定化学性质的传感基材以及封装材料，解决了在长期监测中对于微小应变变化的测量要求，提高了传感器件精度；
(2)实现了大型结构的应变监测和检测时多组传感器件分布布设和测量，简化多组传感器件同步测量的电桥布置程序，提高了实际操作性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是本发明的3种切口类型的长标距碳纤维应变传感器件封装后的俯视图，其中a为环形缺口，b为圆弧形切口，c为内部切口。
[0016]图2是本发明的长标距碳纤维应变传感芯线切口尺寸示意图。
[0017]图3是本发明的长标距碳纤维应变传感器件封装前的侧视图。
[0018]图4是本发明的长标距碳纤维应变传感器件封装后的侧视图。
[0019]图5是多组本发明的长标距碳纤维应变传感器件的测量电路接线示意图。
[0020]图6是本发明的长标距碳纤维应变传感器件的放大效果实测结果。
[0021]图中标识含义:301-矩形切口的长标距碳纤维应变传感芯线；302_圆弧形切口的长标距碳纤维应变传感芯线；303_内部切口的长标距碳纤维应变传感芯线；2-锚固段；101-外部封装层；102-内部封装层；103_底部封装层。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明:
如图1至3所示，本发明的长标距碳纤维应变传感器件包括:两组具有相同几何尺寸的长度为50厘米到2米的具有矩形切口的长标距碳纤维应变传感芯线301和具有内部切口的长标距碳纤维应变传感芯线303，其中具有内部切口的长标距碳纤维应变传感芯线303作为温度补偿使用；三层封装层:外部封装层101、内部封装层102和底部封装层103，两个带测量电极的锚固段2组成，并按顺序整体封装而成。
[0023]如图1所示，本发明的矩形长标距碳纤维应变传感芯线的切口形状不单一限制于方形或者圆弧形，其切口位置也不限制于芯线边缘或者内部。
[0024]如图2所示，本发明的矩形切口的长标距碳纤维应变传感芯线301上的切口纤维方向长度为2到8cm ;切口的切线方向宽度需大于1mm，并为长标距碳纤维应变传感芯线宽度的15到50%。
[0025]其中长标距碳纤维应变传感芯线的切口位置在锚固段IOmm以外的任意位置；切口可以是在长标距碳纤维应变传感芯线含浸前预先切制，也可以是含浸后切制。
[0026]其中锚固段2内封装有与长标距碳纤维应变传感芯线和温度补偿用长标距碳纤维应变传感芯线连接的测量用电极。
[0027]如图4所示，本发明的长标距碳纤维应变传感芯线位于封装层102与封装层103之内，并无层间摩擦可以自由变形。
[0028]其中温度补偿用长标距碳纤维应变传感芯线位于封装层101与封装层102之内，并无层间摩擦可以自由变形。
[0029]如图5所示，多组本发明的高精度长标距碳纤维应变传感器件可以通过并联电路接入测量电桥中，实现分布式测量。
[0030]下面结合一个具体的实施例，具体来阐述本发明长标距碳纤维应变传感器件: 实例
在对于3根标距长为500毫米的不同切口面积的本发明的长标距碳纤维应变传感器件的单向张拉加载试验的结果可以看出，如图6所示，随着切口面积增大，通过长标距碳纤维应变传感器件获得的信号有明显的增敏效果，其放大倍数随切口面积变化而逐渐变大，并且整个测量过程中获得的信号的线性非常好。通过校正系数，对比测量结果和设定的参考应变，发现通过长标距碳纤维应变传感器件获得的信号在不同测量量程内一致性良好。
【权利要求】
1.一种长标距碳纤维应变传感器件，包括长标距碳纤维应变传感芯线、锚固段以及封装层，所述长标距碳纤维应变传感芯线两端固定于锚固段上，且绝缘封装在封装层内，其特征在于:在所述长标距碳纤维应变传感芯线沿纤维方向上开设有一使所述长标距碳纤维应变传感芯线截面减小的切口，该切口为穿过所述长标距碳纤维应变传感芯线内部的内部切口或设置在所述长标距碳纤维应变传感芯线外表面的外部切口，切口的面积为所述长标距碳纤维应变传感芯线截面的0.5%?5%。
2.根据权利要求1所述的一种长标距碳纤维应变传感器件，其特征在于:所述的外部切口为环形切口或局部切口。
3.根据权利要求1或2所述的一种长标距碳纤维应变传感器件，其特征在于:所述切口沿纤维方向长度为2到8cm ;切口的切线方向宽度大于1mm，并为所述长标距碳纤维应变传感芯线宽度的15到50%。
4.根据权利要求1或2所述的一种长标距碳纤维应变传感器件，其特征在于:所述切口位置距所述锚固段大于10mm。
5.根据权利要求1或2所述的一种长标距碳纤维应变传感器件，其特征在于:所述切口在长标距碳纤维应变传感芯线含浸前预先切制或含浸后切制。
6.根据权利要求1或2所述的一种长标距碳纤维应变传感器件，其特征在于:所述锚固段内封装有与所述长标距碳纤维应变传感芯线连接的测量用电极；所述电极形成方式为封装前使用黏度小的含银导电胶预先对所述长标距碳纤维应变传感芯线两端干丝状态的纤维束做含浸处理形成预含浸段，待导电胶完全固化后再将导线直接焊接在预含浸段表面形成电极段，再使用耐腐蚀树脂对电极段封装形成稳定的电极。
【文档编号】G01B7/16GK103868445SQ201410110787
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年3月24日 优先权日:2014年3月24日
【发明者】吴智深, 黄璜, 刘建勋 申请人:东南大学, 江苏绿材谷新材料科技发展有限公司