一種基于碳纖維復合材料的傳感器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設計土木工程中使用的壓力傳感器，尤其是一種基于碳纖維復合材料的傳 感器。
【背景技術】
[0002] 碳纖維作為一種柔性抗拉材料，具有較高的抗拉強度，可以廣泛應用于結構的受 拉部位，比如拉索、負彎矩區(qū)加固等。剛性碳纖維復合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastic，簡稱CFRP)是由柔性碳纖維絲和樹脂基體復合而成的具有一定剛度的材料。目 前，CFRP的力阻特性（應變0電阻變化特性）逐漸成為研究熱點，基于CFRP力阻特性的傳 感器設計也成為一種新的挑戰(zhàn)。
[0003] 根據電阻定律：R = P L/A，其中P為試件電阻率，L為試件長度，A為試件橫截面 積。當保持電阻率P不變，增大長度L或者縮小截面積A均能使得電阻值增大。因此，碳 纖維材料存在著受拉電阻變大的特性，而由碳纖維和基體進一步合成的CFRP復合材料也 存在應變0電阻變化特性。
[0004] 在不同的工藝、工序和基體配方基礎上制作的CFRP剛性材料，具有不同的力阻特 性。以CFRP為傳感元設計的傳感器，并將其應用于土木工程領域，則是一個新的傳感器研 究熱點，與此同時，開發(fā)這樣的傳感器也面臨許多的問題和困難。當前，對于電阻應變片傳 感器而言，其既能應用于受拉測試，又能應用于受壓測試。然而，對于CFRP而言，其作為傳 感元應用于受拉測試時，可以參考電阻應變片傳感器，但是其應用于受壓測試時則存在如 下兩個主要問題：
[0005] (1)如圖1(a)所示，雖然CFRP為剛性材料，理論上可以受壓，但是一般CFRP的長 細比太大（長度遠大于直徑），因此在受壓時，極易因出現二階彎矩而造成破壞，導致其承 壓范圍較??；
[0006] (2)如圖I (b)所示，CFRP在受壓時，雖然CFRP整體是剛性的，但是其內部的碳纖 維仍然為柔性，因此在其受壓而產生壓縮形變時，內部的碳纖維無法協(xié)同變形。

【發(fā)明內容】

[0007] 本發(fā)明提供了一種能夠利用CFRP的拉伸特性，測量待測結構壓區(qū)的應變（應力） 的基于碳纖維復合材料的傳感器，從而為基于CFRP的傳感器的廣泛應用提供技術支持。
[0008] -種基于碳纖維復合材料的傳感器，其特征在于，包括拉壓轉換結構、多根碳纖維 棒、夾持裝置，所述拉壓轉換結構包括至少4根剛性外弦桿，所述外弦桿相互交叉布置，兩 根外弦桿重疊的部分相互鉸接，構成至少一個形狀可變的四邊形，所述外弦桿上構成所述 四邊形邊框的部分為雙層結構，所述雙層結構包括上層外弦桿、下層外弦桿，上層外弦桿 與下層外弦桿之間留有縫隙，所述上層外弦桿、下層外弦桿上均設置有至少一個通孔、且上 層外弦桿、下層外弦桿上的通孔的軸心在同一條直線上；
[0009] 至少一根碳纖維棒的兩端端部延伸至上層外弦桿與下層外弦桿之間留有縫隙、并 通過夾持裝置固定在所述通孔中；一個所述四邊形中的多根碳纖維棒首尾電聯接組成串聯 電路；
[0010] 所述夾持裝置包括上層夾持鋼片、下層夾持鋼片、緊固螺栓，所述上層夾持鋼片、 下層夾持鋼片均為中間具有矩形凹槽的長方形鋼片，所述矩形凹槽背面設有鉸接軸，所述 矩形凹槽的兩邊設置有螺絲孔；
[0011] 所述上層夾持鋼片、下層夾持鋼片相向設置、通過所述鉸接軸鉸接于所述上層外 弦桿、下層外弦桿的通孔中，所述碳纖維棒的端部位于所述上層夾持鋼片、下層夾持鋼片的 矩形凹槽中，所述上層夾持鋼片、下層夾持鋼片由緊固螺栓固定。
[0012] 優(yōu)選地，所述上層夾持鋼片和下層夾持鋼片之間的凹進寬度必須大于上層夾持鋼 片和下層夾持鋼片的寬度
[0013] 優(yōu)選地，所述形狀可變的四邊形的四條邊長度相等。
[0014] 優(yōu)選地，所述上層夾持鋼片和下層夾持鋼片的夾持面應做打磨處理。
[0015] 優(yōu)選地，所述外弦桿間的鉸接處、上層夾持鋼片、下層夾持鋼片的鉸接軸與上層外 弦桿、下層外弦桿的通孔的鉸接處涂潤滑劑。
[0016] 優(yōu)選地，所述外弦桿構成多個形狀可變的四邊形，所述多個四邊形位于同一條直 線上。
[0017] 優(yōu)選地，所述外弦桿構成多個形狀可變的四邊形，所述多個四邊形構成一個平面。
[0018] 本發(fā)明模擬桁架工作原理，實現以拉代壓。桁架結構中，桿件只存在壓力和拉力， 如果對其中某一桿件A施加壓力，桿件A產生壓應變，此壓應變效果經過桁架的傳遞，到達 與A位置相異的另一桿件B后，可能在桿件B中形成的是拉應力。這就是以拉代壓的思想。
[0019] 所述傳感器解決的主要問題是將待測結構的壓力（壓應變）轉換為CFRP的拉力 (拉應變）。當待測結構區(qū)域形成局部壓應變時，本發(fā)明所設計的拉壓轉換體系能感知到 待測結構的局部微應變，并通過體系內的轉換機制，將所感知到的壓應變轉換為CFRP能感 知到的拉應變（即CFRP受拉），從而將待測結構的壓應變轉換為CFRP的拉應變，通過測量 CFRP的電阻變化，反推出待測結構局部的壓應變（壓應力），完成以CFRP作為傳感元的傳 感器測量壓區(qū)的全過程。
[0020] 本發(fā)明的有益效果：
[0021 ] 本發(fā)明所述的基于碳纖維復合材料的傳感器，基于CFRP阻力特性，能夠針對CFRP 棒材無法受壓的缺點，而采用以拉代壓的方式將CFRP棒材作為傳感元應用于傳感器。本發(fā) 明的加工工藝相對簡單，成本較低，且安裝、卸載CFRP棒材均較為方便，重復性好。針對不 同尺寸的CFRP棒材，只需要生產預制匹配的夾具即可。此外，本發(fā)明擴展性較好，可以單獨 布置，也可組成陣列布置。
【附圖說明】
[0022] 圖I (a)為二次彎矩問題示意圖；圖I (b)為協(xié)同變形問題示意圖。
[0023] 圖2為所述傳感器原理圖。
[0024] 圖3為拉壓轉換數學原理圖。
[0025] 圖4為垂直布置CFRP時拉壓轉換的數學關系計算原理圖。
[0026] 圖5為所述拉壓轉換結構的結構圖。
[0027] 圖6為CFRP的夾持鋼片斷面圖。
[0028] 圖7為CFRP夾持鋼片安裝步驟圖。
[0029] 圖8為本發(fā)明所述傳感器的結構圖。
[0030] 圖9 (a)為具體應用壓區(qū)不意圖；圖9 (b)為具體應用拉區(qū)不意圖。
[0031] 圖10(a)傳感器為線型布置示意圖；圖10(b)為線型布置測量圖。
[0032] 圖11為應用于板式結構示意圖。
[0033] 圖12為傳感陣列測量圖。
[0034] 附圖標記說明如下：
[0035] 1-外弦桿，101-上層外弦桿，102-下層外弦桿，2-通孔，3-碳纖維棒，4-鉸接軸， 5-上層夾持鋼片，6-下層夾持鋼片，7-緊固螺栓，8-螺母，9-導線。
【具體實施方式】
[0036] 為了更清楚的說明本發(fā)明的技術方案，下面結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】做 進一步的說明。
[0037] 本發(fā)明模擬桁架工作原理，實現以拉代壓。如圖3所示，現在給出一個數學推導的 例子，根據勾股定理，變形前后分別有如下兩個方程：
[0038]
[0039]
[0040] c :斜邊長度；a，b :直角邊長度；
[0041] δ :X方向縮短長度；μ :Y方向伸長長度
[0042] 當保持斜邊c長度不變，縮短直角邊b的長度，則必然增大另外一條直角邊a的長 度。據此，如果把縮短的直角b邊類比于壓區(qū)待測長度，把伸長的直角邊a類比于碳纖維 棒3,當壓區(qū)待測長度所代表的b縮短時，碳纖維棒3所代表的a直角邊必然伸長，即完成了 從壓應變到拉應變的轉換。
[0043] 在推導關系時，將斜邊作為剛體考慮，即不考慮其形變，將兩直角邊作為彈性體考 慮一邊壓縮形變、一邊拉伸形變。
[0044] 現在討論具體實現時，拉-壓應變關系的數學關系：
[0045] 如圖4所示，四邊形AB⑶四邊長度保持不變，將碳纖維棒3布置于圖中麗處 (MN丄AC)，假設AC為縮短方向，BD為伸長方向，則麗的伸長量計算過程如下：
[0051] 因此，麗拉應變?yōu)椋?br>[0046]
[0047]
[0048]
[0049]
[0050] LlN 丄Ut)丄t)/88y Λ 「/J Ij 4/0
[0052]
[0053] 實施例一：
[0054] 以上述結構為原型，設計的以剛性碳纖維棒3為傳感元的傳感器，如圖5所示，以 剛性金屬材料制成的外弦桿相互順序鉸接構成形狀可變的四邊形，為拉壓轉換結構。所述 外弦桿上構成所述四邊形邊框的部分為雙層結構，所述雙層結構包括上層外弦桿101、下層 外弦桿102,上層外弦桿101與下層外弦桿102之間留有縫隙，所述上層外弦桿101、下層外 弦桿102上均設置有至少一個通孔2、且上層外弦桿101、下層外弦桿102上的通孔2的軸 心在同一條直線上，所述通孔2用于鉸接碳纖維棒3。至少一根碳纖維棒3的兩端端部延伸 至上層外弦桿101與下層外弦桿102之間留有縫隙、并通過夾持裝置固定在所述通孔2中； 一個所述四邊形中的多根碳纖維棒3首尾通過導線9電聯接組成串聯電路。
[0055] 首先，所述拉壓轉換結構為在外力作用下其形態(tài)或位置會改變的幾何可變體系， 當剛性碳纖維棒3平行于Y軸方向布置于拉壓轉換結構中，會約束了拉壓轉換結構的變形。 將碳纖維棒3首尾相連，組成串聯電路后，在拉壓轉換結構兩端施加 X方向的