[发明专利]一种基于碳纤维复合材料的传感器

说明书

技术领域

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

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。

根据电阻定律：R＝ρL/A，其中ρ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ρ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。

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：

(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；

(2)如图1(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

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。

一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；

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；

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；

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。

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

优选地，所述形状可变的四边形的四条边长度相等。

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。

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。

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。

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。

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。