[實用新型]一種分布式高精度長標距碳纖維應變測試裝置

有效

• 申請號: 201120464705.0
• 申請日: 2011-11-22
• 公開（公告）號: CN202329535U
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發明（設計）人: 吳智深;黃璜
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01B7/16
• 分類號: G01B7/16
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 張惠忠

技術領域

本實用新型涉及了一種用于土建交通結構中健康檢測和監測的技術領域，尤其涉及了以碳纖維為基材的分布式高精度長標距碳纖維應變測試裝置的技術領域。

背景技術

在結構健康監測系統中，長期的靜態應力（應變）的監測以及結構在激勵后動態響應的檢測，是用來評價結構長期性能和損傷識別的重要方法。在實際應用中，一方面在小應變激勵范圍內高靈敏度的傳感器容易受到噪音以及環境條件變化的影響，而導致監測系統不能正確反應結構自身的參數變化；另一方面，傳統的‘點’式應變片常因局部應力集中而傳感器自身損壞或因損傷點距離傳感器較遠而無法預知結構的破壞。此時，一種大范圍監測可能的穩定傳感器顯得尤為重要。

對于混凝土結構中，其表面在100至200張拉微應變下就會出現微裂縫。因此，經濟而且高靈敏度的傳感器的選用是正確獲得結構信息的前提保證。在實際應用中，在小應變范圍內高靈敏度的傳感器容易受到噪音以及環境條件變化的影響，而導致監測系統不能正確反應結構自身的參數變化。此時，對傳感器的信號進行處理就顯得尤為重要。

現在已經有研究提出利用復合碳纖維片材在大應變條件下，碳絲的微斷裂而引起的信號階躍作為結構破壞的預警器。但是對于碳纖維材料在小應變范圍內的傳感性能和信號特性的研究，還只是剛剛起步。

碳纖維是一種高強度的耐腐蝕結構材料，同時還具有力阻特性。作為一種新型傳感材料，不但比傳統的金屬電阻應變式傳感器更具有長期的穩定性，而且碳纖維材料受力而引起的電阻變化主要來自于電阻率變化而不是傳感器的尺寸變化，因此與傳統電阻應變式傳感器的金屬傳感材料相比碳纖維具有靈敏度高和橫向效應小的特點。

但是碳纖維本身是一種熱敏材料，在應力/應變條件穩定而溫度條件變化的情況下，其電阻會隨溫度的變化而明顯變化，其溫度系數為負值。另外因為碳纖維的電阻系數小電阻初值小，因此在小應變范圍內測試時其輸出信號偏小。在通過常用電阻測試方法的實際測量中，受測試條件的限制其輸出信號不是穩定地顯示一個值，其采樣偏差離散現象嚴重。

發明內容

本實用新型的目的是在綜合碳纖維材料在小應變范圍內的傳感性能，提供一種分布式高精度長標距碳纖維應變測試裝置，實現在長期不穩定溫度條件下對大范圍內結構微小應變的感知以達到對結構的應力（應變）的連續檢測和監測。

本實用新型為實現上述目的，采用如下技術方案：

一種分布式高精度長標距碳纖維應變測試裝置，包括兩個長標距碳纖維應變傳感器、兩個阻值與長標距碳纖維應變傳感器相同的電阻，長標距碳纖維應變傳感器、電阻、恒流電源按照惠斯登溫度補償電橋形式布置，其中一個長標距碳纖維應變傳感器作為工作片，另一個長標距碳纖維應變傳感器作為溫度補償片；惠斯登溫度補償電橋的信號輸出端與初級信號的信號輸入端連接，初級信號的信號輸出端與單片機的信號輸入端連接，單片機的信號輸出端與高可信度的近似真值的信號輸入端連接。

本實用新型的長標距碳纖維應變傳感器包括連續碳纖維絲、樹脂包覆層、測試電極，沿連續碳纖維絲長度方向的外周包覆樹脂包覆層，連續碳纖維絲的兩端分別涂抹5mm-10mm長度的導電樹脂，導電樹脂完全固化后形成導電樹脂層，再在導電樹脂層上焊接導線，形成所述測試電極。

本實用新型連續碳纖維絲的長度為50cm。

本實用新型連續碳纖維絲是由多根單向碳纖維絲沿纖維方向排列編織而成。

本實用新型連續碳纖維絲為高強度的碳纖維絲或高彈模的碳纖維絲。

本實用新型長標距碳纖維應變傳感器的寬度與長度的比值小于0.02，厚度為0.1～0.5mm。

基于本實用新型的分布式高精度長標距碳纖維應變測試裝置的測試方法，包括如下步驟：

第一步：搭建測試電橋：首先將其中一個長標距碳纖維應變傳感器作為工作片安裝在結構被監測部件上，其次將另一個長標距碳纖維應變傳感器作為溫度補償片安裝在同一空間內結構應變不敏感部件上，再將兩個電阻接入惠斯登溫度補償電橋；

第二步：信號計測：將上述第一步搭建的惠斯登溫度補償電橋通過初級信號接入單片機，當工作片處于張拉狀態下，在一次計測過程中對惠斯登溫度補償電橋的輸出信號以頻率f進行連續計測得到一組初級信號，其中f≥25；

第三步：近似真值計算：通過單片機的數字濾波算法，用于對上述初級信號進行濾波，最終輸出一個高可信度的近似真值。