[发明专利]一种改性碳纤维应变传感器件及其制备方法

说明书

本发明涉及传感及自传感技术领域，具体为一种改性碳纤维应变传感器件及其制备方法。包括：改性碳纤维应变传感芯线、以及箔式信号解调组件。其制备方法包括：将碳纤维丝束置于300‑1000με以内的预张拉环境下；对碳纤维丝束实施预浸线型化处理；对线型化碳纤维丝束施加二级高应力张拉至初步成型；对初步成型碳纤维丝束后期养护至完全成型后，安装由柔性电路板打印制成的箔式信号解调组件，得到改性碳纤维传感芯线。本发明具有使用性能优越、精度高、动态响应好、测量性能稳定，适合恶劣环境下连续监测项目的特点。

技术领域

本发明涉及传感及自传感技术领域，具体为一种改性碳纤维应变传感器件及其制备方法。

背景技术

应变是对于结构损伤最敏感的结构参数之一，目前应变传感技术在土建交通工程结构的结构检测和监测技术中已得到广泛的关注。在结构检测和监测过程中，工程人员已经开始利用电子类、光纤类等应变传感器，以期定性、定量分析和评估结构性能。在通常情况下，土木工程结构的劣化过程非常缓慢，但是在严酷环境中或特殊外力作用下，会加速劣化产生损伤导致结构性能降低。因此对于一个优越性能的应变传感器而言，一方面要求具备良好的稳定性和耐久性以满足结构长期监测的需要。另一方面，由于结构中的局部损伤不是出现在所安置的传感器测试范围之内，则很难被准确地检测到，因此还需具备良好的灵敏性以获取微小应变变化。为了进一步更有效的评价结构性能，工程人员开始对传统传感器进行改良设计，以实现满足各种测量要求的智能传感器。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元件的尺寸变化，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元件满足稳定的应变测量，可实现了小级别应变变化的测量。[参考文献：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,CN102494603A]。在此基础上，利用应力集中原理对碳纤维传感材料实施预制切口增敏措施，以满足碳纤维传感材料对于微小应变范围内准确度和精度的要求。[参考文献：一种长标距碳纤维应变传感器件,CN103868445A]此外，通过小波解析技术，利用碳纤维传感材料适合分布式布设的传感特性而实施的实时基线及去噪处理方法，可进一步提升了传感器的测量性能，以达到高准确度和高精度的结构动静态应变测量的目的。[参考文献：基于分布传感和小波解析技术的实时基线及去噪处理方法,CN105004278A]

碳纤维传感材料由于可塑性强、力学性能好、和长期性能稳定的特点，适合与传感单元结合以达到智能化设计，实现多功能、高性能化碳纤维传感材料。加之碳纤维传感材料适合应用于土木工程结构中，通过碳纤维传感材料的自传感功能直接感知结构内部应变变化，并结合分布传感技术的损伤识别及动、静态分析理论，获知结构自身应力分布、荷载、变形等结构状态参数，使结构具有了感知状态变化、自我诊断、自适应等功能，进而实现智能结构。碳纤维传感材料通过感知结构自身响应追踪结构实时状态，在结构长期服役过程中，由于外界激励条件存在不确定性，导致难以预测结构响应可能存在的范围，因此要求碳纤维传感材料需具备大量程的测量范围。目前碳纤维传感技术存在的问题是：高应力状态信号线性差碳纤维传感材料主要是由连续碳纤维丝、树脂、以及电极组成的复合材料。组成材料之间耦合响应复杂，容易导致输出信号不稳定，特别是高应力状态下难以保证线性输出。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种改性碳纤维应变传感器件及其制备方法，本发明具有使用性能优越、精度高、动态响应好、测量性能稳定，适合恶劣环境下连续监测项目的特点。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种改性碳纤维应变传感器件的制备方法，改性碳纤维应变传感器件包括改性碳纤维应变传感芯线、以及箔式信号解调组件；所述的箔式信号解调组件包括：信号解调电路、信号放大电路以及信号输出转换电路，包括以下步骤：