一種智能長標(biāo)距應(yīng)變傳感器及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種智能長標(biāo)距應(yīng)變傳感器及制造方法，其中智能長標(biāo)距應(yīng)變傳感器包括傳感芯、智能模塊，傳感芯的一端與智能模塊連接；所述傳感芯由電阻絲和包覆在電阻絲外周的增強(qiáng)層組成，增強(qiáng)層可采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制作；增強(qiáng)層的外周布置套管，套管的外周布置封裝層，封裝層可采用編織纖維復(fù)合材料制作；在封裝層的兩端，分別設(shè)置封裝錨固點(diǎn)；所述智能模塊由數(shù)據(jù)采集芯片和無線傳感器組成。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明測量性能與監(jiān)測精度得到改善與提高；抗腐蝕與耐久性提高；測量范圍增大；數(shù)據(jù)采集與傳輸實(shí)現(xiàn)了智能化且檢測費(fèi)用低。
【專利說明】一種智能長標(biāo)距應(yīng)變傳感器及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及智能傳感與監(jiān)測、信息處理及土建交通工程的【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]電阻應(yīng)變片有多種形式，常用的有絲式和箔式。它是由直徑為0.02?0.05mm的康銅絲或者鎳鉻絲繞成柵狀(或用很薄的金屬箔腐蝕成柵狀)夾在兩層絕緣薄片(基底)中制成，用鍍錫銅線與應(yīng)變片絲柵連接作為應(yīng)變片引線，用來連接測量導(dǎo)線。電阻應(yīng)變片的測量原理為:金屬絲的電阻值除了與材料的性質(zhì)有關(guān)之外，還與金屬絲的長度，橫截面積有關(guān)。將金屬絲粘貼在構(gòu)件上，當(dāng)構(gòu)件受力變形時，金屬絲的長度和橫截面積也隨著構(gòu)件一起變化，進(jìn)而發(fā)生電阻變化。
[0003]根據(jù)歐姆定律，電阻應(yīng)變片的傳感原理:Λ R/R=K* ε
[0004]其中，K為電阻絲的應(yīng)變靈敏系數(shù)，其物理意義是單位應(yīng)變的電阻變化率，標(biāo)志著該類電阻絲電阻應(yīng)變片效應(yīng)顯著與否。ε為測點(diǎn)處應(yīng)變，為無量綱的量，但習(xí)慣上仍給以單位微應(yīng)變，常用符號μ ε表示。由此可知，金屬絲在產(chǎn)生應(yīng)變效應(yīng)時，應(yīng)變ε與電阻變化率Λ R/R成線性關(guān)系，這就是利用金屬應(yīng)變片來測量構(gòu)件應(yīng)變的理論基礎(chǔ)。
[0005]電阻應(yīng)變片雖然已在工程和實(shí)驗(yàn)室中被廣泛運(yùn)用，但在實(shí)際應(yīng)用中普遍存在以下方面問題:
[0006]I)耐久性不足。傳統(tǒng)電阻應(yīng)變片的封裝一般采用絕緣紙，在較惡劣環(huán)境下受損傷嚴(yán)重，因此不適合長期實(shí)時監(jiān)測，很難滿足長期結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的需求。
[0007]2)傳感標(biāo)距短、不適合分布式監(jiān)測。傳統(tǒng)的應(yīng)變片傳感標(biāo)距短，一般只有5mm-10cm,通常只適合“點(diǎn)式”監(jiān)測，而“點(diǎn)式”監(jiān)測方法適合均質(zhì)、小型結(jié)構(gòu)，而對于大型、非均質(zhì)的土木工程結(jié)構(gòu)則需要進(jìn)行改善或二次開發(fā)。
[0008]3)操作繁瑣。傳統(tǒng)的應(yīng)變片除了粘貼應(yīng)變片本身外，還包括粘貼接線端子、焊接等復(fù)雜程序。
[0009]4)需對溫度進(jìn)行補(bǔ)償。傳統(tǒng)應(yīng)變片需外設(shè)應(yīng)變片對溫度進(jìn)行補(bǔ)償，卻無法進(jìn)行定位補(bǔ)償，這樣會影響測量準(zhǔn)確度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明目的是能夠自行地進(jìn)行溫度補(bǔ)償，測量一定標(biāo)距內(nèi)的有效應(yīng)變，并能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和無線傳輸；同時，該應(yīng)變傳感器具有很好的耐久性和長期測量穩(wěn)定性，適用于土建交通工程中各類結(jié)構(gòu)(如橋梁、高層、大跨等)的檢測與監(jiān)測。且制作方法簡單，成本低廉，測量儀器便宜，測量操作簡單，有效降低了結(jié)構(gòu)的檢測費(fèi)用。
[0011]一種智能長標(biāo)距應(yīng)變傳感器，包括傳感芯、智能模塊，傳感芯的一端與智能模塊連接；所述傳感芯由電阻絲和包覆在電阻絲外周的增強(qiáng)層組成，增強(qiáng)層可采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制作；增強(qiáng)層的外周布置套管，套管的外周布置封裝層，封裝層可采用編織纖維復(fù)合材料制作；在封裝層的兩端，分別設(shè)置封裝錨固點(diǎn)；所述智能模塊由數(shù)據(jù)采集芯片和無線傳感器組成。
[0012]比較好的是，本發(fā)明的電阻絲包括至少兩根平行布置的第一電阻絲、第二電阻絲，第一電阻絲、第二電阻絲的外周分別包覆有增強(qiáng)層，增強(qiáng)層可以采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制作，第一電阻絲、第二電阻絲分別呈U型，第一電阻絲、第二電阻絲之間設(shè)置連接點(diǎn)。
[0013]基于本發(fā)明的智能長標(biāo)距應(yīng)變傳感器的制造方法，包括如下步驟:
[0014]第一步:將電阻絲布置在模具內(nèi)，然后在電阻絲的表面制作增強(qiáng)層；
[0015]第二步:將在表面制作了增強(qiáng)層的電阻絲穿置在套管內(nèi)；
[0016]第三步，在套管的外周面制作封裝層，封裝層可以采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等制作，封裝層的兩端分別固定封裝錨固點(diǎn)；
[0017]第四步:將第三步得到的電阻絲的一端連接智能模塊。
[0018]與現(xiàn)有的應(yīng)變傳感器相比，本發(fā)明所提出的智能長標(biāo)距傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0019]I)測量性能與監(jiān)測精度的改善與提高。首先，由于不同溫度系數(shù)或電阻系數(shù)電阻絲的使用，使得該傳感器能自行進(jìn)行溫度補(bǔ)償，避免了傳統(tǒng)電阻應(yīng)變片需對溫度進(jìn)行專門補(bǔ)償及其產(chǎn)生的誤差，且由多種電阻絲制成的傳感芯可以在同一標(biāo)段內(nèi)測量出各個電阻絲的應(yīng)變值，通過處理后可以求得最優(yōu)化的應(yīng)變值，大幅提高了測量精度。其次，電阻絲的絕緣增強(qiáng)以及其長標(biāo)距化封裝后，也消除了因電阻絲蠕變等因素產(chǎn)生的測量不準(zhǔn)確性，改善了測量精度。
[0020]2)抗腐蝕與耐久性的提高。首先，對電阻絲采用了高聚物以及纖維等高性能材料進(jìn)行絕緣封裝增強(qiáng)，對電阻絲進(jìn)行了良好保護(hù)，提高了傳感芯的耐久性；再者，封裝結(jié)構(gòu)中采用了抗老化基體材料以及纖維材料，同時對傳感芯進(jìn)行密閉封裝，有效提高了抗老化性能及耐久性，能夠?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行長期穩(wěn)定監(jiān)測，且該電阻傳感器可用于較惡劣的環(huán)境，如海洋環(huán)境、地下工程等。
[0021]3)測量范圍的增大。該應(yīng)變傳感器能對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分布式監(jiān)測，能對大型結(jié)構(gòu)的損傷進(jìn)行定位和對局部的損傷進(jìn)行定量化監(jiān)測，避免傳統(tǒng)電阻應(yīng)變片只適合“點(diǎn)式”監(jiān)測的方式。
[0022]4)數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)闹悄芑?。?shù)據(jù)采集芯片的采用，使得能對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行智能采集和處理，同時可采用無線傳感技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳遞，極大方便了大型工程結(jié)構(gòu)的檢/監(jiān)測。此外，也可以采用有線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。
[0023]5)檢測費(fèi)用低。原材料主要為電阻絲、纖維復(fù)合材料等，價格便宜；該制作方法及程序簡單；同時該應(yīng)變傳感器的施工操作簡便；必要時，傳感芯也可用作應(yīng)變傳感器進(jìn)行定點(diǎn)粘貼或全面帖。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1單一電阻絲傳感芯的圓形橫截面示意圖；
[0025]圖2兩種電阻絲傳感芯的圓形橫截面示意圖；
[0026]圖3單一電阻絲傳感芯的三維示意圖；
[0027]圖4兩種電阻絲傳感芯的三維示意圖；
[0028]圖5單一電阻絲傳感芯的矩形橫截面示意圖；
[0029]圖6兩種電阻絲傳感芯的矩形截面示意圖[0030]圖7含單一電阻絲的傳感芯封裝后的示意圖；
[0031]圖8智能長標(biāo)距應(yīng)變傳感器示意圖；
[0032]圖9傳感芯定點(diǎn)粘貼不意圖；
[0033]圖10傳感芯全面粘貼示意圖。
[0034]圖中:1、第一電阻絲，2、第二電阻絲，3、增強(qiáng)層，4、傳感芯，5、封裝錨固點(diǎn)，6、封裝層，7、智能模塊，8、被測物，9、定點(diǎn)粘貼結(jié)構(gòu)膠，10、連接導(dǎo)線，11、全面粘貼結(jié)構(gòu)膠，12、套管，13、連接點(diǎn)。
【具體實(shí)施方式】
[0035]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明:
[0036]如圖1到圖8所示，一種智能長標(biāo)距應(yīng)變傳感器，包括傳感芯4、智能模塊7，傳感芯4的一端與智能模塊7連接；所述傳感芯4由電阻絲和包覆在電阻絲外周的增強(qiáng)層3組成，增強(qiáng)層3的外周布置套管12，套管12的外周布置封裝層6，封裝層6的兩端分別設(shè)置封裝錨固點(diǎn)5 ;其中，增強(qiáng)層和封裝層可以采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料或高性能的聚合物材料制作；所述智能模塊7由數(shù)據(jù)采集芯片和無線傳感器組成。
[0037]如圖2、圖4、圖6所示，本發(fā)明的電阻絲包括至少兩根平行布置的第一電阻絲1、第二電阻絲2，第一電阻絲1、第二電阻絲2的外周分別包覆有增強(qiáng)層3，第一電阻絲1、第二電阻絲2分別呈U型，第一電阻絲1、第二電阻絲2之間設(shè)置連接點(diǎn)13。
[0038]基于本發(fā)明的智能長標(biāo)距應(yīng)變傳感器的制造方法，包括如下步驟:
[0039] 第一步:將電阻絲布置在模具內(nèi)，然后在電阻絲的表面制作增強(qiáng)層3 ；
[0040]第二步:將在表面制作了增強(qiáng)層3的電阻絲穿置在套管12內(nèi)；
[0041]第三步，在套管12的外周面制作封裝層6，在封裝層6的兩端分別固定封裝錨固點(diǎn)5 ；
[0042]第四步:將第三步得到的電阻絲的一端連接智能模塊7。
[0043]基于本發(fā)明的智能長標(biāo)距應(yīng)變傳感器的制造方法，包括如下步驟:
[0044]第一步:將每根電阻絲彎曲成U型，均勻布置在模具內(nèi)，然后在電阻絲的表面制作增強(qiáng)層3，電阻絲之間通過連接點(diǎn)13連接；
[0045]第二步:將在表面制作了增強(qiáng)層3的電阻絲穿置在套管12內(nèi)；
[0046]第三步:在套管12的外周面制作封裝層6，在封裝層6的兩端分別固定封裝錨固點(diǎn)5 ；
[0047]第四步:將第三步得到的電阻絲上開口的一端連接智能模塊7。
[0048]本發(fā)明在制作過程中，主要需要解決以下三個方面的問題:
[0049]I)傳感芯的制作，其關(guān)鍵是選取的電阻絲要有穩(wěn)定的溫度系數(shù)和應(yīng)變靈敏度系數(shù)，為了進(jìn)行溫度自補(bǔ)償需要采用溫度系數(shù)和應(yīng)變靈敏度系數(shù)不同的兩種或多種電阻絲，這樣根據(jù)電阻絲測量應(yīng)變及溫度變化的原理，可以得到結(jié)構(gòu)的應(yīng)變及溫度變化。假設(shè)傳感芯中有兩種應(yīng)變靈敏度系數(shù)和溫度系數(shù)不同的電阻絲R1和R2，可聯(lián)立建立包括應(yīng)變變化和溫度變化兩個獨(dú)立參數(shù)的下述方程式組
【權(quán)利要求】
1.一種智能長標(biāo)距應(yīng)變傳感器，其特征在于包括傳感芯(4)、智能模塊(7)，傳感芯(4)的一端與智能模塊(7)連接；所述傳感芯(4)由電阻絲和包覆在電阻絲外周的增強(qiáng)層(3)組成，增強(qiáng)層(3)的外周布置套管(12)，套管(12)的外周布置封裝層(6)，封裝層(6)的兩端分別設(shè)置封裝錨固點(diǎn)(5);所述智能模塊(7)由數(shù)據(jù)采集芯片和無線傳感器組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能長標(biāo)距應(yīng)變傳感器，其特征在于上述電阻絲包括至少兩根平行布置的第一電阻絲(I)、第二電阻絲(2)，第一電阻絲(I)、第二電阻絲(2)的外周分別包覆有電阻絲外周的增強(qiáng)層(3)，第一電阻絲(I)、第二電阻絲(2)分別呈U型，第一電阻絲(I)、第二電阻絲(2)之間設(shè)置連接點(diǎn)(13)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的智能長標(biāo)距應(yīng)變傳感器，其特征在于上述電阻絲為銅鎳合金或鎳鉻系合金或鐵鉻鋁合金或鎳鉻鐵合金或鉬或鉬合金中的一種。
4.基于權(quán)利要求1所述的智能長標(biāo)距應(yīng)變傳感器的制造方法，其特征在于包括如下步驟: 第一步:將電阻絲布置在模具內(nèi)，在電阻絲的外周制作增強(qiáng)層(3)； 第二步:將通過增強(qiáng)層(3)增強(qiáng)的電阻絲穿置在套管(12)內(nèi)； 第三步，在套管(12)的外周制作封裝層(6)，在封裝層(6)的兩端分別固定封裝錨固點(diǎn)(5)； 第四步:將第三步得到的電阻絲的一端連接智能模塊(7)。
5.基于權(quán)利要求2所述的智能長標(biāo)距應(yīng)變傳感器的制造方法，其特征在于包括如下步驟: 第一步:將每根電阻絲彎曲成U型，均勻布置在模具內(nèi)，然后在電阻絲的制作增強(qiáng)層(3)，電阻絲之間通過連接點(diǎn)(13)連接； 第二步:將增強(qiáng)的電阻絲穿置在套管(12)內(nèi)； 第三步，在套管(12)的外周面制作封裝層(6)，在封裝層(6)的兩端分別固定封裝錨固點(diǎn)(5)； 第四步:將第三步得到的電阻絲上開口的一端連接智能模塊(7)。
【文檔編號】G01B7/16GK103471497SQ201310468770
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年10月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月9日
【發(fā)明者】楊才千, 焦友進(jìn), 吳智深, 李仲佩 申請人:東南大學(xué)