碳纤维搭接式应变传感器.pdf

本发明属于传感技术领域，具体涉及一种碳纤维搭接式应变传感器及其制作工艺。通过两束或两束以上的一定长度碳纤维之间的搭接，形成一种树脂基碳纤维搭接层；该搭接层受力产生变形而导致电阻产生变化；通过设置在碳纤维上的电极，采集这种电阻的变化，从而实现变形传感的功能。该碳纤维搭接式应变传感器具有灵敏度高、稳定性好、覆盖面积大等特点。

1.  一种碳纤维搭接式应变传感器，其特征在于：它由两束或两束以上的定长度碳纤维，采用搭接而成，任意两束之间的碳纤维形成部分搭接层(2)，搭接层由树脂固定，在未搭接部分的碳纤维表面涂有导电胶(3)，导电胶上面粘有电极(4)，所述的碳纤维、树脂、导电胶和电极均被固定在垫板(5)上，形成一个完整的碳纤维搭接式传感器。

2.  根据权利要求1所述的碳纤维搭接式应变传感器，其特征在于：所述的碳纤维搭接式应变传感器结构外表涂有防护层(6)。

3.  根据权利要求1所述的碳纤维搭接式应变传感器，其特征在于：所述的搭接层(2)的搭接界面处为两束纤维层合结构，或多束纤维层合结构，在多束纤维层合结构的未搭接段的纤维束界面间设有绝缘层(7)。

4.  根据权利要求1所述的碳纤维搭接式应变传感器，其特征在于：所述的电极(4)的个数为2、4或多个电极，用于激励和采集。

5.  根据权利要求1所述的碳纤维搭接式应变传感器，其特征在于：所述的任意两束碳纤维之间的部分搭接层(2)为两束碳纤维直接搭接，或者在搭接界面处存在夹层(8)，夹层材料选用定长连续碳纤维、短切碳纤维毡、或碳纤维织物，或碳黑导电物质。

6.  根据权利要求1所述的碳纤维搭接式应变传感器，其特征在于：所述的树脂为环氧类树脂以及不饱和树脂。

7.  根据权利要求1所述的碳纤维搭接式应变传感器，其特征在于：所述的导电胶为银胶材料。
8根据权利要求1所述的碳纤维搭接式应变传感器，其特征在于：所述的防护层为防紫外线的树脂材料。
9权利要求1所述的碳纤维搭接式传感器的制作工艺，其特征在于，它包括如下步骤：
1)裁剪两束碳纤维；
2)在所裁剪碳纤维束的一端涂覆导电胶，并粘贴导电电极；
3)然后将两束碳纤维以搭接的方式铺设于垫板上，用树脂浸润碳纤维，使之在垫板上整体成型；
4)涂覆防护层，并保证表面平整；
5)采用在常温下进行固化处理；对于需耐温度的传感器所采用的树脂，依据树脂体系要求在其指定温度和时间进行固化。

碳纤维搭接式应变传感器
技术领域
本发明属于传感技术领域，具体涉及一种碳纤维搭接式应变传感器。
背景技术
碳纤维是一种具有导电特性的高弹高强纤维材料，连续碳纤维的电阻率可随着碳纤维的受力大小而改变，但这种改变率很小，即其传感的敏感性很小。因此将连续碳纤维作为传感器具有局限性。
将碳纤维均匀弥散在水泥基体内组成水泥基碳纤维增强机敏材料，该材料的电阻率能够对受力变形而产生较大的改变率，也就是说其传感的敏感性较大。但是由于水泥基体是一种长期水化作用的产物，且易受到环境的影响，因此导致该材料的电阻率稳定性较差。因此水泥基碳纤维增强机敏材料也不易制作传感器。
将连续碳纤维切成一定长度的纤维，采用搭接技术，使得两束碳纤维间部分搭接；依靠这种搭接技术所形成的粘接界面，当受力变形时，这种结构形式与连续碳纤维相比，其传感敏感性得到大幅度提高；由于采用树脂作为基体，材料特性的稳定性也得到了提高。因此，碳纤维搭接式应变传感器是一种既具有较高的灵敏性，又具有较高的稳定性的传感器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种碳纤维搭接式应变传感器，该传感器具有灵敏度高、稳定性好、覆盖面积大等特点。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种碳纤维搭接式应变传感器，其特征在于：它由两束或两束以上的定长度碳纤维，采用搭接而成，任意两束之间的碳纤维形成部分搭接层，搭接层由树脂固定，在未搭接部分的碳纤维表面涂有导电胶，导电胶上面粘有电极，所述的碳纤维、树脂、导电胶和电极均被固定在垫板上，以形成一个完整的碳纤维搭接式传感器。
上述的碳纤维搭接式应变传感器结构外表涂有防护层。
所述的搭接层的搭接界面处为两束纤维层合结构，或多束纤维层合结构，在多束纤维层合结构的未搭接段的纤维束界面间设有绝缘层。
所述的电极的个数为2、4或多个电极，用于激励和采集。
所述的任意两束碳纤维之间的部分搭接层为两束碳纤维直接搭接，或者在搭接界面处存在夹层，夹层材料选用定长连续碳纤维、短切碳纤维毡、或碳纤维织物，或碳黑等其他导电物质。
所述的碳纤维搭接式应变传感器中，所述的树脂为环氧类树脂以及不饱和树脂。
所述的导电胶为银胶材料
所述的防护层为防紫外线的树脂材料。
本发明的碳纤维搭接式应变传感器的制作工艺，其特征在于，它包括如下步骤：
1)裁剪两束碳纤维；
2)在所裁剪碳纤维束的一端涂覆导电胶，并粘贴导电电极；
3)然后将两束碳纤维以搭接的方式铺设于垫板上，用树脂浸润碳纤维，使之在垫板上整体成型；
4)涂覆防护层，并保证表面平整；
5)采用在常温下进行固化处理；对于特殊需耐温度的传感器所采用的树脂，依据树脂体系要求在其指定温度和时间下进行固化。
本发明的有益效果是：
1、通过两束或两束以上的定长度碳纤维之间的搭接，形成一种树脂基碳纤维搭接层；该搭接层受力产生变形而导致电阻产生变化；通过设置在碳纤维上的电极，采集这种电阻的变化，从而实现变形传感的功能，这种结构形式与连续碳纤维相比，其传感敏感性得到大幅度提高。
2、由于采用树脂作为基体，材料特性的稳定性也得到了提高。
3、这种树脂基碳纤维层结构被固定在垫板上，并未对其大小作限制，因此，相对一般应变片而言，其传感的覆盖面较大。
附图说明
图1为本发明的碳纤维搭接式应变传感器结构示意图
图2为多层搭接传感器结构示意图
图3为夹层传感器结构示意图
图4为多区域搭接传感器结构示意图
图5为电极示意图。
图中标识含义：1-树脂基定长碳纤维；2-碳纤维搭接层；3-导电胶；4-电极；5-垫板；6-防护层；7-绝缘层；8-夹层。
具体实施方式
实施例1：
如图1所示，一种碳纤维搭接式传感器包括：树脂基定长碳纤维1、碳纤维搭接层2，导电胶3，电极4，垫板5，碳纤维表面涂有导电胶3、导电胶上面粘有电极4，所述的碳纤维、树脂、导电胶和电极被固定在垫板5上，形成一个完整的碳纤维搭接式传感器，整个传感器表面涂覆有防护层6。其中：树脂为环氧类树脂或不饱和树脂；导电胶为银胶材料；防护层为防紫外线的树脂材料。
该碳纤维搭接式应变传感器中，树脂作为基体和粘接剂，将两束端部搭接的连续碳纤维，成型固化于垫板上；在碳纤维未搭接的一端，通过导电胶设置电极，整个传感器表面涂覆有防护层。在该传感器中，纤维搭接的界面具有显著的应变敏感性，具体表现为：在碳纤维搭接层依随垫板变形的过程中，碳纤维搭接界面受力产生变形而导致电阻产生变化，可以在碳纤维上设置两个电极直接采集这种电阻变化；或者是采用四电极法，即在两外侧电极上用电源激励，通过采集两内侧电极间的电压来间接得到电阻变化。碳纤维搭接式传感器具有灵敏度高、稳定性好、覆盖面积大等特点。
上述碳纤维搭接式应变传感器的制作工艺，它包括如下步骤：
1)裁剪两束碳纤维；
2)在所裁剪碳纤维束的一端涂覆导电胶，并粘贴导电电极；
3)然后将两束碳纤维以搭接的方式铺设于垫板上，用树脂浸润碳纤维，使之在垫板上整体成型；
4)涂覆防护层，并保证表面平整；
5)采用在常温下进行固化处理；对于特殊需耐一定温度的传感器所采用的树脂，可以依据树脂体系要求在其指定温度和时间下进行固化。
实施例2：如图2所示，
与实施例1基本相同，不同之处在于实施例1的搭接界面处为两束纤维层合结构，而实施例2的搭接界面处为多束纤维层合结构，形成了多层纤维界面敏感层，并在未搭接段的纤维束界面间有绝缘层7。
实施例3：如图3所示，
与实施例1基本相同，不同之处在于实施例1为两束碳纤维直接搭接，而实施例3的搭接界面处存在夹层8，夹层材料选用定长连续碳纤维、短切碳纤维毡、或碳纤维织物，或碳黑等其他导电物质。
实施例4：如图4所示，与实施例1基本相同，不同之处在于实施例1中为两束碳纤维搭接，形成单一敏感段，用于单区域的传感，而实施例4中为多束碳纤维首尾搭接，并在相邻搭接段之间设置电极，形成多个敏感段串联结构，实现了单个传感器的多区域传感。如图4中的电极A与电极B之间，电极B与电极C之间，电极C与电极D之间，电极D与电极E之间可分别作为敏感段相互独立地在各自区域内同时进行传感。