专利名称：栅型碳纤维应变传感器的制作方法
技术领域：
本发明属于传感技术领域，具体涉及一种栅型碳纤维应变传感器。
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，连续碳纤维束在轴向受载时其 电阻率可随着载荷大小而改变，即表现出力阻效应。但是，由于连续碳纤维束本身电阻率非 常低，而这种轴向力阻效应中电阻率的变化量又非常�。沟枚圆馐砸瞧鞯囊蠛芨�。因 此，基于连续碳纤维轴向力阻效应的应变传感器具有局限性。为使连续碳纤维具有一定阻值又不至于太长，同时限制碳纤维束仅在轴向受载， 形成单向应变传感，将连续碳纤维束按栅型几何形式成型于树脂基体中，形成碳纤维敏感 栅(简称碳纤维栅)。这种结构形式与直段连续碳纤维相比，一方面提升了连续碳纤维的阻 值，使得其电阻可以准确测量，另一方面其传感敏感性得到大幅度提高，同时，由于采用树 脂作为基体，材料特性的稳定性也得到了保证。因此，栅型碳纤维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。专利内容本发明在于提供一种栅型碳纤维应变传感器，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—种栅型碳纤维应变传感器，其特征在于它包括树脂基栅型碳纤维束，导电胶， 电极，垫板，防护层；所述的树脂基栅型碳纤维束由一束连续碳纤维以栅型几何形式成型于 树脂基体中构成，在所述的树脂基栅型碳纤维束的两端表面涂有导电胶，导电胶上面粘有 电极，所述的树脂基栅型碳纤维束碳纤维、树脂基体、导电胶和电极均被固定在垫板上形成 一体，在上述的结构外表涂有防护层，形成一个完整的栅型碳纤维应变传感器。本发明的技术方案中，所述的电极的个数为2、4或多于4的偶数。电极为金属导 电丝。所述的栅型结构为直栅型或斜栅型。所述的栅型碳纤维应变传感器中，所述的树脂为环氧类树脂或不饱和树脂。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。本发明的一种栅型碳纤维应变传感器的制作工艺，其特征包括如下步骤1)裁剪一束连续碳纤维；2)在所裁剪碳纤维束的两端涂覆导电胶，并粘贴导电电极；3)在垫板上将碳纤维束铺设成栅的形状，采用树脂浸润，使之在垫板上整体成型， 所述树脂为环氧树脂，并加入固化剂低分子650聚酰胺树脂，或为不饱和树脂，并加入促进 剂环烷酸钴和固化剂过氧化甲乙酮；所述的垫板为薄膜垫板；4)涂覆防护层，并保证表面平整；
5)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 系要求的固化温度和时间下进行固化处理。本发明的有益效果是1、通过碳纤维束按栅型结构的铺设，形成树脂基碳纤维敏感栅。该敏感栅受力产 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，这种结构形式与轴向受载的连续碳纤维相比，其传感灵敏度得到大幅度提尚。2、这种树脂基碳纤维栅可直接与碳纤维复合材料结构粘接，由于两者的材料性能 相近，因此这类碳纤维栅是碳纤维复合材料结构的本征传感器，其应变可较方便地测量出 结构的应力。
图1为直栅型碳纤维应变传感器结构主视图；图2为直栅型碳纤维应变传感器结构俯视图；图3为斜栅型碳纤维应变传感器结构主视图；图4为斜栅型碳纤维应变传感器结构俯视图；图中标识含义1-树脂基栅型碳纤维束；2-导电胶；3-电极；4-垫板；5-防护层。
具体实施例方式实施例1 直栅型碳纤维应变传感器制作直栅型碳纤维应变传感器结构如图1、图2所示，碳纤维按与变形测试一致的方向 铺设，该传感器包括树脂基栅型碳纤维束1，导电胶2，电极3，垫板4，防护层5，所述的树脂 基栅型碳纤维束由一束连续碳纤维以直栅型几何形式成型于树脂基体中构成，树脂基栅型 碳纤维束两端表面涂有导电胶2，导电胶上面粘有电极3，所述的树脂基栅型碳纤维束、树 脂基体、导电胶和电极被固定在薄膜垫板5上，形成一个完整的栅型碳纤维应变传感器，整 个传感器表面涂覆有防护层5。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。该直栅型碳纤维应变传感器中，树脂作为基体和粘接剂，将栅型结构的连续碳纤 维束，成型固化于垫板上；在碳纤维的两端，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，栅型结构显著地提高了碳纤维的应变敏感性，具体表现为在碳纤 维栅依随垫板变形的过程中，其电阻将产生变化，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。栅型碳纤维应变传感器具有灵敏度高、稳定性好、覆盖面积 大等特点。上述栅型碳纤维应变传感器的制作工艺，它包括如下步骤1)裁剪一束碳纤维；2)在所裁剪碳纤维束的两端涂覆导电胶，并粘贴导电电极；3)然后将碳纤维束以直栅型结构形式铺设于垫板上，采用树脂浸润，使之在垫板上整体成型，所述树脂为环氧树脂，并加入固化剂低分子650聚酰胺树脂，或为不饱和树 脂，并加入促进剂环烷酸钴和固化剂过氧化甲乙酮；4)涂覆防护层，并保证表面平整；5)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处理。实施例2斜栅型碳纤维应变传感器制作斜栅型碳纤维应变传感器结构如图3、图4所示。其制作与实施例1基本相同，不 同之处在于实施例1的碳纤维栅为直栅，即碳纤维按与变形测试一致的方向铺设，而本实 施例的碳纤维栅为斜栅，即碳纤维按与变形测试方向呈一定角度铺设。
权利要求
1.一种栅型碳纤维应变传感器，其特征在于它包括树脂基栅型碳纤维束(1)，导电胶 O)，电极(3)，垫板G)，防护层(5)；所述的树脂基栅型碳纤维束(1)由一束连续碳纤维以 栅型几何形式成型于树脂基体中构成，在所述的树脂基栅型碳纤维束(1)的两端表面涂有 导电胶0)，导电胶( 上面粘有电极(3)，所述的树脂基栅型碳纤维束、树脂基体、导电胶 和电极均被固定在垫板(4)上形成一体，在上述的结构外表涂有防护层(5)，形成一个完整 的栅型碳纤维应变传感器。
2.根据权利要求1所述的栅型碳纤维应变传感器，其特征在于电极的个数为2、4或 多于4的偶数。
3.根据权利要求1所述的栅型碳纤维应变传感器，其特征在于所述的栅型结构为直 栅型或斜栅型。
4.根据权利要求1所述的栅型碳纤维应变传感器，其特征在于所述的栅型碳纤维应 变传感器中，所述的树脂为环氧类树脂或不饱和树脂。
5.根据权利要求1所述的栅型碳纤维应变传感器，其特征在于所述的导电胶为银胶 材料；
6.根据权利要求1所述的栅型碳纤维应变传感器，其特征在于所述的防护层为防紫 外线的树脂材料。
7.一种栅型碳纤维应变传感器的制作工艺，其特征包括如下步骤1)裁剪一束连续碳纤维；2)在所裁剪碳纤维束的两端涂覆导电胶，并粘贴导电电极；3)在垫板上将碳纤维束铺设成栅的形状，用树脂浸润碳纤维，使之在垫板上整体成型； 所述的垫板为薄膜垫板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 体系要求的固化温度和时间下进行固化处理。
全文摘要
一种栅型碳纤维应变传感器，它包括树脂基栅型碳纤维束，导电胶，电极，垫板，防护层；所述的树脂基栅型碳纤维束由一束连续碳纤维以栅型几何形式成型于树脂基体中构成，所述的树脂基栅型碳纤维束的两端表面涂有导电胶，导电胶上面粘有电极，所述的树脂基栅型碳纤维束、树脂、导电胶和电极均被固定在垫板上形成一体，在上述的结构外表涂有防护层，形成一个完整的栅型碳纤维应变传感器。该栅型碳纤维应变传感器受力产生碳纤维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。栅型碳纤维应变传感器具有灵敏度高、稳定性好，尤其在碳纤维复合材料结构中应用具有本征传感的特性。
文档编号G01B7/16GK102095362SQ20101055300
公开日2011年6月15日 申请日期2010年11月20日 优先权日2010年11月20日
发明者尹春根, 朱四荣, 李卓球, 郑华升 申请人:武汉理工大学
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