一种基于磁性纤维的微应变传感器及应变监测方法与流程

1.本发明涉及功能性磁性纤维传感技术领域，特别涉及一种基于磁性纤维的微应变传感器及应变监测方法。


背景技术：

2.树脂基复合材料凭借其高的比强度、比模量、耐腐蚀性能好，并且可以实现结构功能一体化等诸多优点，已广泛应用于航空航天、风力发电、轨道交通等诸多领域。但树脂基复合材料在服役过程中，由于其不可预见的脆断导致破坏，使得人们不得不对该类型的结构材料进行安全监测。其中，结构应变是反映结构健康状态的重要指标，也是结构健康监测的重要参数之一。
3.对于应变监测技术，已经公开了大量的不同类型传感器件和应变监测方法。如目前所流行的光纤光栅传感器可实现应变监测，但其脆性的玻璃纤维属性容易受到破坏，增大了其实际应用的难度。而专利cn 112945119a中公开了一种复合材料用光纤光栅应变传感器及其封装方法，其通过将光纤光栅传感器固定于一个特定的复合材料基底上，可提高光纤光栅传感器的植入存活率；但复合材料基底与待测结构之间的界面问题会使得原始结构性能恶化。除此之外，通过测量导电材料(如导电碳纳米管膜、导电石墨烯等)的动态电性能测试也可实现对应变的监测，这类应变传感器能够探测大应变，而在微应变范围内的灵敏度低，难以满足树脂基复合材料微小应变进行监测。
4.因此，发展一种能够满足微应变监测，且低成本、实现方法简便的传感器及应用方法就极为重要。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，并提供一种基于磁性纤维的微应变传感器及应变监测方法。该传感器基于磁性纤维，其监测范围可调节、制备过程简单、灵敏度高且成本低。
6.本发明所采用的具体技术方案如下：
7.第一方面，本发明提供了一种基于磁性纤维的微应变传感器，包括磁性纤维主体、第一套筒电极和第二套筒电极；所述磁性纤维主体为直线状结构，两端的接口分别与第一套筒电极和第二套筒电极连接；第一套筒电极能通过第一导线与外部的信号发生装置连接，第二套筒电极能通过第二导线与外部的信号接收装置连接。
8.作为优选，所述磁性纤维主体为直径为30-200μm的柱状结构，材料采用磁致伸缩系数(-3～0)
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的钴基磁性纤维。
9.作为优选，所述第一套筒电极和第二套筒电极的材料均为导电材料。
10.作为优选，所述磁性纤维主体与第一套筒电极和第二套筒电极之间的连接方式为机械咬合、锡焊接或导电胶接中的一种。
11.作为优选，所述第一套筒电极、第二套筒电极、第一导线和第二导线所用材料相
同。
12.第二方面，本发明提供了一种利用第一方面任一所述微应变传感器实现复合材料应变监测的方法，具体如下：
13.将所述微应变传感器固定于待监测复合材料的表面，或者将所述微应变传感器嵌入待监测复合材料的内部，以使微应变传感器与待监测复合材料之间能够实现协调变形；将第一套筒电极通过第一导线与信号发生装置连接，第二套筒电极通过第二导线与信号接收装置连接，共同构成电联通的通路；
14.随后通过信号发生装置产生激励电压信号，当待监测复合材料发生应变时，利用微应变传感器中磁性纤维主体的本征应力阻抗效应，微应变传感器与待监测复合材料发生共同应变，磁性纤维主体的磁畴发生转变，使得微应变传感器的电阻抗发生变化；通过信号接收装置监测微应变传感器的电阻抗的变化情况，实现对复合材料宏观应变的实时监测。
15.作为优选，所述复合材料为树脂基复合材料。
16.作为优选，所述激励电压信号为正弦信号、方波信号或锯齿波信号中的一种，频率为10～1000mhz。
17.作为优选，所述信号接收装置为示波器；示波器包括接收端和输出端，接收端通过第二导线与第二套筒电极连接，输出端与用于信号处理的计算机连接。
18.进一步的，所述计算机对接收到的电信号的处理模式为时域峰值分析或频域相位分析。
19.本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
20.本发明的微应变传感器可以通过简单的波形信号激励，基于分析传感器的电信号变化，可以得到传感器监测的应变状态；可以通过调节磁性纤维主体的长度和周围预应力场状态，得以调节传感器的监测范围。该传感器具有可调节、制备简单以及低成本的优势，同时在应用上所需的配套设备简单，信号解析方法简便等特点。
附图说明
21.图1为本发明中微应变传感器的结构示意图；
22.图2为本发明中微应变传感器的应变监测使用示意图；
23.图3为实施例1中不同频率激励信号下微应变传感器的响应情况；
24.图4为实施例1中30mhz激励信号下不同长度微应变传感器的应变响应情况；
25.图5为实施例2中微应变传感器对微应变监测的情况；
26.图中附图说明为：磁性纤维主体1、第一套筒电极21、第二套筒电极22、第一导线31、第二导线32、信号发生装置4、示波器5、计算机6。
具体实施方式
27.下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
28.随着树脂基复合材料在航空航天、风力发电等领域的广泛应用，由于树脂材料的脆质性，为防止结构材料的突发灾难性破坏，树脂材料的结构健康状态也越来越受到关注和重视。应变状态是结构健康状态主要的监测指标之一，使得相应的应变传感器愈加重要。
29.磁性纤维材料具有准一维纤维特性并具有优异的阻抗性能，同时其类金属材料的特性使其具有一定的形变能力。因此，针对于树脂基复合材料服役过程中应变监测的现有问题，本发明公开一种基于磁性纤维的微应变传感及其应用方法。如图1所示，为本发明提供的一种基于磁性纤维的微应变传感器，主要包括磁性纤维主体1、第一套筒电极21和第二套筒电极22。该传感器能够监测树脂基复合材料中的微小应变，并具有高的灵敏度；同时，传感器配用的信号激励和采集设备简便，信号解析简单等优点。下面将对该微应变传感器各部件的结构、连接方式和应用方法进行具体说明。
30.磁性纤维主体1为直线状结构，两端的接口分别与第一套筒电极21和第二套筒电极22连接。第一套筒电极21的一端与磁性纤维主体1连接，另一端能通过第一导线31与外部的信号发生装置4连接。第二套筒电极22的一端与磁性纤维主体1连接，另一端能通过第二导线32与外部的信号接收装置连接。也就是说，磁性纤维主体1两端分别通过第一套筒电极21和第二套筒电极22与传输导线连接，以形成电导通的基于磁性纤维的微应变传感器。上述“连接”的表述指的是各部件之间能构成电信号传输通路。
31.在实际应用时，磁性纤维主体1可以采用直径为30-200μm的柱状结构，材料可以采用磁致伸缩系数小于或近零的钴基磁性纤维，优选为磁致伸缩系数在(-3～0)
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范围内的钴基磁性纤维。第一套筒电极21和第二套筒电极22的材料均可以采用导电材料，且为了避免传输损失，可以将第一套筒电极21、第二套筒电极22、第一导线31和第二导线32采用相同的材料制作，以使四者之间的电阻相近。磁性纤维主体1与第一套筒电极21的连接方式、磁性纤维主体1与第二套筒电极22之间的连接方式可以相同，优选采用机械咬合、锡焊接或导电胶接中的一种。
32.本发明的微应变传感器，可以通过优化磁性纤维材料(即磁性纤维主体)的长度和纤维界面的应力场，来对磁性纤维(即磁性纤维主体)的应变监测范围进行调节，监测范围在0到8000个微应变之间变化，且电信号测量具有高精度和高重复性。界面应力可通过表面涂敷层处理和基体预埋的方式施加。
33.本发明的微应变传感器基本工作原理在于磁性纤维的本征应力阻抗效应，具体如下：在将传感器嵌入或贴附在待监测的复合材料构件上时，随着传感器与结构件(即复合材料)发生共同应变时，传感器内部的磁畴发生转变，从而使得磁性纤维的阻抗发生变化，在施加相应的激励信号时，反映在接收到电信号的变化。因此，根据这种磁性纤维上电信号的变化，可以获知相应的结构件的变形量。
34.如图2所示，基于上述微应变传感器，本发明还提供了一种实现复合材料应变监测的方法，具体如下：
35.首先，将微应变传感器固定于待监测复合材料的表面，或者将微应变传感器嵌入待监测复合材料的内部，以使微应变传感器与待监测复合材料之间能够实现协调变形。接着，将第一套筒电极21通过第一导线31与信号发生装置4连接，第二套筒电极22通过第二导线32与信号接收装置连接，共同构成电联通的通路。
36.随后，通过信号发生装置4产生激励电压信号，利用微应变传感器中磁性纤维主体1的本征应力阻抗效应，微应变传感器与待监测复合材料发生共同应变，磁性纤维主体1的磁畴发生转变，使得微应变传感器的电阻抗发生变化。通过信号接收装置监测微应变传感器的电阻抗的变化情况，实现对复合材料宏观应变的实时监测。
37.在实际应用时，复合材料优选采用树脂基复合材料，以便于获得更精准的应变监测数据。传感器在贴附或嵌入待监测复合材料时，需要保持磁性纤维主体线性伸长，无明显折弯，以防影响监测效果。采用的激励电压信号可以为正弦信号、方波信号或锯齿波信号中的一种，频率为10～1000mhz。信号接收装置可以采用示波器5；示波器5包括接收端和输出端，接收端通过第二导线32与第二套筒电极22连接，输出端与计算机6连接。计算机6用于处理接收到的信号，处理模式可以采用时域峰值分析或频域相位分析，分别对应信号幅值分析和信号相位分析。
38.实施例1
39.本实施例选用一种磁致伸缩系数接近于零的玻璃包覆cofe基磁性纤维(简称磁性纤维)制作传感器，随后将传感器粘附于尺寸为200
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20
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5mm的、环氧树脂浇注的复合材料表面来进行原位应变监测。具体实施步骤如下：
40.步骤一：利用砂纸分别打磨掉20mm、40mm、60mm和80mm长的磁性纤维两端的玻璃层后，通过导电套筒将磁性纤维的两端分别连接不同的导线，并通过机械咬合方式连接两个接口，得到电联通的传感器。
41.步骤二：分别将步骤一得到的不同长度的传感器用粘合胶水粘在待测的拉伸件(即树脂基复合材料)表面，得到待监测结构件。
42.步骤三：将待监测结构件中传感器两端的导线分别连接到信号发生器和信号采集设备上，并将相应的设备按照图示2进行连接。
43.步骤四：本步骤中，分别采用10mhz、30mhz和50mhz的正弦信号进行传感器激励，通过电子拉伸设备对待测结构件进行拉伸，并监测传感器上反馈的电信号，采用时域峰值分析得到相应的结构件应变状态。
44.如图3所示，为20mm长的传感器在不同激励频率下对应变的响应情况，从图中可以看出，随着应变的增大，传感器上的响应电压逐渐增大；并且随着频率增大，监测得到的电压逐渐减小，这是与频率效应导致的损耗增大导致的。
45.如图4所示，为30mhz激励信号下不同长度传感器的应变响应情况，从图中可以看出，随着磁性纤维长度增长，磁性纤维传感器可监测的应变区间变宽，即有效监测能力增大。
46.实施例2
47.本实施例选用一种磁致伸缩系数接近于零的玻璃包覆cofe基磁性纤维(简称磁性纤维)制作传感器，随后将传感器嵌入到2层g12500单向玻纤预浸料制成的纤维增强树脂基复合材料内部，来进行原位应变监测。具体实施步骤如下：
48.步骤一：利用砂纸打磨掉80mm长的磁性纤维两端的玻璃层后，通过导电套筒将磁性纤维的两端分别连接不同的导线，并通过机械咬合方式连接两个接口，得到电联通的传感器。
49.步骤二：分别将步骤一得到的传感器用粘合胶水粘在待测的拉伸件(即树脂基复合材料)表面，得到待监测结构件。
50.步骤三：将待监测结构件中传感器两端的导线分别连接到信号发生器和信号采集设备上，并将相应的设备按照图2进行连接。
51.步骤四：本步骤中，分别采用10mhz、30mhz和50mhz的正弦信号进行传感器激励，通
过电子拉伸设备对待测结构件进行拉伸，并监测传感器上反馈的电信号，采用时域峰值分析得到相应的结构件应变状态。
52.如图5所示，为实施例2中微应变传感器对微应变监测的情况，从图中可以看出，磁性纤维传感器的输出电压随着应变的增大逐渐增大，并且有效的应变监测范围达到5000个微应变，同时在不同的加载力下传感器的输出稳定，一致性高。因此，利用本发明的传感器可以对复合材料的初始微应变进行有效监测。
53.本发明以磁性纤维作为传感材料，具有高灵敏度的微应变监测能力，且配用的设备简单、信号解析方式简便，有利于实现低成本的结构件微应变实时监测。
54.以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。