智能传感芯线、传感单元、土工格栅及智能监测装置的制作方法

：本发明涉及自动化检测，尤其涉及一种智能型土工格栅的加工方法及智能型土工格栅

背景技术

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背景技术：

1、路基的变形是使道路平整度降低，甚至路面开裂的主要原因之一。土工格栅对软弱土体具有良好的加固作用，可以限制路基的沉降。

2、土工格栅的应变是反映其加固可靠性的重要物理量。通过对应变数据的处理，可以得出格栅的损伤程度，路基的沉降量，土体加固的有效性等对于监测的重要参数。当应变参数精确度不足时，误差会在计算中不断累积，甚至淹没真值。

3、现有的具有监测能力的土工格栅通常是将缆线通过树脂等粘结材料与格栅粘结，从而测量土工格栅的应变。但是，当缆线通过粘结材料与格土工格栅连接时，因为应变传递系数的存在，测量得到的应变数据往往是粘结材料的应变，而无法直接测量土工格栅的真实应变。在工程应用中，应变传递系数随土工格栅、缆线及其粘结材料的强度、弹性模量、厚度的不同而有较大的变化，使得其传感精度大大降低。为了解决以上的问题，目前有研究者提出使用3d打印等方式将缆线复合在土工格栅内部进行传感。但其制作难度大，成本高昂，难以实现量产，无法使用于大体量的土木工程项目中。

4、还有最为关键的一点，现有监测线缆的传感芯线是基于测量电流或电压大小计算应变，这种方法的灵敏度不高。

技术实现思路

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技术实现要素：

1、本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，而提供一种提高监测灵敏度的智能传感芯线、传感单元、土工格栅及智能监测装置。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

3、本发明首先提供一种智能传感芯线，包括：

4、第一树脂基体；

5、设置在所述第一树脂基体中心的铁氧体；

6、设置在所述树脂基体内的导电纤维束，所述导电纤维束以设定捻度缠绕在所述铁氧体周围；当所述导电纤维束内部通过电流时，会在其周围产生感生磁场并集中于所述铁氧体。

7、本发明还提供一种智能传感芯线加工方法，包括：

8、对导电纤维束进行预拉伸处理；

9、在拉伸后的导电碳纤维束外包裹绝缘热塑性弹性体；

10、在铁氧体芯外布置一圈经过处理后导电碳纤维束，并以一定捻度在铁氧体芯外盘绕；

11、在盘绕完成的线束外涂敷绝缘热塑性弹性体，制成碳纤维传感器；

12、在碳纤维传感器外包覆由连续玄武岩纤维与钢纤维混纺制成的纤维护套；

13、在纤维护套外再次涂敷绝缘热塑性弹性体，制成传感芯线。

14、本发明还提供一种智能传感单元，包括：

15、上述提供的智能传感芯线；

16、以及

17、磁传感器，用于获取所述智能传感芯线内磁场变化产生的模拟信号。

18、本发明还提供一种智能型土工格栅，包括径向格栅条和纬向格栅条，其特征在于，在所述径向格栅条和纬向格栅条内均设置有上述提供的智能传感芯线。

19、本发明还提供一种智能监测装置，包括：

20、信号发生器，发射低频电脉冲激励信号；

21、上述提供的智能传感单元；接收所述信号发生器发射的低频电脉冲激励信号，并在其周围产生感生磁场；

22、信号处理单元；将所述智能传感单元激发出的磁场变化的模拟信号通过整流器以pcm脉码调制方法转换为数字信号；

23、分析单元：接收所述信号处理单元转换得到的数字信号；根据信号到达的时程差，电信号传输速率，计算得出信号源的距离，从而识别出变形发生位置；根据信号内容得到磁敏传感器测得的磁场变化数据，得到导电纤维束的捻距变化，从而识别出相应的应变值。

24、本发明还提供一种智能型土工格栅的加工方法，包括：

25、对导电碳纤维丝进行预拉伸处理；

26、在拉伸后的导电碳纤维丝外包裹绝缘热塑性弹性体；

27、将经过处理后碳纤维丝12根一组，以一定捻度盘绕在铁氧体芯外；

28、在盘绕完成的线束外涂敷绝缘热塑性弹性体，制成碳纤维传感器；

29、在碳纤维传感器外包覆由连续玄武岩纤维与钢纤维混纺制成的纤维护套；

30、在纤维护套外再次涂敷绝缘热塑性弹性体，制成传感芯线；

31、采用由传感芯线和纤维束构成的格栅条带，编织成为复合土工格栅；

32、在编织时对导电碳纤维丝束外包裹的绝缘热塑性弹性体进行加热，加热后与玄武岩纤维格栅条带固化粘结。

33、本发明还提供一种智能型土工格栅的布设与监测方法，包括：

34、在布设时将传感芯线从格栅边缘处剥开，连接磁传感器，形成传感单元。

35、在布设时对传感单元进行连接，形成准分布式碳纤维传感器阵列。

36、采用电脉冲信号向传感单元发射激励信号。

37、由磁传感器对由传感芯线内部电流涡流激发并集中于铁氧体芯的磁场进行测量。

38、由磁传感器内部的微处理器将磁场变化的模拟信号转换为数字信号，通过通讯缆线进行传输。

39、对导电纤维丝进行预拉伸处理的方法为：

40、对导电纤维丝施加一定大小的预应力，消除导电纤维束制造时产生的弯曲。

41、所述导电纤维丝为碳纤维丝。

42、所述碳纤维束为聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维及黏胶基碳纤维中的任意一种或多种混杂纤维。

43、所述铁氧体为软磁铁氧体，为镍锌铁氧体、锰铁氧体、锌铁氧体中的一种。

44、所述碳纤维束规格为6k-48k。

45、所述盘绕在铁氧体芯外碳纤维丝的捻度为12d—20d。

46、所述热塑性弹性体为tpe(热塑性弹性体)、tpee(热塑性聚酯弹性体)、tpu(热塑性聚氨酯弹性体)的任意一种或多种混合。

47、所述纤维护套由玄武岩纤维和钢纤维混合编织而成，钢纤维呈网状。

48、所述传感芯线的编织形式为位于上下层叠的两个平面内、呈相互交错的二向、三向、四向或更多向二维或三维智能型土工格栅格栅条带，格栅间距为10-100mm，格栅厚度为1-2mm。

49、所述准分布式碳纤维传感器阵列由多个相同传感单元与总线并联而成。

50、所述电脉冲信号发射为低频脉冲发生器。

51、所述磁传感器为磁通门传感器，包含传感模块，信号处理模块与信号传输模块。其中传感模块负责感知外部磁场变化，信号处理模块将感知到的磁场变化的模拟信号转换为数字信号，信号传输模块将数字电信号转为光信号并由通讯缆线进行传输。

52、有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

53、(1)本发明加工方法中，采用磁场感应的方式对由监测体变形导致的传感芯线内电流的磁效应的变化进行监测。在传感芯线产生应变时，磁场受电流与纤维捻距变化的双重影响，在相同的电流变化量下测得的数据具有更大的变化量，因而具有更高的灵敏度。

54、(2)本发明加工方法中，在碳纤维传感器包裹玄武岩纤维钢纤维混纺纤维护套，在保障传感器变形能力的同时屏蔽了外部磁场对传感器的影响，提高了传感精度。

55、(3)本发明加工方法中，对预张拉后的导电纤维丝束预先涂覆热塑性弹性体处理，避免了传统外贴式传感器粘结可靠性差，易脱落的问题。

56、(4)本发明采用碳纤维传感芯线具有轻质高强、耐久、耐腐蚀、耐磨损、变形能力强，监测精度高等优点。

57、(5)本发明编织的复合土工格栅不仅具有加筋增强的作用，同时具有传感能力，可作为一种自动化变形监测设备广泛应用于我国公路、桥梁、机场跑道等交通基础设施变形监测等领域。

58、(6)本发明采用热塑性弹性体等材料作为涂覆材料，固化后制品具有出色的柔韧性，便于卷曲储存、运输、施工等后续流程。

59、(7)传统的碳纤维传感器布设方法多采用通长布设，仅可反映某一路段的平均变形状况。本发明提供的智能监测装置，将多个分别布设的碳纤维传感器通过并联电路连接在一起，在监测区域进行多点的分别监测，提高了基于碳纤维传感器的智能型土工格栅的空间分辨率。

60、(8)本发明智能监测装置，采用了电脉冲时域反射技术，该方法通过记录信号发生器与分析单元接收信号的时程差，计算出信号传输距离，实现信号源定位。解决了大范围碳纤维传感器阵列的监测信号采集与传感器定位问题。

61、(9)本发明作为智能型土工格栅纬向条带材料适用范围广泛，可与玻璃纤维、玄武岩纤维等多种常见土工格栅条带材料复合编织。