Air humidity-induced error in measuring resistance of a carbon fibre strain sensor

• Autorzy: Górski M. , Krzywoń R. , Kekez S.

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2020.134390

Warianty tytułu

PL

Wpływ wilgotności powietrza na błąd pomiaru rezystancji sensora odkształceń wykonanego z włókien węglowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper describes studies on the influence of humidity on the electrical resistance of a textile sensor made of carbon fibres. The concept of the sensor refers to externally bonded fibre reinforcement commonly used for strengthening of structures, however the zig-zag arrangement of carbon fibre tow allows for measuring its strain. The sensor tests showed its high sensitivity to the temperature and humidity changes which unfavourably affects the readings and their interpretation. The influence of these factors must be compensated. Due to the size of the sensor, there is not possible electrical compensation by the combining of “dummy” sensors into the half or full Wheatstone bridge circuit. Only mathematical compensation based on known humidity resistance functions is possible. The described research is the first step to develop such relations. The tests were carried out at temperatures of 10°C, 20°C, 30°C and humidity in the range of 30-90%.

PL

Kompensacja błędu pomiaru w tensometrii elektrooporowej ma istotne znaczenie dla dokładności mierzonych odkształceń. Wśród źródeł błędu zazwyczaj są zmiany temperatury, wilgotności, wahania stałej tensometru, przebieg ścieżki przewodzącej czy odkształcenia w kierunku prostopadłym. Już wstępne badania opracowanego przez autorów artykułu sensora odkształceń wykorzystującego włókna węglowe, jako przewodnik wykazały jego znaczną wrażliwość na zmiany wilgotności. Koncepcja sensora polega na wykorzystaniu laminatu zbrojonego włóknami węglowymi, tradycyjnie stosowanego do wzmacniania konstrukcji budowlanych, jako układu samo-monitorującego. Funkcja taka może być bardzo przydatna z uwagi na kruche właściwości tego typu materiałów i gwałtowny proces zniszczenia. Uzyskanie wystarczającej czułości wymaga wężykowatego ułożenia włókien węglowych, analogicznie do klasycznego tensometru elektrooporowego. Opisany w artykule sensor jest trzecią generacją rozwoju koncepcji, modyfikacja polega na zastąpieniu produkcji w procesie tkania przez stabilizację włókien na siatce kompozytowej. Zaletą tego rozwiązania jest ograniczenie niebezpieczeństwa przypadkowych zwarć w wyniku nieprawidłowej laminacji sensora.

Słowa kluczowe

EN

textile sensor; carbon fibre; compensation; strain error; structural health monitoring

PL

sensor tekstylny; włókno węglowe; kompensacja; odkształcenie fałszywe; monitorowanie konstrukcji

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2020
• Tom: Vol. 66, nr 3
• Strony: 157--171
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Górski M.

• Silesian University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Gliwice, Poland

autor

Krzywoń R.

• Silesian University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Gliwice, Poland

autor

Kekez S.

• Silesian University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Gliwice, Poland

Bibliografia

• 1. G. Luyckx, E. Voet, N. Lammens, J. Degrieck, "Strain measurements of composite laminates with embedded fibre Bragg gratings: Criticism and opportunities for research", Sensors 11: 354 408, 2010.
• 2. R. Sieńko, M. Zych, Ł. Bednarski, T. Howiacki, "Strain and crack analysis within concrete members using distributed fibre optic sensors", Structural Health Monitoring 2018 (in press).
• 3. R. Soman, W. Ostachowicz, "Kalman Filter Based Load Monitoring in Beam Like Structures Using Fibre-Optic Strain Sensors", Sensors 19: 103, 2019
• 4. H. Thanh-Canh, K. Jeong-Tae, "FOS-Based Prestress Force Monitoring and Temperature Effect Estimation in Unbonded Tendons of PSC Girders", Journal of Aerospace Engineering 30(2): 2017.
• 5. R. Krzywon, M. Gorski, S. Dawczynski, L. Szojda, J. Castro Gomes, R. Salvado, "Self-Monitoring Strengthening System Based on Carbon Fiber Laminate: Journal of Sensors: 1-8, 2016.
• 6. M.P. Hall, A.R. Deighan, "On Using Strain gauges in Electronic Assemblies When Temperature is Not Constant", IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology 9(9): 492-497, 1986.
• 7. ISIS CANADA. Guidelines for Structural Health Monitoring, Design Manual No.2. A1-A17, 2001.
• 8. T. Zhang, R.G.R. Evans, W.A.D Rees, "The heating effect of electrical resistance strain gauges applied to low thermal conductivity materials", Strain: 107-112, 1992.
• 9. K.S. Akhtar, W. Xinwei, "Strain Measurements and Stress Analysis", Pearson, USA, p. 272, 2000.
• 10. C.C. Perry, H.R. Lissner, "The Strain Gauge Primer", McGraw-Hill, USA, p. 281, 1955.
• 11. J.J. Koch, G.R. Boiten, L.A. Biermasz, P.G. Roszbach, W.G. Van Santen, "Strain Gauges Theory and Applications", Philips Technical Library, 1952.
• 12. R. Salvado, K. Lopes, L. Szojda, P. Araujo, M. Gorski, F. Jose Velez, J. Castro Gomes, R. Krzywon, "Carbon Fiber Epoxy Composites for Both Strengthening and Health Monitoring of Structures", Sensors 15(5), 2015.
• 13. M. Stockmann, J. Naumann, J. Ihlemann, "25 Years Basic Research in The Field of Strain Gage Technology on Chemnitz University of Technology - Institute of Mechanics", Proceedings of the 34th Danubia-Adria Symposium on Advances in Experimental Mechanics, University of Trieste, Italy, 2017.
• 14. S. Rana, P. Subramani, R. Fangueiro, A.G. Correia, "A review on smart self-sensing composite materials for civil engineering applications", AIMS Materials Science 3(2): 357-379, 2016.
• 15. C. Cochrane, V. Koncar, M. Lewandowski, C. Dufour, "Design and Development of a Flexible Strain Sensor for Textile Structures Based on a Conductive Polymer Composite", Sensors 7: 473-492, 2007.
• 16. M.D. Husain, O. Atalay, R. Kennon, "Effect of Strain and Humidity on the Performance of Temperature Sensing Fabric", International Journal of Textile Science 2(4): 105-112, 2013.
• 17. G.P. Johari, "Electrical properties of epoxy resins", Chemistry and Technology of Epoxy Resins, Chapman & Hall, USA, pp. 175-205, 1993.
• 18. E. Sancaktar, L/ Bai, "Electrically Conductive Epoxy Adhesives", Polymers 3: 427-466, 2011.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).