[發(fā)明專利]一種大量程電阻式應(yīng)變傳感器及其制備方法

在審

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• 申請日: 2018-01-30
• 公開（公告）號: CN107990822A
• 公開（公告）日: 2018-05-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 蘇業(yè)旺;李爽
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學院力學研究所
• 主分類號: G01B7/16
• 分類號: G01B7/16
• 代理公司: 北京和信華成知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)11390
• 代理人: 胡劍輝

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于應(yīng)變傳感器設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種能夠精確測量較大量程范圍的具有曲線形電阻結(jié)構(gòu)的大量程電阻式應(yīng)變傳感器及其制備方法。

背景技術(shù)

物體的應(yīng)變是一個非常重要的幾何參數(shù)，其準確的測量具有十分重要的意義。應(yīng)變傳感器是用于測量物體受力變形所產(chǎn)生的應(yīng)變的一種傳感器。電阻應(yīng)變片則是其最常采用的傳感元件。它是一種能將機械構(gòu)件上應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感元件。應(yīng)變傳感器的種類繁多，按原理分，有電阻式的、電容式的、壓電式的、電感式的和光學式的，等等。電阻式應(yīng)變傳感器，其電阻材料又可分為金屬、半導(dǎo)體、溶液、導(dǎo)電聚合物、石墨，等等。

在測試時，將應(yīng)變片用粘合劑牢固地粘貼在待測試件的表面上，隨著試件受力變形，應(yīng)變片的敏感柵也獲得同樣的變形，從而使其電阻隨之發(fā)生變化，而此電阻變化是與試件應(yīng)變成比例的，因此如果通過一定測量線路將這種電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流變化，然后再用顯示記錄儀表將其顯示記錄下來，就能知道待測試件應(yīng)變量的大小。

目前使用的電阻式應(yīng)變傳感器以金屬電阻的應(yīng)用最為廣泛，然而由于金屬拉伸率的限制，所測應(yīng)變范圍也比較小。例如康銅，一般只能保證測量2％以內(nèi)的應(yīng)變是可信的。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種能夠精確測量較大量程范圍的具有曲線形電阻結(jié)構(gòu)的大量程電阻式應(yīng)變傳感器及其制備方法。

為了達到上述目的，本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下：

一種大量程電阻式應(yīng)變傳感器，包括：應(yīng)變電阻、基底、引線和保護層，所述應(yīng)變電阻固定在所述基底上，用于檢測由于所述基底變形引起的電阻變化；所述基底用于將待測試件上的應(yīng)變準確地傳遞到所述應(yīng)變電阻上，所述引線將應(yīng)變電阻與測量電路相連接，并與應(yīng)變電阻的兩個輸出端相焊接；所述保護層覆蓋在所述應(yīng)變電阻上，用于對所述應(yīng)變電阻進行隔離保護，其特征在于，

所述基底為絕緣聚合物薄膜，所述基底和所述應(yīng)變電阻分別由多個半圓形弧線首尾連接構(gòu)成的曲線形結(jié)構(gòu)，相鄰兩個所述半圓形弧線的開口相反；多個所述半圓形弧線的半徑相等或者不相等；

所述基底寬度至少為所述應(yīng)變電阻中電阻箔線寬度的2倍，所述電阻箔線同時位于所述基底的半圓形弧線曲率內(nèi)側(cè)或同時位于所述基底的半圓形弧線曲率外側(cè)。

進一步地，所述基底上相鄰兩個半圓形弧線之間通過等寬度的直線段基底過渡連接，位于所述直線段基底上的所述電阻箔線的寬度大于弧線基底上電阻箔線的寬度，同時小于或等于直線段基底的寬度；直線段基底上的所述電阻箔線的電阻比所述弧線段基底上的電阻箔線的電阻小至少一個數(shù)量級。

進一步地，所述曲線形結(jié)構(gòu)包括一支或者多支，每支所述曲線形結(jié)構(gòu)的兩端分別與用于粘貼待測試件的基底連接。

進一步地，對稱設(shè)置的所述曲線形結(jié)構(gòu)之間設(shè)有用于限定所述曲線形結(jié)構(gòu)被拉伸的基底限位線，所述基底限位線的兩端分別與用于粘貼待測試件的基底相連，所述基底限位線為直線，其長度與所述曲線形結(jié)構(gòu)的原始長度相等。

進一步地，對稱設(shè)置的所述曲線形結(jié)構(gòu)之間設(shè)有用于協(xié)助檢測待測試件壓應(yīng)變的曲線形聚合物薄膜，所述曲線形聚合物薄膜的曲率半徑小于所述曲線形結(jié)構(gòu)的曲率半徑，伸長量小于所述曲線形結(jié)構(gòu)的伸長量；所述曲線形聚合物薄膜的兩端分別與用于粘貼待測試件的聚合物基底相連。

進一步地，所述聚合物基底和所述保護層的材料均為聚酰亞胺、酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂中的任一種。

進一步地，所述電阻箔線的材料為康銅、新康銅、鎳鉻合金、鎳鉻鋁合金、鐵鉻鋁合金、鉑、鉑鎢合金中的任一種，或者為半導(dǎo)體單晶硅、超薄石墨烯。

進一步地，還包括彈性封裝薄膜，所述彈性封裝薄膜包覆在所述基底和保護層外面。

本發(fā)明還提供了制備上述大量程電阻式應(yīng)變傳感器的方法，包括以下步驟：

a.使用有限元軟件模擬所述應(yīng)變傳感器的模型結(jié)構(gòu)，得到所述應(yīng)變傳感器的量程；

b.根據(jù)實際測量需求，對所述量程進調(diào)節(jié)，當所述量程比預(yù)設(shè)量程偏小時，通過增加所述半圓形弧線半徑、減小所述基底的線寬、將所述電阻箔線更加靠近所述基底的中軸線進而增大所述量程；當所述量程比預(yù)設(shè)量程偏大時，則可通過相反方法進行調(diào)節(jié)，直至所述應(yīng)變傳感器達到預(yù)設(shè)量程；

c.利用箔式電阻應(yīng)變片制作工藝根據(jù)步驟b中模擬成功的應(yīng)變傳感器模型制作出整張基底以及曲線形應(yīng)變電阻，再用激光器按所述曲線形結(jié)構(gòu)切割出所述聚合物基底的輪廓；

d.焊接所述引線，封裝保護層，封裝彈性薄膜，標定傳感器的電阻和應(yīng)變關(guān)系。

進一步地，步驟c中，制作整張基底以及曲線形應(yīng)變電阻時，具體包括：