CN101968412B - 一种动态应变测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于应变测量技术领域，涉及一种动态应变测量装置，包括柔性薄膜微波应变传感器、动态载荷测试仪和网络分析仪，其中，所述的柔性薄膜微波应变传感器为单晶硅型微波二极管薄膜；动态载荷测试仪用于向待测物体加载载荷；网络分析仪包括微波扫频信号输出端和接收输入端，输出端和输入端分别与所述柔性薄膜微波应变器的正极或负极相连，其内存储有反映应变与S参数之间关系的数据，测量时，网络分析仪根据实施获取的柔性薄膜微波应变传感器的S参数变化的数据，实现动态柔性应变的测量。本发明同时提供一种采用上述测量装置实现的测量方法。本发明精度较高，可以实现自校准功能，并能够测量高频动态应变。

Description

一种动态应变测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于应变测量技术领域，具体涉及一种动态应变测量装置。

背景技术

动态应变测量一般是研究工作频率在几十KHz或几百KHz的形变监测，不仅要检测机械形变的产生，而且要实时检测机械形变的变化。传统的动态应变测量方式基本上是利用电阻应变片组成测量电桥形式，结合相应的外围电路，采用调频的方式形成动态应变测量系统。在已公开动态应变测量专利中，例如专利CN201096560公开了一种冲压模具动态应力应变测量装置，包括应变花、电阻式应变片、电桥盒、动态应变仪、位移传感器、工业计算机等；专利CN2577235公开了一种由直流应变电桥提供输入，带有差动仪表放大器、自动平衡电路及状态监视电路的可调动态应变仪；专利CN101034037公开了一种智能化动态测试仪，主要由单片机、四个应变模块、两个脉冲信号模块、数据存贮模块、输出设备、系统电源组成；专利CN2182389公开了一种测量高频应变的超动态应变仪器，其特点是具有超低噪声宽频带0～300kHz并可消除50Hz及其高频信号的干扰；专利CN101435747公开了一种基于应变动态量测的裂缝计设计方法，其特征是从裂缝侧立面引出两个嵌套的弧型金属应变载片，以载片上的应变片作为唯一测值来分析裂缝的动态变化。

以上这些专利申请都是基于电阻应变片这一基本敏感元件所组成的动态应变测量系统。然而，由于电阻应变片本身的机械滞后特性以及外围电路的设计方式，都会影响动态测量的精度和范围。

在已公开较少的柔性应变测量专利中，测量方式基本包括两类：薄膜电阻式和纤维式(光学纤维或导电纤维)，但都存在着问题和局限。薄膜电阻式柔性应变测量，例如专利CN1924564公开了一种柔性基板上金属薄膜若干临界应变值；专利CN1313949公开一种柔性硅应变计，采用一个参杂硅材料的应变感应电阻柔性元件以及一个支撑感应元件的柔性基体。这一类电阻式的柔性应变测量，基本上是通过柔性导体的形变导致其电阻率的变化，进而实现对材料应变的测量。然而，电阻式应变测量的最大问题在于无机械应变或固定机械应变长时间作用下，传感器自身变化所导致的零漂或蠕变，由此每次测量之前必须先进行校准。

另一类纤维式柔性应变测量，例如专利CN101050948公开一种通过分布植入在帆板结构表面的离散布拉格光纤光栅传感网络，来实现太空柔性帆板结构形态的感知；专利CN1299247公开一种用于生物医学测量的平面压力传感器，通过测量植入压力极板内光纤中光强的变化来实现平面柔性形变的感知。这一类纤维式的柔性应变测量，基本上是通过纤维材料本身的柔性特征，植入被测物中形成传感网络，进而实现柔性应变的测量。但是，纤维式的柔性应变测量受限于其结构布置的差异和信号的特征，特别是光纤器件需要光源和光电转换等额外器件，成本较高。此外，外界环境因素引起的信号漂移也会导致校准和定标等问题。

以上这些专利申请都是通过单信号输入输出的时域测量来实现的，这就无法避免测量过程中环境因素等非测量信号所导致的漂移等问题，每次测量必须进行相应的校准。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的上述不足，提供一种精度较高，可以实现自校准功能，并能够测量高频动态应变的动态应变测量装置。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种动态应变测量装置，包括柔性薄膜微波应变传感器、动态载荷测试仪和网络分析仪，其中，

所述的柔性薄膜微波应变传感器，包括衬底、传感器主体以及正极和负极，所述的衬底包括塑料层和用于粘合PET塑料层和传感器主体的SU8材料层，所述的传感器主体为一层单晶硅薄膜，该层薄膜由P型掺杂区、未掺杂区、和N型掺杂区构成，未掺杂区位于P型掺杂区和N型掺杂区之间，形成PIN结，P型单晶硅区与正极相连，N型单晶硅区与负极相连，测量时，所述的柔性薄膜微波应变传感器被固定在待测物体上；

所述的动态载荷测试仪用于向待测物体加载载荷；

所述的网络分析仪包括微波扫频信号输出端和接收输入端，所述的输出端和输入端分别与所述柔性薄膜微波应变器的正极或负极相连，其内存储有反映应变与S参数之间关系的数据，测量时，网络分析仪根据实施获取的柔性薄膜微波应变传感器的S参数变化的数据，实现动态柔性应变的测量。

作为优选实施方式，网络分析仪里存储有在兆赫兹到吉赫兹高频微波信号扫描测试下得到的柔性应变与微波应变传感器的S参数的关系数据。

本发明同时提供一种采用上述装置实现的动态应变测量方法，包括下列步骤：

(1)将微波应变传感器固定在待测物体上；

(2)由动态载荷测试仪向待测物体加载载荷；

(3)网络分析仪里存储反映应变与微波应变传感器的S参数之间的关系的数据；

(4)由网络分析仪输出端向微波应变传感器施加微波扫频信号，使其正向导通，并由网络分析仪输入端接收其采集的带有应变测量信号的微波信号；

(5)网络分析仪测量柔性薄膜微波应变传感器的S参数的变化，并根据已经存储的动态应变与微波应变传感器的S参数之间关系数据，实现动态柔性应变的测量。

作为优选实施方式，网络分析仪里存储有在兆赫兹到吉赫兹高频微波信号扫描测试下得到的柔性应变与微波应变传感器的S参数的关系数据。

本发明采用单晶硅薄膜二极管作为柔性应变传感器件，利用扫频实时输入的方法，实现不同载荷条件下，薄膜二极管传感器的S参数输出，建立应变-S参数模型，实现柔性应变的测量。由于柔性微波二极管本身属于高频器件，工作频率在兆赫兹(MHz)至吉赫兹(GHz)，因此足可以适用于千赫兹(KHz)的动态应变测量。由于在不同频率测试下，外加载荷引起的应变与传感器自身形变所对应的S参数输出不同，因此该种测量装置和方法能够实现自校准功能，可以有效的解决了传统应变传感器零漂和蠕变等问题。此外，这种方法还可以顺延至其他非柔性应变的传感测量中去。

附图说明

附图1为本发明采用的单晶硅薄膜柔性微波二极管动态应变传感器的结构图，附图标记说明如下：

1 PET塑料衬底

2 SU8材料粘合层

3 单晶硅薄膜(P型掺杂区域)

4 单晶硅薄膜(未掺杂区域)

5 单晶硅薄膜(N型掺杂区域)

6 金属互联

7 输入极(交流信号输入端，高电平直流偏置端)

8 输出极(交流信号输出端，低电平直流偏置端)

附图2为该种单晶硅薄膜柔性微波二极管动态应变传感器的等效电路图。

附图3为本发明的动态应变测量装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详述。

附图1为单晶硅薄膜柔性微波二极管动态应变传感器的结构图。衬底包含PET塑料1和粘合层2，用来支撑微波二极管动态应变传感器的主体部分。单晶硅薄膜柔性微波二极管在PET塑料衬底1(其他类型普通塑料或柔性材料都可以作为衬底基材)上，PET塑料表面有一层SU8材料层2，作为粘合层。薄膜柔性微波二极管应变传感器的工作主体部分为由对单晶硅掺杂制成的薄膜PIN二极管，图中，3、4、5分别表示单晶硅薄膜的P型掺杂区、未掺杂区、和N型掺杂区。P型单晶硅区3通过互联金属6连接微波二极管传感器的正极7，N型单晶硅区5通过互联金属6连接微波二极管传感器的负极，互联由钛金层式金属6构成。薄膜PIN二极管正极7为微波信号输入端，薄膜PIN二极管负极8为微波信号输出端。

附图2为单晶硅薄膜柔性微波二极管动态应变传感器等效电路图。10为等效电感，11为等效电阻，12为等效电容。

附图3为单晶硅薄膜柔性微波二极管传感器动态应变测量示意图。将柔性微波二极管传感器14固定在待测物体(即图中的测试用柔性基材13)上，应用动态载荷测量仪16对柔性基材13进行动态加载。柔性微波二极管传感器的输入输出测试端口分别通过微波电缆17与网络分析仪15连接。

下面结合附图实例对本发明做进一步说明。

测试方法：

采用输入与输出两个探针(实施例：Cascade GSG探针)分别与信号输入端7和信号输出端8相连接。输入输出探针通过两根微波线缆17分别连接网络分析仪15(Network Analyer，实施例：安捷伦E8364A网络分析仪)的输入与输出端口。由网络分析仪15为柔性微波二极管动态应变传感器提供直流偏置，使微波二极管正向导通工作。网络分析仪包括微波交流信号的输入端和输出端。在校准网络分析仪15后，实时产生从45兆赫兹(MHz)到20吉赫兹(GHz)的交流微波信号，从输出端输出，接到微波二极管的正电极7。同时从网络分析仪15的输入端接收柔性微波二极管的负电极8输出的微波信号，并以散射参数(S参数)的形式显示。

将柔性微波二极管传感器安装于柔性基材13上，通过动态加载使柔性基材13产生形变。网络分析仪15向柔性微波二极管传感器输入实时交流扫频信号，柔性微波二极管传感器的S参数随载荷所产生的机械形变而实时产生变化。

由网络分析仪采集S参数变化数据，对这些数据处理后得到应变-S参数关系模型。

测量时，网络分析仪根据该模型和实时采集的薄膜微波二极管动态应变传感器S参数输出随应变变化的信息，实现动态柔性应变的测量。

此外，在无机械形变或机械形变固定不变的状态下，其S参数在不同频率点也会随时间变化，通过建立非应变-S参数模型，通过无机械形变或机械形变固定条件下，S参数在不同频率点随时间的变化对应变-S参数模型进行修正，从而实现自校准的功能。

Claims (4)

1.一种动态应变测量装置，包括柔性薄膜微波应变传感器、动态载荷测试仪和网络分析仪，其中，

所述的柔性薄膜微波应变传感器，包括衬底、传感器主体以及正极和负极，所述的衬底包括PET塑料层和用于粘合PET塑料层和传感器主体的SU8材料层，所述的传感器主体为一层单晶硅薄膜，该层薄膜由P型掺杂区、未掺杂区和N型掺杂区构成，未掺杂区位于P型掺杂区和N型掺杂区之间，形成PIN结，P型掺杂区与正极相连，N型掺杂区与负极相连，测量时，所述的柔性薄膜微波应变传感器被固定在待测物体上；

所述的动态载荷测试仪用于向待测物体加载载荷；

所述的网络分析仪包括微波扫频信号输出端和接收输入端，所述的输出端与所述柔性薄膜微波应变传感器的正极相连，所述的接收输入端与所述柔性薄膜微波应变传感器的负极相连，所述的网络分析仪内存储有反映动态柔性应变与S参数之间关系的数据，测量时，网络分析仪根据实时获取的柔性薄膜微波应变传感器的S参数变化的数据，实现动态柔性应变的测量。

2.根据权利要求1所述的动态应变测量装置，其特征在于，网络分析仪里存储有在兆赫兹到吉赫兹高频微波信号扫描测试下得到的动态柔性应变与柔性薄膜微波应变传感器的S参数的关系数据。

3.一种采用权利要求1所述的装置实现的动态应变测量方法，其特征在于，包括下列步骤：

(1)将微波应变传感器固定在待测物体上；

(2)由动态载荷测试仪向待测物体加载载荷；

(3)网络分析仪里存储反映动态柔性应变与微波应变传感器的S参数之间的关系的数据；

(4)由网络分析仪输出端向微波应变传感器施加微波扫频信号，使其正向导通，并由网络分析仪的接收输入端接收其采集的带有应变测量信号的微波信号；

(5)网络分析仪测量柔性薄膜微波应变传感器的S参数的变化，并根据已经存储的动态柔性应变与微波应变传感器的S参数之间关系数据，实现动态柔性应变的测量。

4.根据权利要求3所述的测量方法，其特征在于：网络分析仪里存储有在兆赫兹到吉赫兹高频微波信号扫描测试下得到的动态柔性应变与微波应变传感器的S参数的关系数据。 

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