CN102305587A - 表面变形分布测试传感元件 - Google Patents
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Abstract
一种表面变形分布测试传感元件，包括柔性传感薄膜、柔性传感薄膜四周间隔均匀布置的电极、与电极连接的导线及上下柔性绝缘层。利用具有应变敏感特性的导电橡胶复合材料制作柔性传感薄膜，电极与导线用于输出柔性传感薄膜不同位置处电阻率信息。测试时，将导线与测试仪器连接，利用电阻抗成像技术进行采集测试及计算，获得柔性传感薄膜不同位置处的电阻率分布，再通过传感薄膜应变大小与电阻率大小之间的特定关系得到应变大小分布。所发明的传感元件可以实现二维变形场量的测试，并具有结构简单超薄、柔性、分辨率与精度高、应变量程大及成本低的特点。
Description
技术领域
本发明涉及变形测试传感技术领域，尤其是一种适用于岩土介质及结构表面变形的测试的表面变形分布测试传感元件。
背景技术
在岩土力学与工程基础研究领域，模型试验和试样试验中均需要进行变形物理量的量测。模型试验测试主要包括裂纹发展与破坏演化等；试样试验测试主要包括试样体变、应变局部化、破坏面（带）的形成及渐进破坏过程等。传统变形量测方法主要采用基于弹性、均匀、连续和小变形假设的电阻应变片、应变式引伸传感器、差动电阻式应变计、电感式应变传感器、弦式应变传感器、混凝土应变计及光纤传感器等。该类传感器大多仅具有单点测试功能。长期试验研究与工程实践表明，目前采用的变形传感器普遍存在以下两个关键问题：(1) 各类变形传感器敏感元件原理各异、传感器与待测介质刚度不匹配；单个传感器一般只能测得单点信息，无法获得场量特征，即大多信息“测不准”；(2) 现有测试传感器无法量测岩土介质非线性变形及其分布、裂纹及破坏（剪切）带孕育及演化等对于现代基础科学研究越来越重要的参数，即诸多信息“测不到”。因此，现有传感技术已不适应岩土介质表面变形，特别是非线性大变形分布的量测。
发明内容
技术问题：本发明的目的是克服已有技术中的不足，提出一种结构简单、能够测试岩土介质及结构表面变形分布及变化的传感元件。
技术方案：本发明的表面变形分布测试传感元件，包括柔性传感薄膜、柔性传感薄膜的周围均匀布有若干与导线相连接的电极，柔性传感薄膜上下表面及电极连接处分别附着一层柔性绝缘层。
所述的柔性传感薄膜由导电橡胶复合材料制作而成；所述的柔性绝缘层由硅橡胶制作而成。
有益效果：采用由导电橡胶复合材料制作而成的柔性传感薄膜、均匀间隔布置在柔性传感薄膜四周的电极、与电极连接的导线及附着于柔性传感薄膜上下面的柔性绝缘层。导电橡胶复合材料使用橡胶作为材料的基体，使用的导电相可以是导电炭黑、碳纳米管或碳纳米纤维等；具有柔性大变形的特点，制作的传感薄膜可实现超薄化，并具有应变敏感性的特点。由于柔性传感薄膜具有柔性（低弹模、刚性低）的特点，当其被粘贴于岩土介质表面时，岩土介质变形柔性传感薄膜也跟随其同步变形，其电阻率将产生变化，变形大小的不同，电阻率的变化将不同，便可通过测试此电阻率的不同来判断岩土介质表面变形的大小。四周布置的电极及导线用来量测柔性传感薄膜的电阻率变化信息。柔性绝缘层附着于柔性传感薄膜的上下表面，用于防止外界接触物对柔性传感薄膜电性能的影响，起到绝缘、密封等作用；柔性绝缘层利用橡胶制作而成，其刚性（或弹性模量）应大于传感薄膜，以实现岩土介质表面与柔性传感薄膜之间变形的有效传递。传感元件使用时，将导线与测试仪器连接，传感元件粘贴于岩土介质表面，当岩土介质表面产生变形时，传感元件产生同样的变形，传感薄膜不同位置处的电阻率将产生变化；便可通过已有文献中公开的电阻抗成像技术对这种变化进行采集测试及进行相关的计算，得到各位置处的电阻率变化以反推出各位置处变形的大小，得到岩土介质表面变形分布。具有如下优点：
1、传感元件使用的柔性传感薄膜，具有结构薄、应变精度高、大量程及成本低的特点；
2、柔性传感薄膜具有较高的柔顺性，可以贴附在任意形状的岩土介质表面进行变形分布的量测；
3、可以通过密布电极实现较高的分辨率，理论上，四周间隔布置的电极越多，通过电阻抗成像技术计算出的应变精度和分辨率越高；
4、可实现大面积表面变形分布的测量。理论上，传感元件的面积可以根据需要做成任意大小，实现大面积表面变形分布的测量。
附图说明
图1为本发明的传感元件实施例1的平面结构示意图。
图2为本发明的传感元件实施例2的平面结构示意图。
图3为图1和图2的A-A剖面结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的描述：
实施例1、如图1图3所示，表面变形分布测试传感元件包括柔性传感薄膜1、均匀间隔布置在柔性传感薄膜1四周的电极2、与电极连接的导线3及附着于柔性传感薄膜上下表面的柔性绝缘层4。柔性传感薄膜1使用炭黑填充的橡胶基导电复合材料制作而成，厚度为40μm，柔性传感薄膜1的形状为正方形，正方形边长为250mm，32个电极每边均匀间隔布置8个，电极2采用0.05mm厚的铜片，尺寸为5mm×10mm，电极2上均连接有导线3。铜片电极2与柔性传感薄膜1使用导电胶粘接，导线3与电极2焊接。在柔性传感薄膜1上下表面及电极2连接处分别附着一层用液体硅橡胶分别浇注而成的柔性绝缘层4，能起到较好的绝缘密封作用。为保证柔性绝缘层4的刚性大于柔性传感薄膜1，通过在硅橡胶中充填纳米补强材料（二氧化硅）来提高柔性绝缘层4的弹性模量（刚性）。
实施例2、如图2图3所示，表面变形分布测试传感元件包括柔性传感薄膜1、均匀间隔布置在柔性传感薄膜1四周的电极2、与电极连接的导线3及附着于柔性传感薄膜上下表面的柔性绝缘层4。柔性传感薄膜使用碳纳米管和炭黑混合填充的橡胶基导电复合材料制作而成，厚度为30μm，柔性传感薄膜形状为正方形，正方形边长为200mm，64个电极每边均匀间隔布置16个，电极采用0.05mm厚的铜片，尺寸为5mm×5mm，每个电极上连接有导线。铜片电极2与柔性传感薄膜1使用导电胶粘接，导线3与电极2焊接。在柔性传感薄膜1上下表面及电极2连接处分别附着一层用液体硅橡胶分别浇注而成的柔性绝缘层4，使用液体硅橡胶分别浇注而成，起到绝缘密封作用。为保证柔性绝缘层的刚性大于柔性传感薄膜，通过在硅橡胶中充填纳米补强材料（二氧化硅）来提高柔性绝缘层的弹性模量（刚性）。
传感薄膜1的形状和大小可以根据测试需要而定，形状可以为矩形、圆形或其他特殊形状；电极2数量根据测试精度而定，测试精度越高所布置的电极数量就越多。
Claims (3)
1.一种表面变形分布测试传感元件，其特征在于：包括柔性传感薄膜（1），柔性传感薄膜（1）的周围均匀布有若干与导线（3）相连接的电极（2），柔性传感薄膜（1）上下表面及电极（2）连接处分别附着有一层柔性绝缘层（4）。
2.根据权利要求1所述的表面变形分布测试传感元件，其特征在于，所述的柔性传感薄膜（1）由导电橡胶复合材料制作而成。
3.根据权利要求1所述的表面变形分布测试传感元件，其特征在于，所述的柔性绝缘层（4）由硅橡胶制作而成。
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