CN105181008B - 应力、应变或温度异常区域监测传感元件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种应力、应变或温度异常区域监测传感元件及其制作方法，属于传感元件及其制作方法。有基本复合层结构与附加复合层结构；基本复合层结构由第一层的薄板、第二层的敏感元件横向陈列、第三层的绝缘薄层、第四层的敏感元件纵向阵列、第五层的电极以及第六层的绝缘保护膜组成；附加复合层结构层由第一层的敏感元件阵列与电极以及第二层的绝缘保护膜组成，可以根据需要附加在基本复合层结构之上。传感元件可实现二维平面场中应力异常区或应变异常区或温度异常区的监测，具体取决于敏感元件的选择，针对应变异常区监测时就需选择应变敏感性能较好的敏感材料制作敏感元件阵列。该发明，结构简单有效；采用丝网印刷工艺，方法简单可靠，成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种传感元件及其制作方法，尤其是一种应力、应变或温度异常区域监测传感元件及其制作方法。
背景技术
目前用于二维平面应力场监测的方法主要有薄膜式压力分布传感器的方法，这种方法相对于传统的压力盒多点分布的方法有一定进步，但这种传感器较昂贵。用于二维平面应变场测试的方法主要有接触测量法与非接触测量方法，其中接触测量法主要是利用多点的电阻式应变片进行测试，这种方法布点有限，应变计尺寸较大，另外每个应变计都要接出测试线，占据大量空间，影响测试精度；非接触测量方法中具有代表性的是数字图像法，这种方法只能在单轴和透明压力室(液压油)条件下适用，测试机理本身限制了这种方法的应用范围。用于二维平面温度场测试的方法主要分为接触测试法与非接触测试法。接触测试法主要采用多点热敏电阻或热电偶进行测试，这种方法布点有限，每个热敏电阻都要接出测试线，占用大量空间，影响测试精确度，在空间限制、环境条件和设备要求等因素的影响下，较难实现有效可行的温度场测量。间接测试法主要有声学与图像处理的测量方法，其中声学测温技术主要根据声波在介质中传播速度随穿越介质温度变化而改变的原理，推算出被测介质的温度，这种测温技术的方法受介质组分、重建算法精度、背景噪声、声波干涉折射等的影响，应用往往受到限制；图像处理的辐射测温技术根据物体在不同光谱辐射强度与温度之间的函数关系，实现对温度的测量，由于辐射受介质颗粒的散射、衰减系数等的影响，使这种测试方法的应用范围受到限制。
在平面场中，无论是对应力场、应变场还是对温度场的测试，最重要的都是希望能够监测到平面场中的这些物理量的异常区域。鉴于上述的平面应力场、应变场及温度场测量现状，研制一种适应于应力场、应变场或温度场测试的传感元件及其制作方法，为工程及室内实验提供新的测试传感元件。
发明内容
技术问题：本发明的目的是要提供一种电极数量少、制作简单的应力、应变或温度异常区域监测传感元件及其制作方法。
技术方案：本发明的目的是这样实现的：该传感元件有基本复合层结构与附加复合层结构两大部分；其中基本复合层结构有第一层即底层的薄板、第二层的敏感元件横向陈列、第三层的绝缘薄层、第四层的敏感元件纵向阵列、第五层的电极以及第六层即最上层的绝缘保护膜，第一层、第二层、第三层、第四层、第五层和第六层顺序连接；附加复合层结构层有第一层即底层的敏感元件阵列与电极以及第二层即上层的绝缘保护膜；第一层和第二层顺序连接。基本复合层结构为传感元件基本组成部分，附加复合层结构根据需要附加于基本复合层结构之上，并且能够附加多层附加复合结构；敏感元件横向阵列、敏感元件纵向阵列与敏感元件阵列可选择应力、应变或温度敏感性能较好的敏感材料印刷而成，分别用于平面场中应力、应变或温度异常区监测。
传感元件的制作方法，首先根据测试目的选择应力、应变或温度敏感性能较好的敏感材料；选择抗压强度较大、抗变形较大或温度稳定性较强的薄板；选择选择抗压强度较大、抗变形较大或温度稳定性较强的绝缘材料；当测试目的为平面场中应力异常区监测，选择应力敏感性能较好的敏感材料，选择抗压强度较大的薄板与绝缘材料；测试目的为平面场中应变异常区监测，选择应变敏感性能较好的敏感材料，选择抗变形较大的薄板与绝缘材料；测试目的为平面场中温度异常区监测，选择温度敏感性能较好的敏感材料，选择温度稳定性较强的薄板与绝缘材料；采用丝网印刷工艺，在薄板上，逐次印刷第二层的敏感元件横向陈列、第三层的绝缘薄层、第四层的敏感元件纵向阵列、第五层的电极以及第六层即最上层的绝缘保护膜，形成基本复合层结构；再根据需要逐次印刷附加复合层结构第一层即底层的敏感元件阵列与电极以及第二层即上层的绝缘保护膜；印刷的电极要保证与相应的敏感元件阵列之间有效电气连接，而且能够保证测试到敏感元件阵列中每条敏感元件单独的电阻值；印刷的绝缘层及保护膜是为了各层敏感元件阵列之间绝缘以及避免环境干扰。
当待监测的异常区域形状较简单时，传感元件可只含有基本复合层结构；反之，在基本复合层结构上印刷附加复合层结构；异常区形状越复杂，在传感元件基本复合层结构上印刷的附加复合层结构就越多，保证增加的附加复合层结构中敏感元件阵列的相对角度不同便可；当基本复合层结构中敏感元件横向阵列在坐标中的角度为0，敏感元件纵向陈列为90，增加的第一层附加复合层结构敏感元件阵列可以为135，第二层可以为45，依此类推，保证各层敏感元件阵列在同一坐标中的角度不同即可。
所述的薄板一般选用0.1～0.3mm厚度的塑料或者橡胶薄板；敏感元件陈列使用的敏感材料，使用一种树脂或橡胶材料作为基体，导电炭黑或碳纳米管作为导电充填材料，充分混合而成；电极使用市场上出售的导电银浆印刷而成便可；绝缘层与绝缘保护膜选择一种树脂或橡胶材料；每次印刷前要保证上一次印刷层完全固化。
有益效果，由于采用了上述方案，首先根据测试目的选择应力、应变或温度敏感性能较好的敏感材料；选择抗压强度较大、抗变形较大或温度稳定性较强的薄板；选择选择抗压强度较大、抗变形较大或温度稳定性较强的绝缘材料。薄然后采用丝网印刷工艺，在薄板上，逐次印刷第二层的敏感元件横向陈列、第三层的绝缘薄层、第四层的敏感元件纵向阵列、第五层的电极以及第六层(最上层)的绝缘保护膜，形成基本复合层结构；再根据需要逐次印刷附加复合层结构第一层(底层)的敏感元件阵列与电极以及第二层(上层)的绝缘保护膜。印刷的电极要保证与相应的敏感元件阵列之间有效电气连接，而且能够保证测试到敏感元件阵列中每条敏感元件单独的电阻值。印刷的绝缘层及保护膜是为了各层敏感元件阵列之间绝缘以及避免环境干扰。敏感元件由敏感材料印刷而成，敏感材料可以是树脂基或塑料基的炭黑或碳纳米管充填的导电复合材料。当待监测的异常区域形状较简单时，传感元件可只含有基本复合层结构；反之，在基本复合层结构上印刷附加复合层结构。异常区形状越复杂，在传感元件基本复合层结构上印刷的附加复合层结构可以越多，只要保证增加的附加复合层结构中敏感元件阵列的相对角度不同便可。比如说，基本复合层结构中敏感元件横向阵列在坐标中的角度为0，敏感元件纵向陈列的角度为90，增加的第一层附加复合层结构敏感元件阵列的角度可以为135，第二层的角度可以为45，依此类推，保证敏感元件阵列在同一坐标中的角度不同即可。另外，每次印刷前要保证上一次印刷层完全固化。
制作的传感元件，可实现平面场中应力、应变或温度异常区域的监测，主要优点有：
1、结构简单，制作简单，采用印刷工艺，可批量生产，成本低。
2、电极数量较少，且均分布在传感元件周围，内部不会有导线再接出，测试方便易行。
3、导电高分子复合材料制作而成的敏感元件陈列，可选择性大，适应性强。
附图说明
图1为本发明的应力、应变或温度异常区域监测传感元件基本复合层结构图。
图2为本发明的附加复合层结构的示意图。
图3为本发明的基本复合层结构的敏感元件横向陈列印刷图。
图4为本发明的基本复合层结构的绝缘薄层印刷图。
图5为本发明的基本复合层结构的敏感元件纵向阵列印刷图。
图6为本发明的基本复合层结构的电极印刷图。
图7为本发明的基本复合层结构的绝缘保护膜印刷图。
图8为本发明的附加复合层结构的敏感元件阵列印刷图。
图9为本发明的附加复合层结构的电极印刷图。
图中，1、薄板；2、敏感元件横向陈列；3、绝缘薄层；4、敏感元件纵向阵列；5、电极；6、绝缘保护膜；7、敏感元件阵列；8、电极；9、绝缘保护膜。
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：
该传感元件有基本复合层结构与附加复合层结构两大部分；其中基本复合层结构有第一层即底层的薄板、第二层的敏感元件横向陈列、第三层的绝缘薄层、第四层的敏感元件纵向阵列、第五层的电极以及第六层即最上层的绝缘保护膜，第一层、第二层、第三层、第四层、第五层和第六层顺序连接；附加复合层结构层有第一层即底层的敏感元件阵列与电极以及第二层即上层的绝缘保护膜；第一层和第二层顺序连接。基本复合层结构为传感元件基本组成部分，附加复合层结构根据需要附加于基本复合层结构之上，并且能够附加多层附加复合结构；敏感元件横向阵列、敏感元件纵向阵列与敏感元件阵列可选择应力、应变或温度敏感性能较好的敏感材料印刷而成，分别用于平面场中应力、应变或温度异常区监测。
传感元件的制作方法，首先根据测试目的选择应力、应变或温度敏感性能较好的敏感材料；选择抗压强度较大、抗变形较大或温度稳定性较强的薄板；选择选择抗压强度较大、抗变形较大或温度稳定性较强的绝缘材料；当测试目的为平面场中应力异常区监测，选择应力敏感性能较好的敏感材料，选择抗压强度较大的薄板与绝缘材料；测试目的为平面场中应变异常区监测，选择应变敏感性能较好的敏感材料，选择抗变形较大的薄板与绝缘材料；测试目的为平面场中温度异常区监测，选择温度敏感性能较好的敏感材料，选择温度稳定性较强的薄板与绝缘材料；采用丝网印刷工艺，在薄板上，逐次印刷第二层的敏感元件横向陈列、第三层的绝缘薄层、第四层的敏感元件纵向阵列、第五层的电极以及第六层即最上层的绝缘保护膜，形成基本复合层结构；再根据需要逐次印刷附加复合层结构第一层即底层的敏感元件阵列与电极以及第二层即上层的绝缘保护膜；印刷的电极要保证与相应的敏感元件阵列之间有效电气连接，而且能够保证测试到敏感元件阵列中每条敏感元件单独的电阻值；印刷的绝缘层及保护膜是为了各层敏感元件阵列之间绝缘以及避免环境干扰。
当待监测的异常区域形状较简单时，传感元件可只含有基本复合层结构；反之，在基本复合层结构上印刷附加复合层结构；异常区形状越复杂，在传感元件基本复合层结构上印刷的附加复合层结构就越多，保证增加的附加复合层结构中敏感元件阵列的相对角度不同便可；当基本复合层结构中敏感元件横向阵列在坐标中的角度为0，敏感元件纵向陈列为90，增加的第一层附加复合层结构敏感元件阵列可以为135，第二层可以为45，依此类推，保证各层敏感元件阵列在同一坐标中的角度不同即可。
所述的薄板一般选用0.1～0.3mm厚度的塑料或者橡胶薄板；敏感元件陈列使用的敏感材料，使用一种树脂或橡胶材料作为基体，导电炭黑或碳纳米管作为导电充填材料，充分混合而成；电极使用市场上出售的导电银浆印刷而成便可；绝缘层与绝缘保护膜选择一种树脂或橡胶材料；每次印刷前要保证上一次印刷层完全固化。
采用丝网印刷工艺，在薄板(1)上，逐次印刷第二层的敏感元件横向陈列(2)、第三层的绝缘薄层(3)、第四层的敏感元件纵向阵列(4)、第五层的电极(5)以及第六层(最上层)的绝缘保护膜(6)，形成基本复合层结构；再根据需要逐次印刷附加复合层结构第一层(底层)的敏感元件阵列(7)与电极(8)以及第二层(上层)的绝缘保护膜(9)。另外，每次印刷前要保证前次印刷层完全固化。
实施例1：假设待监测的内容为平面场中应力异常区域，初步判断异常区域形状较简单。如图1所示，本发明的平面场中应力、应变或温度异常区域监测传感元件基本复合层结构，包括第一层(底层)的薄板1、第二层的敏感元件横向陈列2、第三层的绝缘薄层3、第四层的敏感元件纵向阵列4、第五层的电极5以及第六层(最上层)的绝缘保护膜6。由于监测内容为平面场中的应力异常区域，所以薄板1选用抗压强度较大的聚酰亚胺薄膜，厚度0.1mm；绝缘材料选择为环氧树脂，用于印刷绝缘薄层3及绝缘保护膜6；敏感材料选择应力敏感性较强的敏感材料，其中环氧树脂作为基体，炭黑作为导电充填材料，印刷敏感元件横向陈列2及敏感元件阵列4。由于异常区域形状较简单，所以不增加附加复合层结构，即传感元件只含有基本复合层结构，如图1所示。
制作时，采用丝网印刷技术，依次在第一层的薄板1上印刷敏感元件横向陈列2(图3)、第三层的绝缘薄层3(图4)、第四层的敏感元件纵向阵列4(图5)、第五层的电极5(图6)以及第六层(最上层)的绝缘保护膜6(图7)。每次印刷时要保证上次印刷层完全固化。待最上层的绝缘保护膜6完全固化后，便得到平面场中应力异常区域监测传感元件。
实施例2：假设待监测的内容为平面场中应力异常区域，初步判断异常区域形状较复杂。如图1与图2所示，本发明的平面场中应力、应变或温度异常区域监测传感元件包括基本复合层结构与附加复合层结构，其中基本复合层结构包括第一层(底层)的薄板1、第二层的敏感元件横向陈列2、第三层的绝缘薄层3、第四层的敏感元件纵向阵列4、第五层的电极5以及第六层(最上层)的绝缘保护膜6；附加复合层结构包括第一层(底层)的敏感元件阵列7与电极8以及第二层(上层)的绝缘保护膜9。由于监测内容为平面场中的应力异常区域，所以薄板1选用抗压强度较大的聚酰亚胺薄膜，厚度0.2mm；绝缘材料选择为苯氧树脂，用于印刷绝缘薄层3及绝缘保护膜6；敏感材料选择应力敏感性较强的敏感材料，其中苯氧树脂作为基体，碳纳米管作为导电充填材料，印刷敏感元件横向陈列2及敏感元件阵列4。由于异常区域形状较复杂，所以增加一层附加复合层结构，其中敏感元件阵列7的角度为135，如图2所示。
制作时，采用丝网印刷技术，依次在第一层的薄板1上印刷基本复合层结构的敏感元件横向陈列2(图3)、第三层的绝缘薄层3(图4)、第四层的敏感元件纵向阵列4(图5)、第五层的电极5(图6)以及第六层(最上层)的绝缘保护膜6(图7)；然后再逐次印刷附加复合层结构的敏感元件阵列7(图8)、电极8(图9)以及绝缘保护膜9。每次印刷时要保证上次印刷层完全固化。待最上层的绝缘保护膜9完全固化后，便得到平面场中应力异常区域监测传感元件。
实施例3：假设待监测的内容为平面场中应变异常区域，初步判断异常区域形状较简单。如图1所示，本发明的平面场中应力、应变或温度异常区域监测传感元件基本复合层结构，包括第一层(底层)的薄板1、第二层的敏感元件横向陈列2、第三层的绝缘薄层3、第四层的敏感元件纵向阵列4、第五层的电极5以及第六层(最上层)的绝缘保护膜6。由于监测内容为平面场中的应变异常区域，所以薄板1选用抗变形较大的聚氨酯薄膜，厚度0.1mm；绝缘材料选择为硅橡胶，用于印刷绝缘薄层3及绝缘保护膜6；敏感材料选择应变敏感性较强的敏感材料，其中硅橡胶作为基体，碳纳米管作为导电充填材料，印刷敏感元件横向陈列2及敏感元件纵向阵列4。由于异常区域形状较简单，所以不增加附加复合层结构，即传感元件只含有基本复合层结构，如图1所示。
制作时，采用丝网印刷技术，依次在第一层的薄板1上印刷敏感元件横向陈列2(图3)、第三层的绝缘薄层3(图4)、第四层的敏感元件纵向阵列4(图5)、第五层的电极5(图6)以及第六层(最上层)的绝缘保护膜6(图7)。每次印刷时要保证上次印刷层完全固化。待最上层的绝缘保护膜6完全固化后，便得到平面场中应变异常区域监测传感元件。
Claims (6)
1.一种应力、应变或温度异常区域监测传感元件，其特征是：该传感元件有基本复合层结构与附加复合层结构两大部分；其中基本复合层结构有第一层即底层的薄板、第二层的敏感元件横向阵列、第三层的绝缘薄层、第四层的敏感元件纵向阵列、第五层布置于测试区外、敏感元件两端的电极以及第六层即最上层采用与敏感元件及电极相同基体材料制作而成的绝缘保护膜，第一层、第二层、第三层、第四层、第五层和第六层顺序连接；附加复合层结构层有第一层即底层的敏感元件阵列与电极以及第二层即上层的绝缘保护膜；第一层和第二层顺序连接。
2.根据权利要求1所述的应力、应变或温度异常区域监测传感元件，其特征在于：基本复合层结构为传感元件基本部分，附加复合层结构可以根据需要附加于基本复合层结构之上，而且可以附加多层附加复合结构层。
3.根据权利要求1所述的应力、应变或温度异常区域监测传感元件，其特征在于：敏感元件横向阵列(2)、敏感元件纵向阵列(4)与敏感元件阵列(7)选择应力、应变或温度敏感性能较好的敏感材料印刷而成，分别用于平面场中应力、应变或温度异常区监测。
4.一种权利要求1所述的应力、应变或温度异常区域监测传感元件的制作方法，其特征是：传感元件的制作方法，首先根据测试目的选择应力、应变或温度敏感性能较好的敏感材料；选择抗压强度较大、抗变形较大或温度稳定性较强的薄板；选择选择抗压强度较大、抗变形较大或温度稳定性较强的绝缘材料；当测试目的为平面场中应力异常区监测，选择应力敏感性能较好的敏感材料，选择抗压强度较大的薄板与绝缘材料；测试目的为平面场中应变异常区监测，选择应变敏感性能较好的敏感材料，选择抗变形较大的薄板与绝缘材料；测试目的为平面场中温度异常区监测，选择温度敏感性能较好的敏感材料，选择温度稳定性较强的薄板与绝缘材料；采用丝网印刷工艺，在薄板上，逐次印刷第二层的敏感元件横向阵列、第三层的绝缘薄层、第四层的敏感元件纵向阵列、第五层布置于测试区外、敏感元件两端的电极以及第六层即最上层与敏感元件及电极相同基体材料制作而成的绝缘保护膜，形成基本复合层结构；再根据需要逐次印刷附加复合层结构第一层即底层的敏感元件阵列与电极以及第二层即上层的绝缘保护膜；印刷的电极要保证与相应的敏感元件阵列之间有效电气连接，而且能够保证测试到敏感元件阵列中每条敏感元件单独的电阻值；印刷的绝缘层及保护膜是为了各层敏感元件阵列之间绝缘以及避免环境干扰，且其基体材料的选择使得其保证了测试时的模量匹配。
5.根据权利要求4所述的应力、应变或温度异常区域监测传感元件的制作方法，其特征是：当待监测的异常区域形状较简单时，传感元件可只含有基本复合层结构；反之，在基本复合层结构上印刷附加复合层结构；异常区形状越复杂，在传感元件基本复合层结构上印刷的附加复合层结构就越多，保证增加的附加复合层结构中敏感元件阵列的相对角度不同便可；当基本复合层结构中敏感元件横向阵列在坐标中的角度为0o，敏感元件纵向阵列为90o，增加的第一层附加复合层结构敏感元件阵列可以为135o，第二层可以为45o，依此类推，保证各层敏感元件阵列在同一坐标中的角度不同即可。
6.根据权利要求4所述的应力、应变或温度异常区域监测传感元件的制作方法，其特征是：所述的薄板选用0.1~0.3mm厚度的塑料或者橡胶薄板；敏感元件阵列使用的敏感材料，使用一种树脂或橡胶材料作为基体，导电炭黑或碳纳米管作为导电充填材料，充分混合而成；电极使用市场上出售的导电银粉与敏感材料制作用基体材料，充分混合后制成；绝缘层与绝缘保护膜选择与敏感材料制作用基体材料相同的一种树脂或橡胶材料；每次印刷前要保证上一次印刷层完全固化。
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| 导电复合材料传感薄膜及变形分布测试研究;王英杰;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》;20150315(第3期);第12至39页 * |
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