CN106247920B - 一种基于弹性基底夹心叉指电容的表面应变检测器件 - Google Patents

一种基于弹性基底夹心叉指电容的表面应变检测器件 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电容传感技术领域，尤其涉及一种基于弹性基底夹心叉指电容的表面应变检测器件。本发明应变检测器件包括弹性基底、夹心叉指电容和覆盖层，采用模具复制技术制作。其中弹性基底具有弹性和柔性，能随待测物体表面应变发生压缩、拉伸和弯曲形变。夹心叉指电容位于弹性基底上，由两根金属丝构成，其中一根金属丝形成叉指结构，叉指结构的叉指数目和间距可根据灵敏度需要进行选择，另一根金属丝为蛇形位于叉指结构中间，形成夹心结构，两根金属丝之间形成电容结构。覆盖层涂覆于弹性基底和夹心叉指电容的上面，其材料和尺寸与弹性基底相同，起到保护夹心叉指电容的作用。应变检测器件随待测表面应变发生形变，从而使夹心叉指电容的电容值发生变化，通过对电容值的检测得出表面应变的大小。

Description

一种基于弹性基底夹心叉指电容的表面应变检测器件
技术领域
本发明涉及电容传感技术领域，尤其涉及一种基于弹性基底夹心叉指电容的表面应变检测器件。
背景技术
电阻应变片测量方法是测量应变的一种传统手段，但是电阻应变片因易受环境(如电磁场、温度、湿度、化学腐蚀等)影响，精度比较低，对于大应变有较大的非线性，输出信号较弱，所以其应用受到一定程度的限制。电容式传感器阻抗高功率小，测量待测值较小的物理量时有较高的灵敏度，温度稳定性好，传感器的电容值一般与电极材料无关，因此可以选择温度系数低的材料，结构简单，适应性强，动态响应好，是一种用途极广很有发展潜力的传感器。
电容式传感器是把被测量如位移、压力等转换为电容值变化的传感器。电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型和介质变化型。待测物理量引起两极板之间的极距、正对面积和介质变化从而电容值发生变化，进而实现对待测物理量的检测。
本发明应变检测器件通过应变引起的电容值的变化实现对应变的检测，该器件可以实现对待测表面应变的检测，结构简单，灵敏度较高并且可以调节。
发明内容
本发明设计了一种基于弹性基底夹心叉指电容的表面应变检测器件，利用电容的变化实现对表面应变的检测。
本发明设计了一种基于弹性基底夹心叉指电容的表面应变检测器件，所述的应变检测器件包括：弹性基底、夹心叉指电容和覆盖层。
所述的弹性基底为弹性材料，厚度为300μm，可在外界待测表面应变的作用下产生压缩或拉伸，并且具有柔性，可随待测表面应变发生弯曲形变，其大小可根据实际被测物体的大小进行制作。
所述的夹心叉指电容位于弹性基底上，由两根金属丝构成，两根金属丝直径为200μm，其中一根金属丝形成叉指结构，叉指结构的叉指数目和间距可根据灵敏度需要进行选择，另一根金属丝为蛇形位于叉指结构中间，形成夹心结构，两根金属丝之间形成电容结构。
所述的覆盖层涂覆于弹性基底和夹心叉指电容的上面，其材料和尺寸与弹性基底相同，起到保护夹心叉指电容的作用，应变检测器件的整体厚度为600μm。
本发明所述的一种基于弹性基底夹心叉指电容的表面应变检测器件，电容检测的方法使其有较高的灵敏度，可以实现对待测表面应变的检测，灵敏度可以通过改变叉指结构的叉指数目和间距的距离等来调节，结构简单。
附图说明
图1为本发明检测器件的整体结构图；
图2为本发明检测器件的夹心叉指电容结构图；
图3为本发明检测器件的截面图；
图4为本发明检测器件电容检测电路原理图。
具体实施方式
本发明所述的基于弹性基底夹心叉指电容的表面应变检测器件，包括弹性基底1、夹心叉指电容2和覆盖层3，其中夹心叉指电容2由金属丝4和金属丝5构成。
所述的弹性基底1为弹性材料，厚度为300μm，可在外界待测表面应变的作用下产生压缩或拉伸，并且具有柔性，可根据待测表面应变发生弯曲形变，其大小可根据实际被测物体的大小进行制作。
所述的夹心叉指电容2位于弹性基底1上面，如图1所示，夹心叉指电容2由金属丝4和金属丝5构成，如图2所示，金属丝4和金属丝5的直径为200μm，金属丝4形成叉指结构，叉指结构的叉指数目和间距可根据灵敏度需要进行选择，金属丝5为蛇形位于叉指结构之间，形成夹心结构，金属丝4和金属5之间形成电容结构。
覆盖层3涂覆于弹性基底1、夹心叉指电容2的上面，如图3所示，其材料和尺寸与弹性基底1相同，起到保护夹心叉指电容的作用，应变检测器件的整体厚度为600μm。
所述的一种基于弹性基底夹心叉指电容的应变检测器件，如图2所示，竖向的电容为C1，横向的电容为C2，则总电容为C＝C1+C2，外界应变产生的电容变化为ΔC＝ΔC1+ΔC2，此结构相对于普通叉指结构增大了金属丝4和金属丝5之间的正对面积，使夹心叉指电容的电容值变大，改善了普通叉指结构电容值变化微弱的问题，从而提高了应变检测器件的灵敏度，并且灵敏度可通过叉指结构的叉指数目和间距进行调节。
本发明应变检测器件制作工艺：选择与应变检测器件弹性基底大小相同的模具，制作夹心叉指电容结构的V形槽，V形槽的的角度为60°，槽深为200μm，，将金属丝置于模具V型槽中，金属丝截面的一半位于V型槽中，一半在V型槽外部，涂覆弹性材料形成弹性基底，然后脱模，金属丝在弹性基底上形成夹心叉指电容结构，再在脱模后的夹心叉指电容结构上涂覆弹性材料形成覆盖层，保护夹心叉指电容结构。
本发明应变检测器件检测应变的基本原理为：首先将待测物体表面打磨清洗至平整干净，将本发明应变检测器件基底下表面均匀涂胶，粘贴在待测物体表面上，当待测物体表面发生形变时，应变检测器件产生形变，形变经过弹性基底传递到夹心叉指电容上，使金属丝之间的正对面积和距离发生变化，从而使电容值发生变化，通过电容检测电路对电容值的检测和计算机的分析得出待测物体表面产生的应变大小。
电容检测电路框图如图4所示，整个检测电路由电容的检测和放大电路、全波整流电路和低通滤波电路组成。将高频信号发生器产生的高频正弦波信号施加于被测电容上，使被测电容变换成容抗，然后通过带负反馈回路的C/V转换电路，容抗变成交流电压信号，电压信号又经负反馈回路反馈到输入端，实现对电容变化量的检测，输出的交流电压信号再经过放大器放大，进入全波整流电路转变成直流电平，最后经过低通滤波器加以滤波，输入到计算机进行分析。

Claims (2)

1.一种基于弹性基底夹心叉指电容的表面应变检测器件，其特征在于，所述的应变检测器件包括：弹性基底、夹心叉指电容和覆盖层，夹心叉指电容由两根金属丝构成，其中一根金属丝形成叉指结构，叉指结构的叉指数目和间距可根据灵敏度需要进行选择，另一根金属丝为蛇形位于叉指结构中间，形成夹心结构，两根金属丝之间形成电容结构，覆盖层涂覆于弹性基底和夹心叉指电容上面，起保护夹心叉指电容的作用。
2.根据权利要求1所述的一种基于弹性基底夹心叉指电容的表面应变检测器件，其特征在于，所述的应变检测器件采用模具复制技术制作，其弹性基底厚度为300μm，两根金属丝的直径为200μm，覆盖层材料和尺寸与弹性基底相同，应变检测器件的整体厚度为600μm。
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