CN107726971A - 应变传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应变传感器，其包括：一复合结构，该复合结构包括一弹性基体及一碳纳米管膜，所述碳纳米管膜由弹性基体支撑，该碳纳米管膜定义一伸缩方向，其包括多个碳纳米管沿同一方向延伸，该多个碳纳米管的延伸方向垂直于所述伸缩方向，该多个碳纳米管在其延伸方向上首尾相连；一第一电极及一第二电极，该第一电极和第二电极分别设置在碳纳米管膜伸缩方向上的两端，并与碳纳米管膜电连接；以及一探测器，该探测器与第一电极和第二电极电连接。

Description

应变传感器

技术领域

本发明涉及一种应变传感器，特别涉及一种基于碳纳米管膜的应变传感器。

背景技术

随着可延展的器件的不断发展和增加，测量器件应变能力的应变传感器成为近来研究的热点。很多材料都可以用作应变传感器。现有技术中，通常采用金属材料作为应变传感器的基础材料，但是由于金属材料具有较强的机械性能，导致其伸缩量小于5%，使这种金属应变传感器的应用范围较窄。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种能够克服上述缺点的应变传感器。

一种应变传感器，其包括：一复合结构，该复合结构包括一弹性基体及一碳纳米管膜，所述碳纳米管膜由弹性基体支撑，该碳纳米管膜定义一伸缩方向，其包括多个碳纳米管沿同一方向延伸，该多个碳纳米管的延伸方向垂直于所述伸缩方向，该多个碳纳米管在其延伸方向上首尾相连；一第一电极及一第二电极，该第一电极和第二电极分别设置在碳纳米管膜伸缩方向上的两端，并与碳纳米管膜电连接；以及一探测器，该探测器与第一电极和第二电极电连接。

与现有技术相比较，本发明提供的应变传感器中，由碳纳米管膜和弹性基体组成复合结构，当外力使复合结构发生形变时，导致碳纳米管膜发生形变时，通过测量复合结构的电阻，即可以得到复合结构的形变量，由于碳纳米管膜可以自身形变400%，应此，该应变传感器的检测范围较大；同时，该应变传感器的反应速度较快。

附图说明

图1为本发明第一实施例提供的应变传感器的结构示意图。

图2为本发明第一实施例提供的碳纳米管膜的结构示意图。

图3为图2中III处的放大示意图。

图4为本发明第一实施例提供的应变传感器中复合结构的电阻变化率与形变量的关系图。

图5为本发明本发明第一实施例提供的应变传感器中复合结构的电阻随形变而发生变化的反应速度图。

图6为本发明第二实施例提供的应变传感器的结构示意图。

主要元件符号说明

应变传感器	100；200
		基体	101；201
碳纳米管膜	102；202
		第一碳纳米管	1021
第二碳纳米管	1022
		碳纳米管线	103
第一电极	105；205
		第二电极	106；206
探测器	107；207

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施方式，对本发明提供的应变传感器作进一步说明。

请参阅图1，本发明第一实施例提供一种应变传感器100，该应变传感器100包括：一基体101，一碳纳米管膜102，一第一电极105，一第二电极106以及一探测器107。所述基体101与碳纳米管膜102组成一复合结构。所述碳纳米管膜102设置于基体101的表面，并固定。所述第一电极105和第二电极106分别设置于碳纳米管膜102的两端，并与碳纳米管膜102电连接。所述探测器107用于探测碳纳米管膜102的电阻值，并与第一电极105和第二电极106电连接。

所述基体101主要起支撑作用，用于对所述碳纳米管膜102提供支撑。所述基体101的形状、尺寸、材料根据测试环境而定。所述基体101的材料为弹性材料，可以为硅胶、橡胶或塑料等。本实施例中，基体101的材料为硅胶（PDMS）。基体101的厚度可以为0.01mm～1mm，优选为0.01mm～0.03mm。

所述碳纳米管膜102可以仅通过范德华力固定于基体101的表面。本发明的碳纳米管膜102为一超顺排的碳纳米管膜，其从碳纳米管阵列中直接拉出，然后直接铺设在基体101的表面。由于超顺排碳纳米管膜中碳纳米管的表面纯净，其可以通过范德华力粘合在基体表面。将碳纳米管膜102铺设到基体101表面之后，采用酒精浸润碳纳米管膜102，酒精挥发后碳纳米管膜收缩，然后与基体101通过范德华力结合的更加紧密。

请参见图2及图3，该碳纳米管膜102包括多个碳纳米管。该多个碳纳米管中，大部分的碳纳米管为第一碳纳米管1021，小部分的碳纳米管为第二碳纳米管1022。第一碳纳米管1021首尾相连形成多根碳纳米管线103。所述碳纳米管线103中的第一碳纳米管1021沿碳纳米管线103的轴向排列，且第一碳纳米管1021之间通过范德华力紧密连接。所述碳纳米管线103在其横截面上包括多根第一碳纳米管1021。所述碳纳米管膜102包括多个并排且间隔设置的碳纳米管线103。碳纳米管线103之间通过范德华力紧密连接。所述碳纳米管线103均匀分布在碳纳米管膜102中且沿第一方向延伸。定义该第一方向为D1方向。相邻的碳纳米管线103之间包括至少一个第二碳纳米管1022。该第二碳纳米管1022的排列方向不限。该第二碳纳米管1022可与至少两个相互并排设置的碳纳米管线103接触。进一步地，所述碳纳米管线103之间的多个第二碳纳米管1022也可以首尾相连。所述多个碳纳米管线103之间有间距，且相邻两个碳纳米管线103之间的距离在受力后发生变化。所述碳纳米管膜102为一具有自支撑结构的碳纳米管膜102。所谓自支撑结构的碳纳米管膜102即所述碳纳米管膜102只需部分设置在一支撑体上即可维持其膜状结构，且碳纳米管膜102本身的结构不会发生变化。如将所述碳纳米管膜102设置在一框架或两个间隔设置的支撑结构上，位于中间未与框架或支撑结构接触的碳纳米管膜102可悬空设置。

所述碳纳米管膜102在垂直于碳纳米管线103的方向上受力后发生形变，即在垂直于第一方向D1的方向上，定义该垂直于碳纳米管线103的方向为D2方向。当所述碳纳米管膜102在D2方向上被拉伸时，碳纳米管膜102发生形变，碳纳米管线103之间的距离发生变化。具体地，所述碳纳米管线103之间的距离随碳纳米管膜102形变率的增加而增大。所述碳纳米管膜102在D2方向的形变率小于等于400%。所述相邻的碳纳米管线103之间的距离大于0微米且小于等于50微米。该相邻的碳纳米管线103之间的距离随碳纳米管膜102的形变率的增加而增大。

所述碳纳米管膜102的长度、宽度及厚度不限，可根据实际需求制备。所述碳纳米管膜102的厚度优选为大于等于0.5纳米且小于等于100微米。所述碳纳米管膜102中的碳纳米管的直径大于等于0.5纳米且小于等于50纳米。所述碳纳米管的长度为大于等于50微米且小于等于5毫米。

所述碳纳米管膜102在D2方向上的形变率与碳纳米管膜102的厚度及密度有关。所述碳纳米管膜102的厚度及密度愈大，其在D2方向上的形变率愈大。进一步地，所述碳纳米管膜102的形变率与碳纳米管线103之间的碳纳米管104的含量有关。在一定含量范围内，所述碳纳米管线103之间的碳纳米管104的含量越多，所述碳纳米管膜102在D2方向上的形变率越大。所述碳纳米管膜102在D2方向上的形变率小于等于400%。

所述碳纳米管膜102的透光度（光透过比率）与碳纳米管膜102的厚度及密度有关。所述碳纳米管膜102的厚度及密度越大，所述碳纳米管膜102的透光度越小。进一步地，所述碳纳米管膜102的透光度与碳纳米管线103之间的距离及相邻碳纳米管线103之间的第二碳纳米管1022的含量有关。所述碳纳米管线103之间的距离越大，碳纳米管线103之间的第二碳纳米管1022的含量越少，则所述碳纳米管膜102的透光度越大。所述碳纳米管膜102的透光度大于等于60%且小于等于95%。本技术方案实施例中，当碳纳米管膜102的厚度为50纳米时，拉伸前该碳纳米管膜102的透光度为大于等于67%且小于等于82%。当其形变率为120%时，所述碳纳米管膜102的透光度为大于等于84%且小于等于92%。以波长为550纳米的绿光为例，拉伸前所述碳纳米管膜120的透光度为78%，当形变率为120%时，该碳纳米管膜102的透光度可达89%。由于碳纳米管膜102的透光率好，当基体101采用透明的材料时，应变传感器100可以是透明的。透明的应变传感器100在应用时，比如，应用的穿戴的衣物上时，不会影响衣物的美观。

第一电极105和第二电极106分别设置于碳纳米管膜102在D2方向上的两端，并与碳纳米管膜102电连接。第一电极105和第二电极106的材料为导电材料，本实施例中选为银。第一电极105和第二电极106为长条形，平行于D1方向，其长度与碳纳米管膜102在D1方向上的长度相同。第一电极105和第二电极106用于测量碳纳米管膜102和基体101形成的复合结构的电阻值。第一电极105和第二电极106通过导线与探测器107电连接。当碳纳米管膜102和基体101组成的复合结构在D2方向上发生形变时，复合结构的电阻值R发生变化，即，第一电极105和第二电极106之间的电阻发生变化。所述探测器107用于探测所述复合结构在不同形变量下的电阻值，并将该电阻值显示出。

碳纳米管膜102与基体101组成的复合结构在D2方向上的电阻值与其形变量有关。请参见图4，纵坐标为复合结构电阻的变化值ΔR与其原始电阻值R比值，ΔR/R；纵坐标为复合结构的形变量，即形变之后的复合结构的尺寸与原始复合结构尺寸的比值。从图4可以看出，当复合结构的的形变量小于300%时，随着形变量的增加，ΔR/R几乎程直线上升；当复合结构的形变量大于300%小于400%时，ΔR/R直线的斜率随着形变量的增加越来越大。所述复合结构的电阻值与形变量之间的关系可以多次重复。当复合结构发生形变后，电阻值发生变化；当复合结构恢复其原来的形状时，电阻值也随之恢复。通过探测器107测量到的电阻值，即可以测量出复合结构的形变量。

使用时，应变传感器设置于被测物体上，该被测物体可以为穿戴的衣物等，复合结构贴合设置于被测物体，当被测物体发生形变时，碳纳米管和基体组成的复合结构也发生形变，从而导致该复合结构的电阻发生变化，从探测器上可以测出该电阻的值，从而可以定量或者定性的测量出被测物体的形变。

由图4可以看出，应变传感器100可以测量的形变量的范围可以达到原始尺寸的四倍，因此，其应用范围较广，可以用于测量各种材料的形变。请参见图5，应变传感器100中，当复合结构的发生形变时，其电阻能在98ms内发生快速变化。因此，本发明所提供的应变传感器100灵敏度较高。

请参阅图6，本发明第二实施例提供一种应变传感器200，该应变传感器200包括：一基体201，一碳纳米管膜202，一第一电极205，一第二电极206以及一探测器207。所述基体201与碳纳米管膜202组成一复合结构。所述碳纳米管膜202设置于基体201的内部，并被基体201固定。所述第一电极205和第二电极206分别设置于碳纳米管膜102的两端，并与碳纳米管膜202电连接。所述复合结构中，碳纳米管膜202设置于基体201的内部。碳纳米管膜202埋于基体201中，没有从基体201的表面露出。所述第一电极205/第二电极206部分埋于基体201内部，一部分从基体201中露出来。

第二实施例所提供的应变传感器200其他结构与第一实施例提供的应变传感器100的结构基本相同。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种应变传感器，其包括：

一复合结构，该复合结构包括一弹性基体及一碳纳米管膜，所述碳纳米管膜由弹性基体支撑，该碳纳米管膜定义一伸缩方向，其包括多个碳纳米管沿同一方向延伸，该多个碳纳米管的延伸方向垂直于所述伸缩方向，该多个碳纳米管在其延伸方向上首尾相连；

一第一电极及一第二电极，该第一电极和第二电极分别设置在碳纳米管膜伸缩方向上的两端，并与碳纳米管膜电连接；以及

一探测器，该探测器与第一电极和第二电极电连接。

2.如权利要求1所述的应变传感器，其特征在于，所述碳纳米管膜设置于弹性基体的表面。

3.如权利要求2所述的应变传感器，其特征在于，所述碳纳米管膜通过范德华力固定于基体的表面。

4.如权利要求1所述的应变传感器，其特征在于，所述碳纳米管膜设置于弹性基体的内部。

5.如权利要求4所述的应变传感器，其特征在于，所述第一电极和第二电极部分设置于基体内部，另一部分从基体中暴露出。

6.如权利要求1所述的应变传感器，其特征在于，所述碳纳米管膜包括多个碳纳米管线并排且间隔设置，且相邻的碳纳米管线之间包括多个碳纳米管，该多个碳纳米管线之间的距离受力后发生变化。

7.如权利要求6所述的应变传感器，其特征在于，所述碳纳米管膜中的多个碳纳米管线和碳纳米管线之间的碳纳米管形成一网络结构。

8.如权利要求6所述的应变传感器，其特征在于，所述碳纳米管线包括多个第一碳纳米管首尾相连，且沿该碳纳米管线的轴向延伸。

9.如权利要求8所述的应变传感器，其特征在于，每根碳纳米管线的横截面包括多根碳纳米管。

10.如权利要求1所述的应变传感器，其特征在于，所述复合结构的形变量小于400%，复合结构的电阻随着形变量程规律变化。