CN107990822A - 一种大量程电阻式应变传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种能够精确测量较大量程范围的大量程电阻式应变传感器及其制备方法包括：应变电阻、基底、引线和保护层，应变电阻固定在基底上用于检测电阻变化；基底用于将待测试件上的应变准确地传递到应变电阻上引线将应变电阻与测量电路相连接，并与应变电阻的两个输出端相焊接；保护层覆盖在应变电阻上，用于对应变电阻进行隔离保护，基底为绝缘聚合物薄膜，基底和应变电阻分别由多个半圆形弧线首尾连接构成的曲线形结构，相邻两个半圆形弧线的开口相反；多个半圆形弧线的半径相等或者不相等；基底宽度至少为应变电阻中电阻箔线宽度的2倍，各段电阻箔线同时位于基底的半圆形弧线曲率内侧或同时位于基底的半圆形弧线曲率外侧。

Description

一种大量程电阻式应变传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于应变传感器设计技术领域，具体涉及一种能够精确测量较大量程范围的具有曲线形电阻结构的大量程电阻式应变传感器及其制备方法。

背景技术

物体的应变是一个非常重要的几何参数，其准确的测量具有十分重要的意义。应变传感器是用于测量物体受力变形所产生的应变的一种传感器。电阻应变片则是其最常采用的传感元件。它是一种能将机械构件上应变的变化转换为电阻变化的传感元件。应变传感器的种类繁多，按原理分，有电阻式的、电容式的、压电式的、电感式的和光学式的，等等。电阻式应变传感器，其电阻材料又可分为金属、半导体、溶液、导电聚合物、石墨，等等。

在测试时，将应变片用粘合剂牢固地粘贴在待测试件的表面上，随着试件受力变形，应变片的敏感栅也获得同样的变形，从而使其电阻随之发生变化，而此电阻变化是与试件应变成比例的，因此如果通过一定测量线路将这种电阻变化转换为电压或电流变化，然后再用显示记录仪表将其显示记录下来，就能知道待测试件应变量的大小。

目前使用的电阻式应变传感器以金属电阻的应用最为广泛，然而由于金属拉伸率的限制，所测应变范围也比较小。例如康铜，一般只能保证测量2％以内的应变是可信的。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够精确测量较大量程范围的具有曲线形电阻结构的大量程电阻式应变传感器及其制备方法。

为了达到上述目的，本发明的具体技术方案如下：

一种大量程电阻式应变传感器，包括：应变电阻、基底、引线和保护层，所述应变电阻固定在所述基底上，用于检测由于所述基底变形引起的电阻变化；所述基底用于将待测试件上的应变准确地传递到所述应变电阻上，所述引线将应变电阻与测量电路相连接，并与应变电阻的两个输出端相焊接；所述保护层覆盖在所述应变电阻上，用于对所述应变电阻进行隔离保护，其特征在于，

所述基底为绝缘聚合物薄膜，所述基底和所述应变电阻分别由多个半圆形弧线首尾连接构成的曲线形结构，相邻两个所述半圆形弧线的开口相反；多个所述半圆形弧线的半径相等或者不相等；

所述基底宽度至少为所述应变电阻中电阻箔线宽度的2倍，所述电阻箔线同时位于所述基底的半圆形弧线曲率内侧或同时位于所述基底的半圆形弧线曲率外侧。

进一步地，所述基底上相邻两个半圆形弧线之间通过等宽度的直线段基底过渡连接，位于所述直线段基底上的所述电阻箔线的宽度大于弧线基底上电阻箔线的宽度，同时小于或等于直线段基底的宽度；直线段基底上的所述电阻箔线的电阻比所述弧线段基底上的电阻箔线的电阻小至少一个数量级。

进一步地，所述曲线形结构包括一支或者多支，每支所述曲线形结构的两端分别与用于粘贴待测试件的基底连接。

进一步地，对称设置的所述曲线形结构之间设有用于限定所述曲线形结构被拉伸的基底限位线，所述基底限位线的两端分别与用于粘贴待测试件的基底相连，所述基底限位线为直线，其长度与所述曲线形结构的原始长度相等。

进一步地，对称设置的所述曲线形结构之间设有用于协助检测待测试件压应变的曲线形聚合物薄膜，所述曲线形聚合物薄膜的曲率半径小于所述曲线形结构的曲率半径，伸长量小于所述曲线形结构的伸长量；所述曲线形聚合物薄膜的两端分别与用于粘贴待测试件的聚合物基底相连。

进一步地，所述聚合物基底和所述保护层的材料均为聚酰亚胺、酚醛树脂、环氧树脂中的任一种。

进一步地，所述电阻箔线的材料为康铜、新康铜、镍铬合金、镍铬铝合金、铁铬铝合金、铂、铂钨合金中的任一种，或者为半导体单晶硅、超薄石墨烯。

进一步地，还包括弹性封装薄膜，所述弹性封装薄膜包覆在所述基底和保护层外面。

本发明还提供了制备上述大量程电阻式应变传感器的方法，包括以下步骤：

a.使用有限元软件模拟所述应变传感器的模型结构，得到所述应变传感器的量程；

b.根据实际测量需求，对所述量程进调节，当所述量程比预设量程偏小时，通过增加所述半圆形弧线半径、减小所述基底的线宽、将所述电阻箔线更加靠近所述基底的中轴线进而增大所述量程；当所述量程比预设量程偏大时，则可通过相反方法进行调节，直至所述应变传感器达到预设量程；

c.利用箔式电阻应变片制作工艺根据步骤b中模拟成功的应变传感器模型制作出整张基底以及曲线形应变电阻，再用激光器按所述曲线形结构切割出所述聚合物基底的轮廓；

d.焊接所述引线，封装保护层，封装弹性薄膜，标定传感器的电阻和应变关系。

进一步地，步骤c中，制作整张基底以及曲线形应变电阻时，具体包括：

使用腐蚀工艺刻蚀出预设结构的曲线形应变电阻，或者使用激光剥去轮廓之外的多余金属箔形成预设结构的电阻箔线图案。

本发明提供的大量程电阻式应变传感器及其制备方法，具有曲线形电阻结构的电阻式应变传感器，能够精确测量的量程范围较大，而且刚度小，不易影响被测物的变形，同时稳定性高、精度高、不易老化、不易受温度影响。相比常见的金属箔式电阻应变片，本方案所提供的应变传感器的量程设计范围可以从百分之几到百分之几千，可以有效解决金属箔线由于拉伸率的限制而所能测量的可信量程范围较小的问题。

附图说明

图1a是一种电阻式应变传感器；

图1b是图1a左上角的局部放大图；

图2是在图1a基础上增加了直线形聚合物基底的一种电阻式应变传感器；

图3是在图1a基础上增加了曲线形聚合物基底的一种电阻式应变传感器；

图4a是一种120欧的电阻式应变传感器；

图4b是图4a左上角的局部放大图；

1.基底，2.应变电阻，3.粘贴端，4.直线段基底，5.基底限位线，6.曲线形聚合物薄膜。

具体实施方式

通过参考示范性实施例阐明本发明技术问题、技术方案和优点。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例，可以通过不同形式来对其加以实现。

以下内容中所说的量程即为电阻材料达到其可正常使用的最大应变时传感器的拉伸率。

本发明一个实施方式的一种大量程电阻式应变传感器，主要由应变电阻2、基底1、引线和保护层构成，应变电阻2固定在基底1上，保护层覆盖在应变电阻2上，用于对应变电阻2进行隔离保护，引线与应变电阻2的两个输出端连接，基底1粘贴在待测试件上，将待测试件上的应变准确地传递到应变电阻2上，而应变电阻2由于基底1变形随同一起变形从而引起其内部的电阻发生变化，进而检测出由于本体变形引起的电阻变化；引线将应变电阻2与测量电路连接，通过测量电路得到电阻变化值，最终根据应变传感器上标定的电阻与应变之间关系得到应变值。

如图1a和1b所示，附图中，斜线填充部分为只有聚合物基底1，黑色填充部分为聚合物基底1上设有应变电阻2。本方案中，使用的基底1为绝缘聚合物薄膜，基底1和应变电阻2的结构采用半圆形弧线首尾连接构成的曲线形结构，相邻两个半圆形弧线的开口相反。

在设置半圆形弧线的半径时，基本依据为半圆形弧线的半径与聚合物基底1的宽度比值越大，则应变传感器的量程越大，根据预设量程设置半圆形弧线的半径。多个半圆形弧线的半径可以相等也可以不相等，，当设置封装在弹性封装薄膜内的多个半圆形弧线的半径相等时，预先的计算会更容易，如果设置多个半圆形弧线的半径不相等，则在数值计算上会相对比较复杂。

本方案提供的大量程电阻式应变传感器，曲线形结构能够在有限空间内提升应变传感器的量程。其中，为了能够使得测量的应变感应准确，其中基底1的宽度至少应该为应变电阻2中电阻箔线宽度的2倍，优选为6倍以上，而基底1本体的宽度和厚度基本保持在同一数量级。为了保证测量精度，每段半圆形弧线基底1上的电阻箔线应该均位于半圆形弧线曲率内侧或者同时位于半圆形弧线的曲率外侧。当然，电阻箔线可以无限靠近半圆形弧线基底1的边缘，甚至可以与其边缘对齐。但是在实际制作过程中，为了防止电阻箔线在后期的切割过程中受到损伤，通常会设置电阻箔线稍微远离基底1的边缘，以保证制作过程中电阻箔线的安全。而且，电阻箔线通常一定设在每段半圆形弧线基底1中轴线一侧的位置，不会设在基底1的中轴线上，因为基底1中轴线位置的应变最小，测量精度最差，而且内侧和外侧的电阻变化还可能抵消。但是，为了调整应变传感器的量程，可以将位于边缘的电阻箔线向基底1中轴线位置靠近，以增大其量程，如果需要减小量程并提高敏感性，则远离基底1中轴线的位置即可。

其中的聚合物基底1和保护层的材料均优选为聚酰亚胺、酚醛树脂、环氧树脂中的任一种。而电阻细丝的材料可以为康铜、新康铜、镍铬合金、镍铬铝合金、铁铬铝合金、铂、铂钨合金中的任一种，或者也可以为半导体单晶硅、超薄石墨烯。弹性封装薄膜的材料可以是PDMS薄膜、Ecoflex薄膜。

通过本方案提供的应变传感器，能够有效提升应变传感器的测量量程，相比常见的金属箔式电阻应变片，本方案所提供的应变片的量程设计范围可以从百分之几到百分之几千，可以有效解决金属箔线由于拉伸率的限制而所能测量的可信量程范围较小的问题，同时测量精度高。

本发明的一个实施方式的大量程电阻式应变传感器，为了提高应变传感器整体的拉伸性，以提高应变测量量程，设置基底1上相邻两个半圆形弧线之间通过等宽度的直线段基底4连接，如图4a和图4b所示，直线段基底4上电阻结构的阻值应远小于弧线段上电阻结构的阻值，因为，直线段的变形较小，电阻变化较小，若它的电阻较大，会降低整个传感器的灵敏系数。所以，设置位于直线段基底4上的电阻箔线的宽度远大于弧线段基底1上电阻箔线的宽度，直线段基底4上的电阻箔线的电阻与弧线段基底1上的电阻箔线的电阻相差至少一个数量级。同时与该段基底1的宽度相等或者略小于其宽度。

根据实际应变传感器的电阻需求设置，其中的曲线形结构可以包括一支或者多支，每支曲线形结构的两端分别与用于粘贴待测试件的基底1连接。

本发明的一个实施方式的大量程电阻式应变传感器，如图2所示，为了进一步保护应变传感器中的应变电阻2在被有效拉伸之前的结构状态，优选在对称设置的曲线形结构之间设有用于限定曲线形结构被拉伸的基底限位线5，基底限位线5的两端分别与用于粘贴待测试件的粘贴端3基底1连接。应变电阻2被粘贴至待测试件上之前，由于基底限位线5的限制，应变电阻2不会被拉伸，长度可以保持在原始长度位置。而根据应变传感器的原始状态粘贴在待测试件上之后，只需要将中间设置的基底限位线5剪短即可进行正常测量。其中的基底限位线5为直线，其长度与曲线形结构的原始长度相等。通过上述结构能够对于待测试件进行拉伸应变的精确测量。

本发明的一个实施方式的大量程电阻式应变传感器，如图3所示，对称设置的曲线形结构之间设有用于协助检测待测试件压应变的曲线形聚合物薄膜6，曲线形聚合物薄膜6的外形结构与基底1中的曲线形结构的外形结构类似，其曲率半径小于曲线形结构的曲率半径，其伸长量小于曲线形结构的伸长量。曲线形聚合物薄膜6的两端分别与用于粘贴待测试件的粘贴端3基底1相连，聚合物薄膜和粘贴端3一般本就是一体的。

上述结构中，每个应变传感器中的曲线形聚合物薄膜6的最大伸长量根据待测试件的量程设置，粘贴之前先将应变传感器拉伸，使得中间的曲线形聚合物薄膜6伸长至最大位置，之后进行粘贴，粘贴之后将中间的曲线形聚合物薄膜6剪断即可进行待测试件的应变测量。由于在粘贴时，应变传感器被预拉伸，所以，既可以测量待测试件的拉应变，也可以测量其压应变，同时测量精度高。

为了保证结构的稳定及优化电阻，优选基底1和电阻箔线的拐角外侧均为倒角设置。覆盖保护层之后可以根据实际需要进行封装或不封装。封装时，可以采用弹性封装薄膜，将其直接包覆在基底1和保护层的表面。

上述大量程电阻式应变传感器的制备方法：

首先使用有限元软件模拟上述应变传感器的模型结构，得到应变传感器的量程；之后根据实际测量需求，通过对基底1宽度以及半圆形弧线的半径的调节进而对测量的量程进调节。当测量的量程比应变传感器的预设量程偏小时，通过增加半圆形弧线半径或者减小基底1的线宽或者将电阻箔线更加靠近基底1的中轴线进而增大量程；当量程比预设量程偏大时，则可通过相反方法进行调节，直至应变传感器达到预设量程；量程调节好之后，利用箔式电阻应变片制作工艺将模拟成功的应变传感器模型制作出整张基底1以及曲线形应变电阻2，具体制作时可以通过使用腐蚀工艺刻蚀出预设结构的曲线形应变电阻2，或者使用激光剥去轮廓之外的多余金属箔形成预设结构的电阻箔线图案，再用激光器按前述曲线形结构切割出聚合物基底1的轮廓，最后焊接引线，封装保护层，封装弹性薄膜，标定传感器的电阻和应变关系，应变传感器制作完成。

下面通过具体实施例说明本发明中大量程电阻式应变传感器的特点。以下实施例中，聚合物基底1均采用PI薄膜，应变电阻2为康铜箔线。

实施例1：相邻半圆形弧线之间增设有用于提高应变测量量程的直线段结构。

PI薄膜厚0.15mm，弧线段处PI薄膜宽度为0.16mm，平均半径0.525mm，直线段长0.15mm。

弧线段的康铜箔线宽为0.016mm处于PI薄膜曲率内侧边缘；直线段处的康铜箔线与PI薄膜同宽，如图1a、图1b、图2和图3所示。

两端用于粘贴被测物的PI薄膜长度为1.22mm，宽为0.5mm。

该应变传感器在常温下的电阻值为104欧，按传统图案可信量程为2％的应变片，现在可信量程增加到10％。

实施例2：两支曲线形结构之间增设直线段的基底限位线5，或者增设曲线形聚合物薄膜6。

在实施例1结构的基础上增设直线段PI薄膜基底1，也就是基底限位线5，该结构可保证应变片粘贴待测试件之前不会被拉伸，用于保护应变片，粘贴后剪掉此PI薄膜即可。

为了方便准确测量压应变，在实施例1结构的基础上增设曲线形聚合物薄膜6，可以在粘贴时完全拉伸，之后再粘贴，这样可以更加准确测量待测试件的压应变。

实施例3：

设计的具体尺寸：PI薄膜厚0.12mm，半圆形弧线处PI薄膜宽度为0.12mm，平均半径0.6 1mm，直线段长0.29mm。

曲线段的康铜箔线宽为0.012mm，距离PI曲率内侧边缘0.024mm；直线段的康铜箔宽为0.072mm，处于PI薄膜上居中位置，如图4a和图4b所示。两边的用于粘贴被测物的PI长为1mm，宽为0.5mm。

按照常用应变片电阻值120欧设计。这种尺寸下本发明提供的应变传感器的可信量程可增加到35％的应变。

以上，虽然说明了本发明的几个实施方式，但是这些实施方式只是作为例子提出的，并非用于限定本发明的范围。对于这些新的实施方式，能够以其他各种方式进行实施，在不脱离本发明的要旨的范围内，能够进行各种省略、置换、及变更。这些实施方式和其变形，包含于本发明的范围和要旨中的同时，也包含于权利要求书中记载的发明及其均等范围内。

Claims (10)

1.一种大量程电阻式应变传感器，包括：应变电阻、基底、引线和保护层，所述应变电阻固定在所述基底上，用于检测由于所述基底变形引起的电阻变化；所述基底用于将待测试件上的应变准确地传递到所述应变电阻上，所述引线将应变电阻与测量电路相连接，并与应变电阻的两个输出端相焊接；所述保护层覆盖在所述应变电阻上，用于对所述应变电阻进行隔离保护，其特征在于，

所述基底为绝缘聚合物薄膜，所述基底和所述应变电阻分别由多个半圆形弧线首尾连接构成的曲线形结构，相邻两个所述半圆形弧线的开口相反；多个所述半圆形弧线的半径相等或者不相等；

所述基底宽度至少为所述应变电阻中电阻箔线宽度的2倍，所述电阻箔线同时位于所述基底的半圆形弧线曲率内侧或同时位于所述基底的半圆形弧线曲率外侧。

2.根据权利要求1所述的大量程电阻式应变传感器，其特征在于，所述基底上相邻两个半圆形弧线之间通过等宽度的直线段基底过渡连接，位于所述直线段基底上的所述电阻箔线的宽度大于弧线基底上电阻箔线的宽度，同时小于或等于直线段基底的宽度；直线段基底上的所述电阻箔线的电阻比所述弧线段基底上的电阻箔线的电阻小至少一个数量级。

3.根据权利要求1所述的大量程电阻式应变传感器，其特征在于，所述曲线形结构包括一支或者多支，每支所述曲线形结构的两端分别与用于粘贴待测试件的基底连接。

4.根据权利要求1所述的大量程电阻式应变传感器，其特征在于，对称设置的所述曲线形结构之间设有用于限定所述曲线形结构被拉伸的基底限位线，所述基底限位线的两端分别与用于粘贴待测试件的基底相连，所述基底限位线为直线，其长度与所述曲线形结构的原始长度相等。

5.根据权利要求1所述的大量程电阻式应变传感器，其特征在于，对称设置的所述曲线形结构之间设有用于协助检测待测试件压应变的曲线形聚合物薄膜，所述曲线形聚合物薄膜的曲率半径小于所述曲线形结构的曲率半径，伸长量小于所述曲线形结构的伸长量；所述曲线形聚合物薄膜的两端分别与用于粘贴待测试件的聚合物基底相连。

6.根据权利要求5所述的大量程电阻式应变传感器，其特征在于，所述聚合物基底和所述保护层的材料均为聚酰亚胺、酚醛树脂、环氧树脂中的任一种。

7.根据权利要求5所述的大量程电阻式应变传感器，其特征在于，

所述电阻箔线的材料为康铜、新康铜、镍铬合金、镍铬铝合金、铁铬铝合金、铂、铂钨合金中的任一种，或者为半导体单晶硅、超薄石墨烯。

8.根据权利要求1～7任一项所述的大量程电阻式应变传感器，其特征在于，还包括弹性封装薄膜，所述弹性封装薄膜包覆在所述基底和保护层外面。

9.制备权利要求1所述的大量程电阻式应变传感器的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.使用有限元软件模拟所述应变传感器的模型结构，得到所述应变传感器的量程；

b.根据实际测量需求，对所述量程进调节，当所述量程比预设量程偏小时，通过增加所述半圆形弧线半径、减小所述基底的线宽、将所述电阻箔线更加靠近所述基底的中轴线进而增大所述量程；当所述量程比预设量程偏大时，则可通过相反方法进行调节，直至所述应变传感器达到预设量程；

c.利用箔式电阻应变片制作工艺根据步骤b中模拟成功的应变传感器模型制作出整张基底以及曲线形应变电阻，再用激光器按所述曲线形结构切割出所述聚合物基底的轮廓；

d.焊接所述引线，封装保护层，封装弹性薄膜，标定传感器的电阻和应变关系。

10.根据权利要求9所述的制备大量程电阻式应变传感器的方法，其特征在于，步骤c中，制作整张基底以及曲线形应变电阻时，具体包括：

使用腐蚀工艺刻蚀出预设结构的曲线形应变电阻，或者使用激光剥去轮廓之外的多余金属箔形成预设结构的电阻箔线图案。