CN109520409A - 一种基于cnt纤维力阻性能制作的柔性应变传感器及实验方法 - Google Patents

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万山秀
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Abstract

本发明涉及一种基于CNT纤维力阻性能制作的柔性应变传感器及实验方法，该传感器由柔性外壳、水平纤维铺层、垂直纤维铺层、导电银胶、铜丝接线点、CNT纤维和粘贴面组成；本发明基于CNT纤维力阻性能制作的柔性应变传感器可以解决被测试件发生大变形时纤维易被拉断及无法同时测得多个方向形变的问题，使得整个被测试样在测试过程中大幅减小实验误差。同时，本发明的柔性外壳可以将基体牢牢固定在被测物体表面，可以解决因粘结不牢固导致实验数据不准确的问题。本传感器有着明确的应变电阻对应关系，可精确地得出物体的形变量。

Description

一种基于CNT纤维力阻性能制作的柔性应变传感器及实验 方法
技术领域
本发明涉及一种基于CNT纤维力阻性能制作的柔性应变传感器及实验方法，属于柔性可穿戴电子应变传感器技术领域，尤其涉及一种基于CNT纤维力阻性能制作的柔性应变传感器及实验方法。
背景技术
近年来，可穿戴的柔性电子传感器设备因其可穿戴，重量轻，高灵活性等特点，受到了人们广泛的关注和研究。然而目前的柔性电子传感器存在许多的缺陷，误差大、精度低、测量方向单一都是亟待解决的问题。因此，对基于CNT纤维力阻性能制作的柔性应变传感器及其实验方法的研究具有重要的实用价值。
现有的柔性可穿戴电子应变传感器不能精确的测试出试件的形变，并普遍存在以下几个问题，第一，现有的电子应变传感器只能测单方向的应变，而只从单方向测出的数据来判断物体的形变是不严谨的。第二，基体过厚，导致基体内的纤维与被测试件之间存在过大的间隙，从而导致结果的误差变大。第三，铺设方式大多为纤维笔直平铺在基体中央，导致该类电子应变传感器中的纤维易被拉断，很难去测量变性较大的试件。
发明内容
本发明的目的在于制作一种基于CNT纤维力阻性能的电子柔性应变传感器及提供其实验方法。该传感器由由柔性外壳、水平纤维铺层、垂直纤维铺层、导电银胶、铜丝接线点、CNT纤维和粘贴面组成。本发明的电子柔性应变传感器可以解决柔性应变传感器在进行测量形变时误差过大、精度低、测量应变方向单一的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种基于CNT纤维力阻性能的电子柔性应变传感器及其实验方法。该传感器的柔性外壳上表面布有多个铜丝接线点；柔性外壳内部包裹着2层有序排列的水平纤维铺层和8列垂直纤维铺层；水平纤维铺层内是有序排列的CNT纤维，纤维两端从侧壁引出至基体上表面的连接点；垂直纤维铺层同样也是有序排列的CNT纤维，纤维两端从侧壁引出至基体上表面的连接点。导电银胶覆盖在铜丝接线点上面，共10个连接点。粘贴面位于传感器最下方并固定着整个柔性外壳。
操作步骤如下：首先运用3D打印机分别把各个模具打印出来，模具取出后将CNT纤维按波浪式排列方式铺设在各自模具的接近底部处，向模具内注入PDMS溶液并放置在恒温干燥机，调制200摄氏度下加温1小时，加温结束后将各个纤维铺层基体取出并安顺序排放在传感器组合模具内，倒入PDMS溶液并放置于200摄氏度的恒温加热箱内加热1小时后取出，整理纤维两端至铜丝连接点，在连接点滴上导电银胶，最后在传感器外表面贴上外壳完成电子柔性应变传感器的制作。测试之前，将电子柔性应变传感器的外壳固定在所测试件表面，将铜丝连接点连接到各个电阻仪上，确保电阻仪能正常的测量电阻，完成后可进行传感器的应变测试。
本发明利用上述电子柔性应变传感器进行试件形变测量实验，由于其采用了上述的传感器和实验方法，可以有效的控制在测量过程中产生的误差，还可以同时测量X、Y、Z三个方向的应变量，使测得的形变更加准确，更加全面。
附图说明
图1为碳纳米管纤维柔性应变传感器结构示意图。
图2试件变形的电阻-时间变化曲线。
图3传感器电阻-微应变曲线。
图中：1、柔性外壳，2、纤维水平方向铺层，3、纤维垂直方向铺层，4、导电银胶连接点，5、铜丝接线点，6、CNT纤维，7、粘贴面。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的基于CNT纤维力阻性能制作的电子柔性应变传感器及利用该电子传感器进行的形变测试实验方法作进一步详细说明。
如图1所示为基于CNT纤维力阻性能制作的电子柔性应变传感器结构图。该传感器由柔性外壳(1)、水平纤维铺层(2)、垂直纤维铺层(3)、导电银胶(4)、铜丝接线点(5)、CNT纤维(6)和粘贴面(7)组成；该传感器的柔性外壳(1)为矩形，其上表面布有多个铜丝接线点(5)；柔性外壳(1)内部包裹着2层有序排列的水平纤维铺层(2)和8列垂直纤维铺层(3),其中这2层水平纤维铺层分别位于垂直纤维铺层(3)的上部和下部；(2)内是有序排列的CNT纤维(6)，纤维两端从侧壁引出至基体上表面的连接点；垂直纤维铺层(3)同样也是有序排列的CNT纤维(6)，纤维两端从侧壁引出至基体上表面的连接点。导电银胶(4)覆盖在铜丝接线点(5)上面，共10个连接点。粘贴面(7)位于传感器最下方并固定着整个柔性外壳(1)。
利用电子柔性应变传感器进行测量物体形变实验的方法，其特征在于首先将CNT纤维柔性应变传感器黏贴到所测物体表上面，待传感器完全固定后，将各个铜丝接线点(5)与电阻仪进行连接，仪器安装完毕。接下来进行形变测量，首先进行简单的单方向物体形变测量，控制形变物体分别在X、Y、Z方向发生形变，每个方向进行由小变大的弯曲变形，记录数据得到X、Y、Z方向上的电阻-应变曲线。接下来进行复杂变形的测量，控制物体随意发生形变，记录数据得到各个方向上的电阻变化，将三个方向上的数据结合起来可推算出该物体在某个方向上的形变量。
实施例一：
如图2所示为CNT纤维电子柔性应变传感器测量试件得到的电阻-时间变化曲线，选取标准卡尺作为被测试件，将传感器固定于试件中央并连接好电阻仪。准备完成后，对试件施加载荷，载荷由小变大，待试件不能进行弯曲时，进行卸载，重复以上操作多次，得到试件变形的电阻-时间变化曲线，如图2所示，同时将传统应变仪器得到的数据与传感器得到的数据进行对比校正，得到一定应变范围内的应变-电阻对应曲线，如图3所示，以此作为该传感器的测量标准。
上述仅对本发明中的一种具体实施例加以说明，但并不能作为本发明的保护范围，凡是依据本发明中的设计精神所做出的等效变化或修饰或等比例放大或缩小等，均应认为落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于CNT纤维力阻性能制作的柔性应变传感器，其特征在于：该传感器由柔性外壳(1)、纤维水平方向铺层(2)、纤维垂直方向铺层(3)、导电银胶连接点(4)、铜丝接线点(5)、CNT纤维(6)和粘贴面(7)组成；该传感器的柔性外壳(1)为矩形，其上表面布有多个铜丝接线点(5)；柔性外壳(1)内部包裹着4层有序排列的水平纤维铺层(2)和8列垂直纤维铺层(3)；水平纤维铺层(2)内是有序排列的CNT纤维(6)，纤维两端从侧壁引出至基体上表面的连接点；垂直纤维铺层(3)同样也是有序排列的CNT纤维(6)，纤维两端从侧壁引出至基体上表面的连接点；导电银胶(4)覆盖在铜丝接线点(5)上面，共10个连接点；粘贴面(7)位于传感器最下方并固定着整个柔性外壳(1)。
2.根据权利要求1所述的一种基于CNT纤维力阻性能制作的柔性应变传感器，其特征在于：上下2个水平纤维铺层(2)夹持着中间的8个垂直纤维铺层(3)，可以同时测试XYZ方向的变形状况。
3.根据权利要求1所述的一种基于CNT纤维力阻性能制作的柔性应变传感器，其特征在于：纤维铺层内的CNT纤维(6)是运用波浪式的排列方法平铺在基体内部。
4.利用权利要求1所述的柔性应变传感器进行测量物体形变实验的方法，其特征在于首先将CNT纤维柔性应变传感器黏贴到所测物体表上面，待传感器完全固定后，将各个铜丝接线点(5)与电阻仪进行连接，仪器安装完毕；接下来进行形变测量，首先进行简单的单方向物体形变测量，控制形变物体分别在X、Y、Z方向发生形变，每个方向进行由小变大的弯曲变形，记录数据得到X、Y、Z方向上的电阻-应变曲线；接下来进行复杂变形的测量，控制物体随意发生形变，记录数据得到各个方向上的电阻变化，将三个方向上的数据结合起来可推算出该物体在某个方向上的形变量。
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