CN109724725A - 一种柔性应变传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性应变传感器及其制造方法，柔性应变传感器包括弹性管，弹性管为内外直径均匀的结构，弹性管的两端分别设置固定设置有电极，电极的横截面与弹性管内部空腔的横截面相同；电极之间填充有导电溶液。制造方法包括制备内外直径均匀的弹性管、与弹性管两端内部空腔的横截面相同的电极和包含电解质的导电溶液等。本发明能够解决现有技术中传感器测量范围不足的问题，结构简单、成本低廉、使用方便、测量准确性强、可靠性强。

Description

一种柔性应变传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种应变传感器，具体涉及一种柔性应变传感器及其制造方法。

背景技术

应变传感器广泛应用于各类工程领域中，是用来监测或者测量各种结构变形和受力状况最常用的传感单元。目前最普及的应变传感器是以压阻效应为基础制备的应变片，压阻效应即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应的发生变化。

应变片由敏感栅等构成用于测量应变的元件，使用时被牢固地粘贴在构件测点上，构件因受力变形，测点处产生应变，敏感栅随之变形，从而引起其电阻发生变化，测量电阻变化，便可以转换为测点的应变值，依据不同的机理，应变片可以用来测量力、压力、扭矩、位移、加速度和温度等多种物理量。

应变片主要分为金属应变片和半导体应变片两大类，常见的金属应变片有丝式电阻应变片和箔式电阻应变片，而半导体应变片常用单晶硅制作。比较而言，金属应变片的应变系数稳定，线性好，但灵敏度系数比半导体应变片的小；半导体应变片的优点是灵敏度高，但容易受外界因素影响，而且线性度差。

无论是金属应变片还是半导体应变片，它们的应变量程一般不大于200个微应变，然而在某些领域，常需要对发生大应变的结构进行测量和监测，如山体滑坡试验中，岩土体的变形很大，普通的电阻式应变片不能满足要求，其它应变传感器如布拉格光纤，由于应变测量范围小，也不适合。纳米复合材料应变片，虽然能够承受较大的变形并且具有较高的灵敏度，但应变和电阻之间的强非线性也极大地限制了其应用。

发明内容

本发明针对现有技术中的上述不足，提供了一种能够解决现有技术中应变传感器测量范围不足的问题的柔性应变传感器及其制造方法。

为解决上述技术问题，本发明采用了下列技术方案：

提供了一种柔性应变传感器，其包括弹性管，弹性管为内外直径均匀的结构，弹性管的两端分别设置固定设置有电极，电极的横截面与弹性管内部空腔的横截面相同；电极之间填充有导电溶液。

上述技术方案中，优选的，弹性管包括细管部和粗管部，细管部和粗管部分别为等截面结构；弹性管两端的电极分别与细管部和粗管部的内部空腔的横截面相同。

上述技术方案中，优选的，弹性管为一等截面结构，弹性管两端的内部空腔的横截面相同。

上述技术方案中，优选的，弹性管的横截面为圆形。

本发明还提供了一种上述柔性应变传感器的制造方法，其包括如下步骤：

S1、制备内外直径均匀的弹性管；

S2、制备与弹性管两端内部空腔的横截面相同的电极；

S3、制备包含电解质的导电溶液；

S4、将S3制备得到的导电溶液注入S1制得的弹性管中，并排除弹性管中的空气；

S5、将S2制备得到的电极插入弹性管两端，将导电溶液密封，得到柔性应变传感器。

进一步地，弹性管为不导电的弹性高分子材料软管。

进一步地，电极的材质包括具有导电性的金属和非金属材料。

进一步地，导电溶液中的电解质为金属离子或铵根离子和酸根离子构成的化合物。

本发明提供的上述柔性应变传感器的主要有益效果在于：

本发明通过在弹性管内设置导电溶液，利用弹性管在受拉力形变时极高的伸长比，使得柔性应变传感器能够满足大应变测量的需求。且将现有的固态应变片改为液态的导电溶液，利用溶液无固定形态的特定，配合弹性管的形变，充分保证在大形变下柔性应变传感器的测量作用。且电极之间导电溶液的为柱状导电体，其电阻与其形变量存在稳定的相关关系，有效保证测量的准确性。

本发明提供的上述柔性应变传感器的制造方法的主要有益效果在于：

通过在弹性管中注入含电解质的导电溶液，排除弹性管中的空气，使弹性管全部是导电溶液，进而保证导电溶液部分电阻变化的稳定性；通过在弹性管两端固定设置电极，将导电溶液封装在弹性管内，使弹性管、导电溶液与电极配合形成密闭的复合导电体结构，复合导电体结构在受拉时变长、变细，其电阻随之变大，且电阻和伸长量之间具有稳定的数学关系，测量导电体的电阻变化，便可以计算导电体承受的应变。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2为本发明提供的另一实施例的结构示意图。

其中，1、电极，2、弹性管，21、细管部，22、粗管部，3、导电溶液。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，其为柔性应变传感器的结构示意图。

本发明的柔性应变传感器包括弹性管2，弹性管2为内外直径均匀的结构，弹性管2的两端分别设置固定设置有电极1，电极1的横截面与弹性管2内部空腔的横截面相同；电极1之间填充有导电溶液3。

在本发明提供的一个实施例中，弹性管2为一等截面结构，弹性管2两端的内部空腔的横截面相同。

具体的，记两个电极1之间的电阻为R，其计算公式为：

R＝ρL/S (1)

其中，ρ、L、S分别为导电溶液3的电阻率、液柱的长度和液柱的截面积，电阻率ρ的初始值可以通过预先测量得到，液柱的长度L和液柱的截面积S可以通过测量弹性管2中两电极1相邻端面的间距和内腔截面积得到；由此可以得到电阻R的初始值R₀和液柱的长度L的初始值L₀。

由微分关系可以将式(1)推导得到：

dR/R＝dρ/ρ+dL/L+dS/S (2)

根据力学原理可以将公式(2)可以写成如下形式：

dR/R＝dρ/ρ+(1+2μ)dL/L (3)

其中μ是导电溶液3的泊松比。应变传感单元受拉变长时，不会影响导电溶液3的电阻率，即导电溶液3的电阻率不变，即dρ/ρ＝0。则有dR/R＝(1+2μ)dL/L，在工程应用中可表示为：

ΔR/R₀＝(1+2μ)ΔL/L₀ (4)

公式(4)表示电阻的变化率ΔR/R₀是应变ΔL/L₀的1+2μ倍。记K＝(ΔR/R₀)/(ΔL/L₀)为传感器的灵敏度系数，则K＝(1+2μ)。对于特定液体材料，μ是常数，可以通过预先测试计算得到。因此，本发明中的柔性应变传感单元的电阻变化率和应变之间满足线性关系。通过测量弹性管2中两电极1间的电阻变化ΔR，即可得到其应变量ΔL。

由公式(4)可知，常规内外直径均匀结构的柔性液固复合式应变传感器的灵敏度系数为K＝(1+2μ)。一般地，导电液体3的μ可取0.5，本发明中的等截面柔性液固复合式应变传感器的灵敏度系数为2.0。

这一结构通过在弹性管2内设置导电溶液3，利用弹性管2在受拉力形变时极高的伸长比，使得柔性应变传感器能够满足大应变测量的需求。且将现有的固态应变片改为液态的导电溶液3，利用液体无固定形态的特定，配合弹性管2的形变，充分保证在大形变下柔性应变传感器的测量作用。

在本发明提供的另一个实施例中，如图2所示，弹性管2包括细管部21和粗管部22，细管部21和粗管部22分别为等截面结构；弹性管2两端的电极1分别与细管部21和粗管部22的内部空腔的横截面相同。

具体地，根据公式(1)至(4)推导得出本实施例中的灵敏度系数K为：

K＝(1+2μ)(1+β)(αγ+β)/[(α+β)(γ+β)] (5)

其中，α为粗管部22和细管部21的内液柱截面积S比值S2/S1，β为粗管部22和细管部21的液柱长度L比值L2/L1，γ为粗管部22和细管部21的管壁截面积A的比值A2/A1。

根据公式(5)，可以调整通过调整传感器的几何参数，从而可以提高K的值，使其大于1+2μ。相比前一实施例中的结构，进一步提高了柔性应变传感器的灵敏度系数，从而扩大了柔性应变传感器的测量范围。

优选的，弹性管2的横截面为圆形。此时，前述实施例中的内液柱截面积S和管壁截面积A的计算公式分别为：

由此，能够方便计算其几何参数，同时方便设计和制造，减小成本。

本发明还提供了上述柔性应变传感器的制造方法其包括如下步骤：

S1、制备内外直径均匀的弹性管2。

根据测量量程的需要，可以将弹性管制成等截面弹性管或包括细管部21和粗管部22的变截面式弹性管，其中每一个管部内的截面面积固定不变。

优选的，弹性管2为不导电的高分子材料软管，以保证其弹性和延展性。

S2、制备与弹性管2两端内部空腔的横截面相同的电极1。

电极1相邻的端面应为平面，以便保证电极1所封闭得到的弹性管2内空间呈柱状结构，从而方便计算。

优选的，电极1的材质包括具有导电性的金属和非金属材料。

S3、制备包含电解质的导电溶液3。

优选的，导电溶液3中的电解质为金属离子或铵根离子和酸根离子构成的化合物。如氯化钠NaCl或硫酸铜CuSO₄等盐溶液。

S4、将S3制备得到的导电溶液3注入S1制得的弹性管2中，并排除弹性管2中的空气。

排除空气，能够保证电极1所封闭得到的弹性管2内柱状结构全部由导电溶液3填充，即全部是液态导体，因此能够方便计算和测量。

S5、将S2制备得到的电极1插入弹性管2两端，将导电溶液3密封，得到柔性应变传感器。

通过将导电溶液3封装至弹性管2中，可以制备得到承受超大应变的柔性液固复合式应变传感器，克服了传统应变传感器量程小的局限；且由于传感器为线型柔性体，可以采用编织等方式嵌入布料中制备成可穿戴设备，方便携带。

上面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (8)

1.一种柔性应变传感器，其特征在于，包括弹性管(2)，所述弹性管(2)为内外直径均匀的结构，所述弹性管(2)的两端分别设置固定设置有电极(1)，所述电极(1)的横截面与弹性管(2)内部空腔的横截面相同；所述电极(1)之间填充有导电溶液(3)。

2.根据权利要求1所述的柔性应变传感器，其特征在于，所述弹性管(2)包括细管部(21)和粗管部(22)，细管部(21)和粗管部(22)分别为等截面结构；所述弹性管(2)两端的电极(1)分别与细管部(21)和粗管部(22)的内部空腔的横截面相同。

3.根据权利要求1所述的柔性应变传感器，其特征在于，所述弹性管(2)为一等截面结构，弹性管(2)两端的内部空腔的横截面相同。

4.根据权利要求2或3所述的柔性应变传感器，其特征在于，所述弹性管(2)的横截面为圆形。

5.一种根据权利要求1至4任一所述的柔性应变传感器的制造方法，其特征在于，其包括如下步骤：

S1、制备内外直径均匀的弹性管(2)；

S2、制备与弹性管(2)两端内部空腔的横截面相同的电极(1)；

S3、制备包含电解质的导电溶液(3)；

S4、将S3制备得到的导电溶液(3)注入S1制得的弹性管(2)中，并排除弹性管(2)中的空气；

S5、将S2制备得到的电极(1)插入弹性管(2)两端，将导电溶液(3)密封，得到柔性应变传感器。

6.根据权利要求5所述的柔性应变传感器的制造方法，其特征在于，所述弹性管(2)的材质为不导电的弹性高分子材料软管。

7.根据权利要求5所述的柔性应变传感器的制造方法，其特征在于，所述电极(1)的材质包括具有导电性的金属和非金属材料。

8.根据权利要求5所述的柔性应变传感器的制造方法，其特征在于，所述导电溶液(3)中的电解质为金属离子或铵根离子和酸根离子构成的化合物。