CN111272063A

CN111272063A - 一种电阻式曲率传感器

Info

Publication number: CN111272063A
Application number: CN202010156705.8A
Authority: CN
Inventors: 苏业旺; 刘浩; 陈玉丽; 徐志平; 施兴华; 李振海
Original assignee: Jiangsu Roushi Electronic Technology Co ltd
Current assignee: Zhongke Xingxing Beijing Technology Co ltd
Priority date: 2020-03-09
Filing date: 2020-03-09
Publication date: 2020-06-12

Abstract

本发明涉及一种电阻式曲率传感器，包括基底、敏感电阻和封装膜，所述基底为中间层，由绝缘材料制成，所述敏感电阻分布在所述基底上下两侧表面与所述基底构成三层叠层结构，该叠层结构整体上为波浪形构型，实现所述电阻式曲率传感器的拉伸性；所述封装膜包覆在所述基底与敏感电阻周围，实现所述电阻式曲率传感器结构的固定和封装。相比于传统的曲率传感器，本发明的曲率传感器结构简单，具有良好的拉伸性，可以准确测量物体曲面的曲率，可应用于复杂的测量环境中，具有较强的实用性。

Description

一种电阻式曲率传感器

技术领域

本发明属于曲率传感器设计技术领域，具体涉及一种电阻式曲率传感器。

背景技术

物体的曲率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。医学上人眼角膜的测量，运动员训练中关节运动姿态的记录，大型工件如船体、汽车覆盖件的制作，工程施工、基建设施等方面都会涉及到曲率测量，因此曲率传感器应用广泛。

现有的曲率测量方式有接触式，例如游标卡尺和千分尺等，此类测量方法操作不便，不适合在实际工作环境中使用；非接触式方式主要是通过光学方法，例如光纤光栅测距、激光干涉和图像分析等方法，但是这种方法实现过程复杂，使用成本高。目前，已有专利提出多种曲率传感器，但大部分不可拉伸，由于使用场景越来越复杂，很多情况下需要进行动态的曲率监测，对于传感器的拉伸性有一定的要求。

发明内容

针对现有曲率传感器的缺点，本发明的目的是提供一种具有波浪形结构的电阻式曲率传感器，这种曲率传感器可以在拉伸状态下精确测量物体的曲率。

本发明的技术方案为：

一种电阻式曲率传感器，包括：基底、敏感电阻和封装膜，所述基底为中间层，由绝缘材料制成，所述敏感电阻分布在所述基底上下两侧表面与所述基底构成三层叠层结构，该叠层结构整体上为波浪形构型，实现所述电阻式曲率传感器的拉伸性；所述封装膜包覆在所述基底与敏感电阻周围，实现所述电阻式曲率传感器结构的固定和封装。

进一步地，所述敏感电阻在基底表面整体为迂回形，局部为细长线条形，沿长度方向尺寸远大于其宽度尺寸。

所述敏感电阻的长度方向沿传感器受拉伸方向，宽度方向垂直于长度方向。

所述波浪形结构为圆弧、椭圆弧、正弦曲线中的一种或几种的组合结构。

进一步地，还包括连接段，所述连接段用于连接敏感电阻。

进一步地，所述敏感电阻首尾两端分别连接引出线。

进一步地，所述基底的材料为聚酰亚胺、聚酯、酚醛树脂、环氧树脂中的一种。

所述敏感电阻材料为康铜、新康铜、镍铬合金、镍铬铝合金、铁铬铝合金、铂、铂钨合金等金属中的任一种；所述连接段的电阻为金或者铜。

所述封装膜包覆在所述基底与敏感电阻周围，所述封装膜材料为弹性硅胶薄膜。

本发明公开的技术效果为：

(1)本发明提供的电阻式曲率传感器，采用波浪形设计可以为传感器提供良好的拉伸性；同时敏感电阻以迂回形状布置在基底上，沿长度方向尺寸远大于其宽度尺寸保证了传感器的灵敏度和测量的准确性；

(2)相比于传统曲率传感器，该传感器结构简单，可以准确测量物体曲面的曲率，具有良好的拉伸性和较强的实用性，可在复杂测量环境中使用。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1是本发明提供的一种电阻式曲率传感器的三维图；

图2是一种电阻式曲率传感器的主视图；

图3是传感器基底和敏感电阻的波浪形结构示意图；

图4是图3所示结构的主视图；

图5是图3所示结构的局部放大示意图；

图6是测量被测物曲率的理论模型图；

附图标记：

1.基底，2.敏感电阻，3.封装膜，4.连接段，5.接线点。

具体实施方式

下面将参考附图并结合具体实施例来详细说明本发明。各个示例通过本发明的解释的方式提供而非限制本发明。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本发明包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。

一种电阻式曲率传感器，如图1所示，包括基底1、敏感电阻2和封装膜3，其中所述基底1为中间层，由绝缘材料制成，所述敏感电阻2分别固定在所述基底1上下两侧表面上与其构成三层叠层结构，所述敏感电阻2与所述基底1形成的叠层结构整体上为波浪形，实现所述电阻式曲率传感器的拉伸性；所述封装膜包覆在所述基底与敏感电阻周围，实现所述电阻式曲率传感器结构的固定和封装。使用过程中，整个曲率传感器贴附在被测物的表面，敏感电阻2随着基底1的弯曲一起发生变形，从而阻值发生变化，电阻变化的阻值经过电路处理后以电压信号的形式输出，最终根据曲率传感器上标定的电阻和曲率之间的关系得到被测物测量段的平均曲率值。

本方案中，所述敏感电阻2分布在所述基底1上下两侧，目的在于当传感器受到拉伸时，上下侧的敏感电阻2同时受拉伸，二者的电阻变化差值既可以抵消由于拉伸造成的电阻变化，从而保证曲率测量的准确性。

本方案中，如图3和图4所示，所述的基底1和敏感电阻2形成的三层叠层结构整体上为波浪形，所述的波浪形结构为曲率传感器在受拉伸面外有形如“波浪形”起伏状的结构，如图3所示，受拉伸面即为xy面，更具体地，，波浪形结构至少包括弧线段，所述的弧线段为结构中曲率变化较大的部分，在曲率传感器随被测物变形过程中，该曲率传感器上下两侧其中一侧的敏感电阻整体上受到拉伸，另一侧的敏感电阻整体上受到压缩，测量结果只和传感器两端的相对转角有关系，与中间部分的具体构型无关，传感器的该特性可以通过下列证明过程得到：

如图6所示为所述曲率传感器测量被测物曲率的理论模型，对于敏感电阻实际变形测量段长度为l的曲率传感器，A端和B端分别为所述电阻式曲率传感器的两端，且靠近两端存在一段未变形区域，θ_A和θ_B分别为A端和B端与x轴的夹角，传感器的中间部分为任意构型，Δθ为A端与B端的相对转角，在曲线坐标系s下取变形微元段有：

其中，ΔR_top和ΔR_bottom分别为基底1上下面上的敏感电阻变化的电阻值，K_S为传感器的灵敏度系数，ε_top和ε_bottom分别为基底1上下面上的敏感电阻的应变。根据梁理论有：

其中，t为基底厚度，r为曲线的曲率半径，结合dR/ds＝R/l，dθ/ds＝1/r两式，将式(1)积分可得：

又因为曲率κ为：

得：

即为所述微元段的平均曲率，可见其值大小只与传感器两端的相对转角有关系。

本方案中，如图3所示，所述敏感电阻2在基底表面整体为迂回形，局部为细长线条形，沿长度方向尺寸远大于其宽度尺寸。目的在于，一方面保证了整个敏感电阻的阻值，以便于测量方便；另一方面使传感器在一定的弯曲程度下，敏感电阻阻值变化最为明显，即增大曲率传感器的灵敏度。

本发明的一种实施方式中，如图3和图4所示由所述敏感电阻2和基底1构成的三层叠层结构为整体上为波浪形，为了简化计算过程，优选波浪形结构的弧线段为圆弧、椭圆弧、正弦曲线或余弦曲线中的一种或几种的组合结构，对于变化较为规律的圆弧、椭圆弧或者正弦曲线，在预测电阻变化值与应变之间的关系过程中相对较为容易。当然，本方案不限于上述列举的几种曲线形结构，也可以选用变化较为不规律的不对称的曲线结构。

本发明的一种实施方式中，如图1所示，还包括连接段4，用于连接相邻两段的敏感电阻2，以实现其电连接，具体的连接方式可以通过沉积金属导电薄膜进行连接，设置连接段目的在于传感器弯曲过程中，电阻变化主要为敏感电阻2引起的，减小连接段4电阻变化对于整个敏感电阻2阻值变化的影响。

本发明的一种实施方式中，整个传感器的敏感电阻首尾两端通过接线点5引出连接线，其中首尾两端敏感电阻2上布置了用于输出信号的连接点5，引出线可直接通过焊接方式引出，另外敏感电阻首尾两端可以在同一侧或者相对两侧。

本发明的一种实施方式中，基底1材料为聚酰亚胺、聚酯、酚醛树脂、环氧树脂中的一种，优选为聚酰亚胺薄膜；敏感电阻2材料为康铜、新康铜、镍铬合金、镍铬铝合金、铁铬铝合金、铂、铂钨合金等金属中的任一种，优选地为康铜，因为康铜电阻率温度系数低，不易受温度影响，在本方案的基础上，使用康铜作为敏感电阻2的材料，能够有效提高曲率传感器的热稳定性；封装膜3为弹性硅胶薄膜，既保证了整个波浪形结构在测量过程中不会错乱，又由于其具有一定的拉伸性，使得整个传感器可以拉伸；连接段4的材料为铜或者金，纯铜或者金电阻较小，敏感电阻系数较小，适合作为实现电连接的材料。

本发明的一种实施方式中，基底1的厚度通常为0.1-0.5mm，敏感电阻厚度通常小于0.01mm，优选为0.005mm。

实施例：

一种电阻式曲率传感器，其中基底和敏感电阻为波浪形结构，曲率传感器整体为以硅胶膜封装的薄膜状结构，基底材料为聚酰亚胺薄膜，敏感电阻为康铜。

尺寸设计：整个传感器长5cm，波浪形结构的直线段长0.5mm，圆弧段内侧半径为1mm，基底厚度为0.2mm，宽度为5mm，敏感电阻厚0.005mm，单根宽度为0.1mm。

敏感电阻材料本身弹性应变极限为0.3％，通过结构设计，保守预测可行量程达到70m^-1以上。

以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种电阻式曲率传感器，包括：基底、敏感电阻和封装膜，其特征在于，

所述基底为中间层，由绝缘材料制成，所述敏感电阻分布在所述基底上下两侧表面与所述基底构成三层叠层结构，该叠层结构整体上为波浪形构型，实现所述电阻式曲率传感器的拉伸性；所述封装膜包覆在所述基底与敏感电阻周围，实现所述电阻式曲率传感器结构的固定和封装。

2.根据权利要求1所述的曲率传感器，其特征在于，

所述敏感电阻在基底表面整体为迂回形，局部为细长线条形，沿长度方向尺寸远大于其宽度尺寸。

3.根据权利要求1所述的曲率传感器，其特征在于，

4.根据权利要求2所述的曲率传感器，其特征在于，

5.根据权利要求1-4任一项所述的曲率传感器，其特征在于，

还包括连接段，所述连接段用于连接敏感电阻。

6.根据权利要求1-4任一项所述的曲率传感器，其特征在于，

所述敏感电阻首尾两端分别连接引出线。

7.根据权利要求1-4任一项所述的曲率传感器，其特征在于，

所述基底的材料为聚酰亚胺、聚酯、酚醛树脂、环氧树脂中的一种。

8.根据权利要求1-4任一项所述的曲率传感器，其特征在于，

所述敏感电阻材料为康铜、新康铜、镍铬合金、镍铬铝合金、铁铬铝合金、铂、铂钨合金中的一种；所述连接段的材料为金或者铜。

9.根据权利要求1-4任一项所述的曲率传感器，其特征在于，

所述封装膜材料为弹性硅胶薄膜。