CN111863364B - 一种电阻应变片的打印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电阻应变片的打印方法，涉及应变片领域，电阻应变片包括基底层、功能层和封装层，通过计算剪滞效应系数和电阻应变片对基底层的增强效应系数，推导出各层刚度对电阻应变片应变传递效率耦合作用的关系，随后根据各层刚度对电阻应变片应变传递效率耦合作用的关系计算得出各层厚度，最后利用直书写打印方法分别打印出绝缘层、功能层和封装层，在电阻应变片设计阶段就考虑到电阻应变片各层对整体的影响，便于后续通过直书写打印方法打印电阻应变片，简化了电阻应变片的制作方法，提高了电阻应变片的精度。

Description

一种电阻应变片的打印方法
技术领域
本发明涉及应变片领域，尤其是一种电阻应变片的打印方法。
背景技术
电阻应变片是一种将被测物体上的应变变化转换成一种电信号的传感器件，金属箔式应变片由于其灵敏系数较为稳定以及加工集成度高的优点，在电阻应变片领域应用较为广泛。应变片通常由三部分组成，分别是基底层、功能层和封装层，同时对于金属基底层应变片，还需设置一层绝缘层。在应变片设计阶段，往往会忽略掉封装层对应变片应变传递效率的影响，由此对电阻应变片的应变传递效率造成一定的影响。
发明内容
本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种电阻应变片的打印方法，本发明的技术方案如下：
一种电阻应变片的打印方法，其特征在于，所述电阻应变片包括基底层、功能层和封装层，所述方法包括以下步骤：
根据各层的杨氏模量、各层的厚度、所述基底层的剪切模量和所述功能层的剪切模量计算得出剪滞效应系数；
根据各层的杨氏模量、所述基底层的厚度、所述电阻应变片的总厚度、增强效应权重系数计算得出所述电阻应变片对所述基底层的增强效应系数；
根据所述剪滞效应系数、所述电阻应变片对所述基底层的增强效应系数和所述功能层打印长度得出各层刚度对所述电阻应变片的应变传递效率耦合作用关系，所述应变传递效率耦合作用关系表示所述功能层的平均正应变和施加在所述基底层底部的均匀正应变的比值；
根据所述各层刚度对所述电阻应变片应变传递效率耦合作用的关系计算得出各层厚度；
按照计算得出各层厚度打印出电阻应变片。
其进一步的技术方案为，所述剪滞效应系数k表达式为：
Figure BDA0002600222540000021
式中
Figure BDA0002600222540000022
A＝Ec(tc-tf)
B＝Ec(tc-tf)+Eftf
C＝Ec(tc-tf)+Eftf
所述电阻应变片对所述基底层的增强效应系数λ表达式为：
Figure BDA0002600222540000023
式中Gs、Gf分别为所述基底层的剪切模量和所述功能层的剪切模量，tf、tc分别为所述功能层的厚度和所述封装层的厚度，Es、Ef、Ec为分别为所述基底层的杨氏模量、所述功能层的杨氏模量和所述封装层的杨氏模量，ts为所述基底层的厚度，tsg为所述电阻应变片的总厚度，a、b为权重系数。
其进一步的技术方案为，所述电阻应变片还包括绝缘层；
则所述计算得出剪滞效应系数，包括：
根据各层的杨氏模量、各层的厚度、所述基底层的剪切模量、所述绝缘层的剪切模量和所述功能层的剪切模量计算得出所述剪滞效应系数。
其进一步的技术方案为，所述电阻应变片还包括绝缘层；
则所述计算得出所述电阻应变片对所述基底层的增强效应系数，包括：
根据各层的杨氏模量、所述基底层的厚度、所述电阻应变片的总厚度、所述封装层对所述基底层的增强效应权重系数、所述功能层对所述基底层的增强效应权重系数和所述绝缘层对所述基底层的增强效应权重系数计算得出所述电阻应变片对所述基底层的增强效应系数。
其进一步的技术方案为，所述剪滞效应系数k表达式为：
Figure BDA0002600222540000024
式中
Figure BDA0002600222540000031
A＝Ec(tc-tf)
B＝Ec(tc-tf)+Eftf
C＝Ec(tc-tf)+Eftf+Ebtb
式中Gs、Gb、Gf分别为所述基底层的剪切模量、所述绝缘层的剪切模量和所述功能层的剪切模量，tb、tf、tc分别为所述绝缘层的厚度、所述功能层的厚度和所述封装层的厚度，Es、Eb、Ef、Ec为分别为所述基底层的杨氏模量、所述绝缘层的杨氏模量、所述功能层的杨氏模量和所述封装层的杨氏模量。
其进一步的技术方案为，所述电阻应变片对所述基底层的增强效应系数λ表达式为：
Figure BDA0002600222540000032
式中，Es、Eb、Ef、Ec为分别为所述基底层的杨氏模量、所述绝缘层的杨氏模量、所述功能层的杨氏模量和所述封装层的杨氏模量，ts为所述基底层的厚度，tsg为所述电阻应变片的总厚度，a、b、c为权重系数。
其进一步的技术方案为，其特征在于，所述各层刚度对所述电阻应变片应变传递效率耦合作用关系的表达式为：
Figure BDA0002600222540000033
式中εavg表示所述功能层的平均正应变，ε0表示施加在所述基底层底部的均匀正应变，λ表示所述电阻应变片对所述基底层的增强效应系数，L为所述功能层的打印长度，k为所述剪滞效应系数。
其进一步的技术方案为，当所述基底层为金属基底层时，所述按照计算得出各层厚度打印出电阻应变片，包括：
将所述绝缘层的打印材料放入搅拌机中搅拌后装入打印针筒中，将所述打印针筒放入离心机中进行离心，将离心后的所述打印针筒与气压控制阀连接后夹持在运动平台上，所述运动平台带动所述打印针筒运动、利用直书写打印方式直接在清洁过后的所述基底层上打印得到所述绝缘层，对打印得到的所述绝缘层进行固化；
进行所述功能层打印，将所述功能层的打印材料放入搅拌机中搅拌后装入打印针筒中，将所述打印针筒放入离心机中进行离心，将离心后的打印针筒与气压控制阀相连后夹持在运动平台上，所述运动平台带动所述打印针筒运动、利用直书写打印方式直接在所述绝缘层上打印得到所述功能层，对打印得到的所述功能层进行固化；
进行所述封装层打印，在所述绝缘层上涂抹封装层的打印材料，所述封装层覆盖所述功能层，对打印得到的所述封装层进行固化。
其进一步的技术方案为，当所述基底层为塑料基底层时，所述安装计算得出各层厚度打印出电阻应变片，包括：
将所述功能层的打印材料放入搅拌机中搅拌后装入打印针筒中，将所述打印针筒放入离心机中进行离心，将离心后的所述打印针筒与气压控制阀相连后夹持在运动平台上，所述运动平台带动所述打印针筒运动、利用直书写打印方法直接在清洁过后的所述基底层上打印得到所述功能层，对打印得到的所述功能层进行固化；
进行所述封装层打印，在所述塑料基底层上涂抹所述封装层的打印材料，所述封装层覆盖所述功能层，对打印得到的所述封装层进行固化。
本发明的有益技术效果是：利用连续力学推导出的各层刚度对电阻应变片应变传递效率的关系，随后计算得出各层厚度，通过直书写打印方法打印出绝缘层、功能层和封装层，在电阻应变片设计阶段就考虑到电阻应变片各层对整体的影响，有效降低了测量的复杂性同时具有较高的精度。
附图说明
图1是本发明的方法流程图。
图2是本发明电阻应变片的多层结构示意图。
图3是本发明电阻应变片的多层结构应变传递示意图。
图4是本发明的有限元模型的功能层的建模平面尺寸。
图5是本发明的有限元模型的网络划分图。
图6是本发明金属基底层电阻应变片的制作图。
图7是本发明塑料基底层电阻应变片的制作图。
图8是本发明的电阻应变片的样品图。
图9是本发明的电阻应变片的各项实验基本指标展示图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
如图1所示的方法流程图，本发明实施例提供了一种电阻应变片的打印方法，该方法包括：
步骤一：如图2和3所示，对于塑料基底层电阻应变片，电阻应变片包括基底层、功能层和封装层，对于金属基底层电阻应变片还包括有绝缘层，利用连续力学公式推导出各层刚度对电阻应变片应变传递效率耦合作用的关系表达式，
当基底层为塑料基底层时，首先计算剪滞效应系数k，则剪滞效应系数k表达式为：
Figure BDA0002600222540000051
式中
Figure BDA0002600222540000052
A＝Ec(tc-tf)
B＝Ec(tc-tf)+Eftf
C＝Ec(tc-tf)+Eftf
所述电阻应变片对所述基底层的增强效应系数λ表达式为：
Figure BDA0002600222540000053
式中Gs、Gf分别为所述基底层的剪切模量和所述功能层的剪切模量，tf、tc分别为所述功能层的厚度和所述封装层的厚度，Es、Ef、Ec为分别为所述基底层的杨氏模量、所述功能层的杨氏模量和所述封装层的杨氏模量，ts为所述基底层的厚度，tsg为所述电阻应变片的总厚度，a、b为权重系数。
当基底层为金属基底层时，则剪滞效应系数k表达式为：
Figure BDA0002600222540000054
式中
Figure BDA0002600222540000055
A＝Ec(tc-tf)
B＝Ec(tc-tf)+Eftf
C＝Ec(tc-tf)+Eftf+Ebtb
再计算电阻应变片对基底层的增强效应系数λ，当基底层为塑料基底层时，则电阻应变片对所述基底层的增强效应系数λ表达式为：
Figure BDA0002600222540000061
当基底层为金属基底层时，则表达式为：
Figure BDA0002600222540000062
式中，Es、Eb、Ef、Ec为分别为基底层的杨氏模量、绝缘层的杨氏模量、功能层的杨氏模量和封装层的杨氏模量，ts为基底层厚度，tsg为电阻应变片的总厚度，a、b、c为封装层、功能层和绝缘层对基底层的不同增强效应的权重系数，通过有限元模型仿真结果可以拟合得到a、b、c的值分别为0.00649、3.9313×10-4、5.76541×10-4。
最后得出各层刚度对电阻应变片应变传递效率耦合作用的关系的表达式：
Figure BDA0002600222540000063
式中εavg表示功能层的平均正应变，ε0表示施加在基底层底部的均匀正应变，λ表示直书写应变片对基底层的增强效应的系数，L为功能层的打印长度，k为剪滞效应系数。
步骤二：如图4和5所示，基于步骤1建立的解析方程与相应的有限元模型计算出电阻应变片的各层厚度，
当电阻应变片为金属基底层应变片时，首先，将绝缘层的材料进行充分混合搅拌后装入打印针筒中，随后对打印针筒放入离心机中进行离心，将打印针筒与气压控制阀连接后夹持在运动平台上，运动平台带动打印针筒运动在清洁过后的基底层上打印绝缘层，打印好后的绝缘层进行固化；
当电阻应变片为塑料基底层应变片时，由于塑料基底层对于功能层没有影响，则跳过该步骤。
进一步的，本申请公开一种实施例，当电阻应变片为金属基底层应变片时，使用铝合金金属作为电阻应变片的金属基底层的材料，使用环氧树脂作为打印绝缘层的材料；如图4所示，将金属基底层通过无水乙醇和脱脂棉清洁，随后使用环氧树脂在金属基底层上打印出电阻应变片的绝缘层，具体步骤为：环氧树脂包括环氧树脂A组和环氧树脂B组，环氧树脂B组和环氧树脂A组按质量比2:0.96混合后，随后利用行星搅拌机以2000rpm充分搅拌混合2分钟，之后装入打印针筒中，打印针筒放入离心机中以3000rpm离心3分钟，用于去除环氧树脂中的气泡，经过制作的环氧树脂黏度达到30000cP。随后将打印针筒与气压控制阀连接后，将打印针筒夹持在数控三轴运动平台上，为了取得较好的打印质量，将打印针筒的针头内径设置为250微米，打印线距为100微米，打印速度为5mm/s，挤出气压为25.5psi。
之后将打印样品放入烘箱中以60℃的温度烘干2小时或者在室温下放置3天进行固化。
步骤三：根据计算得出的电阻应变片各层厚度利用直书写打印方法打印出功能层，
如图6所示，当电阻应变片为金属基底层应变片时，则在绝缘层上打印功能层，如图7所示，当电阻应变片为塑料基底层应变片时，则清洗基底层后在基底层上打印功能层；
将功能层的打印材料搅拌后装入打印针筒中，再将打印针筒放入离心机中进行离心，离心后的打印针筒与气压控制阀相连后夹持在运动平台上，随后运动平台带动打印针筒运动打印功能层；
打印后的样品放入烘箱中或在室温下完成固化。
进一步的，本申请公开一种实施例，使用碳浆作为打印功能层的材料，当电阻应变片的基底层为铝合金金属基底层时，则在绝缘层上打印功能层；当电阻应变片为塑料基底层应变片时，则使用无水乙醇和脱脂棉充分清洁塑料基底层后在基底层上打印功能层；
具体步骤为：利用行星搅拌机将碳浆以2000rpm充分搅拌2分钟，之后装入针筒中，再以3000rpm离心搅拌3分钟，用于去除碳浆中的气泡。随后将打印针筒与气压控制阀连接后，将针筒夹持在数控三轴运动平台上，为了取得较好的打印质量，将针筒的针头内径设置为160微米，打印线距为100微米，打印速度为5mm/s，挤出气压为72.5psi，之后将打印样品放入烘箱中以120℃烘干15分钟或在室温下放置3天完成固化。
如图8所示，功能层平面尺寸分别为：Lstrip＝4840～4852微米，Lturning＝2419～2440微米，W＝376～384微米，D＝1522～1532微米。
步骤四，根据计算得出的电阻应变片各层厚度利用直书写打印方法打印出封装层，
当电阻应变片为金属基底层应变片时，则在绝缘层上涂抹封装层的打印材料；当电阻应变片为塑料基底层应变片时，则在基底层上涂抹封装层的打印材料。
进一步的，本申请公开一种实施例，使用硅胶制作封装层，当是金属基底层的电阻应变片，则在绝缘层上涂抹硅胶，封装层覆盖功能层。
若是塑料基底层的电阻应变片，则在基底层上涂抹硅胶，封装层覆盖功能层。
随后放置在室温下3天完成硅胶封装层的固化。
如图9所示，通过对多组实验值的取值，其平均灵敏系数为24.5，远大于商用金属箔式应变片的灵敏系数(2.17)。与商用金属箔式应变片的量程(约2％)对比，通过直书写打印出的电阻应变片的最大线性测量量程可大于8％，可测量应变极限大于40％。对应变幅值为2.4％的循环加载下的直书写应变片的实验结果进行分析，在50次拉伸循环内，直书写打印出来应变片的电阻相对变化率保持着较好的一致性。
与商用金属箔式应变片对比，本发明制造的电阻应变片无需在使用前单独利用胶粘剂粘贴在被测件表面，真正实现了“现用现打”及在线制造。与商用金属箔式应变片繁琐的制造工艺不同，利用直书写工艺打印应变片无需光刻制版等造成环境污染的流程，兼具成本低、流程简单方便及绿色环保的特点。
以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种电阻应变片的打印方法，其特征在于，所述电阻应变片包括基底层、功能层和封装层，所述方法包括以下步骤：
根据各层的杨氏模量、各层的厚度、所述基底层的剪切模量和所述功能层的剪切模量计算得出剪滞效应系数；
所述剪滞效应系数k表达式为：
Figure FDA0003075596710000011
式中
Figure FDA0003075596710000012
A＝Ec(tc-tf)
B＝Ec(tc-tf)+Eftf
C＝Ec(tc-tf)+Eftf
式中Gs、Gf分别为所述基底层的剪切模量和所述功能层的剪切模量，tf、tc分别为所述功能层的厚度和所述封装层的厚度，Es、Ef、Ec为分别为所述基底层的杨氏模量、所述功能层的杨氏模量和所述封装层的杨氏模量，ts为所述基底层的厚度；
根据各层的杨氏模量、所述基底层的厚度、所述电阻应变片的总厚度、增强效应权重系数计算得出所述电阻应变片对所述基底层的增强效应系数；
所述电阻应变片对所述基底层的增强效应系数λ表达式为：
Figure FDA0003075596710000013
式中tsg为所述电阻应变片的总厚度，a、b为权重系数；
根据所述剪滞效应系数、所述电阻应变片对所述基底层的增强效应系数和所述功能层打印长度得出各层刚度对所述电阻应变片的应变传递效率耦合作用关系，所述应变传递效率耦合作用关系表示所述功能层的平均正应变和施加在所述基底层底部的均匀正应变的比值；
根据所述各层刚度对所述电阻应变片应变传递效率耦合作用的关系计算得出各层厚度；
按照计算得出各层厚度打印出电阻应变片。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述各层刚度对所述电阻应变片应变传递效率耦合作用关系的表达式为：
Figure FDA0003075596710000021
式中εavg表示所述功能层的平均正应变，ε0表示施加在所述基底层底部的均匀正应变，λ表示所述电阻应变片对所述基底层的增强效应系数，L为所述功能层的打印长度，k为所述剪滞效应系数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述基底层为塑料基底层时，所述按照计算得出各层厚度打印出电阻应变片，包括：
将所述功能层的打印材料放入搅拌机中搅拌后装入打印针筒中，将所述打印针筒放入离心机中进行离心，将离心后的所述打印针筒与气压控制阀相连后夹持在运动平台上，所述运动平台带动所述打印针筒运动、利用直书写打印方法直接在清洁过后的所述基底层上打印得到所述功能层，对打印得到的所述功能层进行固化；
进行所述封装层打印，在所述塑料基底层上涂抹所述封装层的打印材料，所述封装层覆盖所述功能层，对打印得到的所述封装层进行固化。
4.一种电阻应变片的打印方法，其特征在于，所述电阻应变片包括基底层、功能层、封装层和绝缘层，所述方法包括以下步骤：
根据各层的杨氏模量、各层的厚度、所述基底层的剪切模量、所述绝缘层的剪切模量和所述功能层的剪切模量计算得出剪滞效应系数；
所述剪滞效应系数k表达式为：
Figure FDA0003075596710000022
式中
Figure FDA0003075596710000023
A＝Ec(tc-tf)
B＝Ec(tc-tf)+Eftf
C＝Ec(tc-tf)+Eftf+Ebtb
式中Gs、Gb、Gf分别为所述基底层的剪切模量、所述绝缘层的剪切模量和所述功能层的剪切模量，tb、tf、tc分别为所述绝缘层的厚度、所述功能层的厚度和所述封装层的厚度，Es、Eb、Ef、Ec为分别为所述基底层的杨氏模量、所述绝缘层的杨氏模量、所述功能层的杨氏模量和所述封装层的杨氏模量；
根据各层的杨氏模量、所述基底层的厚度、所述电阻应变片的总厚度、所述封装层对所述基底层的增强效应权重系数、所述功能层对所述基底层的增强效应权重系数和所述绝缘层对所述基底层的增强效应权重系数计算得出所述电阻应变片对所述基底层的增强效应系数；
所述电阻应变片对所述基底层的增强效应系数λ表达式为：
Figure FDA0003075596710000031
式中，Es、Eb、Ef、Ec为分别为所述基底层的杨氏模量、所述绝缘层的杨氏模量、所述功能层的杨氏模量和所述封装层的杨氏模量，ts为所述基底层的厚度，tsg为所述电阻应变片的总厚度，a、b、c为权重系数；
根据所述剪滞效应系数、所述电阻应变片对所述基底层的增强效应系数和所述功能层打印长度得出各层刚度对所述电阻应变片的应变传递效率耦合作用关系，所述应变传递效率耦合作用关系表示所述功能层的平均正应变和施加在所述基底层底部的均匀正应变的比值；
根据所述各层刚度对所述电阻应变片应变传递效率耦合作用的关系计算得出各层厚度；
按照计算得出各层厚度打印出电阻应变片。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述各层刚度对所述电阻应变片应变传递效率耦合作用关系的表达式为：
Figure FDA0003075596710000032
式中εavg表示所述功能层的平均正应变，ε0表示施加在所述基底层底部的均匀正应变，λ表示所述电阻应变片对所述基底层的增强效应系数，L为所述功能层的打印长度，k为所述剪滞效应系数。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，当所述基底层为金属基底层时，所述按照计算得出各层厚度打印出电阻应变片，包括：
将所述绝缘层的打印材料放入搅拌机中搅拌后装入打印针筒中，将所述打印针筒放入离心机中进行离心，将离心后的所述打印针筒与气压控制阀连接后夹持在运动平台上，所述运动平台带动所述打印针筒运动、利用直书写打印方式直接在清洁过后的所述基底层上打印得到所述绝缘层，对打印得到的所述绝缘层进行固化；
进行所述功能层打印，将所述功能层的打印材料放入搅拌机中搅拌后装入打印针筒中，将所述打印针筒放入离心机中进行离心，将离心后的打印针筒与气压控制阀相连后夹持在运动平台上，所述运动平台带动所述打印针筒运动、利用直书写打印方式直接在所述绝缘层上打印得到所述功能层，对打印得到的所述功能层进行固化；
进行所述封装层打印，在所述绝缘层上涂抹封装层的打印材料，所述封装层覆盖所述功能层，对打印得到的所述封装层进行固化。
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