CN112683156A - 一种柔性双向大应变传感器及其应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性双向大应变传感器及其应用方法，该传感器包括：柔性应变片、过渡连接板、伸缩框架、底部框架及调节旋钮；伸缩框架的开口端与底部框架的开口端对接，伸缩框架和底部框架之间形成矩形内腔；所述调节旋钮安装在伸缩框架与底部框架的对接处，通过调节旋钮，可带动伸缩框架与底部框架发生相对直线运动；所述柔性应变片通过过渡连接板安装在伸缩框架和底部框架之间的矩形内腔中；当通过调节旋钮调节伸缩框架的伸缩量，进而调整柔性应变片的预拉伸量；该传感器可以贴装在固体火箭发动机药柱表面，可感应并测量药柱的双向应变，测量应变范围大，解决了固体火箭发动机健康监测领域，药柱表面双向大应变难测量的问题。
Description
技术领域
本发明属于柔性应变传感器技术领域，具体涉及一种柔性双向大应变传感器及其应用方法。
背景技术
固体火箭发动机的药柱材料弹性模量较小，具有一定弹性，当受温度变化时药柱表面会产生应变，关注药柱的表面应变情况对研究固体火箭发动机健康状况具有重要意义。由于药柱的应变量较大，通常可达20％～40％，而且药柱为粘弹性材料，会产生正负双向应变。传统的柔性应变传感器虽然可以测量较大应变，但是只能测量单一方向的应变(即药柱的正向应变)，无法测量双向应变。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种柔性双向大应变传感器及其应用方法，该传感器可以贴装在固体火箭发动机药柱表面，可感应并测量药柱的双向应变，测量应变范围大，解决了固体火箭发动机健康监测领域，药柱表面双向大应变难测量的问题。
本发明是通过下述技术方案实现的：
一种柔性双向大应变传感器，包括：柔性应变片、过渡连接板、伸缩框架、底部框架及调节旋钮；
所述柔性应变片的两端分别设有引出焊点，用于焊接引出导线；
所述过渡连接板为环状结构，其内孔与所述柔性应变片的外形一致；
所述伸缩框架和底部框架均为U形结构；
整体连接关系如下：伸缩框架的开口端与底部框架的开口端对接，伸缩框架和底部框架之间形成矩形内腔；所述调节旋钮安装在伸缩框架与底部框架的对接处，通过调节旋钮，可带动伸缩框架与底部框架发生相对直线运动，实现伸缩框架的伸缩；
所述柔性应变片通过过渡连接板安装在伸缩框架和底部框架之间的矩形内腔中；当通过调节旋钮调节伸缩框架的伸缩量，进而调整柔性应变片的预拉伸量。
进一步的，所述伸缩框架和底部框架的两个竖直部分均为齿条；
所述调节旋钮的一端为齿轮；
所述伸缩框架的齿条与底部框架的齿条通过调节旋钮的齿轮连接，即所述齿轮的一侧与伸缩框架的齿条啮合，另一侧与底部框架的齿条啮合，且伸缩框架的齿条与底部框架的齿条平行；通过转动调节旋钮的齿轮，可以带动伸缩框架与底部框架发生相对直线运动，实现伸缩框架的伸缩。
进一步的，所述柔性应变片采用石墨烯或聚二甲基硅烷。
进一步的，所述柔性应变片上的两个引出焊点为表贴焊盘结构。
进一步的，所述过渡连接板采用硅橡胶材料或聚氨酯材料。
进一步的，所述伸缩框架和底部框架均采用金属材料。
进一步的，所述调节旋钮具有锁定功能。
基于上述一种柔性双向大应变传感器的应用方法，具体步骤如下：
第一步，对柔性应变片进行预拉伸，即通过调节旋钮调节伸缩框架的伸缩量，进而调整柔性应变片的预拉伸量，使得柔性应变片的线性拉伸范围大于被测物体的应变范围；
第二步，令柔性应变片的引出焊点所在面为所述应变传感器的上表面，所述上表面的相对面为所述应变传感器的下表面；
先在过渡连接板的下表面上涂上与粘结剂不容和的脱粘材料，然后在柔性应变片的下表面均匀涂上粘结剂；
第三步，将所述应变传感器粘装在被测物体的表面上；
第四步，待粘结剂固化后，采用小刀切割过渡连接板，将柔性应变片与伸缩框架及底部框架分离，取下伸缩框架及底部框架；
第五步，在柔性应变片的引出焊点上通过焊接引出导线，并通过导线与测试装置连接，开始对被测物体的应变测量；
进行应变测量时，柔性应变片的阻值改变量ΔR与被测物体的应变量Δx成正比，即ΔR＝k*Δx，k为常数；通过测量柔性应变片的阻值变化量，便可测得被测物体的应变量。
进一步的，令被测物体的应变范围为±a，柔性应变片的线性拉伸范围为b，则满足b≥2a，即调整到柔性应变片的预拉伸量为b/2。
进一步的，所述粘结剂选择H716柔性粘结剂。
有益效果：(1)本发明的柔性应变片在贴装前被预拉伸，因此，当被测物体的表面伸长或收缩时，柔性应变片均可随其进行同步的伸长或收缩，即柔性应变片可跟随被测物体进行双向应变，从而实现对被测物体正负双向应变的测量，量程范围大，且由于柔性应变片的弹性模量小，感应应变时处于屈服性伸缩状态，不会对被测物体应变产生额外影响；由于现有技术的应变片未被预拉伸，因此，现有的应变片只能随被测物体的表面伸长进行同步的伸长，而无法随被测物体的表面收缩进行同步的收缩，只能测量单一方向的应变。
(2)本发明的柔性应变片采用石墨烯或聚二甲基硅烷(PDMS)等柔性材料，可用于大应变测量，量程通常可达40％以上，远远超过普通应变传感器量程。
(3)本发明的柔性应变片固定在伸缩框架和底部框架之间的矩形内腔中，可通过调节框架的伸缩量进而调整柔性应变片的拉伸量，对柔性应变片进行预拉伸。
(4)本发明的过渡连接板下表面涂有与粘结剂不容和的脱粘材料，应变传感器粘装后，可通过小刀切割过渡连接板取下伸缩框架和底部框架。
附图说明
图1为本发明的结构组成图；
其中，1-柔性应变片，2-过渡连接板，3-伸缩框架，4-底部框架，5-调节旋钮，6-引出焊点。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
实施例1：
本实施例提供了一种柔性双向大应变传感器，参见附图1，包括：柔性应变片1、过渡连接板2、伸缩框架3、底部框架4及调节旋钮5；
所述柔性应变片1为矩形片，矩形片的两端分别设有引出焊点6，用于焊接引出导线；
所述过渡连接板2为矩形环，其内孔与所述柔性应变片1的外形一致；
所述伸缩框架3和底部框架4均为U形结构，伸缩框架3和底部框架4的两个竖直部分均为齿条；
所述调节旋钮5的一端为齿轮，另一端为旋钮；
整体连接关系如下：伸缩框架3的开口端与底部框架4的开口端对接，伸缩框架3和底部框架4之间形成矩形内腔；且伸缩框架3的齿条与底部框架4的齿条通过调节旋钮5的齿轮连接，即所述齿轮的一侧与伸缩框架3的齿条啮合，另一侧与底部框架4的齿条啮合，且伸缩框架3的齿条与底部框架4的齿条平行；通过转动调节旋钮5的齿轮，可以带动伸缩框架3与底部框架4发生相对直线运动，实现伸缩框架3的伸缩；
所述柔性应变片1通过过渡连接板2安装在伸缩框架3和底部框架4之间的矩形内腔中；其中，所述柔性应变片1安装在过渡连接板2的内孔中，所述过渡连接板2安装在所述矩形内腔中；通过调节旋钮5调节伸缩框架3的伸缩量，进而改变柔性应变片1的形变量，即调整柔性应变片1的预拉伸量，以实现感应双向应变；
其中，所述柔性应变片1为膜片结构，可感应较大应变，应变范围大于±40％；
所述柔性应变片1采用柔性材料，如石墨烯或聚二甲基硅烷(PDMS)，该柔性材料具有弹性大、拉伸量大的特点，且弹性模量小于1MPa，拉伸量大于100％，具有一定阻抗，而且阻抗值与材料拉伸量呈线性关系；可以通过测量材料阻抗值的变化，间接测量材料拉伸量变化；当柔性应变片1贴装在被测物体表面时，柔性材料的拉伸量等于被测物体的应变量，可以通过测量柔性应变片1的阻值变化间接测量被测物体的应变量；
所述柔性应变片1上的两个引出焊点6为表贴焊盘结构，可方便使用导线焊接，为柔性应变片1供电；
所述过渡连接板2采用绝缘材料，如硅橡胶材料或聚氨酯材料；该绝缘材料不会影响柔性应变片1的阻抗值，而且该绝缘材料的弹性模量接近或等于柔性应变片的弹性模量，与柔性应变片1连接后，不会影响柔性应变片1的伸缩；所述过渡连接板2的表面上涂有与粘结剂不容和的脱粘材料；
所述伸缩框架3和底部框架4均采用金属材料，起到固定柔性应变片1和预拉伸柔性应变片1的作用；
在本实施例中，柔性应变片1的材料选择石墨烯材料，过渡连接板2的材料选择硅橡胶材料，所述伸缩框架3和底部框架4均选择304不锈钢材料；
所述调节旋钮5具有锁定功能，当调整调整柔性应变片1的预拉伸量到设定值时，可通过调节旋钮5锁定该位置。
实施例2：
应用实施例1的一种柔性双向大应变传感器对被测物体的双向应变进行测量的方法，具体步骤如下：
本实施例中，被测物体为药柱；
第一步，对柔性应变片1进行预拉伸，即通过调节旋钮5调节伸缩框架3的伸缩量，进而调整柔性应变片1的预拉伸量，使得柔性应变片1的线性拉伸范围大于被测物体的应变范围，如：被测物体的应变范围为±a，柔性应变片1的线性拉伸范围为b，应满足b≥2a，即调整到柔性应变片1的预拉伸量为b/2；预拉伸完成后，通过调节旋钮5锁定拉伸位置；
第二步，令柔性应变片1的引出焊点6所在面为所述应变传感器的上表面，所述上表面的相对面为所述应变传感器的下表面；
先在过渡连接板2的下表面上涂上与粘结剂不容和的脱粘材料(以防过渡连接板2下表面粘上粘结剂后，不便与被测物体脱离)，然后在柔性应变片1的下表面均匀涂上粘结剂；粘结剂选择H716柔性粘结剂；
第三步，将所述应变传感器粘装在被测物体的表面上，并指压1min；由于过渡连接板2上与涂有脱粘材料，因此，粘结剂只能将柔性应变片1粘贴到被测物体上，而过渡连接板2与被测物体不粘连；
第四步，待粘结剂固化后，采用小刀切割过渡连接板2，将柔性应变片1与伸缩框架3及底部框架4分离，取下伸缩框架3及底部框架4；
第五步，在柔性应变片1的引出焊点6上通过焊接引出导线，并通过导线与测试装置连接，开始对被测物体的应变测量；
进行应变测量时，柔性应变片1的阻抗R与被测物体的拉伸量X之间成线性关系，即R＝k*X，k为常数；当柔性应变片1未贴装时，柔性应变片1的预拉伸量为b/2，柔性应变片1的初始阻值R0＝k*b/2，该初始阻值R0作为基准值；当柔性应变片1贴装到被测物体表面后，柔性应变片1的拉伸量的变化量与被测物体的应变量Δx相等；柔性应变片1产生应变，阻值由R0变化到R1，阻值改变量ΔR＝R1-R0；柔性应变片1的阻值改变量ΔR与被测物体的应变量Δx成正比，即ΔR＝k*Δx，通过测量柔性应变片1的阻值变化量，便可测得被测物体的应变量。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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 (10)
1.一种柔性双向大应变传感器，其特征在于，包括：柔性应变片(1)、过渡连接板(2)、伸缩框架(3)、底部框架(4)及调节旋钮(5)；
所述柔性应变片(1)的两端分别设有引出焊点(6)，用于焊接引出导线；
所述过渡连接板(2)为环状结构，其内孔与所述柔性应变片(1)的外形一致；
所述伸缩框架(3)和底部框架(4)均为U形结构；
整体连接关系如下：伸缩框架(3)的开口端与底部框架(4)的开口端对接，伸缩框架(3)和底部框架(4)之间形成矩形内腔；所述调节旋钮(5)安装在伸缩框架(3)与底部框架(4)的对接处，通过调节旋钮(5)，可带动伸缩框架(3)与底部框架(4)发生相对直线运动，实现伸缩框架(3)的伸缩；
所述柔性应变片(1)通过过渡连接板(2)安装在伸缩框架(3)和底部框架(4)之间的矩形内腔中；当通过调节旋钮(5)调节伸缩框架(3)的伸缩量，进而调整柔性应变片(1)的预拉伸量。
2.如权利要求1所述的一种柔性双向大应变传感器，其特征在于，所述伸缩框架(3)和底部框架(4)的两个竖直部分均为齿条；
所述调节旋钮(5)的一端为齿轮；
所述伸缩框架(3)的齿条与底部框架(4)的齿条通过调节旋钮(5)的齿轮连接，即所述齿轮的一侧与伸缩框架(3)的齿条啮合，另一侧与底部框架(4)的齿条啮合，且伸缩框架(3)的齿条与底部框架(4)的齿条平行；通过转动调节旋钮(5)的齿轮，可以带动伸缩框架(3)与底部框架(4)发生相对直线运动，实现伸缩框架(3)的伸缩。
3.如权利要求1所述的一种柔性双向大应变传感器，其特征在于，所述柔性应变片(1)采用石墨烯或聚二甲基硅烷。
4.如权利要求1所述的一种柔性双向大应变传感器，其特征在于，所述柔性应变片(1)上的两个引出焊点(6)为表贴焊盘结构。
5.如权利要求1所述的一种柔性双向大应变传感器，其特征在于，所述过渡连接板(2)采用硅橡胶材料或聚氨酯材料。
6.如权利要求1所述的一种柔性双向大应变传感器，其特征在于，所述伸缩框架(3)和底部框架(4)均采用金属材料。
7.如权利要求1所述的一种柔性双向大应变传感器，其特征在于，所述调节旋钮(5)具有锁定功能。
8.基于权利要求1所述的一种柔性双向大应变传感器的应用方法，其特征在于，具体步骤如下：
第一步，对柔性应变片(1)进行预拉伸，即通过调节旋钮(5)调节伸缩框架(3)的伸缩量，进而调整柔性应变片(1)的预拉伸量，使得柔性应变片(1)的线性拉伸范围大于被测物体的应变范围；
第二步，令柔性应变片(1)的引出焊点(6)所在面为所述应变传感器的上表面，所述上表面的相对面为所述应变传感器的下表面；
先在过渡连接板(2)的下表面上涂上与粘结剂不容和的脱粘材料，然后在柔性应变片(1)的下表面均匀涂上粘结剂；
第三步，将所述应变传感器粘装在被测物体的表面上；
第四步，待粘结剂固化后，采用小刀切割过渡连接板(2)，将柔性应变片(1)与伸缩框架(3)及底部框架(4)分离，取下伸缩框架(3)及底部框架(4)；
第五步，在柔性应变片(1)的引出焊点(6)上通过焊接引出导线，并通过导线与测试装置连接，开始对被测物体的应变测量；
进行应变测量时，柔性应变片(1)的阻值改变量ΔR与被测物体的应变量Δx成正比，即ΔR＝k*Δx，k为常数；通过测量柔性应变片(1)的阻值变化量，便可测得被测物体的应变量。
9.如权利要求8所述的一种柔性双向大应变传感器的应用方法，其特征在于，令被测物体的应变范围为±a，柔性应变片(1)的线性拉伸范围为b，则满足b≥2a，即调整到柔性应变片(1)的预拉伸量为b/2。
10.如权利要求8所述的一种柔性双向大应变传感器的应用方法，其特征在于，所述粘结剂选择H716柔性粘结剂。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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