CN113358018A - 一种锥形杆系金刚石点阵结构、应变传感器及测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于传感器相关技术领域，其公开了一种锥形杆系金刚石点阵结构、应变传感器及测量系统。该点阵结构单胞包括四个子单元，其中：每个子单元包括顶点相交于一点的四个锥形杆，每个锥形杆中包括两个结构相同且共底面的锥形体，子单元之间通过该子单元中的锥形杆顶点相互连接，相连的四个子单元形成金刚石点阵结构单胞，以此形成锥形杆系金刚石点阵结构。所述应变传感器包括电容以及设置在电容上电极板和下电极板之间的金刚石点阵结构，所述金刚石点阵结构由多个锥形杆系金刚石点阵结构单胞呈阵列空间排布在所述上电极板和下电极板之间。通过本发明，解决传统电容式应变传感器存在的检测范围窄、无法可重复以及承载性能低等问题。

Description

一种锥形杆系金刚石点阵结构、应变传感器及测量系统

技术领域

本发明属于传感器相关技术领域，更具体地，涉及一种锥形杆系金刚石点阵结构、应变传感器及测量系统。

背景技术

激光增材制造近年来受到越来越多的关注，它将三维复杂模型进行二维分解简单化，通过层层激光扫描成形堆积，最终获得三维实体产品。该成形工艺有利于成形复杂结构。另外，镍钛形状记忆合金具有良好的应用前景，得益于增材制造技术的发展，成形镍钛记忆合金复杂功能构件、拓宽形状记忆合金应用范围将成为可能。

随着柔性电子工程及传感器技术的发展，柔性电子功能领域对于高性能传感器提出了迫切的需求和更高的要求。目前，传统的电容式应变传感器存在着检测范围窄、无法可重复以及承载性能低等问题。虽然可尝试通过将杆系点阵结构加入到电容器中间可以提高电容性承载性能，但可回复应变小导致检测范围窄的问题依然没有得到解决；其次，如何进行精密成形复杂杆系点阵结构也是重要的问题之一。因此，急需一种检测范围宽，可重复使用以及承载性高的传感器。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种锥形杆系金刚石点阵结构、应变传感器及测量系统，通过设计镍钛形状记忆合金锥形杆系金刚石点阵结构电容器，以解决传统电容式应变传感器存在的检测范围窄、无法可重复以及承载性能低等问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种锥形杆系金刚石点阵结构，该点阵结构包括四个子单元，其中：每个子单元包括顶点相交于一点的四个锥形杆，每个锥形杆中包括两个结构相同且共底面的锥形体，子单元之间通过该子单元中的锥形杆顶点相互连接，相连的四个子单元形成金刚石结构，以此形成锥形杆系的金刚石点阵结构。

进一步优选地，所述锥形体的底面直径为D，顶面直径为d，二者之间的比值D/d大于等于2。

进一步优选地，所述点阵结构的材料为镍钛形状记忆合金。

进一步优选地，所述点阵结构采用激光选区熔化成形。

进一步优选地，所述激光选区熔化成形中激光功率为100W～250W，扫描速度为200mm/s～1000mm/s。

进一步优选地，相连的锥形杆之间的夹角为120°。

按照本发明的另一个方面，提供了一种利用上述所述的金刚石点阵结构形成的应变传感器，该应变传感器包括电容以及设置在电容上电极板和下电极板之间金刚石点阵结构，一个金刚石点阵结构为一个单胞，多个单胞呈阵列空间排布在所述上电极板和下电极板之间。

按照本发明的又一个方面，提供了一种上述所述的应变传感器进行应变测量的测量系统，其特征在于，该测量系统包括串联形成回路的应变传感器、电源、电流检测装置，所述电流检测装置用于检测并显示应变传感器发生形变后产生的电流变化。

进一步优选地，所述电流检测装置中显示的数值按照下列关系式计算获得：

其中，ΔQ是电流的变化，ε是应变，S是点阵介质的横截面积，dz是电容上电极板和下电极板之间的原始间距，F是外载荷，d是锥形杆系的顶面直径，a是金刚石点阵结构的边长，γ是常数系数，U是电压。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：

1.本发明用于采用的金刚石点阵结构由锥形杆系金刚石点阵结构单胞呈阵列空间排布，点阵结构单胞中锥形杆的中间直径最大，锥形化的杆系点阵结构比传统点阵结构具有更大的应变或位移距离，从而具有更宽的调控范围，比传统结构电流变化范围至少提高50％以上；

2.本发明中提供的镍钛形状记忆合金作为结构材料基体，借助镍钛合金超弹性和形状记忆效应，使应变传感器在发生大变形后，能够在外界刺激下回复到原来的构型，从而能往复使用，相比传统结构材料，在超过最大抗压强度后即发生断裂失效更具有经济效益；

3.本发明中采用的镍钛形状记忆合金和锥形化杆系金刚石点阵结构，这两个材料及结构的选取与设计是相得益彰的，镍钛形状记忆合金具有金属材料的刚度，使得整体电容器具有较好的力学承载能力；所具备的特殊激光选区熔化成形工艺下的超弹性与形状记忆效应与锥形化杆系金刚石点阵结构一样，使得电容板的可回复应变增大，从而增大了传感器的检测范围；

4.本发明提供的激光选区熔化成形镍钛形状记忆合金，其成形自由度较大，相比较传统的制造方法而言，其成形精度更高，制造结构的复杂度更高；

5.本发明通过将普通的杆系结构锥形化，可以提高电容器的可回复应变范围，从而能增大外载荷的检测能力，加上4D打印镍钛形状记忆合金作为结构材料的基体，使其超弹性和形状记忆效应的物理特性与结构特殊构型设计相结合，进一步提升其应变范围和检测范围，以促进高性能传感器构件的设计与制造研究；此外还增加了可重复使用性。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的锥形化杆系金刚石点阵结构单胞示意图；

图2是按照本发明的优选实施例应变传感器中锥形化杆系金刚石点阵结构电容板的压缩-回复的原理示意图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的测量系统的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-锥形杆，2-金刚石点阵结构单胞，3-上电极板，4-点阵结构介质，5-下电极板，6-电容器，61-压缩状态的电容器，62-热回复状态的电容器，7-连接线路，8-电流检测装置，9-灯泡，10-电源。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明提供的锥形杆1所组成的金刚石点阵结构单胞2，该单胞结构包括16个中间凸起两端凹陷的锥形杆1，任意两个相连的锥形杆之间呈120°夹角，且杆系点阵结构为金刚石点阵结构等边长，单胞边长为a，点阵结构单胞中锥形杆的中间直径最大，其值为D，端部直径最低，其值为d，且D/d等于2，锥形杆长度为l。

如图2所示，在电容器6中，将锥形杆系金刚石点阵结构单胞空间排布成7×7×1的结构构型形成点阵结构介质4，放置在上电极板3和下电极板5之间，构成镍钛锥形杆系点阵结构应变传感器，上下电极板的原始间距为dz，电容板正对着的面积S等于点阵结构的所占空间的横截面积S。该应变传感器的上电极板3在外载荷F的作用下放在压缩应变，应变大小为Δz/dz，即向下位移了Δz的距离，形成了整体镍钛锥形杆系点阵结构电容器压缩状态，如图2中所示的压缩状态的电容器61。应力σ与应变ε的关系式为：

σ＝Eε

其中，E是点阵结构竖直方向上的弹性模量；而锥形杆系金刚石点阵结构的E与结构几何尺寸的关系为：

其中，γ为常数系数。那么，外载荷F所导致的向下的位移量与杆系金刚石点阵结构几何参数的关系为：

根据，电容板中电容的计算公式来获取外载荷作用下电容的变化：

依据上述公式，获得电流检测装置所检测到的电流量的变化为：

ΔQ＝ΔC·U

综上所述，在由于外载荷F的作用下，上电极板3发生向下的位移量Δz，由此产生的电流检测8所显示的数值为：

由于镍钛形状记忆合金的超弹性与形状记忆效应，该锥形杆系金刚石点阵结构在外热源的作用下会发生回复变形，回复到压缩前的构型，即整体镍钛锥形杆系点阵结构电容器加热回复状态，如图2中所示的回复状态的电容器62，可以实现反复的应变测量功能。如图3所示，将该应变传感器与连接线路7、电流检测装置8、灯泡9以及电源10连接到一起，组成如图3所示的测量系统。测量系统中连接线路7用于传输电流信号，电流检测装置8用于接收传感器发生形变后的电流变化信号，并将信号显示，灯泡9用于检测电路是否处于连通状态，电源10用于向测量系统提供电源。

在上述方案的基础上，在一些优选地实施方案中，整体镍钛锥形杆系点阵结构应变传感器中，所选的杆系点阵结构为金刚石点阵结构，且其单胞边长与杆单元长度固定。

优选地，点阵结构单胞中锥形杆的中间直径最大，其值为D，端部直径最低，其值为d，且D/d大于或等于2。

上述杆系金刚石点阵结构单胞中，锥形杆1之间呈空间笛卡尔坐标系阵列排布，相邻杆单元间存在相连接的特征，且相邻杆单元的连接方式为共用节点，每一个共用节点，连接4个锥形杆单元，此种周期性阵列排布的方式为点阵结构现有技术，在此不做过多赘述。

另外，所有杆系金刚石点阵结构构件通过4D打印镍钛形状记忆合金制作完成，主要工艺过程如下：

设计与电容板相匹配的构件模型，并利用Materialise Magics软件离散成层，并将离散后的文件导入打印设备中去。打印装备进行层层打印加工，每层完成后，基板下降一层，再继续完成第二层的打印，以此循序，层层叠加，直至零件的所有离散层打印完毕。从基板取出零件，必要时，采用喷丸和打磨等后处理改善构件表面质量与改善打印材料的内部组织结构。

将上述的单胞结构及其阵列方式应用在不同的工程装备或设施表面，如飞机蒙皮，柏油马路路面等。主要措施为将上电极板3置于待测位置表面，上电极板的上下位移的变化，通过电流检测装备8获得应变感应，基于上述公式可计算出外载荷F的大小。

综上所示，本发明提出一种4D打印可回复应变传感器的设计及其应用，通过4D打印镍钛记忆合金杆系点阵结构，添加该结构装配到电容板之间，并连接到带有电源的线路中，构成智能应变传感器；该传感器的工作原理为：将电容器的上电极板置身检测环境中，其上电极板在外载荷下发生压缩或拉伸的位移，会使线路中的电流量发生变化，其外载荷的数值大小可通过检测电流量的变化来获得检测效果。其中，构成杆系点阵结构的杆件为中间凸起的锥形形态，中间直径D大于或等于端部直径d的两步，该形态可以增大电容器的可回复的应变或位移距离，从而能提高应变传感器的检测范围；其次，镍钛记忆合金的超弹性及形状记忆效应可以将承受外载荷后的向下位移的上电极板在外界刺激下再回复到原有构型，从而能往复使用该传感器，提高4D打印应变传感器的经济效益和重复实使用性。通过本发明，解决传统的点阵结构设计无法满足较大的应变感应范围、无法重复使用应变传感器的问题。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种锥形杆系金刚石点阵结构，其特征在于，该点阵结构包括四个子单元，其中：每个子单元包括顶点相交于一点的四个锥形杆，每个锥形杆中包括两个结构相同且共底面的锥形体，子单元之间通过该子单元中的锥形杆顶点相互连接，相连的四个子单元形成金刚石结构，以此形成锥形杆系的金刚石点阵结构。

2.如权利要求1所述的一种锥形杆系金刚石点阵结构，其特征在于，所述锥形体的底面直径为D，顶面直径为d，二者之间的比值D/d大于等于2。

3.如权利要求1所述的一种锥形杆系金刚石点阵结构，其特征在于，所述点阵结构的材料为镍钛形状记忆合金。

4.如权利要求1所述的一种锥形杆系金刚石点阵结构，其特征在于，所述点阵结构采用激光选区熔化成形。

5.如权利要求4所述的一种锥形杆系金刚石点阵结构，其特征在于，所述激光选区熔化成形的成形参数范围为：激光功率为100W～250W，扫描速度为200mm/s～1000mm/s。

6.如权利要求1所述的一种锥形杆系金刚石点阵结构，其特征在于，相连的锥形杆之间的夹角为120°。

7.一种利用权利要求1-6任一项所述的金刚石点阵结构形成的应变传感器，其特征在于，该应变传感器包括电容以及设置在电容上电极板和下电极板之间金刚石点阵结构，一个金刚石点阵结构为一个单胞，多个单胞呈阵列空间排布在所述上电极板和下电极板之间。

8.一种利用权利要求7所述的应变传感器进行应变测量的测量系统，其特征在于，该测量系统包括串联形成回路的应变传感器、电源、电流检测装置，所述电流检测装置用于检测并显示应变传感器发生形变后产生的电流变化。

9.如权利要求8所述的测量系统，其特征在于，所述电流检测装置中显示的数值按照下列关系式计算获得：

其中，ΔQ是电流的变化，ε是应变，S是点阵结构介质的横截面积，dz是电容上电极板和下电极板之间的原始间距，F是外载荷，d是锥形杆系的顶面直径，a是金刚石点阵结构单胞的边长，γ是常数系数，U是电压。

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