CN114322744A - 通过疲劳调控提高直书写打印应变片敏感系数的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过疲劳调控提高直书写打印应变片敏感系数的制作方法，涉及直书写打印应变片技术领域，该方法利用直书写打印技术在柔性基底上打印初始应变片后，对柔性基底施加拉伸循环的疲劳载荷、带动初始应变片发生循环变形，并在施加疲劳载荷的过程中监测初始应变片的电阻值；当根据初始应变片的电阻值确定性能稳定性达到预定要求时，停止施加疲劳载荷并制作得到成品应变片。该方法在直书写打印制作初始应变片后，利用疲劳加载对初始应变片进行性能调控，最终制作得到成品应变片，可以显著提高应变片的敏感系数，同时提高其线性度和性能稳定性，保证后期使用过程中的测量精度。

Description

通过疲劳调控提高直书写打印应变片敏感系数的制作方法

技术领域

本发明涉及直书写打印应变片技术领域，尤其是一种通过疲劳调控提高直书写打印应变片敏感系数的制作方法。

背景技术

应变片是力学测量常用元件，与传统金属应变片相比，基于导电浆料的直书写打印的应变片能够实现更的大变形和更高的敏感系数，因此能够大大拓展应变片的应用范围。但是直书写打印得到的应变片的性能不够稳定，尤其是在交变载荷作用下测量得到的数据容易发生非预期漂移而导致测量精度降低。

发明内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种通过疲劳调控提高直书写打印应变片敏感系数的制作方法，本发明的技术方案如下：

一种通过疲劳调控提高直书写打印应变片敏感系数的制作方法，该方法包括：

利用直书写打印技术在柔性基底上打印初始应变片；

对柔性基底施加拉伸循环的疲劳载荷、带动初始应变片发生循环变形，并在施加疲劳载荷的过程中监测初始应变片的电阻值；

当根据初始应变片的电阻值确定性能稳定性达到预定要求时，停止施加疲劳载荷并制作得到成品应变片。

其进一步的技术方案为，初始应变片包括电阻丝以及电阻丝两端的电极，电阻监测设备连接初始应变片的两端的电极监测初始应变片的电阻值，且电阻监测设备与初始应变片的电极的连接处与柔性基底间隔预定距离而不接触。

其进一步的技术方案为，利用直书写打印技术在柔性基底上打印初始应变片，包括：

在柔性基底表面制作隔离薄膜，隔离薄膜部分覆盖柔性基底；

利用直书写打印技术在柔性基底的表面打印初始应变片，且初始应变片的电阻丝打印形成于柔性基底相对于隔离薄膜外露的区域的表面，初始应变片的电极打印形成于隔离薄膜的表面；

将隔离薄膜从柔性基底的表面剥离，制作得到初始应变片。

其进一步的技术方案为，电阻监测设备通过导线连接初始应变片的电极，电极与导线的连接处采用环氧树脂粘接与封装。

其进一步的技术方案为，柔性基底上打印有多个初始应变片，通过对柔性基底施加拉伸循环的疲劳载荷，制作得到多个成品应变片。

其进一步的技术方案为，当初始应变片的电阻值的变化范围在第一波动范围内时，确定性能稳定性达到预定要求。

其进一步的技术方案为，根据初始应变片的电阻值的变化范围计算得到的敏感系数，当敏感系数的变化范围在第二波动范围内时，确定性能稳定性达到预定要求。

其进一步的技术方案为，初始应变片的敏感系数为GF＝ΔR/Δε，其中ΔR为初始应变片的电阻值的变化范围，Δε为对柔性基底施加的疲劳载荷。

其进一步的技术方案为，成品应变片的敏感系数大于初始应变片。

其进一步的技术方案为，成品应变片的敏感系数的稳定性高于初始应变片。

本发明的有益技术效果是：

本申请公开了一种通过疲劳调控提高直书写打印应变片敏感系数的制作方法，该方法在直书写打印制作初始应变片后，利用疲劳加载对初始应变片进行性能调控，最终制作得到成品应变片，可以显著提高应变片的敏感系数，同时提高其线性度和性能稳定性，保证后期使用过程中的测量精度。

另外将初始应变片的电极与导线连接处进行封装与应变隔离，可以避免柔性基底变形传递至电极与导线连接处导致两者接触不良问题，避免因此带来的误差，使得调控更准确。

利用疲劳载荷对直书写打印的初始应变片进行性能调控，无需改变直书写打印的工艺，且无需增加打印材料和制造流程，较为方便、简单，可以解决直书写打印应变片的敏感性能和抗疲劳性能的精确调控问题。

附图说明

图1是一个实施例中通过疲劳调控提高直书写打印应变片敏感系数的制作方法的方法流程图。

图2是一个实施例中对柔性基底施加疲劳载荷的示意图。

图3是在柔性基底表面制作形成初始应变片的制作流程图。

图4是用于制备环氧树脂材料的设备结构图。

图5是敏感系数随着疲劳载荷施加周期的变化图。

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。

本申请公开了一种通过疲劳调控提高直书写打印应变片敏感系数的制作方法，请参考图1所示的流程图，该方法包括如下步骤：

步骤102，利用直书写打印技术在柔性基底上打印初始应变片。

柔性基底采用柔性材料制成，比如聚氨酯-PU。在柔性基底上打印初始应变片时使用的直书写打印技术为现有的直书写打印的工艺。请参考图2，在柔性基底210上打印的初始应变片220包括形成为敏感栅的电阻丝221，以及电阻丝221两端的电极222。在一个实施例中，初始应变片220的电极222与柔性基底210之间间隔预定距离而不接触，防止后续柔性基底变形传递至电极处产生影响。

为了保护初始应变片220，如图2所示，初始应变片与柔性基底210之间还制作有绝缘层230、初始应变片表面还制作有封装层240，以保护初始应变片，绝缘层230和封装层240均可以采用环氧树脂材料制作形成。绝缘层230制作形成于柔性基底210上，初始应变片220打印形成于绝缘层230上，再制作一层封装层240对初始应变片220进行上表面的封装。则在该实施例中，初始应变片220的电极222处的绝缘层230与柔性基底210之间间隔预定距离而不接触，而电阻丝221处的绝缘层230直接与柔性基底210接触。

一个实施例提供的初始应变片的打印流程如下，请结合图3，以制作绝缘层230和封装层240为例：

(1)制备柔性基底210。选取合适材料的柔性基底，并进行清洁。在一个实施例中，使用超声波清洗机在95％乙醇中充分清洗柔性基底210约30分钟并干燥，以去除柔性基底210表面油脂和污渍。

(2)在柔性基底210表面制作隔离薄膜250，隔离薄膜250部分覆盖柔性基底210，也即柔性基底210存在部分区域相对于隔离薄膜250外露。隔离薄膜250具体铺设的区域、材料和厚度可以根据实际情况调节，比如可以采用比如聚酰亚胺(PI)材料，隔离薄膜250的厚度为12.5μm。

在一个实施例中，初始应变片220的电阻丝221呈一字形，则可以在柔性基底210表面制作两段隔离薄膜250，柔性基底210在两段隔离薄膜250之间的区域外露，两段隔离薄膜250之间的距离与初始应变片220的电阻丝221的长度匹配。比如一个实施例中，隔离薄膜250之间的距离为5mm。

(3)在柔性基底210上制作绝缘层230，绝缘层230覆盖初始应变片220的制作区域，且至少覆盖隔离薄膜250的部分表面以及柔性基底210相对于隔离薄膜250外露的区域。

绝缘层230的具体覆盖区域根据所要制作的初始应变片220的规格以及隔离薄膜250的结构确定，比如在上述举例中，当柔性基底210表面制作有两段间隔的隔离薄膜250时，绝缘层230覆盖柔性基底210在两段隔离薄膜250之间外露的区域以及两侧的隔离薄膜250的部分区域。

在一个实施例中，同样采用直书写打印技术打印绝缘层230，且绝缘层230选用的自流平材料为室温粘度约为10000mPa·s的柔性环氧树脂(DP190Translucent，3M)，打印采用的工艺参数为：针头内径为260μm、打印线距为200μm、驱动气压为0.15MPa、打印速度为10mm/s。绝缘层230在71℃下热固化2小时，绝缘层的平面尺寸为20×10mm，厚度为39.6±2.9μm。

在一个实施例中，预先制备用于打印绝缘层230和封装层240的材料，如图4所示，为了在打印环氧树脂绝缘层或封装层的同时以体积比1:1的比例混合双组分环氧树脂结构胶，将1:1气动胶枪固定在计算机控制的三轴运动平台机械臂上，胶枪与点胶机连接。按照预定的程序，通过气压驱动胶枪的推杆同步挤出1:1胶筒包装中的B/A组分，并经由16节静态混合管搅拌均匀环氧树脂双组分，最后由点胶针头挤出。

(4)利用直书写打印技术在绝缘层230上打印初始应变片220，打印得到的初始应变片220的电阻丝221打印形成于柔性基底相对于隔离薄膜外露的区域的表面，初始应变片的电极222打印形成于隔离薄膜250的表面。当有绝缘层230时，电阻丝221打印在柔性基底210表面的绝缘层230上，电极222打印在隔离薄膜250表面的绝缘层230上。

在一个实施例中，初始应变片220选用的自流平材料为室温粘度约为30000±6500mPa·s的丝印碳浆(CH-8(MOD2)，JELCON)，在打印之前，首先通过脱泡搅拌机在真空下以2000rpm的转速搅拌丝印碳浆3分钟，然后将搅拌均匀的丝印碳浆转移到5cc的点胶针筒中，并使用高速离心机在3000rpm的转速下离心3分钟以去除材料中的气泡。打印采用的工艺参数为：针头内径为210μm、驱动气压为0.25MPa、打印速度为5mm/s，并在60℃下预固化30min。制作得到的初始应变片的纵栅长度和宽度分别为15mm和424.5±11.6μm，厚度为20.7±1.5μm。

为了便于后续电性连接，这里使用同一种碳浆将作为导线260的铜丝与作为敏感丝(电阻丝221)两侧的导线端(也即电极222)连接，并在80℃下热固化3小时。

(5)在初始应变片220表面制作封装层240，封装层240覆盖初始应变片220，尤其至少覆盖初始应变片220的电阻丝221，使得导线260外露。

在一个实施例中，同样采用直书写打印技术打印封装层240，且封装层240选用的自流平材料为室温粘度约为10000mPa·s的柔性环氧树脂(DP190Translucent，3M)，打印采用的工艺参数为：针头内径为260μm、打印线距为200μm、驱动气压为0.15MPa、打印速度为10mm/s，并在71℃下热固化2小时。封装层240的平面设计尺寸为7×10mm，厚度为79.5±5.3μm。

在一个实施例中，由于初始应变片的电极222处表面不平整，通过直书写打印技术在这个区域制作得到的封装层240的质量欠佳，因此使用同一种自流平材料手动密封电极与导线的连接处，并在71℃下热固化2小时，使得电极222与导线260的连接处同样采用环氧树脂粘接与封装。

(6)将隔离薄膜250从柔性基底210的表面剥离，制作得到初始应变片。

步骤104，对柔性基底施加拉伸循环的疲劳载荷、带动初始应变片发生循环变形，并在施加疲劳载荷的过程中监测初始应变片的电阻值。

在一个实施例中，将柔性基底一端夹持在疲劳试验机配套的平板液压夹具上，固定柔性基底的顶部，为柔性基底的底端施加一系列频率为0.5Hz的三角波形脉动循环位移载荷，加载示意图如图2所示。在该实施例中，当初始应变片的电阻丝呈一字形结构时，一般沿着电阻丝的长度方向施加拉伸循环的疲劳载荷，且在施加时，具体根据材质力学特性施加不同的疲劳载荷Δε。

电阻监测设备通过导线连接初始应变片的电极监测初始应变片的电阻值，记录疲劳实验过程中电阻值的变化，如上所述在制作初始应变片时，留下了外露的导线260，通过电阻监测设备连接该导线260即能实现对电阻值的监测。电阻监测设备比如常见的万用表，设置仪器允许的最大采样频率(～20Hz)来确保采集到的电阻数据曲线足够平滑。用橡皮筋将疲劳试验机配套的电子引伸计安装在柔性基底中部的初始应变片区域以记录标距(长度为10mm)段内施加到初始应变片上的应变。

由于初始应变片220的电极222处不与柔性基底210直接接触，因此电阻监测设备与初始应变片的电极的连接处与柔性基底间隔预定距离而不接触。这样可以避免柔性基底210变形引出初始应变片端部的变形，由于初始应变片端部的变形会导致输出误差，因此这一操作可以减小误差。

步骤106，当根据初始应变片的电阻值确定性能稳定性达到预定要求时，停止施加疲劳载荷并制作得到成品应变片。

在采集到电阻数据曲线时，即可以确定初始应变片的电阻值的变化范围ΔR，一种情况时，当当初始应变片的电阻值的变化范围在预设的第一波动范围内时，也即当电阻值基本稳定时，确定性能稳定性达到预定要求，此时停止加载完成制作。

另一种情况时，根据初始应变片的电阻值的变化范围计算得到的敏感系数，具体的，敏感系数为GF＝ΔR/Δε，其中ΔR为初始应变片的电阻值的变化范围，Δε为对柔性基底施加的疲劳载荷。然后当敏感系数的变化范围在预设的第二波动范围内时，也即当敏感系数GF基本稳定时，确定性能稳定性达到预定要求。

通过本申请的方法制作得到的成品应变片，相比于直接直书写打印得到的初始应变片来说性能更稳定，具体为成品应变片的敏感系数大于初始应变片。且成品应变片的敏感系数的稳定性高于初始应变片。在一个实例中，施加3.27％峰值应变的疲劳载荷导致的GF随加载循环次数的增加的变化规律如图5所示，可以发现，在疲劳载荷作用下，经过一定循环次数(Cycles)的疲劳载荷后，敏感系数GF由2.5被调控至32，且不再随疲劳载荷的增加而发生变化，说明经过调制就，敏感系数GF的耐久性得到了提高。同时，对比调制前后的ΔR-Δε曲线可知，敏感系数GF的线性度和稳定性也得到了提高。

上述方法以柔性基底210上制作一个初始应变片为例进行说明，在实际应用时，柔性基底210上打印有多个初始应变片220，通过对柔性基底210施加拉伸循环的疲劳载荷，对应制作得到多个成品应变片。这多个初始应变片220一般并排设置，互相之间间距可根据柔性基底的大小和所需要调控的初始应变片220的数量确定，实现一次疲劳加载调控多个初始应变片220的效果，提高效率。

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 (10)

1.一种通过疲劳调控提高直书写打印应变片敏感系数的制作方法，其特征在于，所述方法包括：

利用直书写打印技术在柔性基底上打印初始应变片；

对所述柔性基底施加拉伸循环的疲劳载荷、带动所述初始应变片发生循环变形，并在施加疲劳载荷的过程中监测所述初始应变片的电阻值；

当根据所述初始应变片的电阻值确定性能稳定性达到预定要求时，停止施加疲劳载荷并制作得到成品应变片。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述初始应变片包括电阻丝以及所述电阻丝两端的电极，电阻监测设备连接所述初始应变片的两端的电极监测所述初始应变片的电阻值，且所述电阻监测设备与所述初始应变片的电极的连接处与所述柔性基底间隔预定距离而不接触。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述利用直书写打印技术在柔性基底上打印初始应变片，包括：

在所述柔性基底表面制作隔离薄膜，所述隔离薄膜部分覆盖所述柔性基底；

利用直书写打印技术在所述柔性基底的表面打印所述初始应变片，且所述初始应变片的电阻丝打印形成于所述柔性基底相对于所述隔离薄膜外露的区域的表面，所述初始应变片的电极打印形成于所述隔离薄膜的表面；

将所述隔离薄膜从所述柔性基底的表面剥离，制作得到所述初始应变片。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，

所述电阻监测设备通过导线连接所述初始应变片的电极，所述电极与所述导线的连接处采用环氧树脂粘接与封装。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述柔性基底上打印有多个初始应变片，通过对所述柔性基底施加拉伸循环的疲劳载荷，制作得到多个成品应变片。

6.根据权利要求1-5任一所述的方法，其特征在于，

当所述初始应变片的电阻值的变化范围在第一波动范围内时，确定性能稳定性达到预定要求。

7.根据权利要求1-5任一所述的方法，其特征在于，

根据所述初始应变片的电阻值的变化范围计算得到的敏感系数，当敏感系数的变化范围在第二波动范围内时，确定性能稳定性达到预定要求。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，

所述初始应变片的敏感系数为GF＝ΔR/Δε，其中ΔR为所述初始应变片的电阻值的变化范围，Δε为对所述柔性基底施加的疲劳载荷。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述成品应变片的敏感系数大于所述初始应变片。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述成品应变片的敏感系数的稳定性高于所述初始应变片。

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