CN115230139A - 一种非展开曲面的全贴合传感器阵列的制作方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种非展开曲面的全贴合传感器阵列的制作方法，涉及直书写打印技术领域，该方法将待监测三维曲面的曲面模型中信号监测点所在区域切分为若干个曲面单元，并分别将各个曲面单元投影到平面上得到对应的子平面，然后按照每个子平面内的信号监测点的位置，利用直书写打印技术打印得到子传感器阵列，将打印得到的各个子传感器阵列分别对应贴合于待监测三维曲面的相应曲面单元处，使得每个子传感器阵列中的传感单元位于相应曲面单元的信号监测点处，各个子传感器阵列相连形成为待监测三维曲面的全贴合传感器阵列。该方法简单有效的实现了非展开曲面全贴合传感器阵列，使得非展开曲面的大范围信号监测得以实现。

Description

一种非展开曲面的全贴合传感器阵列的制作方法

技术领域

本申请涉及直书写打印技术领域，尤其是一种非展开曲面的全贴合传感器阵列的制作方法。

背景技术

传感器是一种将被测物体上的信号变化转换成电信号的单元，单个传感器单元只能测量单个点的信号，因此为了实现大面积实时监测需要进行阵列设计形成阵列传感器。

除了少部分情况下被监测结构表面为平面之外，更多的实际应用场景下，被监测结构表面为曲面：当被监测结构表面为普通的可展开曲面时，可以采用由二维平面到三维曲面的贴合制造方法来制作其表面全贴合的阵列传感器。但是当被监测结构表面为非展开曲面时，实现传感器阵列的全贴合制造存在极大的技术难度，针对可展开曲面的贴合制造方法无法应用于非展开曲面的场景下，即便是柔性传感器也无法完全贴合。而三维结构表面的非展开曲面在线信号采集技术对于飞机、高速列车等关键设备的结构监测具有重要的应用价值，但是如上所述，目前针对非展开曲面的全场信号监测仍然存在巨大的挑战，特别是当非接触式方法不适用时。

发明内容

本申请人针对上述问题及技术需求，提出了一种非展开曲面的全贴合传感器阵列的制作方法，本申请的技术方案如下：

一种非展开曲面的全贴合传感器阵列的制作方法，该方法包括：

对待监测三维曲面建模得到曲面模型，曲面模型包括若干处信号监测点，待监测三维曲面为非展开曲面；

将曲面模型中信号监测点所在区域切分为若干个曲面单元，并分别将各个曲面单元投影到平面上得到对应的子平面，每个子平面内包含至少一处信号监测点；

按照每个子平面内的信号监测点的位置，利用直书写打印技术打印得到子传感器阵列，子传感器阵列中包括与子平面内的各处信号监测点的位置一一对应的传感单元；

将打印得到的各个子传感器阵列分别对应贴合于待监测三维曲面的相应曲面单元处，使得每个子传感器阵列中的传感单元位于相应曲面单元的信号监测点处，各个子传感器阵列相连形成为待监测三维曲面的全贴合传感器阵列。

其进一步的技术方案为，打印得到每个子平面对应的子传感器阵列的方法包括：

打印形成绝缘基底，在绝缘基底上按照子平面内的信号监测点的位置打印传感单元，以及与传感单元相连的信号引出线路，得到子传感器阵列；则当子传感器阵列贴合于待监测三维曲面上时，传感单元及其信号引出线路通过绝缘基底与待监测三维曲面实现绝缘。

其进一步的技术方案为，绝缘基底的表面平整度达到平整度阈值。

其进一步的技术方案为，打印得到子传感器阵列的方法还包括：

在水溶膜上打印形成绝缘基底，并在绝缘基底上打印传感单元及其信号引出线路，打印完成后溶解水溶膜，得到子传感器阵列。

其进一步的技术方案为，在打印绝缘基底、传感单元以及信号引出线路的过程中，保持张紧水溶膜。

其进一步的技术方案为，当一个子传感器阵列包括多个传感单元时，信号引出线路包括若干条相互平行的第一引出线路以及若干条相互平行的第二引出线路，第一引出线路和第二引出线路相互交叉且绝缘，每个传感单元分别位于第一引出线路和第二引出线路的一个交叉位置处且分别连接一条第一引出线路和一条第二引出线路；

在打印形成绝缘基底时，仅在传感单元以及信号引出线路的覆盖区域进行打印、以形成具有镂空结构的绝缘基底。

其进一步的技术方案为，在绝缘基底上打印传感单元以及信号引出线路的方法包括：

在绝缘基底上打印若干条平行的第一引出线路，在绝缘基底表面被第二引出线路覆盖区域处打印绝缘中介层，在绝缘中介层上打印若干条平行的第二引出线路，第一引出线路和第二引出线路通过绝缘中介层绝缘；在各个信号监测点处打印形成各个传感单元，每个传感单元的一端连接第一引出线路相对于绝缘中介层外露的部分、另一端连接第二引出线路。

其进一步的技术方案为，在将曲面模型中信号监测点所在区域切分为若干个曲面单元时，切分得到的各个曲面单元的曲率均不超过预定曲率阈值。

其进一步的技术方案为，切分得到的所有曲面单元的结构均相同，或者存在至少两个曲面单元的结构不同；切分得到的所有曲面单元内包含的信号监测点均相同，或者存在至少两个曲面单元内包含的信号监测点不同。

其进一步的技术方案为，在将各个子传感器阵列分别对应贴合于待监测三维曲面上时，利用导电胶将各个子传感器阵列的信号引出线路相连形成全贴合传感器阵列。

本申请的有益技术效果是：

本申请公开了一种非展开曲面的全贴合传感器阵列的制作方法，利用建模软件将需要监测的非展开曲面进行分块，并针对每个小区率的分块利用直书写打印技术打印形成子传感器阵列，最终贴合连接形成非展开曲面的全贴合传感器阵列，每个子传感器阵列可以与对应区域的非展开曲面全贴合，从而与被测件具有良好的变形一致性，该方法简单有效的实现了非展开曲面全贴合传感器阵列的成本低制造，可以实现曲面、尤其是非展开曲面的大范围信号监测，弥补了这一领域的技术空缺。

附图说明

图1是本申请一个实施例公开的非展开曲面的全贴合传感器阵列的制作方法的方法流程图。

图2是一个实施例中的曲面模型以及切分得到的曲面单元及对应得到的子平面的示意图。

图3是图2中一个子平面内设计的信号监测点和信号引出线路的示意图。

图4是一个实施例中制作每个子传感器阵列的方法流程图。

图5～9是一个实例中制作每个子传感器阵列的制作流程图。

图10是图5～9所示的制作实例中各结构的层叠打印示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请的具体实施方式做进一步说明。

本申请公开了一种非展开曲面的全贴合传感器阵列的制作方法，请参考图1所示的流程图并结合图2和图3，该方法包括如下步骤：

步骤S1，对待监测三维曲面建模得到曲面模型1，本申请提供的方法针对的待监测三维曲面为非展开曲面，但是该方法同样也可以沿用于待监测三维曲面是展开曲面的情况。

当一个待监测三维曲面具有信号监测需求而需要设计全贴合传感器阵列时，该待检测三维曲面表面各处信号监测点的位置都是已知的，也即待监测三维曲面上哪些位置需要设置传感单元以实现信号监测需求是已知的，所以建模得到的曲面模型1也相应包括若干处位置已知的信号监测点。

除了信号监测点的数量和位置已知之外，在有一些实施例中，用于将信号监测点处的传感单元的信号引出的信号引出线路在待监测三维曲面上的布设位置和走线结构也可以预先设计好，则建模得到的曲面模型1还包括全局信号引出线路，全局信号引出线路覆盖待监测三维曲面表面所有信号监测点所在区域且用于连接传感单元并将信号引出。

步骤S2，将曲面模型1中信号监测点所在区域切分为若干个曲面单元2，每个曲面单元2内包含至少一处信号监测点。在实际应用时，曲面模型1中的信号监测点可能分布较为分散，则可以将曲面模型1所有区域进行切分。或者，曲面模型1中的信号监测点可能分布较为集中，则可以仅对曲面模型1中包含信号监测点的部分区域进行切分、而对其他不包含信号监测点的区域不进行处理。

如上所述，在一个实施例中，全局信号引出线路也是预先设计好的，则切分得到的每个曲面单元2内除了包含信号监测点之外，还包括预先设计的全局信号引出线路在该曲面单元2内的部分信号引出线路。

在将曲面模型1中包括信号监测点的区域切分为若干个曲面单元2时，切分得到的各个曲面单元2的曲率均不超过预定曲率阈值，该预定曲率阈值为预设参数，也即切分得到的各个曲面单元2的曲率不宜过大。

切分得到的所有曲面单元2的结构均相同，或者存在至少两个曲面单元2的结构不同。切分得到的所有曲面单元2内包含的信号监测点均相同，或者存在至少两个曲面单元2内包含的信号监测点不同。也即切分得到的多个曲面单元2可以结构相同也可以结构各不相同，且各个曲面单元2内包含的信号监测点的数量和/或位置可以相同也可以不同，灵活性较高，可以很好地适用各种复杂结构的待监测三维曲面。

步骤S3，分别将各个曲面单元2投影到平面上得到对应的子平面3，由于每个子平面3由曲面单元2投影得到，因此每个子平面3内也包含至少一处信号监测点，且每个子平面3与投影前的曲面单元2包含的信号监测点的数量相等且所在位置一一对应。由于步骤S2切分得到的每个曲面单元2的曲率都不是太大，因此投影后得到的子平面3的形状与曲面单元2的结构是比较接近的。同样的，子平面3内也包括预先设计的全局信号引出线路在该曲面单元2内且投影后得到的部分信号引出线路。

比如请参考图2和图3，曲面模型1、切分得到的曲面单元2以及投影得到的子平面3表面的线条表示信号监测点以及预先设计的全局信号引出线路，请参考图3所示的单个子平面3包含的结构，各个虚线部分表示需要设置传感单元的信号监测点4、其余表面线条表示预先设计的信号引出线路5。

步骤S4，按照每个子平面3内的信号监测点的位置，利用直书写打印技术打印得到子传感器阵列。

子传感器阵列中包括与子平面3内的各处信号监测点的位置一一对应的传感单元，还包括与各个传感单元相连的信号引出线路。在一个实施例中，若预先设计了全局信号引出线路，则切分后可以自然确定在曲面单元2及子平面3内的信号引出线路，则按照预先设计的走线方式打印形成信号引出线路即可。在另一些实施例中，若预先没有设计全局信号引出线路，则可以针对各个子平面3内的信号监测点的位置合理设计信号引出线路的走线方式继而进行打印。在实际应用时，考虑到后续需要将不同的子传感器阵列的信号引出线路相连，为了便于连接且保证信号准确传输，一般是先设计全局信号引出线路，从而保证不同子平面3内信号的延续性。

针对每个子平面3打印得到子传感器阵列的方法包括如下步骤，请参考图4所示的流程图：

1、打印形成绝缘基底7，该绝缘基底7可以采用诸如环氧树脂(Epoxy)之类的绝缘材料打印形成。为了保证后续子传感器阵列与待监测三维曲面的贴合性，要求绝缘基底7的表面平整度达到平整度阈值。在一个实施例中，为了保证达到平整度要求，在水溶膜6上打印形成绝缘基底7，且在打印绝缘基底7之前，利用无水乙醇和脱脂棉充分清洁水溶膜6(PVA)，请参考图5所示的示意图。

2、在绝缘基底7上按照子平面3内的信号监测点的位置打印传感单元，以及与传感单元相连的信号引出线路。当使用水溶膜6时，为了保证绝缘基底7和导电结构的平整度，在打印绝缘基底7、传感单元以及信号引出线路的过程中，保持张紧水溶膜6。然后将用水溶膜6的溶解特性将打印好的材料置于水中溶解掉水溶膜6，从而得到所需的子传感器阵列。

在打印形成绝缘基底7时，仅在传感单元以及信号引出线路所需覆盖的区域进行打印，而不对其他区域进行打印，因此打印形成的绝缘基底7的形状和面积一般远小于子平面3的面积。

虽然理论上每个子平面3内可以仅包含一个信号监测点，但是实际操作时，每个子平面3内通常包含多个信号监测点，也即一个子传感器阵列包括多个传感单元，则为了便于将阵列分布的多个信号监测点处的传感单元的信号引出，在一个实施例中，采用如下的信号引出线路的结构：信号引出线路包括若干条相互平行的第一引出线路以及若干条相互平行的第二引出线路，第一引出线路和第二引出线路相互交叉且绝缘，每个传感单元分别位于第一引出线路和第二引出线路的一个交叉位置处且分别连接一条第一引出线路和一条第二引出线路，由此通过第一引出线路和第二引出线路交叉形成的阵列结构可以方便的连接不同位置处的传感单元。基于此信号引出线路的结构，打印形成的绝缘基底7往往是具有镂空结构的不规则形状，如图5所示。

在一个实施例中，在绝缘基底7的表面打印传感单元和信号引出线路的方法包括如下步骤：在绝缘基底7上打印若干条平行的第一引出线路8，如图6所示，第一引出线路8的末端具有电极引出端9。在绝缘基底7表面需要被第二引出线路11覆盖区域处打印绝缘中介层10，如图7所示，在打印绝缘中介层10后，第一引出线路8有部分区域相对于绝缘中介层10外露，且电极引出端9也相对于绝缘中介层10外露。在绝缘中介层10上打印若干条平行的第二引出线路11，第二引出线路11末端也具有电极引出端12。第一引出线路8和第二引出线路11通过绝缘中介层10相互绝缘，请参考图8。在各个信号监测点处打印形成各个传感单元4，每个传感单元4的一端连接第一引出线路8相对于绝缘中介层9外露的部分、另一端连接第二引出线路11，最后溶解水溶膜6，得到子传感器阵列，请参考图9。层叠打印示意图请参考图10，传感单元4通过两端的电机引出端13连接引出线路。

具体的，在一个实施例中，使用的绝缘基底材料为环氧树脂(Epoxy)，在正式打印之前，将气压传动装置与环氧树脂包装管结合，后将气压传动装置与气压控制阀相连后，夹持在数控三轴运动平台上用3D打印直书写的方式在水溶膜6上进行打印。经过调试，针对此类型的环氧树脂，本申请设置打印针筒的打印针头的内径为260μm、打印线距为250μm、打印速度8mm/s、挤出的气压为0.1MPa，此时可以取得较好的打印质量。打印好绝缘材料后利用烘箱以70℃烘干120分钟，最后形成绝缘基底7，该实施例中形成的绝缘基底7的厚度范围为45～75μm。该层打印可以有效保证绝缘基底7的平整性及保证将打印的电路与曲面之间的绝缘。

然后将一定量的导电银浆(EN-06B8,ENSON)装入不透光的打印针筒，将打印针筒与气压控制阀相连后，夹持在数控三轴运动平台上用3D打印直书写的方式进行打印。经过调试，针对黏度约为30000cP的导电银浆，该实施例设置打印针筒的打印针头内径为260μm，打印线距为250μm，打印速度为5mm/s，挤出气压为0.2Mpa，此时可以取得较好的打印质量。打印好导电银浆后再利用烘箱以70℃烘干60分钟，最后形成三条第一引出线路8。然后利用环氧树脂打印形成绝缘中介层10，再采用类似方法打印形成三条第二引出线路11。然后利用导电碳浆直书写打印传感单元4，在利用导电碳浆打印之前，首先需要制备得到所使用的高导电率的导电碳浆，制备方法为：利用行星搅拌机将碳浆材料(CH-8/MOD2，JELCON)以2000rpm搅拌2分钟后装入打印针筒，再以3000rpm离心3分钟去除碳浆材料中的气泡，制备得到用于打印形成传感单元4的导电碳浆。然后将一定量的导电碳浆装入不透光的打印针筒，将打印针筒与气压控制阀相连后，夹持在数控三轴运动平台上用3D打印直书写的方式进行打印。经过调试，针对黏度为30000cP的导电碳浆，打印针筒的打印针头内径为260μm，打印线距为250μm，打印速度为5mm/s，挤出气压为0.25Mpa，此时可以取得较好的打印质量。打印导电碳浆后利用烘箱以120℃烘干120分钟完成固化形成传感单元4。

步骤S5，将打印得到的各个子传感器阵列分别对应贴合于待监测三维曲面的相应曲面单元2处，使得每个子传感器阵列中的传感单元位于相应曲面单元2的信号监测点处。当子传感器阵列贴合于待监测三维曲面上时，传感单元及其信号引出线路通过绝缘基底7与待监测三维曲面实现绝缘。并将各个子传感器阵列相连形成为待监测三维曲面的全贴合传感器阵列。具体的，利用导电胶将各个子传感器阵列的信号引出线路相连形成全贴合传感器阵列。采用的导电胶具有良好的导电性，比如可以采用LX-30环氧导电胶，按照需要将各个子传感器阵列中的第一引出线路8末端的电极引出端9依次相连，第二引出线路11末端的电极引出端12依次相连。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本申请不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本申请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，均应认为包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种非展开曲面的全贴合传感器阵列的制作方法，其特征在于，所述方法包括：

对待监测三维曲面建模得到曲面模型，所述曲面模型包括若干处信号监测点，所述待监测三维曲面为非展开曲面；

将所述曲面模型中信号监测点所在区域切分为若干个曲面单元，并分别将各个曲面单元投影到平面上得到对应的子平面，每个子平面内包含至少一处信号监测点；

按照每个子平面内的信号监测点的位置，利用直书写打印技术打印得到子传感器阵列，所述子传感器阵列中包括与所述子平面内的各处信号监测点的位置一一对应的传感单元；

将打印得到的各个子传感器阵列分别对应贴合于所述待监测三维曲面的相应曲面单元处，使得每个子传感器阵列中的传感单元位于相应曲面单元的信号监测点处，各个子传感器阵列相连形成为所述待监测三维曲面的全贴合传感器阵列。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，打印得到每个子平面对应的子传感器阵列的方法包括：

打印形成绝缘基底，在所述绝缘基底上按照子平面内的信号监测点的位置打印传感单元，以及与所述传感单元相连的信号引出线路，得到子传感器阵列；则当所述子传感器阵列贴合于所述待监测三维曲面上时，传感单元及其信号引出线路通过所述绝缘基底与所述待监测三维曲面实现绝缘。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述绝缘基底的表面平整度达到平整度阈值。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，打印得到子传感器阵列的方法还包括：

在水溶膜上打印形成所述绝缘基底，并在所述绝缘基底上打印传感单元及其信号引出线路，打印完成后溶解所述水溶膜，得到所述子传感器阵列。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在打印所述绝缘基底、传感单元以及信号引出线路的过程中，保持张紧所述水溶膜。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当一个子传感器阵列包括多个传感单元时，所述信号引出线路包括若干条相互平行的第一引出线路以及若干条相互平行的第二引出线路，第一引出线路和第二引出线路相互交叉且绝缘，每个传感单元分别位于第一引出线路和第二引出线路的一个交叉位置处且分别连接一条第一引出线路和一条第二引出线路；

在打印形成所述绝缘基底时，仅在传感单元以及信号引出线路的覆盖区域进行打印、以形成具有镂空结构的所述绝缘基底。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述绝缘基底上打印传感单元以及信号引出线路的方法包括：

在所述绝缘基底上打印若干条平行的所述第一引出线路，在所述绝缘基底表面被第二引出线路覆盖区域处打印绝缘中介层，在所述绝缘中介层上打印若干条平行的所述第二引出线路，所述第一引出线路和所述第二引出线路通过所述绝缘中介层绝缘；在各个信号监测点处打印形成各个传感单元，每个传感单元的一端连接第一引出线路相对于绝缘中介层外露的部分、另一端连接第二引出线路。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在将所述曲面模型中信号监测点所在区域切分为若干个曲面单元时，切分得到的各个曲面单元的曲率均不超过预定曲率阈值。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，切分得到的所有曲面单元的结构均相同，或者存在至少两个曲面单元的结构不同；切分得到的所有曲面单元内包含的信号监测点均相同，或者存在至少两个曲面单元内包含的信号监测点不同。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在将各个子传感器阵列分别对应贴合于所述待监测三维曲面上时，利用导电胶将各个子传感器阵列的信号引出线路相连形成所述全贴合传感器阵列。

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