CN117537699B - 一种柔性应变传感器及柔性应变传感器制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性应变传感器及柔性应变传感器制备方法，属于应变传感器技术领域。本发明采用硅橡胶制成的柔性基底层，提升了传感器与待测部位的贴合度；采用导电炭黑和石墨烯混合分子形成的表面导电层降低传感器的初始电阻和诱导裂纹结构产生，能够提高传感器的灵敏度；表面导电层与柔性导电基底层相互连接，构建了一个二阶全范围传感导电网络，能够保证大应变时导电网络有效连接，使得传感器既能实现小应变的检测，又能实现大应变的检测；柔性导电基底层引入十字型结构，在单轴发生拉伸应变时另一轴基本不受影响，可以检测轴向和径向两个方向振动，实现了双轴向的应变检测，从而能够适用于风机健康监测中各种风机振动信号的接收与监测。
Description
技术领域
本发明涉及应变传感器技术领域，特别涉及一种柔性应变传感器及柔性应变传感器制备方法。
背景技术
由于固有的刚性应变传感器存在难以贴合在复杂表面、脆性高、重量大、应变传感范围小和安装困难等特点，难以在风机健康监测领域起到作用，所以迫切地需要研制一些适用于该领域的应变传感器，而具有可拉伸性的柔性应变传感器引起了人们极大的兴趣和关注。而要满足该领域的发展需求，保证能够适用于风机健康监测中各种风机振动信号的接收与监测，对柔性应变传感器的性能提出了一些要求，如传感器应该具备能够较好贴合各种部件的复杂表面、高灵敏度、检测范围广以及检测方向灵活等特点中的一项或者几项。对于以上需求，亟需设计研发一种能够满足上述特点的柔性应变传感器。
发明内容
本发明的目的是提供一种柔性应变传感器及柔性应变传感器制备方法，该柔性应变传感器具有能够较好贴合各种部件的复杂表面、高灵敏度、检测范围广以及检测方向灵活等特点，从而能够适用于风机健康监测中各种风机振动信号的接收与监测。
为实现上述目的，本发明提供了一种柔性应变传感器，包括：柔性导电基底层；所述柔性导电基底层包括沿厚度方向依次设置的柔性基底层和导电层；所述柔性基底层的材料包括硅橡胶；所述导电层的材料包括第一导电混合物；所述第一导电混合物包括炭黑和石墨烯；所述柔性导电基底层是十字型结构；
所述导电层背离所述柔性基底层的表面设置有表面导电层；所述表面导电层包括第二导电混合物；所述第二导电混合物包括所述炭黑和所述石墨烯；
所述表面导电层背离所述导电层的表面设置有4个电极；所述电极分别位于所述表面导电层的4端。
可选的，所述第一导电混合物和所述第二导电混合物均是由所述炭黑、所述石墨烯和无水乙醇配制成的混合物；所述炭黑和所述石墨烯的质量比为5:1。
可选的，各所述电极包括沿背离所述表面导电层方向依次设置的银层和铜箔纸；所述铜箔纸与导线的一端固定连接。
可选的，所述硅橡胶是A胶和B胶配制成的Ecoflex硅橡胶；所述A胶和所述B胶的质量比为1:1。
可选的，所述柔性导电基底层靠近所述表面导电层的表面设置有凹坑结构。
为实现上述目的，本发明还提供了一种柔性应变传感器制备方法，包括：
制备第一导电混合物溶液；所述第一导电混合物溶液包括炭黑和石墨烯；
将所述第一导电混合物溶液喷涂在传感器模具底部，并干燥至所述第一导电混合物溶液凝固，形成导电层；
制备硅橡胶溶液；
将所述硅橡胶溶液倒入干燥后的所述传感器模具，并干燥至所述硅橡胶溶液凝固，形成柔性基底层；
从所述传感器模具中取出制备好的柔性导电基底层后，将所述柔性导电基底层切割制成十字型结构；
制成所述十字型结构后，在所述导电层背离所述柔性基底层的表面喷涂第二导电混合物溶液，并干燥至所述第二导电混合物溶液凝固，形成表面导电层；
在所述表面导电层背离所述导电层的表面的四端引出电极。
可选的，所述制备第一导电混合物溶液，包括：
将所述炭黑和所述石墨烯以5：1的质量比加入到无水乙醇中混合搅拌制成所述第一导电混合物溶液；所述第二导电混合物溶液和所述第一导电混合物溶液相同。
可选的，在所述表面导电层背离所述导电层的表面的四端引出电极，包括：
在所述表面导电层背离所述导电层的表面的四端均涂抹导电银浆，形成银层；
在各所述银层背离所述表面导电层的表面粘贴铜箔纸；
采用焊锡将4根导线的一端一一焊接在各所述铜箔纸上。
可选的，所述制备硅橡胶溶液，包括：
将A胶和B胶以1:1的质量比混合搅拌制成所述硅橡胶溶液；所述硅橡胶溶液是Ecoflex硅橡胶溶液。
可选的，将所述第一导电混合物溶液喷涂在传感器模具底部前，还包括：
将砂纸放置在所述传感器模具的底部，且使所述砂纸粗糙的一面朝向所述传感器模具的开口，以在所述柔性导电基底层靠近所述表面导电层的表面形成凹坑结构。
本发明提供的一种柔性应变传感器，包括：柔性导电基底层；所述柔性导电基底层包括沿厚度方向依次设置的柔性基底层和导电层；所述柔性基底层的材料包括硅橡胶；所述导电层的材料包括第一导电混合物；所述第一导电混合物包括炭黑和石墨烯；所述柔性导电基底层是十字型结构；所述导电层背离所述柔性基底层的表面设置有表面导电层；所述表面导电层包括第二导电混合物；所述第二导电混合物包括炭黑和石墨烯；所述表面导电层背离所述导电层的表面设置有4个电极；所述电极分别位于所述表面导电层的4端。
显然，本发明的有益效果在于：采用硅橡胶制成的柔性基底层，提升了传感器与待测部位的贴合度；采用导电炭黑和石墨烯混合分子形成的表面导电层降低传感器的初始电阻和诱导裂纹结构产生，能够提高传感器的灵敏度；表面导电层与柔性导电基底层相互连接，构建了一个二阶全范围传感导电网络，能够保证大应变时导电网络有效连接，使得传感器既能实现小应变的检测，又能实现大应变的检测；柔性导电基底层引入十字型结构，在单轴发生拉伸应变时另一轴基本不受影响，可以检测轴向和径向两个方向振动，实现了双轴向的应变检测。本申请还提供一种柔性应变传感器制备方法，通过该制备方法制备的柔性应变传感器，具有上述有益效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种柔性应变传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种柔性应变传感器的凹坑结构及其尺寸示意图；
图3为本发明实施例提供的一种柔性应变传感器制备方法的流程图；
图4为本发明实施例提供的一种传感器模具的结构示意图；
图5为本发明的柔性双轴应变传感器在拉伸量分别为10%与30%的拉伸试验中拉伸侧与未拉伸侧电阻变化图；
图6为本发明的柔性双轴应变传感器在拉伸量为10%的拉伸试验中拉伸侧相对电阻变化图；
图7为本发明的柔性双轴应变传感器在拉伸量为30%的拉伸试验中拉伸侧相对电阻变化图；
图8为本发明的柔性双轴应变传感器响应速度的测试结果图；
图9为本发明的柔性双轴应变传感器应变感知灵敏度的测试结果图。
附图标记说明如下：
1-柔性导电基底层；11-凹坑结构；2-电极；21-导线；3-传感器模具；31-砂纸。
实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
近年来，随着社会的发展，尽管能源枯竭的现象越来越严重，但是人们对资源的需求却越来越大。人类现代的生活基本是以能源为基础的，能源的匮乏会导致极其严重的后果。此外，在可持续发展的概念提出后，传统的化石燃料带来的一系列环境污染问题也日渐受到更多关注。因此，推广环保且可再生的新型能源迫在眉睫。
风是一种清洁的可再生能源。利用风力发电可以大幅减少环境污染，节约煤炭、石油等常规不可再生能源的使用量。风力发电成为应用最为广泛的新能源技术之一。但是，风机大多建设在荒漠，戈壁等自然条件比较恶劣的地区，机组结构容易受到沙石冲击、雷击等冲击而造成结构损伤。为了保障风机结构的安全运行，降低维护成本，风机结构的健康监测的研究意义重大。振动信号监测是风机健康监测的重要手段之一，风机的振动信号监测已经用于风机齿轮箱、发电机、主轴、叶片、塔架等监测。
传统的风机叶片监测所使用的压电传感器由于其本身硬度大、不易弯折，难以与风电机组各个部件中复杂待测结构的表面完美贴合，增加了检测过程中的不确定因素，使得检测误差较大。另外，风电机组齿轮箱是风力发电系统中重要且故障率较高的部件之一，传统的刚性传感器由于其体积、刚性以及安装原因也会加大整个齿轮箱监测的难度系数。如何提升传感器与待测部位的贴合度，以及改善传统传感器在风电机组中各个部件的安装，是我们目前迫切需要解决的问题之一。
由于风机在荒漠戈壁这样比较恶劣环境，除了风机内部振动会产生小裂纹外，还会因为砂石冲击导致产生大裂纹或者破裂损伤。因此，为了适用于风机健康监测中各种风机振动信号的接收与监测，不仅要保证能够检测内部振动产生的小应变，也要保证能够检测外部环境产生的大应变。灵敏度是柔性应变传感器的关键特征，为了适用于风机健康监测中各种风机振动信号的接收与监测，还要保证传感器具有较高的灵敏度。此外，传统的传感器只能检测单轴的应变，对于检测双轴应变的传感器还是比较欠缺。
因此，本发明提供了一种柔性应变传感器及柔性应变传感器制备方法，通过采用硅橡胶制成的柔性基底层；采用导电炭黑和石墨烯混合分子形成的表面导电层降低传感器的初始电阻和诱导裂纹结构产生；表面导电层与柔性导电基底层相互连接，构建了一个二阶全范围传感导电网络；柔性导电基底层引入十字型结构，从而适用于风机健康监测中各种风机振动信号的接收与监测。
请参考图1，图1为本发明实施例提供的一种柔性应变传感器的结构示意图，该柔性应变传感器可以包括：柔性导电基底层1；柔性导电基底层1包括沿厚度方向依次设置的柔性基底层和导电层；柔性基底层的材料包括硅橡胶；导电层的材料包括第一导电混合物；第一导电混合物包括炭黑和石墨烯；柔性导电基底层1是十字型结构；
导电层背离柔性基底层的表面设置有表面导电层；表面导电层包括第二导电混合物；第二导电混合物包括炭黑和石墨烯；
表面导电层背离导电层的表面设置有4个电极2；电极2分别位于表面导电层的4端。
本实施例并不限定柔性导电基底层1的具体厚度，可以根据实际需求确定柔性导电基底层1的具体厚度，例如柔性导电基底层1的厚度可以为0.3mm-0.6mm，且包括两端的值。本实施例并不限定柔性导电基底层1的具体长度和具体宽度，可以根据实际需要测量的实体调整柔性导电基底层1的具体长度和具体宽度，例如如图2所示柔性导电基底层1的长度包括但不限于为30mm，柔性导电基底层1的宽度包括但不限于为10mm。
本实施例并不限定硅橡胶的具体种类，例如硅橡胶可以包括但不限于是A胶和B胶配制成的Ecoflex硅橡胶；A胶和B胶的质量比为1:1。需要说明的是，Ecoflex是一种硅橡胶，属于弹性材料，具有极强的拉伸性能和回复性，并且有较大的工作温度范围（-53℃至232℃），能够满足许多设备正常运转的表面温度以及相对恶劣的外界环境温度，因此可以使用在设备表面用以监测运行状态。
本实施例并不限定第一导电混合物的具体种类，例如第一导电混合物包括但不限于是由炭黑、石墨烯和无水乙醇配制成的混合物；炭黑和石墨烯的质量比为5:1。本实施例并不限定第二导电混合物的具体种类，例如第二导电混合物包括但不限于是由炭黑、石墨烯和无水乙醇配制成的混合物；炭黑和石墨烯的质量比为5:1。需要说明的是，炭黑（CB）和石墨烯（Gr）均具有良好的导电性，且导电炭黑和石墨烯混合分子形成的表面导电层具有较低的初始电阻，这为传感器灵敏度的提高提供了前提条件。
本实施例并不限定电极2的具体种类，例如各电极2包括但不限于沿背离表面导电层方向依次设置的银层和铜箔纸；铜箔纸与导线21的一端固定连接。需要说明的是，本实施例中添加了一层银层，可以增强电极2的导通性以提高测量灵敏度；导线21的一端与铜箔纸固定连接，用于传感器的接线测量。
进一步的，如图2所示本实施例中柔性导电基底层1靠近表面导电层的表面可以设置有凹坑结构11。需要说明的是，本实施例在柔性导电基底层1表面引入了凹坑结构11，该结构可以增大炭黑和石墨烯的附着面积，且可以提高炭黑和石墨烯分子间作用力，使之更好地附着在柔性导电基底层1表面，即增强了表面导电层的粘附性；在受到应变时，该结构会产生应力集中现象，诱发导电层组织裂纹产生，从而增大相对电阻变化，进一步提升传感器的灵敏度，尤其是小应变的灵敏度。传感器柔性导电基底层1的一个表面引入凹坑结构11，具体操作办法可以是以砂纸为底做好模具，而后依次将第一导电混合物溶液和混合好后的硅橡胶溶液加入模具中，待其干燥之后便形成了一面是砂纸状的凹坑结构一面是光滑表面的柔性导电基底层。
基于上述实施例，本发明采用硅橡胶制成的柔性基底层，提升了传感器与待测部位的贴合度；采用导电炭黑和石墨烯混合分子形成的表面导电层降低传感器的初始电阻和诱导裂纹结构产生，能够提高传感器的灵敏度；表面导电层与柔性导电基底层相互连接，构建了一个二阶全范围传感导电网络，能够保证大应变时导电网络有效连接，使得传感器既能实现小应变的检测，又能实现大应变的检测；柔性导电基底层引入十字型结构，在单轴发生拉伸应变时另一轴基本不受影响，可以检测轴向和径向两个方向振动，实现了双轴向的应变检测。
请参考图3，图3为本发明实施例提供的一种柔性应变传感器制备方法的流程图，该方法可以包括：
S101：制备第一导电混合物溶液；第一导电混合物溶液包括炭黑和石墨烯。
本实施例并不限定制备第一导电混合物溶液的具体方式，可以根据采用的第一导电混合物的具体种类确定制备第一导电混合物溶液的具体方式，例如当第一导电混合物是由炭黑、石墨烯和无水乙醇配制成的混合物；炭黑和石墨烯的质量比为5:1时，本实施例可以将炭黑和石墨烯以5：1的质量比加入到无水乙醇中混合搅拌制成第一导电混合物溶液。进一步的，本实施例中第二导电混合物溶液可以但不限于和第一导电混合物溶液相同。
本实施例并不限定搅拌的具体条件，只要保证能够将炭黑和石墨烯混合均匀即可，例如包括但不限于在温度为20℃和转速为450r/min的条件下，混合搅拌制成第一导电混合物溶液。本实施例并不限定搅拌的具体时间，只要保证能够将炭黑和石墨烯混合均匀即可，例如包括但不限于混合搅拌半个小时制成第一导电混合物溶液。
S102：将第一导电混合物溶液喷涂在传感器模具底部，并干燥至第一导电混合物溶液凝固，形成导电层。
本实施例并不限定喷涂的具体方式，只要保证能够将第一导电混合物溶液喷到传感器模具3底部即可，例如可以在制备第一导电混合物溶液后，将得到的第一导电混合物溶液装进喷壶中；相应的，通过喷壶将第一导电混合物溶液喷涂在传感器模具3底部。
本实施例并不限定干燥的具体方式，只要保证能够使第一导电混合物溶液凝固即可，例如可以将涂覆有第一导电混合物溶液的传感器模具3放入干燥箱中干燥至第一导电混合物溶液凝固。
本实施例并不限定干燥箱的具体温度，只要保证能够使第一导电混合物溶液凝固即可，例如干燥箱的温度包括但不限于为80℃。
本实施例并不限定干燥的具体时间，只要保证能够使第一导电混合物溶液凝固即可，例如干燥时间包括但不限于为10分钟。
需要说明的是，本实施例可以根据实际需求的导电层的厚度，重复先喷涂后干燥的操作，直到达到目标导电层厚度。本实施例并不限定重复的具体次数，只要保证导电层的厚度达到目标导电层厚度即可。
本实施例并不限定传感器模具3的具体形状，只要保证倒模得到的柔性导电基底层1能够切割成目标尺寸的十字型结构即可，例如如图4所示传感器模具3可以但不限于是圆柱型模具。
进一步的，如图4所示本实施例在将第一导电混合物溶液喷涂在传感器模具3底部前，还可以将砂纸31放置在传感器模具3的底部，且使砂纸31粗糙的一面朝向传感器模具3的开口，以在柔性导电基底层1靠近表面导电层的表面形成凹坑结构11。需要说明的是，本实施例利用倒模的方法对柔性导电基底层1表面做了不规则分布的砂纸状的凹坑结构11，凹坑结构11一方面能放大机械信号，在受到应变时，凹坑结构11会产生应力集中现象，诱发自组织裂纹产生，从而增大相对电阻变化，进一步提升传感器的灵敏度；另一方面会明显增强导电炭黑和石墨烯混合分子的粘附性，从而直接增强传感器的稳定性、重复性和耐久性。当产生大应变的时候表面导电层可能会断裂，此时表面导电层相当于是断路，但是形变恢复之后表面导电层材料又会相互接触，所以能够保证较好的稳定性、重复性和耐久性。
S103：制备硅橡胶溶液。
本实施例并不限定制备硅橡胶溶液的具体方式，可以根据采用的硅橡胶的具体种类确定制备硅橡胶溶液的具体方式，例如当硅橡胶是A胶和B胶配制成的Ecoflex硅橡胶；A胶和B胶的质量比为1:1时，本实施例可以将A胶和B胶以1:1的质量比混合搅拌制成硅橡胶溶液；硅橡胶溶液是Ecoflex硅橡胶溶液。
本实施例并不限定搅拌的具体时间，只要保证能够将A胶和B胶混合均匀即可，例如搅拌时间可以为3分钟-5分钟，且包括两端的值。
S104：将硅橡胶溶液倒入干燥后的传感器模具，并干燥至硅橡胶溶液凝固，形成柔性基底层。
本实施例并不限定干燥的具体方式，只要保证能够使硅橡胶溶液凝固即可，例如可以将填充有硅橡胶溶液的传感器模具3放入干燥箱中干燥至硅橡胶溶液凝固。
本实施例并不限定干燥箱的具体温度，只要保证能够使硅橡胶溶液凝固即可，例如干燥箱的温度包括但不限于为80℃。
本实施例并不限定干燥的具体时间，只要保证能够使硅橡胶溶液凝固即可，例如干燥时间包括但不限于为20分钟。
进一步的，本实施例中在将填充有硅橡胶溶液的传感器模具3放入干燥箱前，还可以静置填充有硅橡胶溶液的传感器模具3，以使硅橡胶充分填充传感器模具3。
S105：从传感器模具中取出制备好的柔性导电基底层后，将柔性导电基底层切割制成十字型结构。
本实施例中十字型结构通过减材制造方式实现。本实施例并不限定切割的具体方式，只要保证能够将柔性导电基底层1制成十字型结构即可，例如可以是机械切割、激光切割等工艺方法。
S106：制成十字型结构后，在导电层背离柔性基底层的表面喷涂第二导电混合物溶液，并干燥至第二导电混合物溶液凝固，形成表面导电层。
本实施例并不限定喷涂的具体方式，只要保证能够将第二导电混合物溶液喷到导电层背离柔性基底层的表面即可，例如可以将柔性导电基底层1放入蒸发皿中，通过喷壶在导电层背离柔性基底层的表面喷涂第二导电混合物溶液。
本实施例并不限定干燥的具体方式，只要保证能够使第二导电混合物溶液凝固即可，例如可以将放置有柔性导电基底层1的蒸发皿放入干燥箱中干燥至第二导电混合物溶液凝固。本实施例并不限定干燥箱的具体温度，可以根据实际情况确定干燥箱的具体温度，只要保证能够使第二导电混合物溶液凝固即可。本实施例并不限定干燥的具体时间，可以根据实际情况确定干燥的具体时间，只要保证能够使第二导电混合物溶液凝固即可。
需要说明的是，本实施例可以根据实际需求的表面导电层的厚度，重复先喷涂后干燥的操作，直到达到目标表面导电层厚度。本实施例并不限定重复的具体次数，只要保证表面导电层的厚度达到目标表面导电层厚度即可。
S107：在表面导电层背离导电层的表面的四端引出电极。
本实施例并不限定引出电极2的具体方式，可以根据采用的电极2的具体种类确定引出电极2的具体方式，例如当各电极2包括沿背离表面导电层方向依次设置的银层和铜箔纸；铜箔纸与导线21的一端固定连接时，本实施例可以在表面导电层背离导电层的表面的四端均涂抹导电银浆，形成银层；在各银层背离表面导电层的表面粘贴铜箔纸；采用焊锡将4根导线21的一端一一焊接在各铜箔纸上。需要说明的是，本实施例在粘贴铜箔纸之前涂抹银浆形成一层银层，除了可以增强电极2的导通性以提高测量灵敏度，还可以增强铜箔纸的黏着性。
基于上述实施例，本发明制备的柔性应变传感器，采用硅橡胶制成的柔性基底层，提升了传感器与待测部位的贴合度；采用导电炭黑和石墨烯混合分子形成的表面导电层降低传感器的初始电阻和诱导裂纹结构产生，能够提高传感器的灵敏度；表面导电层与柔性导电基底层相互连接，构建了一个二阶全范围传感导电网络，能够保证大应变时导电网络有效连接，使得传感器既能实现小应变的检测，又能实现大应变的检测；柔性导电基底层引入十字型结构，在单轴发生拉伸应变时另一轴基本不受影响，可以检测轴向和径向两个方向振动，实现了双轴向的应变检测。
下面结合具体的实例说明上述柔性应变传感器制备过程，该过程具体如下：
1、将炭黑和石墨烯以5：1的质量比加入到无水乙醇中，在温度为20℃、转速为450r/min的条件下搅拌半小时制成导电混合物溶液并装进喷壶中；
2、将导电混合物溶液均匀的喷涂在制作好的如图4所示的放置有砂纸31的传感器模具3上，而后放入干燥箱80℃下干燥10分钟至溶液完全干燥，重复上述操作一次；
3、将Ecoflex硅橡胶的A胶和B胶以1:1的质量比混合搅拌3分钟-5分钟（包括两端的值）至充分搅拌均匀后倒入喷涂并干燥后的传感器模具3中，控制好倒入的Ecoflex硅橡胶的量，使干燥后的传感器柔性导电基底层的厚度约为0.3mm-0.6mm（包括两端的值），静置10分钟之后放入干燥箱80℃干燥20分钟至硅橡胶完全凝固；
4、从传感器模具3中取出制备好的传感器基底，而后进行切割制成十字结构传感器；
5、将上一步制成的十字结构传感器放入蒸发皿中，然后再次喷涂导电混合物溶液并干燥，重复喷涂后干燥的操作三次；
6、在传感器表面炭黑导电层的四端引出电极2得到最终的基于炭黑、石墨烯、Ecoflex硅橡胶，且具有十字砂纸状的凹坑结构11和双轴的柔性应变传感器。
对上述过程制备的柔性应变传感器进行拉伸量分别为10%与30%的拉伸试验，得到的柔性应变传感器在拉伸量分别为10%与30%的拉伸试验中拉伸侧与未拉伸侧电阻变化图如图5所示，其中横坐标表示时间（单位为s），纵坐标表示电阻（单位Ω）。图5中拉伸侧相比未拉伸侧电阻明显增大了，且拉伸量为30%时拉伸侧电阻增大的幅值大于拉伸量为10%时拉伸侧电阻增大的幅值。柔性应变传感器在拉伸量为10%的拉伸试验中拉伸侧相对电阻变化图和在拉伸量为30%的拉伸试验中拉伸侧相对电阻变化图，分别如图6和7所示，其中横坐标表示时间（单位为s），纵坐标表示相对电阻。其中相对电阻为ΔR/R0，其中ΔR和R0分别是电阻变化和初始电阻。
对上述过程制备的柔性应变传感器进行响应速度测试，对上述过程制备的柔性应变传感器响应速度的测试结果图如图8所示，其中横坐标表示时间（单位为s），纵坐标表示电阻（单位Ω），左侧矩形框区域表示拉伸时电阻随时间的变化，右侧矩形框表示收缩时电阻随时间的变化。测得的响应时间约为260ms。
对上述过程制备的柔性应变传感器进行应变感知灵敏度测试，对上述过程制备的柔性应变传感器应变感知灵敏度的测试结果图如图9所示，其中横坐标表示拉伸量（单位为%），纵坐标表示电阻变化率。传感器的小应变灵敏度非常高，具体灵敏度在拉伸量为10%和30%分别是2.6和12。其中，灵敏度（Gauge Factor，简称GF）计算公式为GF=ΔR/R0/Δε，其中ΔR和R0分别是电阻变化和初始电阻，Δε为拉伸量。
综上所述可见本发明具有良好的综合性能。
由于本发明具有与待测部位的贴合度高、检测范围广、可实现双轴检测、快速响应时间(约为260ms)、小应变灵敏度高（拉伸量为10%时应变灵敏度GF=2.6、拉伸量为30%时应变灵敏度GF=12）、稳定性、恢复性和耐久性好等特点，并且传感器的制作成本低、材料获取容易、制作方法简单。优异的综合性能和简单的制作方法使传感器能用于风电机组健康监测领域，包括风机叶片监测、风电机组齿轮箱监测等等。本发明在风电机组健康监测领域具备巨大潜力。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，且各个实施例间为递进关系，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
Claims (6)
1.一种柔性应变传感器，其特征在于，包括：柔性导电基底层；所述柔性导电基底层包括沿厚度方向依次设置的柔性基底层和导电层；所述柔性基底层的材料包括硅橡胶；所述导电层的材料包括第一导电混合物；所述柔性导电基底层是十字型结构；所述柔性导电基底层靠近表面导电层的表面设置有不规则分布的砂纸状的凹坑结构；在受到应变时，所述凹坑结构会产生应力集中现象，诱发导电层组织裂纹产生；
所述导电层背离所述柔性基底层的表面设置有所述表面导电层；所述表面导电层包括第二导电混合物；所述第一导电混合物和所述第二导电混合物均是由炭黑、石墨烯和无水乙醇配制成的混合物；所述炭黑和所述石墨烯的质量比为5:1；
所述表面导电层背离所述导电层的表面设置有4个电极；所述电极分别位于所述表面导电层的4端。
2.根据权利要求1所述的柔性应变传感器，其特征在于，各所述电极包括沿背离所述表面导电层方向依次设置的银层和铜箔纸；所述铜箔纸与导线的一端固定连接。
3.根据权利要求1所述的柔性应变传感器，其特征在于，所述硅橡胶是A胶和B胶配制成的Ecoflex硅橡胶；所述A胶和所述B胶的质量比为1:1。
4.一种柔性应变传感器制备方法，其特征在于，包括：
将炭黑和石墨烯以5：1的质量比加入到无水乙醇中混合搅拌制成第一导电混合物溶液；
将砂纸放置在传感器模具的底部，且使所述砂纸粗糙的一面朝向所述传感器模具的开口，以在柔性导电基底层靠近表面导电层的表面形成不规则分布的砂纸状的凹坑结构；在受到应变时，所述凹坑结构会产生应力集中现象，诱发导电层组织裂纹产生；
将所述第一导电混合物溶液喷涂在所述传感器模具底部，并干燥至所述第一导电混合物溶液凝固，形成导电层；
制备硅橡胶溶液；
将所述硅橡胶溶液倒入干燥后的所述传感器模具，并干燥至所述硅橡胶溶液凝固，形成柔性基底层；
从所述传感器模具中取出制备好的所述柔性导电基底层后，将所述柔性导电基底层切割制成十字型结构；
制成所述十字型结构后，在所述导电层背离所述柔性基底层的表面喷涂第二导电混合物溶液，并干燥至所述第二导电混合物溶液凝固，形成所述表面导电层；所述第二导电混合物溶液和所述第一导电混合物溶液相同；
在所述表面导电层背离所述导电层的表面的四端引出电极。
5.根据权利要求4所述的柔性应变传感器制备方法，其特征在于，在所述表面导电层背离所述导电层的表面的四端引出电极，包括：
在所述表面导电层背离所述导电层的表面的四端均涂抹导电银浆，形成银层；
在各所述银层背离所述表面导电层的表面粘贴铜箔纸；
采用焊锡将4根导线的一端一一焊接在各所述铜箔纸上。
6.根据权利要求4所述的柔性应变传感器制备方法，其特征在于，所述制备硅橡胶溶液，包括：
将A胶和B胶以1:1的质量比混合搅拌制成所述硅橡胶溶液；所述硅橡胶溶液是Ecoflex硅橡胶溶液。
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