CN206399366U - 一种基于薄膜应变计的弓形梁传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于薄膜应变计的弓形梁传感器，包括一个由金属材料制成的中部向上拱起的弓形梁结构和一个粘贴在弓形梁结构中部拱起部位的下表面的薄膜应变计，所述的薄膜应变计由应变计基底、应变计丝栅、应变计引线和应变计保护膜组成，其中，基底粘贴在弓形梁结构中部拱起部位的下表面，应变计丝栅为一个设置在基底表面的呈蛇形排布的金属丝栅，应变计引线的一端焊接在应变计丝栅的端点焊接处，另一端外接连至数据采集系统，在应变计丝栅表面设有应变计保护层膜。本实用新型的特点是可实现对结构大应变测量，输出信号大小与结构的应变成正比例关系，同时具有长期可靠性高、寿命长、测量精度高等优点。

Description

一种基于薄膜应变计的弓形梁传感器

技术领域

本实用新型属于应变传感器技术领域，具体涉及一种用于结构大应变测量的弓形梁传感器。

背景技术

基于工程塑料、柔性材料、粘弹性复合材料等结构由于载荷的影响会产生较大变形，为了监测与检测这些结构的变形状态，需要研制一种应用于结构大应变测量的传感器，将其安装在被测结构表面进行应变监检测与检测。传统应变计的量程基本都在10000με之内，但其对于目前某些结构中产生的最大可能会达到200000με的大应变，则不能满足大量程、高可靠、低功耗、长寿命等的测量需求，也不能够承受长期间的恶劣、复杂的力学环境以及外部腐蚀等环境因素的影响，因此，传统应变计不能满足高可靠、长期稳定、高精度的测量需求。此外，在现有的应变计技术中，市场上公知的应变计的阻值大多都是120Ω和350Ω，阻值在1000Ω以上的应变计比较少见，其功耗比较大，而且在长期稳定性、蠕变等方面也都不能满足结构应变测量的高精度、高分辨率、低功耗的要求。

实用新型内容

本实用新型的目的在于对现有技术存在的问题加以解决，提供一种基于薄膜应变计的弓形梁传感器，该传感器的最大测量量程可达200000με,能较好地解决大应变测量难题,满足结构大应变测量的需求,其产品同时还具有高可靠性、低功耗、长寿命、高测量精度等特点。

为实现上述发明目的而采用的技术解决方案是这样的：所提供的基于薄膜应变计的弓形梁传感器包括一个由金属材料制成的中部向上拱起的弓形梁结构和一个粘贴在弓形梁结构中部拱起部位的下表面的薄膜应变计，所述的薄膜应变计由应变计基底、应变计丝栅、应变计引线和应变计保护膜组成，其中，基底粘贴在弓形梁结构中部拱起部位的下表面，应变计丝栅为一个设置在基底表面的呈蛇形排布的金属丝栅，应变计引线的一端焊接在应变计丝栅的端点焊接处，另一端外接连至数据采集系统，在应变计丝栅表面设有应变计保护层膜。

上述基于薄膜应变计的弓形梁传感器中，应变计丝栅为首先通过金属溅射薄膜工艺将镍铬合金(Ni₈₀Cr₂₀)靶材溅射到应变计基底表面上形成金属膜，再经过刻蚀工艺将镀在应变计基底上的金属膜刻蚀形成的应变计丝栅。

上述基于薄膜应变计的弓形梁传感器中，应变计丝栅为采用镍铬合金靶材制成的阻值为1500±5Ω、厚度为1μm的金属丝栅。

上述基于薄膜应变计的弓形梁传感器中，应变计基底为厚度在20～50μm的聚酰亚胺薄膜。

上述基于薄膜应变计的弓形梁传感器中，应变计保护膜是在应变计丝栅的表面通过金属溅射薄膜工艺镀有的一层厚度为1～2μm的氮化硅(Si₃N₄)保护膜。

上述基于薄膜应变计的弓形梁传感器中，弓形梁结构采用弹性金属材料制成，其应变传递系数为k≤1/15。

与现有技术相比，本实用新型具有的优点如下所述。

一、本实用新型提出一种基于薄膜应变计的弓形梁传感器的设计与制备技术，其中的弓形梁结构采用金属材质制成的侧视面呈梯形的构件(图1)，其应变传递系数技术指标可达到k≤1/15，应变传递系数的公式为：

其中：ε_i——薄膜应变计测量应变值；

ε——应变；

δ——弓形梁厚度；

l——基长，l＝2(a+b)；

h——弹性元件高度；

a——弹性元件斜面水平宽度；

b——弹性元件顶部宽度的一半。

根据上述原理设计的弓形梁结构能够将大应变以某个比例(应变传递系数k)缩小，实现对大应变的精确测量，具有对结构进行大应变测量的特点，这也为解决大应变监测技术问题的提供参考。

二、本实用新型中的应变计丝栅基于溅射薄膜工艺制作，其输出信号大小与结构的应变成正比例关系，所制备出的薄膜应变计具有可靠性和测量精度高、低功耗、长寿命的优点。

三、本实用新型中薄膜应变计敏感组件的保护层膜是通过溅射工艺将氮化硅(Si₃N₄)溅射到丝栅表面，可以起到对敏感栅的热、腐蚀、水、电等外界条件的防护的作用，防止应变计丝栅过早、过快氧化，防止应变计丝栅受到外界环境的化学破坏。

四、本实用新型中弓形梁结构的底部粘贴于被测结构的表面。传统的应变计固定方式是将其粘贴在被测结构处，基于薄膜应变计的弓形梁传感器粘贴在结构被测点的两侧，这避免了由于粘贴而引起的应变测量不精确的不足之处。

附图说明

图1是本实用新型一个具体实施例的结构示意图。

图2是本实用新型薄膜应变计敏感组件的结构示意图。

附图中各标号的名称分别是：1－弓形梁结构；2－薄膜应变计，2a－应变计保护膜，2b－应变计基底，2c－应变计丝栅，2d－应变计引线。

具体实施方式

参见图1，本实用新型所述的,基于薄膜应变计的弓形梁传感器包括弓形梁结构1和薄膜应变计2两部分。其中的弓形梁结构采用金属材质制成的侧视面呈上小下大等腰梯形的构件，薄膜应变计2粘贴设置在弓形梁结构1中部拱起部位的下表面。

薄膜应变计2的结构如图2所示，它由应变计基底2b、应变计丝栅2c、应变计引线2d和应变计保护膜2a组成。其中，应变计基底2b为厚度在20～50μm的聚酰亚胺薄膜，将其制成矩形尺寸，应变计基底2b粘贴在弓形梁结构1中部拱起部位的下表面；制作应变计丝栅2c时，通过溅射制备工艺将镍铬合金(Ni80Cr20)靶材溅射到应变计基底2b表面，形成金属膜，再经过刻蚀工艺将镀在应变计基底材料上的金属膜进行刻蚀，形成厚度为1μm的呈蛇形排布的金属丝栅(应变计丝栅2c)，金属丝栅的阻值为1500±5Ω；将两条应变计引线2d分别焊接到在应变计丝栅2c的端点焊接处，应变计引线2d的另一端外接连至数据采集系统；应变计保护膜2a是一层通过溅射制备工艺溅射在薄膜应变计敏感组件2整体表面的氮化硅(Si₃N₄)防护膜，可防止应变计丝栅2c过早、过快氧化，起到防护的作用。

本实用新型的工作方式参加图1，弓形梁结构的底部粘贴在被测结构的薄膜，测量得到的应变信息反映的是两个粘贴点之间的应变评价值。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型专利原理的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本实用新型专利的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于薄膜应变计的弓形梁传感器，其特征在于：包括一个由金属材料制成的中部向上拱起的弓形梁结构(1)和一个粘贴在弓形梁结构(1)中部拱起部位的下表面的薄膜应变计(2)，所述的薄膜应变计(2)由应变计基底(2b)、应变计丝栅(2c)、应变计引线(2d)和应变计保护膜(2a)组成，其中，基底(2b)粘贴在弓形梁结构(1)中部拱起部位的下表面，应变计丝栅(2c)为一个设置在基底(2b)表面的呈蛇形排布的金属丝栅，应变计引线(2d)的一端焊接在应变计丝栅(2c)的端点焊接处，另一端外接连至数据采集系统，在应变计丝栅(2c)表面设有应变计保护膜(2a)。

2.根据权利要求1所述的基于薄膜应变计的弓形梁传感器，其特征在于：所述的应变计丝栅(2c)为首先通过金属溅射薄膜工艺将镍铬合金靶材溅射到应变计基底(2b)表面上形成金属膜，再经过刻蚀工艺将镀在应变计基底(2b)上的金属膜刻蚀形成的应变计丝栅(2c)。

3.根据权利要求1或2所述的基于薄膜应变计的弓形梁传感器，其特征在于：所述的应变计丝栅(2c)为采用镍铬合金靶材制成的阻值为1500±5Ω、厚度为1μm的金属丝栅。

4.根据权利要求1所述的基于薄膜应变计的弓形梁传感器，其特征在于：所述的应变计基底(2b)为厚度在20～50μm的聚酰亚胺薄膜。

5.根据权利要求1所述的基于薄膜应变计的弓形梁传感器，其特征在于：所述的应变计保护膜(2a)是在应变计丝栅(2c)的表面通过 金属溅射薄膜工艺镀有的一层厚度为1～2μm的氮化硅保护膜。

6.根据权利要求1所述的基于薄膜应变计的弓形梁传感器，其特征在于：所述的弓形梁结构(1)采用弹性金属材料制成，其应变传递系数为k≤1/15。