一種模量匹配的二維平面應(yīng)變場測試傳感元件及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種傳感元件及其制作方法，尤其是一種模量匹配的二維平面應(yīng)變場測試傳感元件及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前用于二維平面應(yīng)變場的方法主要有接觸測量法與非接觸測量方法，其中接觸測量法主要是利用多點的電阻式應(yīng)變片進(jìn)行測試，這種方法布點有限，應(yīng)變計尺寸較大，另外每個應(yīng)變計都要接出測試線，占據(jù)大量空間，影響測試精度；非接觸測量方法中具有代表性的是數(shù)字圖像法，這種方法只能在單軸和透明壓力室(液壓油)條件下適用，測試機(jī)理本身限制了這種方法的應(yīng)用范圍。
[0003]接觸測量方法中采用的普通電阻應(yīng)變片，它是由Φ = 0.02-0.05mm的康銅絲或鎳鉻絲繞成柵狀(或用很薄的金屬箔腐蝕成柵狀)夾在兩層絕緣薄片中(基底)制成，這種應(yīng)變片的靈敏度約為2，應(yīng)變測試有效范圍約為0.5%，用于巖石、混凝土、鋼結(jié)構(gòu)等彈性模量較大的材料應(yīng)變變化較小(小于0.5%)測試時是相對有效的。而對于其他模量較小的材料，如各種塑料、橡膠等，這些材料的應(yīng)變一般較大，且電阻應(yīng)變片的模量相對大于這些材料，測試時很難保證達(dá)到同步變形，所以無法完成應(yīng)變測試。近年來出現(xiàn)的新型大塑性應(yīng)變測量應(yīng)變計采用完全退火的康銅敏感柵材料和聚酰亞胺基底材料制造而成，具有良好的高延展性、高伸長率，應(yīng)變測試有效范圍在10%左右，有效地解決了較大應(yīng)變測試問題。但由于聚酰亞胺基地這種材料的限制，這種應(yīng)變計比較適合于更大模量材料的應(yīng)變測試，這樣就限制了其使用范圍，無法有效地對模量更小的塑料、橡膠及土體等材料的應(yīng)變測試。
[0004]鑒于上述的二維平面應(yīng)變場測量現(xiàn)狀，研制模量匹配的二維平面應(yīng)變場測試傳感元件及其制作方法，為工程及室內(nèi)實驗中各種材料的二維平面應(yīng)變場測試提供新的測試傳感元件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]技術(shù)問題:本發(fā)明的目的是要提供一種靈敏度高、應(yīng)變量程大的模量匹配的二維平面應(yīng)變場測試傳感元件及其制作方法。
[0006]技術(shù)方案:本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:該二維平面應(yīng)變場測試傳感元件有第一層即底層的薄板、第二層的敏感元件陳列與橫向電極、第三層的絕緣薄層、第四層的縱向電極及第五層即上層的絕緣保護(hù)膜，第一層、第二層、第三層、第四層和第五層順序連接。
[0007]傳感元件的制作方法，首先根據(jù)被測試對象的彈性模量大小，選擇模量較更小一些的薄板、敏感元件陳列基體、電極材料、絕緣薄層及絕緣保護(hù)膜材料；然后將導(dǎo)電炭黑或碳納米管與敏感元件陳列基體進(jìn)行混合配制導(dǎo)電高分子復(fù)合材料，并將其印刷在選擇好的薄板上形成敏感元件陳列層；之后將選好的電極材料也印刷在底板上形成橫向電極，并連接上敏感元件陳列；然后利用選擇好的絕緣薄層材料印制絕緣薄層，再印刷縱向電極，絕緣薄層處于橫向電極與縱向電極之間，將兩層電極絕緣；最后，將選擇好的絕緣保護(hù)膜材料印刷于最上層形成絕緣保護(hù)膜層，起到保護(hù)作用。
[0008]所述的薄板是一種塑料或橡膠材料，厚度0.1?0.3mm ;敏感元件陳列基體是一種樹脂或橡膠材料，與導(dǎo)電炭黑或碳納米管充分混合成為導(dǎo)電高分子復(fù)合材料；電極材料匹配用市場上出售的導(dǎo)電銀漿或者將導(dǎo)電銀粉加入橡膠中復(fù)合而成；絕緣層與絕緣保護(hù)膜選擇相同的樹脂或橡膠材料；在印刷的時候要保證上一次印刷層完全固化后再進(jìn)行印刷。
[0009]有益效果，由于采用了上述方案，第一層(最下層)的薄板采用塑料板或橡膠板，然后將炭黑或碳納米管充填樹脂或橡膠基的導(dǎo)電高分子復(fù)合材料印刷于薄板上，待固化后形成敏感元件陳列，再將電極材料印刷于薄板上，印刷位置與敏感元件陳列有一定的重疊，保證導(dǎo)電連接，形成橫向電極層。之后將樹脂或橡膠材料印刷形成絕緣薄層，再印刷電極材料形成縱向電極，絕緣薄層的目的是保證橫向電極與縱向電極之間絕緣，形成斷路。最后將樹脂或橡膠材料印刷于第五層(最上層)，覆蓋位于下面的敏感元件陳列與電極，起到絕緣保護(hù)的作用。薄板、敏感元件陳列基體、電極材料、絕緣薄層及絕緣保護(hù)膜材料根據(jù)被測對象的彈性模量大小來選擇，做到選用的所有材料的彈性模量與被測對象接近，有利于被測對象產(chǎn)生應(yīng)變時能夠帶動傳感元件一起發(fā)生應(yīng)變，達(dá)到同步應(yīng)變，保證測試的準(zhǔn)確性。敏感元件陳列具有應(yīng)變敏感性，當(dāng)發(fā)生應(yīng)變時其電阻值發(fā)生相應(yīng)變化，對相應(yīng)位置應(yīng)變大小進(jìn)行測試。橫向電極與縱向電極主要是起到連接測試設(shè)備與敏感元件陳列的作用，是電阻測試數(shù)據(jù)線。最上層的絕緣保護(hù)膜，是絕緣與防水保護(hù)作用，避免敏感元件陳列及電極裸露于環(huán)境中受到干擾，影響測試精度。
[0010]制作的二維平面應(yīng)變場測試傳感元件，可實現(xiàn)各種材料的二維平面應(yīng)變場測試，主要優(yōu)點有:
[0011]1、結(jié)構(gòu)簡單，制作簡單，采用印刷工藝，可批量生產(chǎn)，成本低。
[0012]2、根據(jù)被測試對象的彈性模量選擇傳感元件各組成部分材料，可保證測試時的同步變形，保證了測試精度以及應(yīng)變測試量程。
[0013]3、導(dǎo)電高分子復(fù)合材料制作而成的敏感元件陳列，使得傳感元件具有高靈敏度、
應(yīng)變量程大等特點。
【附圖說明】
:
[0014]圖1為本發(fā)明的一種模量匹配的二維平面應(yīng)變場測試傳感元件的示意圖。
[0015]圖2為本發(fā)明的第一層薄板圖。
[0016]圖3為本發(fā)明的第二層敏感元件陣列與橫向電極圖。
[0017]圖4為本發(fā)明的第三層絕緣薄層圖。
[0018]圖5為本發(fā)明的第四層縱向電極圖。
[0019]圖6為本發(fā)明的第五層絕緣保護(hù)膜圖。
[0020]圖中，1、薄板；2、敏感元件陳列；3、橫向電極；4、絕緣薄層；5、縱向電極；6、絕緣保護(hù)膜。
【具體實施方式】
:
[0021]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作進(jìn)一步的描述:
[0022]該二維平面應(yīng)變場測試傳感元件有第一層即底層的薄板、第二層的敏感元件陳列與橫向電極、第三層的絕緣薄層、第四層的縱向電極及第五層即上層的絕緣保護(hù)膜，第一層、第二層、第三層、第四層和第五層順序連接。
[0023]傳感元件的制作方法，首先根據(jù)被測試對象的彈性模量大小，選擇模量較更小一些的薄板、敏感元件陳列基體、電極材料、絕緣薄層及絕緣保護(hù)膜材料；然后將導(dǎo)電炭黑或碳納米管與敏感元件陳列基體進(jìn)行混合配制導(dǎo)電高分子復(fù)合材料，并將其印刷在選擇好的薄板上形成敏感元件陳列層；之后將選好的電極材料也印刷在底板上形成橫向電極，并連接上敏感元件陳列；然后利用選擇好的絕緣薄層材料印制絕緣薄層，再印刷縱向電極，絕緣薄層處于橫向電極與縱向電極之間，將兩層電極絕緣；最后，將選擇好的絕緣保護(hù)膜材料印刷于最上層形成絕緣保護(hù)膜層，起到保護(hù)作用。
[0024]所述的薄板是一種塑料或橡膠材料，厚度0.1?0.3mm ;敏感元件陳列基體是一種樹脂或橡膠材料，與導(dǎo)電炭黑或碳納米管充分混合成為導(dǎo)電高分子復(fù)合材料；電極材料匹配用市場上出售的導(dǎo)電銀漿或者將導(dǎo)電銀粉加入橡膠中復(fù)合而成；絕緣層與絕緣保護(hù)膜選擇相同的樹脂或橡膠材料；在印刷的時候要保證上一次印刷層完全固化后再進(jìn)行印刷。
[0025]薄板I的材料、敏感元件陳列2的基體材料、橫向電極3與縱向電極5的材料、絕緣薄層4與絕緣保護(hù)膜6的材料需根據(jù)被測對象的彈性模量相應(yīng)地選擇模量更小一些的材料。
[0026]敏感元件陳列2采用導(dǎo)電高分子復(fù)合材料印刷而成。
[0027]導(dǎo)電高分子復(fù)合材料為導(dǎo)電炭黑或碳納米管填充的橡膠基或樹脂基復(fù)合材料。
[0028]實