[发明专利]一种大量程电阻式应变传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于应变传感器设计技术领域，具体涉及一种能够精确测量较大量程范围的具有曲线形电阻结构的大量程电阻式应变传感器及其制备方法。

背景技术

物体的应变是一个非常重要的几何参数，其准确的测量具有十分重要的意义。应变传感器是用于测量物体受力变形所产生的应变的一种传感器。电阻应变片则是其最常采用的传感元件。它是一种能将机械构件上应变的变化转换为电阻变化的传感元件。应变传感器的种类繁多，按原理分，有电阻式的、电容式的、压电式的、电感式的和光学式的，等等。电阻式应变传感器，其电阻材料又可分为金属、半导体、溶液、导电聚合物、石墨，等等。

在测试时，将应变片用粘合剂牢固地粘贴在待测试件的表面上，随着试件受力变形，应变片的敏感栅也获得同样的变形，从而使其电阻随之发生变化，而此电阻变化是与试件应变成比例的，因此如果通过一定测量线路将这种电阻变化转换为电压或电流变化，然后再用显示记录仪表将其显示记录下来，就能知道待测试件应变量的大小。

目前使用的电阻式应变传感器以金属电阻的应用最为广泛，然而由于金属拉伸率的限制，所测应变范围也比较小。例如康铜，一般只能保证测量2％以内的应变是可信的。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够精确测量较大量程范围的具有曲线形电阻结构的大量程电阻式应变传感器及其制备方法。

为了达到上述目的，本发明的具体技术方案如下：

一种大量程电阻式应变传感器，包括：应变电阻、基底、引线和保护层，所述应变电阻固定在所述基底上，用于检测由于所述基底变形引起的电阻变化；所述基底用于将待测试件上的应变准确地传递到所述应变电阻上，所述引线将应变电阻与测量电路相连接，并与应变电阻的两个输出端相焊接；所述保护层覆盖在所述应变电阻上，用于对所述应变电阻进行隔离保护，其特征在于，

所述基底为绝缘聚合物薄膜，所述基底和所述应变电阻分别由多个半圆形弧线首尾连接构成的曲线形结构，相邻两个所述半圆形弧线的开口相反；多个所述半圆形弧线的半径相等或者不相等；

所述基底宽度至少为所述应变电阻中电阻箔线宽度的2倍，所述电阻箔线同时位于所述基底的半圆形弧线曲率内侧或同时位于所述基底的半圆形弧线曲率外侧。

进一步地，所述基底上相邻两个半圆形弧线之间通过等宽度的直线段基底过渡连接，位于所述直线段基底上的所述电阻箔线的宽度大于弧线基底上电阻箔线的宽度，同时小于或等于直线段基底的宽度；直线段基底上的所述电阻箔线的电阻比所述弧线段基底上的电阻箔线的电阻小至少一个数量级。

进一步地，所述曲线形结构包括一支或者多支，每支所述曲线形结构的两端分别与用于粘贴待测试件的基底连接。

进一步地，对称设置的所述曲线形结构之间设有用于限定所述曲线形结构被拉伸的基底限位线，所述基底限位线的两端分别与用于粘贴待测试件的基底相连，所述基底限位线为直线，其长度与所述曲线形结构的原始长度相等。

进一步地，对称设置的所述曲线形结构之间设有用于协助检测待测试件压应变的曲线形聚合物薄膜，所述曲线形聚合物薄膜的曲率半径小于所述曲线形结构的曲率半径，伸长量小于所述曲线形结构的伸长量；所述曲线形聚合物薄膜的两端分别与用于粘贴待测试件的聚合物基底相连。

进一步地，所述聚合物基底和所述保护层的材料均为聚酰亚胺、酚醛树脂、环氧树脂中的任一种。

进一步地，所述电阻箔线的材料为康铜、新康铜、镍铬合金、镍铬铝合金、铁铬铝合金、铂、铂钨合金中的任一种，或者为半导体单晶硅、超薄石墨烯。

进一步地，还包括弹性封装薄膜，所述弹性封装薄膜包覆在所述基底和保护层外面。

本发明还提供了制备上述大量程电阻式应变传感器的方法，包括以下步骤：

a.使用有限元软件模拟所述应变传感器的模型结构，得到所述应变传感器的量程；

b.根据实际测量需求，对所述量程进调节，当所述量程比预设量程偏小时，通过增加所述半圆形弧线半径、减小所述基底的线宽、将所述电阻箔线更加靠近所述基底的中轴线进而增大所述量程；当所述量程比预设量程偏大时，则可通过相反方法进行调节，直至所述应变传感器达到预设量程；

c.利用箔式电阻应变片制作工艺根据步骤b中模拟成功的应变传感器模型制作出整张基底以及曲线形应变电阻，再用激光器按所述曲线形结构切割出所述聚合物基底的轮廓；

d.焊接所述引线，封装保护层，封装弹性薄膜，标定传感器的电阻和应变关系。

进一步地，步骤c中，制作整张基底以及曲线形应变电阻时，具体包括：