一种模量匹配的二维平面应变场测试传感元件及其制作方法

摘要

一种模量匹配的二维平面应变场测试传感元件及其制作方法，属于传感元件及其制作方法。有第一层的薄板、第二层的敏感元件陈列与横向电极、第三层的绝缘薄层、第四层的纵向电极及第五层的绝缘保护膜组成；第一层的薄板为塑料或橡胶薄板；第二层的敏感元件陈列与横向电极，采用印刷的方法印制到第一层的薄板上；第三层的绝缘薄层采用树脂或橡胶印刷而成；第四层的纵向电极同样采用印制方法而成；第五层的绝缘保护膜采用树脂或橡胶印制而成。传感元件能实现二维平面应变场的测试，更好地与被测对象达到同步应变，测试到的应变量将更准确，应变测试量程也能够满足，测试精度提高；另外，这种方法采用的是印刷工艺，批量生产情况下，成本低，效果好。

权利要求

1.一种模量匹配的二维平面应变场测试传感元件，其特征是：该二维平面应变场测试传感元件有第一层即底层的薄板、第二层的敏感元件陈列与横向电极、第三层的绝缘薄层、第四层的纵向电极及第五层即上层的绝缘保护膜，第一层、第二层、第三层、第四层和第五层顺序连接；

敏感元件陈列基体是一种树脂或橡胶材料，与导电炭黑或碳纳米管充分混合成为导电高分子复合材料；电极材料匹配用市场上出售的导电银浆或者将导电银粉加入橡胶中复合而成；绝缘层与绝缘保护膜选择相同的树脂或橡胶材料；在印刷的时候要保证上一次印刷层完全固化后再进行印刷。

2.一种权利要求1所述的模量匹配的二维平面应变场测试传感元件的制作方法，其特征是：传感元件的制作方法，首先根据被测试对象的弹性模量大小，选择模量较更小一些的薄板、敏感元件陈列基体、电极材料、绝缘薄层及绝缘保护膜材料；然后将导电炭黑或碳纳米管与敏感元件陈列基体进行混合配制导电高分子复合材料，并将其印刷在选择好的薄板上形成敏感元件陈列层；之后将选好的电极材料也印刷在底板上形成横向电极，并连接上敏感元件陈列；然后利用选择好的绝缘薄层材料印制绝缘薄层，再印刷纵向电极，绝缘薄层处于横向电极与纵向电极之间，将两层电极绝缘；最后，将选择好的绝缘保护膜材料印刷于最上层形成绝缘保护膜层，起到保护作用。

3.根据权利要求2所述的模量匹配的二维平面应变场测试传感元件的制作方法，其特征是：所述的薄板是一种塑料或橡胶材料，厚度0.1～0.3mm。

说明书

一种模量匹配的二维平面应变场测试传感元件及其制作方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种传感元件及其制作方法，尤其是一种模量匹配的二维平面应变场测试传感元件及其制作方法。

背景技术

[0002] 目前用于二维平面应变场的方法主要有接触测量法与非接触测量方法，其中接触测量法主要是利用多点的电阻式应变片进行测试，这种方法布点有限，应变计尺寸较大，另外每个应变计都要接出测试线，占据大量空间，影响测试精度；非接触测量方法中具有代表性的是数字图像法，这种方法只能在单轴和透明压力室(液压油)条件下适用，测试机理本身限制了这种方法的应用范围。

[0003] 接触测量方法中采用的普通电阻应变片，它是由Φ＝0.02-0.05mm的康铜丝或镍铬丝绕成栅状(或用很薄的金属箔腐蚀成栅状)夹在两层绝缘薄片中(基底)制成，这种应变片的灵敏度约为2，应变测试有效范围约为0.5％，用于岩石、混凝土、钢结构等弹性模量较大的材料应变变化较小(小于0.5％)测试时是相对有效的。而对于其他模量较小的材料，如各种塑料、橡胶等，这些材料的应变一般较大，且电阻应变片的模量相对大于这些材料，测试时很难保证达到同步变形，所以无法完成应变测试。近年来出现的新型大塑性应变测量应变计采用完全退火的康铜敏感栅材料和聚酰亚胺基底材料制造而成，具有良好的高延展性、高伸长率，应变测试有效范围在10％左右，有效地解决了较大应变测试问题。但由于聚酰亚胺基地这种材料的限制，这种应变计比较适合于更大模量材料的应变测试，这样就限制了其使用范围，无法有效地对模量更小的塑料、橡胶及土体等材料的应变测试。

[0004] 鉴于上述的二维平面应变场测量现状，研制模量匹配的二维平面应变场测试传感元件及其制作方法，为工程及室内实验中各种材料的二维平面应变场测试提供新的测试传感元件。

发明内容

[0005] 技术问题：本发明的目的是要提供一种灵敏度高、应变量程大的模量匹配的二维平面应变场测试传感元件及其制作方法。

[0006] 技术方案：本发明的目的是这样实现的：该二维平面应变场测试传感元件有第一层即底层的薄板、第二层的敏感元件陈列与横向电极、第三层的绝缘薄层、第四层的纵向电极及第五层即上层的绝缘保护膜，第一层、第二层、第三层、第四层和第五层顺序连接。

[0007] 传感元件的制作方法，首先根据被测试对象的弹性模量大小，选择模量较更小一些的薄板、敏感元件陈列基体、电极材料、绝缘薄层及绝缘保护膜材料；然后将导电炭黑或碳纳米管与敏感元件陈列基体进行混合配制导电高分子复合材料，并将其印刷在选择好的薄板上形成敏感元件陈列层；之后将选好的电极材料也印刷在底板上形成横向电极，并连接上敏感元件陈列；然后利用选择好的绝缘薄层材料印制绝缘薄层，再印刷纵向电极，绝缘薄层处于横向电极与纵向电极之间，将两层电极绝缘；最后，将选择好的绝缘保护膜材料印刷于最上层形成绝缘保护膜层，起到保护作用。

[0008] 所述的薄板是一种塑料或橡胶材料，厚度0.1～0.3mm；敏感元件陈列基体是一种树脂或橡胶材料，与导电炭黑或碳纳米管充分混合成为导电高分子复合材料；电极材料匹配用市场上出售的导电银浆或者将导电银粉加入橡胶中复合而成；绝缘层与绝缘保护膜选择相同的树脂或橡胶材料；在印刷的时候要保证上一次印刷层完全固化后再进行印刷。

[0009] 有益效果，由于采用了上述方案，第一层(最下层)的薄板采用塑料板或橡胶板，然后将炭黑或碳纳米管充填树脂或橡胶基的导电高分子复合材料印刷于薄板上，待固化后形成敏感元件陈列，再将电极材料印刷于薄板上，印刷位置与敏感元件陈列有一定的重叠，保证导电连接，形成横向电极层。之后将树脂或橡胶材料印刷形成绝缘薄层，再印刷电极材料形成纵向电极，绝缘薄层的目的是保证横向电极与纵向电极之间绝缘，形成断路。最后将树脂或橡胶材料印刷于第五层(最上层)，覆盖位于下面的敏感元件陈列与电极，起到绝缘保护的作用。薄板、敏感元件陈列基体、电极材料、绝缘薄层及绝缘保护膜材料根据被测对象的弹性模量大小来选择，做到选用的所有材料的弹性模量与被测对象接近，有利于被测对象产生应变时能够带动传感元件一起发生应变，达到同步应变，保证测试的准确性。敏感元件陈列具有应变敏感性，当发生应变时其电阻值发生相应变化，对相应位置应变大小进行测试。横向电极与纵向电极主要是起到连接测试设备与敏感元件陈列的作用，是电阻测试数据线。最上层的绝缘保护膜，是绝缘与防水保护作用，避免敏感元件陈列及电极裸露于环境中受到干扰，影响测试精度。

[0010] 制作的二维平面应变场测试传感元件，可实现各种材料的二维平面应变场测试，主要优点有：

[0011] 1、结构简单，制作简单，采用印刷工艺，可批量生产，成本低。

[0012] 2、根据被测试对象的弹性模量选择传感元件各组成部分材料，可保证测试时的同步变形，保证了测试精度以及应变测试量程。

[0013] 3、导电高分子复合材料制作而成的敏感元件陈列，使得传感元件具有高灵敏度、应变量程大等特点。附图说明：

[0014] 图1为本发明的一种模量匹配的二维平面应变场测试传感元件的示意图。

[0015] 图2为本发明的第一层薄板图。

[0016] 图3为本发明的第二层敏感元件阵列与横向电极图。

[0017] 图4为本发明的第三层绝缘薄层图。

[0018] 图5为本发明的第四层纵向电极图。

[0019] 图6为本发明的第五层绝缘保护膜图。

[0020] 图中，1、薄板；2、敏感元件陈列；3、横向电极；4、绝缘薄层；5、纵向电极；6、绝缘保护膜。具体实施方式：

[0021] 下面结合附图对本发明的实施例作进一步的描述：

[0022] 该二维平面应变场测试传感元件有第一层即底层的薄板、第二层的敏感元件陈列与横向电极、第三层的绝缘薄层、第四层的纵向电极及第五层即上层的绝缘保护膜，第一层、第二层、第三层、第四层和第五层顺序连接。

[0023] 传感元件的制作方法，首先根据被测试对象的弹性模量大小，选择模量较更小一些的薄板、敏感元件陈列基体、电极材料、绝缘薄层及绝缘保护膜材料；然后将导电炭黑或碳纳米管与敏感元件陈列基体进行混合配制导电高分子复合材料，并将其印刷在选择好的薄板上形成敏感元件陈列层；之后将选好的电极材料也印刷在底板上形成横向电极，并连接上敏感元件陈列；然后利用选择好的绝缘薄层材料印制绝缘薄层，再印刷纵向电极，绝缘薄层处于横向电极与纵向电极之间，将两层电极绝缘；最后，将选择好的绝缘保护膜材料印刷于最上层形成绝缘保护膜层，起到保护作用。

[0024] 所述的薄板是一种塑料或橡胶材料，厚度0.1～0.3mm；敏感元件陈列基体是一种树脂或橡胶材料，与导电炭黑或碳纳米管充分混合成为导电高分子复合材料；电极材料匹配用市场上出售的导电银浆或者将导电银粉加入橡胶中复合而成；绝缘层与绝缘保护膜选择相同的树脂或橡胶材料；在印刷的时候要保证上一次印刷层完全固化后再进行印刷。

[0025] 薄板1的材料、敏感元件陈列2的基体材料、横向电极3与纵向电极5的材料、绝缘薄层4与绝缘保护膜6的材料需根据被测对象的弹性模量相应地选择模量更小一些的材料。

[0026] 敏感元件陈列2采用导电高分子复合材料印刷而成。

[0027] 导电高分子复合材料为导电炭黑或碳纳米管填充的橡胶基或树脂基复合材料。

[0028] 实施例1：如图1所示，本发明的一种模量匹配的二维平面应变场测试传感元件，它由第一层的薄板1、第二层的敏感元件陈列2与横向电极3、第三层的绝缘薄层4、第四层的纵向电极5及第五层的绝缘保护膜6组成。所要进行应变测试的对象为混凝土结构，选择弹性模量较小一些的环氧树脂薄板作为第一层的薄板1，薄板1的厚度选用0.3mm。第二层的敏感元件陈列2，选用环氧树脂作为基体，导电炭黑作为充填材料，配制成导电高分子复合材料，然后印刷于薄板1上；印刷前将薄板1上表面用溶剂擦洗干净，保证印刷效果。第二层的横向电极3使用市场上购买的可印刷的导电银浆同样印刷到薄板1上，敏感元件陈列2与横向电极3之间有重叠，保证可靠的电气连接。第三层的绝缘薄层4选用环氧树脂材料直接印刷在指定位置处，待印刷材料固化后再印刷导电银浆形成第四层的纵向电极5，绝缘薄层位于横向电极3与纵向电极5之间，使得它们之间断路；第五层的绝缘保护膜6采用环氧树脂印刷而成，选用与绝缘薄层4相同的材料，绝缘保护膜6将之前印刷的敏感元件陈列2、横向电极3、绝缘薄层4及纵向电极5全覆盖，起到绝缘保护作用。

[0029] 该实例中，由于测试对象为混凝土结构的变形，所以选择的环氧树脂材料，其弹性模量与混凝土较接近。印刷时，依次在第一层的薄板1(图2所示)上印刷敏感元件陈列2(图3所示)、横向电极3(图3所示)、绝缘薄层4(图4所示)、纵向电极5(图5所示)及绝缘保护膜6(图6所示)，每次印刷要保证上次印刷的材料已经完全固化之后再进行。待第五层的绝缘保护膜6完全固化后，便得到用于混凝土结构二维平面应变场测试的传感元件。

[0030] 实施例2：如图1所示，本发明的一种模量匹配的二维平面应变场测试传感元件，它由第一层的薄板1、第二层的敏感元件陈列2与横向电极3、第三层的绝缘薄层4、第四层的纵向电极5及第五层的绝缘保护膜6组成。所要进行应变测试的对象为岩石结构，选择弹性模量较小一些的环氧树脂薄板作为第一层的薄板1，薄板1的厚度选用0.2mm。第二层的敏感元件陈列2，选用环氧树脂作为基体，导电碳纳米管作为充填材料，配制成导电高分子复合材料，然后印刷于薄板1上；印刷前将薄板1上表面用溶剂擦洗干净，保证印刷效果。第二层的横向电极3使用市场上购买的可印刷的导电银浆同样印刷到薄板1上，敏感元件陈列2与横向电极3之间有重叠，保证可靠的电气连接。第三层的绝缘薄层4选用环氧树脂材料直接印刷在指定位置处，待印刷材料固化后再印刷导电银浆形成第四层的纵向电极5，绝缘薄层位于横向电极3与纵向电极5之间，使得它们之间断路；第五层的绝缘保护膜6采用环氧树脂印刷而成，选用与绝缘薄层4相同的材料，绝缘保护膜6将之前印刷的敏感元件陈列2、横向电极3、绝缘薄层4及纵向电极5全覆盖，起到绝缘保护作用。

[0031] 该实例中，由于测试对象为岩石结构的变形，所以选择的环氧树脂材料，其弹性模量与岩石较接近。印刷时，依次在第一层的薄板1(图2所示)上印刷敏感元件陈列2(图3所示)、横向电极3(图3所示)、绝缘薄层4(图4所示)、纵向电极5(图5所示)及绝缘保护膜6(图6所示)，每次印刷要保证上次印刷的材料已经完全固化之后再进行。待第五层的绝缘保护膜6完全固化后，便得到用于岩石结构二维平面应变场测试的传感元件。

[0032] 实施例3：如图1所示，本发明的一种模量匹配的二维平面应变场测试传感元件，它由第一层的薄板1、第二层的敏感元件陈列2与横向电极3、第三层的绝缘薄层4、第四层的纵向电极5及第五层的绝缘保护膜6组成。所要进行应变测试的对象为土体结构，选择弹性模量较小一些的硅橡胶薄板作为第一层的薄板1，薄板1的厚度选用0.1mm。第二层的敏感元件陈列2，选用硅橡胶作为基体，导电炭黑作为充填材料，配制成导电高分子复合材料，然后印刷于薄板1上；印刷前将薄板1上表面用溶剂擦洗干净，保证印刷效果。第二层的横向电极3使用实验室配制的导电银浆同样印刷到薄板1上，导电银浆由银粉颗粒与硅橡胶复合配制而成，敏感元件陈列2与横向电极3之间有重叠，保证可靠的电气连接。第三层的绝缘薄层4选用硅橡胶材料直接印刷在指定位置处，待印刷材料固化后再印刷配制的导电银浆形成第四层的纵向电极5，绝缘薄层位于横向电极3与纵向电极5之间，使得它们之间断路；第五层的绝缘保护膜6采用硅橡胶印刷而成，选用与绝缘薄层4相同的材料，绝缘保护膜6将之前印刷的敏感元件陈列2、横向电极3、绝缘薄层4及纵向电极5全覆盖，起到绝缘保护作用。

[0033] 该实例中，由于测试对象为土体结构的变形，所以选择的硅橡胶材料，其弹性模量与土体较接近。印刷时，依次在第一层的薄板1(图2所示)上印刷敏感元件陈列2(图3所示)、横向电极3(图3所示)、绝缘薄层4(图4所示)、纵向电极5(图5所示)及绝缘保护膜6(图6所示)，每次印刷要保证上次印刷的材料已经完全固化之后再进行。待第五层的绝缘保护膜6完全固化后，便得到用于土体结构二维平面应变场测试的传感元件。