一种电阻式应变传感器及应变测量方法技术

本发明专利技术提供了一种电阻式应变传感器及应变测量方法，该应变传感器在应变测量过程中能够自动进行温度补偿，同时提高了应变测量的灵敏度。包括：应变电阻和基底，应变电阻固定在基底上，其特征在于，基底由绝缘材料制成，为曲线形结构，基底至少包括两排，两排基底并列设置，其端部分别连接至一个粘贴端；两排基底上的应变电阻在一端串联，实现应变测量过程中的温度补偿；两排基底上的应变电阻的中轴线位于基底的不同位置，实现应变测量过程中电阻变化量的差值。应变测量时，将上述电阻式应变传感器中，串联的应变电阻的两个电学端及串联导通处分别接出一条引线到半桥测量电路并标定，测量半桥输出电压得到待测物的应变。

【技术实现步骤摘要】
一种电阻式应变传感器及应变测量方法
本专利技术属于应变传感器设计
，具体涉及一种具有曲线形电阻结构的电阻式应变传感器及应变测量方法，该电阻式应变传感器能够精确测量超大量程的应变，并且可以补偿应变测量中的温度变化。
技术介绍
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。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物的表面上，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，就能知道待测物应变量的大小。传统的基于半导体和金属箔的应变传感器的弹性量程通常小于2％，不能满足大量程的测量要求，因此人们发展了以碳黑、石墨烯、碳纳米管、氧化锌纳米线、金属纳米线、金属纳米膜等为传感材料的大变形应变传感器。所需的大变形能力可以从两方面实现：一方面是采用具有优良固有大应变性能的先进传感材料，另一方面是采用传感材料只能承受小应变然而具有大变形能力的力学结构。在大变形应变传感器的发展历程中，北京纳米能源所、斯坦福大学、南开大学、苏州纳米所和清华大学都做了大量的设计和优化工作。尽管这些研究在设计方案上有了长足的进步，但是几乎所有的应变传感器都会在量程内发生微结构的永久破坏或蠕变，其高伸展性都是基于硅胶类弹性体，因而都不适用于长期精密测量。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种电阻式应变传感器，具有曲线形电阻结构，能够精确测量较大量程范围的应变电阻，同时，该应变传感器在应变测量过程中能够自动进行温度补偿，同时提高了应变测量的灵敏度。本专利技术还提供了利用上述电阻式应变传感器进行应变测量的方法。为了达到上述目的，本专利技术的具体技术方案如下：一种电阻式应变传感器，包括：应变电阻和基底，所述应变电阻固定在所述基底上，所述基底由绝缘材料制成，为曲线形结构，所述基底至少包括两排，两排所述基底并列设置，其端部分别连接至一个粘贴端；两排所述基底上的应变电阻在一端串联，实现应变测量过程中的温度补偿；两排所述基底上的应变电阻的中轴线位于所述基底的不同位置，实现应变测量过程中两排应变电阻的电阻变化量的差值。进一步地，两排基底的两个应变电阻中，其中一个所述应变电阻的的中轴线始终位于所在基底的曲线形结构中轴线的外侧，另一个所述应变电阻的中轴线始终位于所在基底的曲线形结构中轴线的内侧。进一步地，所述应变传感器中，两排所述应变电阻中，位于曲线形结构外侧的应变电阻的宽度较大，位于曲线形结构内侧的应变电阻的宽度较小。进一步地，所述曲线形结构为圆弧、椭圆弧、正弦曲线中的一种或几种的组合结构。进一步地，所述应变传感器中，两个所述应变电阻串联导通处，连接有与测量电路连通的曲线形电阻，所述曲线形电阻并列位于两排所述基底之间，所述曲线形电阻的延伸端与该应变传感器的另一粘贴端连接。进一步地，所述基底的宽度为所述应变电阻宽度的2倍或2倍以上。进一步地，还包括连接段，所述曲线形结构包括一个或多个，多个所述曲线形结构通过所述连接段相互连接，相互连接的多个所述曲线形结构的首尾两端分别设有与待测物相连的粘贴端；所述应变传感器被拉伸前后，所述连接段的平均曲率变化量小于所述曲线形结构的平均曲率变化量；所述连接段上的应变电阻的阻值小于所述曲线形结构上的应变电阻的阻值。进一步地，所述基底的材料为聚酰亚胺、聚酯、酚醛树脂、环氧树脂中的一种；所述应变电阻的材料为康铜或新康铜；或，所述应变电阻的材料为金、铝、铜、镍铬合金、镍铬铝合金、铁铬铝合金、铂、铂钨合金的一种。进一步地，还包括封装薄膜，所述封装薄膜包覆在所述电阻式应变传感器上；优选地，所述封装薄膜的材料为聚二甲基硅氧烷或Ecoflex系列硅橡胶。本专利技术提供的一种应变测量方法，将上述电阻式应变传感器中，串联的应变电阻的两端及串联导通处分别接出一条引线到半桥测量电路并标定，测量半桥输出电压得到待测物的应变；优选地，从串联导通处接出引线时，直接焊接引线或者由增设的曲线形电阻结构引到串联的应变电阻两个电学端的所述粘贴端，再一并引出。本专利技术提供的电阻式应变传感器，其基底为曲线形结构，进而限定了其上应变电阻的结构也为曲线形结构，量程设计范围可以从百分之几到百分之几千，同时并列设置至少两排基底，两排基底上的应变电阻在一端串联，实现应变测量过程中的温度补偿；两排基底上的应变电阻的中轴线位于基底的不同位置，实现应变测量过程中两排应变电阻的电阻变化量的差值。附图说明图1a是本专利技术提供的一种电阻式应变传感器的结构示意图；图1b是图1a上排的单个周期的放大图；图1c是图1a下排的单个周期的放大图；图2是半桥测量电路示意图；图3是本专利技术提供的另一种电阻式应变传感器的结构示意图；1.基底，2.应变电阻，3.粘贴端，4.连接段，5.曲线形电阻。具体实施方式通过参考示范性实施例阐明本专利技术技术问题、技术方案和优点。然而，本专利技术并不受限于以下所公开的示范性实施例，可以通过不同形式来对其加以实现。以下内容中所说的量程即为应变电阻达到其可正常使用的最大应变时应变传感器的拉伸率。本文中的“超大量程”指的是量程设计范围从百分之几到百分之几千之内。文中的“内侧”和“外侧”分别指的是曲线形结构中，远离曲率中心的一侧为外侧，靠近曲率中心的一侧为内侧。一种电阻式应变传感器，主要由应变电阻2和基底1构成，应变电阻2固定在基底1上，基底1与待测试件连接或者直接粘贴在待测试件上，应变电阻2和基底1随同待测试件一起产生变形，在变形的同时应变电阻2的阻值随之发生变化，变化的电阻经电路处理后以电压信号的形式输出，最终根据应变传感器上标定的电压与应变之间关系得到待测试件的应变值。本方案中，应变传感器的基底1由绝缘材料制成，为曲线形结构，而曲线形结构的基底1能够决定其上的应变电阻2的结构也为曲线形，实测，本专利技术提供的应变传感器的有效量程能够从百分之几到百分之几千。本方案中，如图1a所示，基底1至少包括两排，两排基底1并列设置，其端部分别连接至一个粘贴端3；两排基底1上的应变电阻2在一端串联，实现应变测量过程中的温度补偿。两排基底1上的应变电阻2的中轴线在基底1上的位置不同，实现应变测量过程中电阻变化量的差值。即就是，对于包括两排基底1的应变传感器，其两排基底1上的两个应变电阻2，其分别在所在基底1上的相对位置不同，举例，其中一个应变电阻2位于所在基底1的中轴线上，另一个应变电阻2则位于所在基底1中轴线的一侧。如图1b和1c为图1a中单个周期的曲线段的放大图，能够清楚地看到基底1上应变电阻2的位置设置。本专利技术的一种实施方式中，两排基底1的两个应变电阻2中，其中一个应变电阻2的中轴线始终位于所在基底1的曲线段中轴线的外侧，另一个所述应变电阻2的中轴线始终位于所在基底1的曲线段中轴线的内侧。本专利技术的一种实施方式中，所述应变传感器中，两排基底1上的应变电阻2中，中轴线位于曲率中心外侧的应变电阻2的宽度较大，中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电阻式应变传感器，包括：应变电阻和基底，所述应变电阻固定在所述基底上，其特征在于，所述基底由绝缘材料制成，为曲线形结构，所述基底至少包括两排，两排所述基底并列设置，其端部分别连接至一个粘贴端；两排所述基底上的应变电阻在一端串联，实现应变测量过程中的温度补偿；两排所述基底上的应变电阻的中轴线位于所述基底的不同位置，实现应变测量过程中两排应变电阻的电阻变化量的差值。

【技术特征摘要】
1.一种电阻式应变传感器，包括：应变电阻和基底，所述应变电阻固定在所述基底上，其特征在于，所述基底由绝缘材料制成，为曲线形结构，所述基底至少包括两排，两排所述基底并列设置，其端部分别连接至一个粘贴端；两排所述基底上的应变电阻在一端串联，实现应变测量过程中的温度补偿；两排所述基底上的应变电阻的中轴线位于所述基底的不同位置，实现应变测量过程中两排应变电阻的电阻变化量的差值。2.根据权利要求1所述的电阻式应变传感器，其特征在于，两排基底的两个应变电阻中，其中一个所述应变电阻的的中轴线始终位于所在基底的曲线形结构中轴线的外侧，另一个所述应变电阻的中轴线始终位于所在基底的曲线形结构中轴线的内侧。3.根据权利要求2所述的电阻式应变传感器，其特征在于，所述应变传感器中，两排所述应变电阻中，位于曲线形结构外侧的应变电阻的宽度较大，位于曲线形结构内侧的应变电阻的宽度较小。4.根据权利要求1-3任一项所述的电阻式应变传感器，其特征在于，所述曲线形结构为圆弧、椭圆弧、正弦曲线中的一种或几种的组合结构。5.根据权利要求1所述的电阻式应变传感器，其特征在于，所述应变传感器中，两个所述应变电阻串联导通处，连接有与测量电路连通的曲线形电阻，所述曲线形电阻并列位于两排所述基底之间，所述曲线形电阻的延伸端与该应变传感器的另一粘贴端连接。6.根据权利要求1所述的电阻式应变传感器，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏业旺，李爽，
申请(专利权)人：中国科学院力学研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11