CN111879454A - 一种基于柔性薄膜传感器弯曲力补偿的压力测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于柔性薄膜传感器弯曲力补偿的压力测量方法，对弯曲状态下柔性薄膜传感器进行建模，并根据传感器长度的不同，做不同的建模计算，较为精确的计算出柔性薄膜传感器自身形变所引起的压力变化，因此应用本发明能够较好地补偿柔性薄膜传感器实际测量时的误差。本发明计算所需数据量小且无需迭代，计算流程清晰可靠性高，对操作者的要求也较低。

Description

一种基于柔性薄膜传感器弯曲力补偿的压力测量方法

技术领域

本发明涉及弯曲应力补偿的领域，具体来说，涉及一种基于柔性薄膜传感器弯曲力补偿的压力测量方法。

背景技术

柔性薄膜传感器是目前的第三代传感器，由于柔性薄膜压力传感器采用了物理气相沉积的方法制备，它可弯曲、可折叠、延展性好，能够满足高温、湿热、腐蚀、震动等恶劣的使用环境。柔性薄膜压力传感器由于其优异的稳定性和与恶劣环境的适应性，在航空、航天领域、石油工业以及汽车等领域得到了广泛应用。但也正是因为柔性薄膜压力传感器采用的是高灵敏度的应变材料来提升它的性能，在复杂环境中处于弯曲或拉伸态下测量压力时自身的形变将不可避免地产生机械应力，包括拉伸应力、弯曲应力、压应力等，会对压力的测量结果产生较大的影响。

目前已有研究表明，将柔性薄膜压力传感器包裹于配网电缆表面，即曲率半径为21mm时，在电缆表面安装冷缩中间接头压力值达到0.3MPa时，柔性薄膜压力传感器自身的形变产生的压力值达到了0.0271MPa，误差接近10％，这对其后的分析与研究造成了非常大的影响。

发明内容

发明目的：本发明提出一种基于柔性薄膜传感器弯曲力补偿的压力测量方法，消除了传感器自身所引起的压力误差。

技术方案：本发明采用的技术方案为一种基于柔性薄膜传感器弯曲力补偿的压力测量方法，包括以下步骤：

1)获取柔性薄膜传感器的材料，并测量其尺寸；

2)根据步骤1)中柔性薄膜传感器的材料和尺寸计算弯曲状态下柔性薄膜传感器的上表面弧长、下表面弧长、上表面弧对应的弦长、下表面弧对应的弦长，并确定弹性模量大小；

3)基于步骤2)所得参数计算薄膜传感器形变所产生的压力值。

所述步骤1)中所述柔性薄膜传感器的尺寸包括面积、厚度、边界位置上下表面的间距、上表面曲率半径、下表面曲率半径和中心角。

所述步骤2)中当柔性薄膜传感器长度小于待测物曲率半径1％时，下式视为成立：

C₁＝L₀

其中C₁为下表面弧长，L₀为柔性薄膜传感器原始长度；

下表面弧对应的弦长L₁由下式计算：

其中r为下表面曲率半径，再根据下式计算上表面弧对应的弦长L₂：

D为上下表面的间距、R为上表面曲率半径，柔性薄膜传感器的长度变化量ΔL：

ΔL＝L₂-L₀

上式中L₀为柔性薄膜传感器的原始长度，而拉伸应变量ε根据下式计算：

ε＝ΔL/L₀。

所述步骤2)中当柔性薄膜传感器长度大于待测物曲率半径1％，但小于待测物体半圆弧长时，

C₁＝L₀和

依然成立，根据下式计算上表面弧长C₂：

其中，θ为中心角，单位rad。

而上表面弧对应的弦长L₂由如下公式推导得出：

再由下式计算长度变化量ΔL与拉伸应变量ε：

ΔL＝L₂-L₀

ε＝ΔL/L₀。

所述步骤2)中当柔性薄膜传感器的长度超过待测物体半圆弧的长度甚至接近待测物体一圈时，具体计算如下：

C₁＝L₀

其中C₁为下表面弧长，L₀为柔性薄膜传感器原始长度；

下表面弧对应的弦长L₁由下式计算：

其中r为下表面曲率半径，再根据下式计算上表面弧对应的弦长L₂：

D为上下表面的间距、R为上表面曲率半径，柔性薄膜传感器的第二长度变化量ΔL'：

ΔL'＝L₀-L₂

上式中L₀为柔性薄膜传感器的原始长度，而拉伸应变量ε根据下式计算：

ε＝ΔL'/L₀。

所述步骤3)中基于胡克弹性公式计算薄膜传感器形变所产生的压力值，具体公式如下：

其中，E——弹性模量，N/m²；

F——拉伸情况下柔性薄膜传感器对物体施加的压力，N；

A₀——柔性薄膜传感器的面积，m²；

ΔL——柔性薄膜传感器拉伸态下的长度变化量，m；

L₀——柔性薄膜传感器的原始长度，m。

一种柔性压力传感系统，包括贴附在待测物体表面的柔性薄膜传感器，薄膜FPC排线将柔性薄膜传感器连接至数据处理系统；

所述柔性薄膜传感器在弯曲状态下计算薄膜传感器形变所产生的压力值，补偿由此导致的测量误差。

有益效果：本发明对弯曲状态下柔性薄膜传感器进行建模，并根据传感器长度的不同，做不同的建模计算，较为精确的计算出柔性薄膜传感器自身形变所引起的压力变化，因此应用本发明能够较好地补偿柔性薄膜传感器实际测量时的误差。本发明计算所需数据量小且无需迭代，计算流程清晰可靠性高，对操作者的要求也较低。

附图说明

图1为本发明柔性薄膜传感器结构示意图；

图2为本发明柔性薄膜传感器计算原理示意图；

图3为本发明柔性薄膜传感器较长时的计算原理示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例中柔性薄膜传感器1贴附在待测物体2表面，并通过薄膜FPC排线3连接至数据处理系统，即计算机。柔性薄膜传感器1选取弹性模量介于2.9—3.1GPa的薄膜材料，既可以适应不同环境下的弯曲要求，也可以减小弯曲态时的形变对压力产生的影响。另外应当选取相对于柔性薄膜刚度稍大的测压点基底材料和尽量较小的测压点面积使测压点不产生形变或形变时对压力测量影响不大。测压点面积需要视情况而定，根据工作环境和需要测量的压力大小选择，测压点的最佳直径不大于5mm。

如图2所示，本实施例一种基于柔性薄膜弯曲力补偿的压力测量方法，是柔性薄膜传感器1在弯曲态下测量待测物体2表面压力的方法。根据已有的动态模拟法对二极管弯曲态的研究表明，柔性薄膜传感器1在弯曲态下工作时，除图2所示截面的拉伸应力为主要应力外，其他轴向应力和剪切应力都很小，并且在器件并没有失效或者断裂的情况下属于应力低于极限应力的情况。在这种情况下，可以将柔性薄膜传感器1做类似弹簧的近似分析，直接利用胡克弹性定律对其产生的应力进行分析。

本实施例一种基于柔性薄膜弯曲力补偿的压力测量方法，具体包括以下步骤：

1)如图3所示，柔性薄膜传感器1贴合在待测物体2表面时，其上下表面弯曲时的曲率半径不同，因此产生了上下表面一系列的数据差异，进而要对上下表面的数据分别测量。即测量柔性薄膜传感器的面积A₀、厚度D₀、材料、边界位置上下表面的间距D、上表面曲率半径R、下表面曲率半径r和中心角θ这些基础数据。

2)根据上一步获取的柔性薄膜传感器材料确定它的弹性模量E大小，根据数学估算模型计算弯曲态下柔性薄膜传感器的上表面弧长C₂、下表面弧长C₁、上表面弧对应的弦长L₂、下表面弧对应的弦长L₁，根据弦长确定长度变化量ΔL，再根据弧长、弦长、间距等确定拉伸应变量ε。

i)具体地，对于柔性薄膜传感器测压点的长度小于曲率半径1％的情况，以柔性薄膜传感器的原始长度为L₀，柔性薄膜传感器下表面完全贴合待测物刚性曲面，所以C₁＝L₀。

下表面弧对应的弦长L₁由下式计算：

再根据相似原理近似得到上表面弧对应的弦长L₂：

柔性薄膜传感器上表面发生了沿传感器长度方向的拉伸形变，因此可求得长度变化量ΔL：

ΔL＝L₂-L₀

上式中L₀为柔性薄膜传感器的原始长度，而拉伸应变量ε根据下式计算：

ε＝ΔL/L₀

ii)以上都是在柔性薄膜传感器的长度相对于曲率半径很小的情况下进行的计算。而如果柔性薄膜传感器的长度相对于曲率半径并不是很小，即大于1:100，但小于待测物体半圆弧长时，C₁＝L₀和

依然成立，但是L₁和L₂相对于R不能再用相似原理近似求解，需要重新建立数学估算模型。此时薄膜压力传感器的长度达到一定数值，可以直接测量中心角θ的数值，数学估算模型也将简化：

其中，θ为中心角，单位rad。

而上表面弧对应的弦长L₂可由如下公式推导得出：

长度变化量ΔL与拉伸应变量ε计算公式不变。

i ii)如果柔性薄膜传感器的长度远大于曲率半径，即超过待测物体半圆弧的长度甚至接近待测物体一圈时，将柔性薄膜传感器覆盖的范围视为待测物体表面所未覆盖的空白部分，而实际待测物体表面未被传感器覆盖的空白部分则视为长度较小的柔性薄膜压力传感器覆盖的范围。这样图3中柔性薄膜传感器所在位置被视为它环绕物体一圈所未覆盖的空白部分，而实际柔性薄膜传感器接近环绕物体一圈所留下的空白部分则视为需要测量和计算长度变化量和拉伸应变量的区域，也就是假设柔性薄膜传感器的长度依然很小的情况下来计算。此时原理与上述柔性薄膜传感器长度小于待测物曲率半径1％时相同，前一种情况下的长度变化量ΔL在此时应修改为第二长度变化量ΔL'，计算第二长度变化量ΔL'时需注意其公式为：

ΔL'＝L₀-L₂

因为此时的半径为R的“上表面”弧长和弦长是小于半径为r的“下表面”的弧长和弦长。

3)将前两步得到的柔性薄膜传感器的弹性模量E、面积A₀、原始长度为L₀和长度变化量ΔL代入胡克弹性公式中，计算得到柔性薄膜传感器自身形变对物体施加的压力F。

胡克弹性公式如下：

移项，得：

其中，E——弹性模量，N/m²；

F——拉伸情况下柔性薄膜传感器对物体施加的压力，N；

A₀——柔性薄膜传感器的面积，m²；

ΔL——柔性薄膜传感器拉伸态下的长度变化量，m；

L₀——柔性薄膜传感器的原始长度，m。

Claims (7)

1.一种基于柔性薄膜传感器弯曲力补偿的压力测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)获取柔性薄膜传感器的材料，并测量其尺寸；

2)根据步骤1)中柔性薄膜传感器的材料和尺寸计算弯曲状态下柔性薄膜传感器的上表面弧长、下表面弧长、上表面弧对应的弦长、下表面弧对应的弦长，并确定弹性模量大小；

3)基于步骤2)所得参数计算薄膜传感器形变所产生的压力值。

2.根据权利要求1所述的基于柔性薄膜传感器弯曲力补偿的压力测量方法，其特征在于，所述步骤1)中所述柔性薄膜传感器的尺寸包括面积、厚度、边界位置上下表面的间距、上表面曲率半径、下表面曲率半径和中心角。

3.根据权利要求1所述的基于柔性薄膜传感器弯曲力补偿的压力测量方法，其特征在于，所述步骤2)中当柔性薄膜传感器长度小于待测物曲率半径1％时，下式视为成立：

C₁＝L₀

其中C₁为下表面弧长，L₀为柔性薄膜传感器原始长度；

下表面弧对应的弦长L₁由下式计算：

其中r为下表面曲率半径，再根据下式计算上表面弧对应的弦长L₂：

D为上下表面的间距、R为上表面曲率半径，柔性薄膜传感器的长度变化量ΔL：

ΔL＝L₂-L₀

上式中L₀为柔性薄膜传感器的原始长度，而拉伸应变量ε根据下式计算：

ε＝ΔL/L₀。

4.根据权利要求1所述的基于柔性薄膜传感器弯曲力补偿的压力测量方法，其特征在于，所述步骤2)中当柔性薄膜传感器长度大于待测物曲率半径1％，但小于待测物体半圆弧长时，

C₁＝L₀和

依然成立，根据下式计算上表面弧长C₂：

其中，θ为中心角，单位rad。

而上表面弧对应的弦长L₂由如下公式推导得出：

再由下式计算长度变化量ΔL与拉伸应变量ε：

ΔL＝L₂-L₀

ε＝ΔL/L₀。

5.根据权利要求1所述的基于柔性薄膜传感器弯曲力补偿的压力测量方法，其特征在于，所述步骤2)中当柔性薄膜传感器的长度超过待测物体半圆弧的长度甚至接近待测物体一圈时，具体计算如下：

C₁＝L₀

其中C₁为下表面弧长，L₀为柔性薄膜传感器原始长度；

下表面弧对应的弦长L₁由下式计算：

其中r为下表面曲率半径，再根据下式计算上表面弧对应的弦长L₂：

D为上下表面的间距、R为上表面曲率半径，柔性薄膜传感器的第二长度变化量ΔL'：

ΔL'＝L₀-L₂

上式中L₀为柔性薄膜传感器的原始长度，而拉伸应变量ε根据下式计算：

ε＝ΔL'/L₀。

6.根据权利要求1所述的基于柔性薄膜传感器弯曲力补偿的压力测量方法，其特征在于，所述步骤3)中基于胡克弹性公式计算薄膜传感器形变所产生的压力值，具体公式如下：

其中，E——弹性模量，N/m²；

F——拉伸情况下柔性薄膜传感器对物体施加的压力，N；

A₀——柔性薄膜传感器的面积，m²；

ΔL——柔性薄膜传感器拉伸态下的长度变化量，m；

L₀——柔性薄膜传感器的原始长度，m。

7.一种柔性压力传感系统，其特征在于，包括贴附在待测物体表面的柔性薄膜传感器，薄膜FPC排线将柔性薄膜传感器连接至数据处理系统；

所述柔性薄膜传感器在弯曲状态下计算薄膜传感器形变所产生的压力值，补偿由此导致的测量误差。

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