CN120927160A - 一种能够实现拉压双向测量的应力传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能够实现拉压双向测量的应力传感器及其制备方法，该应力传感器的五层敏感结构包括从下往上依次黏连的第一层敏感结构、第二层敏感结构、第三层敏感结构、第四层敏感结构和第五层敏感结构，且第一层敏感结构与第三层敏感结构之间、第三层敏感结构与第五层敏感结构之间设有镂空区域，敏感结构间填充物填充在镂空区域内，应变片粘贴于第三层敏感结构上，且第三层敏感结构产生的弹性形变和应变片的电阻值具有一一对应的映射关系。本发明的传感器尺寸可以做到4mm*8mm*0.8mm，可以在‑40℃～130℃的温度区间工作，可以做到压应力10MPa、拉应力1MPa的量程，而且其制作工艺简单，易于工业化生产。

Description

一种能够实现拉压双向测量的应力传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及应力传感器的技术领域，具体是一种能够实现拉压双向测量的应力传感器及其制备方法。

背景技术

目前，针对内含小颗粒的流体固化过程中的应力测试，普遍缺乏有效手段，基于超声波、X光等的无损检测方法容易因为小颗粒的反射作用而失效，而市面可以买到的硅基MEMS传感器因为其体积、量程等限制无法使用。

公知的，应力变化过程中，一方面势必会造成被测材料沿着应力的方向产生应变，所以这要求传感器在被测力的方向上也要产生应变。另一方面，被测点粘贴界面的脱粘区域因为应力集中效应会造成脱粘层扩大，所以这要求传感器在被测点粘贴界面与被测材料紧密贴合。最值得注意的是，因为传感器在安装区域会对被测材料造成影响，所以这要求传感器的体积尽可能的小，尤其是厚度要薄。而目前市购的传感器中并不存在可以满足上述要求的产品。

发明内容

为了满足针对内含小颗粒的流体固化过程中的应力测试需求，本发明提出了一种能够实现拉压双向测量的应力传感器及其制备方法，该传感器的量程为压应力10MPa、拉应力1MPa，尺寸可以做到4mm*8mm*0.8mm，可在-40℃～130℃的温度区间工作。

为了实现上述目的，本发明具体采用的技术方案如下：

一种能够实现拉压双向测量的应力传感器，包括五层敏感结构、应变片及敏感结构间填充物，所述的五层敏感结构包括从下往上依次黏连的第一层敏感结构、第二层敏感结构、第三层敏感结构、第四层敏感结构和第五层敏感结构，且第一层敏感结构与第三层敏感结构之间、第三层敏感结构与第五层敏感结构之间设有镂空区域，所述的敏感结构间填充物填充在镂空区域内，所述的应变片粘贴于第三层敏感结构上，且第三层敏感结构产生的弹性形变和应变片的电阻值具有一一对应的映射关系。

进一步地，所述的五层敏感结构均为金属或者合金材料，相邻两层敏感结构间使用粘接剂粘黏，在量程区间内产生的形变均为弹性形变。

进一步地，所述的第一层敏感结构和第五层敏感结构在被测点和被测材料紧密贴合，即和被测点界面完全贴合，没有脱粘层，通过第二层敏感结构和第四层敏感结构与第三层敏感结构连接，第二层敏感结构和第四层敏感结构粘贴在第三层敏感结构的两端，将被测点的力传导到第三层敏感结构上，形成力矩，从而产生弹性形变。

进一步地，所述的应变片为电阻式应变片，应变片粘贴于第三层敏感结构，当受力时，第三层敏感结构因力矩而产生弹性形变，反映到应变片上的电阻变化，通过应变片测量第三层敏感结构的弹性形变，通过拟合公式构建形变和应力之间的映射关系。

进一步地，所述的敏感结构间填充物为橡胶或者合成橡胶材料，可以是胶水在外固化后放置进镂空区域，也可以是胶水挤进镂空区域固化放置。

进一步地，还包括应力传感器的专用调理电路，用于将电阻信号调理为电压信号，包括电桥电路、一级放大电路和二级放大电路。

本发明还提供了上述的一种能够实现拉压双向测量的应力传感器的制备方法，包括如下步骤：

S1、使用粘接剂将五层敏感结构逐层粘贴；

S2、在第三层敏感结构上粘贴应变片；

S3、在第二敏感结构和第四层敏感结构的镂空区域放置敏感结构间填充物；

S4、组装应力传感器的专用调理电路。

本发明提出了一种新的间接转换测量的方法和手段，从机理上避免了无损检测方法因为小颗粒反射作用而失效和硅基MEMS传感器因为体积限制无法安装的技术难题，具有以下的特点和有益效果：

本发明制作的敏感器件体积可以做到4mm*8mm*0.8mm，尤其是厚度方面可以减小对被测点的影响，在测试点安装时不存在脱粘区域，并且可以做到压应力10MPa、拉应力1MPa的测试量程，可以在-40℃～130℃的温度区间工作，能有效满足内含小颗粒的流体固化过程中的应力测试需求。

附图说明

图1为本发明实施例一种能够实现拉压双向测量的应力传感器的侧视图。

图2为本发明实施例一种能够实现拉压双向测量的应力传感器的结构爆炸图。

图3为本发明实施例一种能够实现拉压双向测量的应力传感器的调理电路图。

图4为本发明实施例一种能够实现拉压双向测量的应力传感器的制备方法的流程图。

图中：11-第一层敏感结构、12-第二层敏感结构、13-第二层敏感结构间填充物、14-应变片、15-第三层敏感结构、16-第四层敏感结构、17-第四层敏感结构间填充物、18-第五层敏感结构、21-电桥电路、22-一级放大电路、23-二级放大电路。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例

针对内涵小颗粒的流体固化过程中的应力测试，目前市面上已有的测试手段普遍存在测不到、测不准的技术难题，本发明实施例提出了一种能够实现拉压双向测量的应力传感器，其可以从机理上避免无损检测方法因为小颗粒反射作用而失效和硅基MEMS传感器因为体积限制无法安装的技术难题。如图1-图2所示，该应力传感器包括五层敏感结构、应变片及敏感结构间填充物，所述的五层敏感结构包括从下往上依次黏连的第一层敏感结构11、第二层敏感结构12、第三层敏感结构15、第四层敏感结构16、第五层敏感结构18，因为第二和第四层敏感结构的面积小于第一、第三和第五层敏感结构的面积，所以第一层敏感结构11与第三层敏感结构15之间、第三层敏感结构15与第五层敏感结构18之间设有镂空区域，所述的敏感结构间填充物填充在镂空区域内，所述的应变片14粘贴于第三层敏感结构上，且第三层敏感结构15产生的弹性形变和应变片的电阻值具有一一对应的映射关系。

本实施例中，所述的五层敏感结构均为金属或者合金材料，相邻两层敏感结构间使用粘接剂粘黏，在量程区间内产生的形变均为弹性形变。所述的敏感结构间填充物为橡胶或者合成橡胶材料，可以是胶水在外固化后放置进镂空区域，也可以是胶水挤进镂空区域固化放置。五层敏感结构的金属或者合金材料与敏感结构间填充物的橡胶或者合成橡胶材料的杨氏模量不一致且差异较大，会造成第三层敏感结构的受力不均匀，产生力矩，进一步的产生弹性形变。

本实施例中，第一层敏感结构和第五层敏感结构在被测点和被测材料紧密贴合，通过第二层敏感结构和第四层敏感结构与第三层敏感结构连接，第二层敏感结构和第四层敏感结构粘贴在第三层敏感结构的两端，将被测点的力传导到第三层敏感结构上，形成力矩，从而产生弹性形变。所述的应变片为电阻式应变片，粘贴于第三层敏感结构，当受力时，第三层敏感结构因力矩而产生弹性形变，反映到应变片上的电阻变化，通过应变片测量第三层敏感结构的弹性形变，通过拟合公式构建形变和应力之间的映射关系。

本实施例中，还包括应力传感器的专用调理电路，用于将电阻信号调理为电压信号，如图3所示，包括电桥电路、一级放大电路和二级放大电路。

实施例

本实施例提供了实施例1所述的一种能够实现拉压双向测量的应力传感器的制备方法，包括如下步骤：

S1、使用粘接剂将五层敏感结构逐层粘贴；

使用粘贴剂将五层敏感结构第一层敏感结构11、第二层敏感结构12、第三层敏感结构15、第四层敏感结构16、第五层敏感结构18逐层粘贴；

S2、在第三层敏感结构上粘贴应变片14；

S3、在第二层敏感结构12和第四层敏感结构16的镂空区域放置敏感结构间填充物；

在第一层敏感结构11与第三层敏感结构15之间、第三层敏感结构15与第五层敏感结构18之间的镂空区域分别填充第二层敏感结构间填充物13和第四层敏感结构间填充物17；

S4、组装应力传感器的专用调理电路。

本发明在工作时，第一层敏感结构11和第五层敏感结构18与被测点上下界面粘贴，当被测点产生应力时，应力被施加于第一层敏感结构11和第五层敏感结构18上，而第二层敏感结构12和第二层敏感结构13间填充物之间存在杨氏模量差值，造成差分效应，使第三层敏感结构15单端受力，同理，第四层敏感结构16和第四层敏感结构17间填充物也会产生差分效应，并且上下两层的力施加在第三层敏感结构15两端，产生力矩，进一步的造成弹性形变，通过应变片14测量这个形变，从而表征出被测点应力。

（1）传感器耐温试验

在高低温试验箱进行，将实施例2所得的传感器连接到测试系统进行电压示数读取，传感器尺寸为8.4*2.1*1.0mm，高低温试验箱以10℃为步长，温度从-40℃变化到130℃；对传感器分别施加1MPa拉应力、静止状态、10MPa压应力，读取三组数据，结果如表1所示。

表1 温度工况环境测试数据

由表1可知，本发明的传感器可在-40℃～130℃的温度区间工作。特别说明的是，因为本发明所述应力传感器为非标器件，不同样本间因为个体差异，在相同试验条件下电压数据会有细微差异；同时根据调理电路中电位器参数的设置不同，本发明所述的传感器在相同试验条件下电压数据亦会不同。

（2）传感器应力参数标定试验

在拉压力试验机上进行，将实施例2所得的传感器连接到测试系统进行电压示数读取，传感器尺寸为8.4*2.1*1.0mm，使用包含热熔胶材料的夹具进行传感器的固定，读取拉压力试验机的力学参数，除以夹具受力面积作为应力参数。在拉应力量程范围内，取0.1MPa为步长，拉应力从0变化到1MPa；在压应力量程范围内，取1MPa为步长，压应力从0变化10MPa，试验数据如表2所示。

表2 应力传感器量程标定试验数据

由表2可知，本发明的传感器的量程可以做到压应力10MPa、拉应力1MPa，特别说明的是，因为本发明所述应力传感器为非标器件，不同样本间因为个体差异，在相同试验条件下电压数据会有细微差异；同时根据调理电路中电位器参数的设置不同，本发明所述的传感器在相同试验条件下电压数据亦会不同。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种能够实现拉压双向测量的应力传感器，其特征在于，包括五层敏感结构、应变片及敏感结构间填充物，所述的五层敏感结构包括从下往上依次黏连的第一层敏感结构、第二层敏感结构、第三层敏感结构、第四层敏感结构和第五层敏感结构，且第一层敏感结构与第三层敏感结构之间、第三层敏感结构与第五层敏感结构之间设有镂空区域，所述的敏感结构间填充物填充在镂空区域内，所述的应变片粘贴于第三层敏感结构上，且第三层敏感结构产生的弹性形变和应变片的电阻值具有一一对应的映射关系。

2.如权利要求1所述的一种能够实现拉压双向测量的应力传感器，其特征在于，所述的五层敏感结构均为金属或者合金材料，在量程区间内产生的形变均为弹性形变。

3.如权利要求1所述的一种能够实现拉压双向测量的应力传感器，其特征在于，所述的第一层敏感结构和第五层敏感结构在被测点和被测材料紧密贴合，通过第二层敏感结构和第四层敏感结构与第三层敏感结构连接，第二层敏感结构和第四层敏感结构粘贴在第三层敏感结构的两端，将被测点的力传导到第三层敏感结构上，形成力矩，从而产生弹性形变。

4.如权利要求1所述的一种能够实现拉压双向测量的应力传感器，其特征在于，所述的应变片为电阻式应变片，当受力时，第三层敏感结构因力矩而产生弹性形变，反映到应变片上的电阻变化，通过应变片测量第三层敏感结构的弹性形变，通过拟合公式构建形变和应力之间的映射关系。

5.如权利要求1所述的一种能够实现拉压双向测量的应力传感器，其特征在于， 所述的敏感结构间填充物为橡胶或者合成橡胶材料。

6.如权利要求1所述的一种能够实现拉压双向测量的应力传感器，其特征在于，还包括应力传感器的专用调理电路，用于将电阻信号调理为电压信号，包括电桥电路、一级放大电路和二级放大电路。

7.如权利要求1-6任一项所述的一种能够实现拉压双向测量的应力传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、使用粘接剂将五层敏感结构逐层粘贴；

S2、在第三层敏感结构上粘贴应变片；

S3、在第二敏感结构和第四层敏感结构的镂空区域放置敏感结构间填充物；

S4、组装应力传感器的专用调理电路。