单驱动双向拉伸试验装置及柔性应力传感器的制作方法与流程

本发明属于传感器制作技术领域，具体涉及一种单驱动双向拉伸试验装置及柔性应力传感器的制作方法。

背景技术：

目前，柔性应力传感器因其兼具有柔性和弹性的特性，能够贴附于人体皮肤，在机器人、医疗健康监测设备等领域有着潜在的应用。目前，柔性应力传感器的制作，多是基于柔性的基体材料，如氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(sebs)或者聚二甲基硅氧烷(pdms)等为柔性的弹性基体材料，然后再在基体材料上涂覆碳纳米管或石墨烯等可导电材料，为了能够获得测量更大拉伸应变的柔性应力传感器，制作时需要将柔性基体材料进行预拉伸，然后将导电材料涂覆在表面，这样制作出来的柔性应力传感器可以测量10倍以上的拉伸应变。

现有制作这种大的拉伸应变的柔性应力传感器，一般是采用单向预拉伸的方法，在拉伸基体材料过程中出现“颈缩”的现象，这样拉伸不均匀，造成了制作出来的柔性传感器的检测性能不理想的问题。为此需要双向同时拉伸的试验装置。

目前，双向拉伸的试验装置有两种实现方式：单驱动方式和双驱动或多驱动方式。采用单驱动输入的双向拉伸试验台通常使用齿轮、绳索作为传动方式，如，中国发明专利“一种测试金属板材性能的双向拉伸试验装置”，申请号：201210194623.8，该试验装置是由上连接结构、下连接结构、比例调节机构、夹具滑块机构和连杆构成，存在操作复杂，安装试样空间窄小的问题。采用双驱动或多驱动方式实现，即在横向和纵向两个方向上分别安装独立的驱动装置，如，中国发明专利“双向拉压力学试验机以及双向拉压力学试验方法”，申请号：201611006988.8，主要采用4组丝杠模组的十字排布，每组丝杠模组上都有一台伺服电机进行驱动进行拉伸，导致整个拉伸试验机结构复杂，而且成本较高。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术存在的单驱动双向拉伸的试验装置操作复杂、安装试样空间窄小的问题和多驱动双向拉伸的试验装置结构复杂、成本高的问题，提供了一种结构简单的、安装试样空间大的、操作方便的和成本相对较低的单驱动双向拉伸试验装置，以及提供了利用该试验装置进行柔性应力传感器的制作方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种单驱动双向拉伸试验装置，包括：第一丝杠，所述第一丝杠包括第一螺纹、第二螺纹以及设于第一螺纹和第二螺纹之间的第一斜齿轮，第一螺纹与第二螺纹的旋向相反；第二丝杠，所述第二丝杠包括第三螺纹、第四螺纹以及设于第三螺纹和第四螺纹之间且与第一斜齿轮传动连接的第二斜齿轮，第三螺纹和第四螺纹的旋向相反，所述第一丝杠和所述第二丝杠互相垂直；移动件，所述移动件包括与所述第一螺纹通过螺纹连接的第一移动件、与所述第二螺纹通过螺纹连接的第二移动件、与所述第三螺纹通过螺纹连接的第三移动件以及与所述第四螺纹通过螺纹连接的第四移动件；连接件，所述连接件包括将拉伸试样连接到所述第一移动件的第一连接件、将拉伸试样连接到所述第二移动件的第二连接件、将拉伸试样连接到所述第三移动件的第三连接件和将拉伸试样连接到所述第四移动件的第四连接件；限制装置，所述第一丝杠和所述第二丝杠设置在所述限制装置上，并做旋转运动；驱动装置，所述驱动装置用于驱动所述第一丝杠或所述第二丝杠，并通过齿轮传动带动另一丝杠旋转运动，进而带动所述第一移动件和所述第二移动件、所述第三移动件和所述第四移动件做相向移动或相反移动。

进一步地，所述限制装置包括基座和固定在基座上的四块固定板，每个所述固定板上装有轴承，所述第一丝杠和所述第二丝杠的两端分别固定在所述轴承上。将所述第一丝杠的两端分别固定在两个所述轴承上，这样限制所述第一丝杠在所述轴承上做旋转运动，同样将所述第二丝杠的两端分别固定在两个所述轴承上，限制所述第二丝杠在所述轴承上做旋转运动，四只所述轴承分别固定在四块所述固定板上，这种设计方案，安装使用方便，结构简单。

进一步地，该试验装置还包括：与所述第一移动件和所述第二移动件滑动连接的第一导向杆，以及与所述第三移动件和所述第四移动件滑动连接的第二导向杆。优选的，所述第一导向杆平行于所述第一丝杠，所述第二导向杆平行于所述第二丝杠。所述第一移动件和所述第二移动件滑动连接在所述第一导向杆上，所述第一导向杆起到导向和支撑的作用，使得所述第一移动件和所述第二移动件随着所述第一丝杠的旋转运动而更加平稳地移动，同样，所述第三移动件和所述第四移动件滑动连接在所述第二导向杆上，所述第二导向杆起到导向和支撑的作用，使得所述第三移动件和所述第四移动件随着所述第二丝杠的旋转运动而更加平稳地移动，优选的，所述第一导向杆和所述第二导向杆分别平行于所述第一丝杠和所述第二丝杠，这样结构对称简单，而且所述第一导向杆和所述第二导向杆进一步起到了更好的导向和支撑作用。

进一步地，所述第一移动件和所述第二移动件之间，以及所述第三移动件和所述第四移动件之间分别装有力传感器或/和位移传感器。所述第一移动件和所述第二移动件之间的所述力传感器和所述位移传感器，以及所述第三移动件和所述第四移动件之间所述力传感器和所述位移传感器，能够分别检测出所述第一移动件和所述第二移动件之间以及所述第三移动件和所述第四移动件之间的力和位移的数值，实时检测出拉伸试样所受力大小和被拉伸的位移情况。

进一步地，所述第一丝杠或者所述第二丝杠上装有检测该丝杠轴转动圈数的旋转编码器。所述编码器能够检测出所述第一丝杠或者所述第二丝杠轴转动圈数，便于能够根据拉伸试样所要求的拉伸长度进行直观地得知转动圈数，提高了拉伸控制的精度。

优选的，所述驱动装置为伺服电机。伺服电机转速受输入信号控制，并能快速反应，而且位置精度非常准确，在自动控制系统中，具有机电时间常数小、线性度高等特性，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象，便于实现自动化控制系统。

进一步地，该试验装置还包括：控制模块、分析模块和显示模块，所述控制模块与所述力传感器、所述位移传感器、所述编码器和所述驱动装置信号连接，所述分析模块与所述控制模块、所述力传感器、所述位移传感器和所述编码器信号连接。所述控制模块根据所述力传感器、所述位移传感器和所述编码器提供的数值信息，控制所述驱动装置旋转，进一步控制所述驱动装置正向旋转或反向旋转，所述驱动装置的正向旋转或者反向旋转带动所述第一移动件和所述第二移动件做相向移动或相反移动，以及带动所述第三移动件和所述第四移动件做相向移动或相反移动，所述分析模块分析所述力传感器、所述位移传感器和所述编码器的数值信息，并分析所述控制模块的控制信息，绘制出力与位移、力与变形、力与时间等相关实验曲线，所述显示模块将所测试结果和分析的结果实时显示出来。

进一步地，该试验装置外围设有一防护罩。防护罩目的在于防止试验过程中拉伸试样的弹出等，以起到对周围操作者的保护作用。

进一步地，利用上述所述的试验装置进行柔性应力传感器的制作方法，包括如下步骤：

步骤一，先启动所述驱动装置，驱动所述第一丝杠或者所述第二丝杠，并通过斜齿轮传动带动另一丝杠旋转运动，进而带动所述第一移动件和所述第二移动件、所述第三移动件和所述第四移动件做相向移动，移动到所述第一移动件和所述第二移动件之间的距离，以及所述第三移动件和所述第四移动件之间的距离，两个距离之间能够容纳柔性的弹性基体材料，即可停止所述驱动装置的运行；

步骤二，将柔性的弹性基体材料分别固定到所述第一连接件、所述第二连接件、所述第三连接件以及所述第四连接件上；

步骤三，再启动所述驱动装置，使所述第一移动件和所述第二移动件、所述第三移动件和所述第四移动件做相反移动，移动到预先设定的距离时停止所述驱动装置的运行；

步骤四，将导电材料涂覆在所述弹性基体材料的中间，并待其固化；

步骤五，重复步骤一，取下所述弹性基体材料，完成柔性应力传感器的制作。

综上所述，本发明的一种单驱动双向拉伸试验装置及柔性应力传感器的制作方法的有益效果是：

1.两根带有不同旋向螺纹的丝杠垂直设置，并通过一组斜齿轮传动连接，仅需要一个驱动装置就可以实现两个方向的同时的相向移动或相反移动，这种结构简单，连接件设置在两根丝杠的上方，安装拉伸试样空间大，操作方便，节省了另外一个驱动装置，所以成本相对较低，通用性强；

2.设置力传感器、位移传感器、编码器和伺服电机等，便于实现自动化系统控制，这样更加方便了后续操作；

3.利用该试验装置将弹性基体材料拉伸到一定的距离，然后在弹性基体材料上涂覆导电材料，即可完成柔性应力传感器的制作，该试验装置制作双向拉伸柔性应力传感器非常便捷，双向拉伸容易使得平面受力均匀，拉伸的柔性弹性基体材料伸缩均匀，这样制作出来的柔性应力传感器精度较高。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的单驱动双向拉伸试验装置的立体图；

图2是本发明的单驱动双向拉伸试验装置的展开图；

图3是本发明的柔性应力传感器的制作示意图。

其中：1.第一丝杠；11.第一螺纹；12.第二螺纹；13.第一斜齿轮；2.第二丝杠；21.第三螺纹；22.第四螺纹；23.第二斜齿轮；3.移动件；31第一移动件；32.第二移动件；33.第三移动件；34.第四移动件；4.连接件；41.第一连接件；42.第二连接件；43.第三连接件；44.第四连接件；5.限制装置；51.基座；52.固定板；53.轴承；6.驱动装置；7.第一导向杆；8.第二导向杆；91.力传感器；92.位移传感器；93.编码器；100.柔性应力传感器；101.弹性基体材料；102.导电材料。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1～2所示，本实施例的一种单驱动双向拉伸试验装置，包括：第一丝杠1、第二丝杠2、移动件3、连接件4、限制装置5和驱动装置6，具体如下：

第一丝杠1包括第一螺纹11、第二螺纹12以及设于第一螺纹11和第二螺纹12之间的第一斜齿轮13，第一螺纹11和第二螺纹12的旋向相反。

第二丝杠2包括第三螺纹21、第四螺纹22以及设于第三螺纹21和第四螺纹22之间且与第一斜齿轮13传动连接的第二斜齿轮23，第三螺纹21和第四螺纹22的旋向相反，第一丝杠1和第二丝杠2互相垂直。斜齿轮可选用米思米公司的螺纹齿轮negts系列。

移动件3包括与第一螺纹11通过螺纹连接的第一移动件31、与第二螺纹12通过螺纹连接的第二移动件32、与第三螺纹21通过螺纹连接的第三移动件33以及与第四螺纹22通过螺纹连接的第四移动件34。

连接件4包括将拉伸试样(本实施例的拉伸试样即为柔性应力传感器100)连接到第一移动件31的第一连接件41、将拉伸试样连接到第二移动件32的第二连接件42、将拉伸试样连接到第三移动件33的第三连接件43和将拉伸试样连接到第四移动件34的第四连接件44。

限制装置5，第一丝杠1和第二丝杠2安装在限制装置5上，并做旋转运动；优选的，限制装置5包括基座51和固定在基座51上的四块固定板52(即，整个试验装置都设在基座51上)，每个固定板52上装有轴承53，第一丝杠1和第二丝杠2的两端分别固定在轴承53上。将第一丝杠1的两端分别固定在两个轴承53上，这样第一丝杠1在轴承53上做旋转运动，同样将第二丝杠2的两端分别固定在轴承53上，限制第二丝杠2在轴承53上做旋转运动，四只轴承53分别固定在四块固定板52上限制第一丝杠1和第二丝杠2只做旋转运动，这种设计方案，安装使用方便，而且结构简单。

驱动装置6用于驱动第一丝杠1或第二丝杠2，并通过齿轮传动带动另一丝杠旋转运动，进而带动第一移动件31和第二移动件32、第三移动件33和第四移动件34做相向移动或相反移动。驱动装置6可采用手动旋转的方式、电机带动的方式进行驱动。

进一步地，该试验装置还包括：与第一移动件31和第二移动件32滑动连接的第一导向杆7，以及与第三移动件33和第四移动件34滑动连接的第二导向杆8。优选的，第一导向杆7平行于第一丝杠1，第二导向杆8平行于第二丝杠2，并将第一导向杆7固定与第一丝杠1相连的两块固定板52上，第二导向杆8固定与第二丝杠2相连的其他两块固定板52上。第一移动件31和第二移动件32滑动连接在第一导向杆7上，第一导向杆7起到导向和支撑的作用，使得第一移动件31和第二移动件32随着第一丝杠1的旋转运动而能够更加平稳地移动，同样，第三移动件33和第四移动件34滑动连接在第二导向杆8上，第二导向杆8起到导向和支撑的作用，使得第三移动件33和第四移动件34随着第二丝杠2的旋转运动而更加平稳地移动，优选的，第一导向杆7和第二导向杆8分别平行于第一丝杠1和第二丝杠2，这样结构对称简单，而且第一导向杆7和第二导向杆8进一步起到了更好的导向和支撑作用。

为了实现该试验装置的自动化控制，采用如下措施：

第一移动件31和第二移动件32之间，以及第三移动件33和第四移动件34之间分别装有力传感器91或/和位移传感器92。第一移动件31和第二移动件32之间的力传感器91和位移传感器92，以及第三移动件33和第四移动件34之间力传感器91和位移传感器92，能够分别检测出第一移动件31和第二移动件32之间以及第三移动件33和第四移动件34之间的力和位移的数值，实时检测出拉伸试样在两个方向上所受力的大小和被拉伸的位移情况。更进一步地，分别在第一连接件41、第二连接件42、第三连接件43以及第四连接件44连接有测力传感器，能够检测出夹紧在拉伸试样上力的大小，获知夹紧力大小能够防止过度夹持损坏拉伸试样。

优选的，第一丝杠1或者第二丝杠2上装有检测该丝杠轴转动圈数的旋转编码器93。编码器93能够检测出第一丝杠1或者第二丝杠2轴转动圈数，便于能够根据拉伸试样所要求的拉伸长度进行直观地得知转动圈数，提高了拉伸控制的精度。

优选的，驱动装置6为伺服电机。伺服电机转速受输入信号控制，并能快速反应，而且位置精度非常准确，可以在自动化控制系统中，具有机电时间常数小、线性度高等优点，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象，便于实现自动化控制系统。

进一步地，该试验装置还包括：控制模块、分析模块和显示模块，控制模块分别与力传感器91、位移传感器92、编码器93和驱动装置6信号连接，分析模块分别与控制模块、力传感器91、位移传感器92和编码器93信号连接。控制模块根据力传感器91、位移传感器92和编码器93提供的数值信息，控制驱动装置6正向旋转或反向旋转，驱动装置6的正向旋转或者反向旋转驱动第一丝杠1的正向旋转或者反向旋转，进而带动第一移动件31和第二移动件32做相向移动或相反移动，第一丝杠1的正向旋转或者反向旋转通过第一斜齿轮13带动第二斜齿轮23旋转，带动第二丝杠2旋转，进而带动第三移动件33和第四移动件34做相向移动或相反移动，分析模块分析力传感器91、位移传感器92和编码器93的数值信息，并分析控制模块的控制信息，绘制出力与位移、力与变形、力与时间等相关实验曲线，显示模块将所测试结果和分析的结果实时显示出来。

最后，为了防止试验过程中拉伸试样的弹出等，以起到对周围操作者的保护作用，该试验装置外围设有一防护罩(图中未标出)。

如图3所示，利用上述的试验装置进行柔性应力传感器的制作方法，包括如下步骤：

步骤一，先启动驱动装置6，驱动第一丝杠1或者第二丝杠2，并通过斜齿轮传动带动另一丝杠旋转运动，进而带动第一移动件31和第二移动件32、第三移动件33和第四移动件34做相向移动，移动到第一移动件31和第二移动件32之间的距离，以及第三移动件33和第四移动件34之间的距离,两个距离之间能够容纳柔性的弹性基体材料101，即可停止驱动装置6的运行；

步骤二，将柔性的弹性基体材料101分别固定到第一连接件41、第二连接件42、第三连接件43和第四连接件44上；

步骤三，再启动驱动装置6，使第一移动件31和第二移动件32、第三移动件33和第四移动件34做相反移动，移动到预先设定的距离时停止驱动装置6的运行；

步骤四，将导电材料102涂覆在弹性基体材料101的中间，并待其固化；导电材料102优选为碳纳米管、石墨烯和银纳米线等，弹性基体材料优选为sebs、pdms等；

步骤五，重复步骤一，取下弹性基体材料101，完成柔性应力传感器100的制作。

这样通过双向拉伸制作出来的柔性应力传感器100，由于在双向拉伸状态使拉伸的柔性弹性基体材料101受力均匀，而容易得到伸缩均匀弹性基体材料101，再将导电材料102均匀地涂覆固定在弹性基体材料101表面，最后将弹性基体材料101恢复到未拉伸状态时，导电材料102集聚在弹性基体材料101表面，当弹性基体材料101拉伸时，导电材料102随之拉伸，在这个过程中导电材料的电阻随之变化，(或者制成弹性体基体材料101正反两面都带导电材料102的形式，即电容式柔性应力传感器100，通过拉伸过程中电容的变化测试拉力的大小)，这样制作出来的柔性应力传感器100拉伸性能比较好，而且测量精度高。

应当理解，以上所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。由本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。