一种柔性薄膜传感元件灵敏度测试装置及其方法与流程

本发明涉及灵敏度测量技术领域，尤其涉及的是一种柔性薄膜传感元件灵敏度测试装置及其方法。

背景技术：

柔性应变传感元件，绝大部分是在一些柔性聚合物基底上复合导电层，通过感知外界的应力应变，从而使聚合物基底上的导电层的电阻发生改变。现有技术中，传统的柔性应变传感元件的灵敏度系数表征方法，设备要求高，价格昂贵，不利于普遍性使用。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种柔性薄膜传感元件灵敏度测试装置及其方法，旨在解决现有技术中灵敏度系数表征设备要求高，价格昂贵的问题。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种柔性薄膜传感元件灵敏度测试装置，其中，包括：底板、设置在所述底板上的一对平移组件、夹持在所述一对平移组件之间的铝片以及万用表；所述一对平移组件可相互靠拢以使所述铝片弯曲，所述铝片用于贴附所述柔性薄膜传感元件，所述万用表与所述柔性薄膜传感元件连接并用于测量所述柔性薄膜传感元件的电阻值。

所述柔性薄膜传感元件灵敏度测试装置，其中，所述平移组件包括：设置在所述底板上的步进电机和底座，与所述底座滑动连接的滑动块以及设置在所述滑动块上的夹持组件；所述步进电机的转轴与所述滑动块采用螺纹副连接；所述夹持组件包括：设置在所述滑动块上表面的夹片和设置在所述滑动块侧面的限位片；所述限位片位于所述滑动块与另一所述平移组件相对一侧

所述柔性薄膜传感元件灵敏度测试装置，其中，所述限位片包括：树脂薄片以及设置在所述树脂薄片上的凸起阵列，所述凸起阵列用于限制所述铝片向下的自由度，所述凸起阵列中的凸起呈半球状。

所述柔性薄膜传感元件灵敏度测试装置，其中，所述凸起阵列中相邻两排凸起的距离与所述铝片的厚度适配。

所述柔性薄膜传感元件灵敏度测试装置，其中，所述夹片沿所述滑动块的滑动方向凸出于所述滑动块，并用于限制所述铝片向上的自由度。

所述柔性薄膜传感元件灵敏度测试装置，其中，所述夹片沿所述滑动块的滑动方向上设置有若干个螺钉孔，所述夹片通过螺钉与所述滑动块连接。

所述柔性薄膜传感元件灵敏度测试装置，其中，所述铝片的长度为60mm～70mm，宽度为40mm～45mm。

所述柔性薄膜传感元件灵敏度测试装置，其中，所述柔性薄膜传感元件的中心与所述铝片的中心重合，所述柔性薄膜传感元件的长边与所述铝片的长边平行，所述柔性薄膜传感元件的宽边与所述铝片的宽边相平行。

所述柔性薄膜传感元件灵敏度测试装置，其中，所述柔性薄膜传感元件的灵敏度采用如下公式计算：

其中，gf表示柔性薄膜传感元件的灵敏度，r0表示柔性薄膜传感元件呈平面状态时的电阻值，δr表示柔性薄膜传感元件呈弯曲状态时的电阻变化值，δε表示应变变化值，h表示柔性薄膜传感元件的厚度，r表示柔性薄膜传感元件呈弯曲状态时的曲率半径。

一种基于如上述任意一项所述柔性薄膜传感元件灵敏度测试装置的测试方法，其中，其包括如下步骤：

将柔性薄膜传感元件贴附在铝片上，并将铝片以平面状态夹持在一对平移组件之间，测量柔性薄膜传感元件平面状态时的电阻值；

控制平移组件相互靠拢以使铝片弯曲，测量柔性薄膜传感元件的弯曲状态时的电阻值；

通过柔性薄膜传感元件平面状态时的电阻值和柔性薄膜传感元件的弯曲状态时的电阻值计算柔性薄膜传感元件的灵敏度。

有益效果：由于利用一对平移组件压缩铝片以使得铝片上的柔性薄膜传感元件随之弯曲，检测柔性薄膜传感元件在弯曲时的电阻值的变化计算柔性薄膜传感元件的灵敏度。本发明的灵敏度测试装置，结构简单，测量要求低，测量方便，且成本低。

附图说明

图1是本发明中柔性薄膜传感元件灵敏度测试装置的第一结构示意图。

图2是本发明中底板和平移组件的结构示意图。

图3是本发明中柔性薄膜传感元件灵敏度测试装置的第二结构示意图。

图4是本发明中夹片的结构示意图。

图5是本发明中限位板的第一结构示意图。

图6是本发明中限位板的第二结构示意图。

图7是本发明中铝片的安装示意图。

图8是本发明中灵敏度计算公式的原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请同时参阅图1-图7，本发明提供了一种柔性薄膜传感元件灵敏度测试装置的一些实施例。

如图1和图7所示，本发明的一种柔性薄膜传感元件灵敏度测试装置，包括：底板10、设置在所述底板10上的一对平移组件20、夹持在所述一对平移组件20之间的铝片30以及万用表40；所述一对平移组件20可相互靠拢以使所述铝片30弯曲，所述铝片30用于贴附所述柔性薄膜传感元件80，所述万用表40与所述柔性薄膜传感元件80连接并用于测量所述柔性薄膜传感元件80的电阻值。

本发明的柔性薄膜传感元件灵敏度测试装置采用如下步骤进行灵敏度测量：

步骤s100、将柔性薄膜传感元件80贴附在铝片30上，并将铝片30以平面状态夹持在一对平移组件20之间，测量柔性薄膜传感元件80平面状态时的电阻值。

步骤s200、控制平移组件20相互靠拢以使铝片30弯曲，测量柔性薄膜传感元件80的弯曲状态时的电阻值。

步骤s300、通过柔性薄膜传感元件80平面状态时的电阻值和柔性薄膜传感元件80的弯曲状态时的电阻值计算柔性薄膜传感元件80的灵敏度。

值得说明的是，由于利用一对平移组件20压缩铝片30以使得铝片30上的柔性薄膜传感元件80随之弯曲，检测柔性薄膜传感元件80在弯曲时的电阻值的变化计算柔性薄膜传感元件80的灵敏度。本发明的灵敏度测试装置，结构简单，测量要求低，测量方便，且成本低。

具体地，所述柔性薄膜传感元件80的灵敏度采用如下公式计算：

其中，gf表示柔性薄膜传感元件80的灵敏度，r0表示柔性薄膜传感元件80呈平面状态时的电阻值，δr表示柔性薄膜传感元件80呈弯曲状态时的电阻变化值，具体为当前柔性薄膜传感元件80的电阻值减去r0，δε表示应变变化值，这里的应变变化值，可以是压缩应变或拉伸应变的变化值，具体地，如图7所示，柔性薄膜传感元件80可以设置在铝片30的内侧或外侧；在内侧时，柔性薄膜传感元件80呈压缩应变；在外侧时，柔性薄膜传感元件80呈拉伸应变。h表示柔性薄膜传感元件80的厚度，r表示柔性薄膜传感元件80呈弯曲状态时的曲率半径。

下面以柔性薄膜传感元件80位于铝片30内侧为例，说明灵敏度计算原理：

如图8所示，柔性薄膜传感元件80在初始状态未发生形变时的原始长度(发生变形时为弧长)为l，也就是说，柔性薄膜传感元件80弯曲后形成的环扇的外弧长也为l，这里的外弧是与铝片30内侧连接的，环扇的总体厚度为h，设置好步进电机21的步数和速度参数，步进电机21每一个脉冲信号对应既定的位移。当两个电动位移台相向运动时，即柔性薄膜在受到弯曲变形时，设其弯曲半径为r，对应弦长为c，圆心角为θ，以及柔性薄膜下边缘到中性层的厚度为z。其中，由前述可知，c可由初始距离与单个脉冲对应位移求得。根据图8所示的几何结构，各参数的关系表示可以为式(1)和(2)所示。

θ·r＝l(1)

当整体正向弯曲时，柔性薄膜传感元件受压缩应力，弯曲半径为r1时对应的圆心角为θ1，而初始状态下分别为r0和θ0。由此，整个柔性薄膜传感元件的应变ε如下式(3).

在此过程中，θ1·r1≈θ0·r0，r1>>z,，且在初始状态下，即柔性薄膜处于平展状态，未发生形变时，r0→∞，式(3)可以简化为：

对于柔性薄膜，中性层在整个结构的中间处，即有z＝h/2，由此，再结合初始柔性薄膜两侧面之间的距离(即柔性薄膜的长度)和步进电机21每一个脉冲信号对应既定的位移，推导出其压缩应变可以表示为：

同理，当柔性薄膜传感元件80位于铝片30外侧时，发生反向弯曲，柔性薄膜传感元件受到拉伸应力时，与上推导类似，因此，拉伸应变可以表示为：

因此，在确定柔性薄膜传感元件的应变变化规律后，再结合数字万用表实时记录的电阻值，利用公式(7)可求得柔性薄膜传感元件在某一应变范围内的灵敏度值。

当然，为了便于控制平移组件和保存测试数据，柔性薄膜传感元件灵敏度测试装置还包括：控制器50、电脑60以及隔震台70。底板10、控制器50、电脑60、万用表40均位于隔震台70上。

在本发明的一个较佳实施例中，如图2-图3所示，所述平移组件20包括：步进电机21、底座22、滑动块23以及夹持组件；步进电机21和底座22设置在底板上，夹持组件设置在滑动块23上，滑动块23与底座22滑动连接，且滑动块23与步进电机21采用螺纹副连接；所述夹持组件包括：设置在所述滑动块23上表面的夹片241和设置在所述滑动块23侧面的限位片242；所述限位片242位于所述滑动块23与另一所述平移组件相对一侧。

具体地，两个平移组件20对称设置，也就是说两个步进电机21也是对称设置的。夹持组件设置在滑动块23上，两个平移组件20的滑动块23的移动方向是相对的，夹持组件也是相对设置的。两个夹持组件分别夹持铝片30的两端。当然这里还可以采用其他可以弯曲的平板代替铝片30。

螺纹副包括：与步进电机21的转轴连接丝杆27和与所述丝杆27螺纹连接的螺母(图中未示出)，螺母与滑动块23固定连接；更具体地，螺母设置在滑动块23中间位置，也就是说，丝杆27位于滑动块23中间位置。滑动块23通过滑杆28与底座22滑动连接，滑杆28有两个，分别位于滑动块23两侧；滑动块23套设在滑杆28上。通过两侧滑杆28可以限制滑动块23在水平面上翻转，使得滑动块23可以平稳的滑动，柔性薄膜传感元件平稳的变形，从而提高测量的准确性。

步进电机21的转轴的一端通过联轴器26与丝杆27连接，联轴器26可以避免滑动块23过渡滑动损坏平移组件。步进电机21的转轴的另一端设置有旋钮211，通过扭动旋钮211可以手动转动丝杆27，并使得滑动块23滑动。

在本发明的一个较佳实施例中，如图4-图6所示，所述限位片242包括：树脂薄片2421以及设置在所述树脂薄片2421上的凸起阵列2422，所述凸起阵列2422用于限制所述铝片30向下的自由度，所述凸起阵列2422中的凸起呈半球状。

具体地，限位片242可以位于夹片241的上方或下方，这需要根据柔性薄膜传感元件80测量要求确定，本实施例中需要测量柔性薄膜传感元件80向上弯曲的的灵敏度，限位片242位于夹片241的下方。所述夹片241向所述一对平移组件20的中心(即沿所述滑动块的滑动方向)凸出于上述平移组件20，并用于限制所述铝片30向上的自由度，也就是说，夹片241夹持铝片30的上表面，凸起夹持铝片30的下表面，因而夹片241位于限位片242的上方。

在本发明的一个较佳实施例中，如图5-图6所示，所述凸起阵列2422中相邻两排凸起的距离与所述铝片30的厚度适配。当然，为了满足夹持需求，铝片30的厚度必然小于相邻两排凸起的间距，这样铝片30才可以放入相邻两排凸起之间，凸起才可以起到限位作用。

具体地，半径r为0.5mm，半球与半球之间相距l2＝2mm，半球与边缘相距l1＝1mm。铝片30的厚度为1mm，也即l2-2×r＝2-2×0.5mm＝1mm，也就是说，铝片30刚好卡入相邻两排凸起中。

在本发明的一个较佳实施例中，如图3和图4所示，为了调整夹片241凸出的长度，所述夹片241沿所述滑动块23的平移方向上设置有若干个螺钉孔，所述夹片241通过螺钉与所述滑动块23连接。

具体地，螺钉固定在不同的螺钉孔内时，夹片241凸出的长度是不同的，通过调整夹片241凸出的长度，以满足不同大小的铝片30，或者说不同大小的柔性薄膜感应元件。

夹片241的材质可以是球墨铸铁，锰钢，不锈钢，黄铜，青铜，白铜，硬铝中的至少一种。夹片241的宽度与滑动块23的宽度相同，长度为26mm，厚度为1～3mm。沿滑动块23移动方向，相邻螺钉孔之间相距5mm，也就是夹片241凸出长度的最小可增加或减少5mm。

树脂薄片2421的长度与滑动块23的宽度相同为41mm，其宽度与滑块23的竖直高度相同为17mm，厚度为2～3mm。

在本发明的一个较佳实施例中，所述铝片30的长度为60mm～70mm，宽度为40mm～45mm。所述柔性薄膜传感元件80的中心与所述铝片30的中心重合，所述柔性薄膜传感元件80的长边与所述铝片30的长边平行，所述柔性薄膜传感元件80的宽边与所述铝片30的宽边相平行

本发明还提供了一种基于上述任意一实施例所述柔性薄膜传感元件80灵敏度测试装置的测试方的较佳实施例：

本发明实施例所述一种柔性薄膜传感元件80灵敏度测试方法，包括以下步骤：

步骤s100、将柔性薄膜传感元件80贴附在铝片30上，并将铝片30以平面状态夹持在一对平移组件20之间，测量柔性薄膜传感元件80平面状态时的电阻值，具体如上所述。

步骤s200、控制平移组件20相互靠拢以使铝片30弯曲，测量柔性薄膜传感元件80的弯曲状态时的电阻值，具体如上所述。

具体地，在实际操作过程中，铝片在弯曲时可能向上弯曲也可能向下弯曲，因此如果将传感薄膜元件贴附于铝片上表面时，铝片向上弯曲时，即向上凸时，薄膜元件发生了拉伸应变。若是铝片向下弯曲时，薄膜元件发生的是压缩应变。因此，在实际操作中，当把铝片嵌入到平移组件之间后，在启动步进电机21前，通过微调步进电机21后侧的旋钮211来微调，使其有一个向上弯曲或者向下弯曲的趋势，之后再启动步进电机21，控制平移组件20相互靠拢以使铝片30弯曲。

步骤s300、通过柔性薄膜传感元件80平面状态时的电阻值和柔性薄膜传感元件80的弯曲状态时的电阻值计算柔性薄膜传感元件80的灵敏度，具体如上所述。

综上所述，本发明所提供的一种柔性薄膜传感元件灵敏度测试装置及其方法，所述柔性薄膜传感元件灵敏度测试装置包括：底板、设置在所述底板上的一对平移组件、夹持在所述一对平移组件之间的铝片以及万用表；所述一对平移组件可相互靠拢以使所述铝片弯曲，所述铝片用于贴附所述柔性薄膜传感元件，所述万用表与所述柔性薄膜传感元件连接并用于测量所述柔性薄膜传感元件的电阻值。由于利用一对平移组件压缩铝片以使得铝片上的柔性薄膜传感元件随之弯曲，检测柔性薄膜传感元件在弯曲时的电阻值的变化计算柔性薄膜传感元件的灵敏度。本发明的灵敏度测试装置，结构简单，测量要求低，测量方便，且成本低。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。