一种电阻式应变传感器的制作方法

本发明属于应变传感器设计技术领域，具体涉及一种电阻式应变传感器。

背景技术：

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。通常使用应变传感器来测量物体受力变形所产生应变。现有的应变传感器种类繁多，按传感原理分，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、导电溶液、导电聚合物、石墨烯，等等。

目前，金属电阻式和半导体电阻式的应变传感器应用最为广泛，然而由于金属和半导体拉伸率的限制，所测应变范围比较小。目前使用的电阻式应变传感器以金属电阻的应用最为广泛，然而由于金属拉伸率的限制，所测应变范围也比较小。例如康铜，一般只能保证测量2％以内的应变是可信的。近些年也出现了可以测量大应变的传感器，然而测量大应变过程中或者进入塑性发生疲劳断裂，或者测量不准确，不适合长时间动态应变监测。

技术实现要素：

针对现有应变传感器的缺点，本发明的目的是提供一种具有曲线形电阻结构的大应变传感器，这种电阻式应变传感器可以精确测量较大量程范围的应变，同时具有较高的应变测量灵敏度。

本发明的技术方案为：

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，为曲线型结构，实现所述电阻式应变传感器的量程增大；所述应变电阻位于所述基底的侧面，实现传感器灵敏度的提高。

进一步地，所述基底的厚度与宽度的比例大于1。

进一步地，所述应变电阻布置在所述基底的弧线段的内侧，所述弧线段为曲线型结构中曲率变化较大部分，所述的内侧为弧线段曲率半径较小的一侧。

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，还包括连通段，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通段实现电连接，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。

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。

所述应变电阻材料为康铜、新康铜、镍铬合金、镍铬铝合金、铁铬铝合金、铂、铂钨合金等金属中的任一种。

所述连通段的材料为铜、金薄膜或者由其制成的导线。

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，所述封装膜为弹性硅胶薄膜。

本发明公开的技术效果为：

(1)本发明提供的电阻式应变传感器，采用曲线形设计可以有效地增大传感器的量程；采用应变电阻侧面布置的特殊方式有效地提高了传感器的灵敏度；采用大厚宽比的基底设计有效减少了面外屈曲的发生。

(2)相比于传统应变传感器，本发明的结构简单，应变测量的量程大，灵敏度高，使用方便。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1是本发明提供的应变传感器的三维结构示意图；

图2是图1的局部放大图；

附图标记：

1.基底，2.应变电阻，3.连通段，4.电连接段，5.粘接端。

具体实施方式

下面将参考附图并结合具体实施例来详细说明本发明。各个示例通过本发明的解释的方式提供而非限制本发明。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本发明包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。

一种电阻式应变传感器，如图1和图2所示，其中图2为图1的局部放大图，包括基底1和应变电阻2，其中应变电阻2布置在基底1的侧面，使用过程中，基底1与待测物一起发生变形，在变形的同时应变电阻2的阻值随之发生变化，电阻变化的阻值经过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阻和应变之间的关系得到待测试件的应变值。

本方案中，如图1和图2所示，应变传感器的基底1设计为由绝缘材料制成的曲线型结构，其中，结构的厚度方向为原绝缘材料的厚度方向，即曲线型结构未成形之前的材料的厚度方向，具体地如图2所示为z轴方向；宽度方向垂直于曲线型结构线条的成型方向，也就是线宽，具体地如图2所示为y轴方向。通过研究计算可得，基底1的厚度与宽度的比例大于1时，可使整个曲线型结构在拉伸变形过程中只发生面内的弯曲变形，而不发生面外的屈曲变形，这样有利于整个传感器的封装，可以保证在测量过程中传感器紧贴被测物，减小测量误差，方便测量过程。

本方案中，如图1所示曲线型结构至少包括弧线段，所述的弧线段为曲线型结构中曲率变化较大的部分，在应变传感器随被测件拉伸过程中，弧线段曲率半径较小的一侧，也就是内侧，受到拉伸，所述的应变电阻2布置在弧线段的内侧，随其拉伸电阻发生变化，弧线段提供了良好的拉伸性从而实现了传感器在应变测量过程中具有较大的量程；如图2所示，基底侧面为基底上沿着厚度方向的平面，具体地如图2所示为垂直于xy平面的平面，由于应变电阻2布置的位置离基底中轴线距离最远，因此对于应变变化最敏感，从而实现了传感器在应变测量过程中具有较高的灵敏度。

本方案中，如图1和图2所示，应变电阻2在所述基底1的弧线段的内侧(曲率半径较小一侧)间隔分布，目的在于，将应变电阻同时布置在弧线段受到拉伸的一侧，使的整个传感器在变形过程中由于应变而导致的电阻变化不会抵消，以通过换算得到所测应变。

本方案中，如图1所示，在基底1侧面布置的相邻两段应变电阻2之间通过连通段3实现电连接，具体的连接方式为通过导体分别与相邻两段应变电阻2重合一段以实现电连接，重合一段的目的在于当整个曲线型结构拉伸时，电阻的改变主要为应变电阻的阻值变化，减小由于连通段和应变电阻的连接而导致的电阻变化的影响，如图2中为传感器曲线型结构的局部放大图，可以清楚地看到应变电阻2在基底1上的位置设置以及电连接段的位置设置。

本发明的一种实施方式中，为了简化计算过程，优选曲线形结构的弧线段为圆弧、椭圆弧、正弦曲线或余弦曲线中的一种或几种的组合结构，对于变化较为规律的圆弧、椭圆弧或者正弦曲线，在预测电阻变化值与应变之间的关系过程中相对较为容易。当然，本方案不限于上述列举的几种曲线形结构，也可以选用变化较为不规律的不对称的曲线结构。

本发明的一种实施方式中，基底1的厚度和宽度的比值可以根据实际情况进行调整，优选地，当其比值等于1时，所制作的应变传感器整体可以控制封装厚度，同时整个结构在拉伸过程中不会发生面外屈曲变形，便于封装使用。实际使用过程中对于传感器厚度要求不高的可以采用厚宽比大于1的设计。

本发明的一种实施方式中，应变电阻2在弧线段的布置范围可以根据圆弧构型进行调整，优选地，为了便于加工，整个弧线段范围内应布满应变电阻2，需要指出的是，应变电阻2的宽度可以沿着图2中z轴方向相应减小，从而使整个传感器在拉伸相同的量时，电阻阻值变化更为明显，使得应变输出信号达到更大值，灵敏度实现进一步地提高。

本发明的一种实施方式中，连通段用于连接相邻两段的应变电阻2，以实现其电连接，具体的连接方式可以通过沉积金属导电薄膜或者直接用金属导线进行连接。

本发明的一种实施方式中，整个传感器的端部布置粘接端5，粘接端一端上布置了用于输出信号的触点，另一端通过电连接的方式使得整个传感器端部相连。

本发明的一种实施方式中，基底1材料为聚酰亚胺、聚酯、酚醛树脂、环氧树脂中的一种，优选为聚酰亚胺薄膜；应变电阻2材料为康铜、新康铜、镍铬合金、镍铬铝合金、铁铬铝合金、铂、铂钨合金等金属中的任一种，优选地为康铜，因为康铜电阻率温度系数低，不易受温度影响，在本方案的基础上，使用康铜作为应变电阻2的材料，能够有效提高应变传感器的热稳定性；连通段3材料为铜或者金，纯铜或者金电阻较小，应变电阻系数较小，适合作为实现电连接的材料；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的上下两面，优选地，所述封装膜为弹性硅胶薄膜。

本发明的一种实施方式中，基底1的厚度和宽度通常小于0.5mm，应变电阻厚度通常小于0.01mm，优选为0.005mm。

实施例：

一种电阻式应变传感器，其中的传感器整体为曲线型结构。

尺寸设计：曲线型结构的直线段长2mm，圆弧段内侧半径为1mm，基底厚度为0.2mm，宽度为0.2mm，应变电阻厚0.005mm。

应变电阻材料本身弹性应变极限为0.3％，通过结构设计，保守预测可行量程达到30％。

以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。