專利名稱：表面變形分布測試傳感元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及變形測試傳感技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種適用于巖土介質(zhì)及結(jié)構(gòu)表面變形的測試的表面變形分布測試傳感元件。
背景技術(shù)：
在巖土力學(xué)與工程基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，模型試驗(yàn)和試樣試驗(yàn)中均需要進(jìn)行變形物理量的量測。模型試驗(yàn)測試主要包括裂紋發(fā)展與破壞演化等；試樣試驗(yàn)測試主要包括試樣體變、 應(yīng)變局部化、破壞面(帶)的形成及漸進(jìn)破壞過程等。傳統(tǒng)變形量測方法主要采用基于彈性、 均勻、連續(xù)和小變形假設(shè)的電阻應(yīng)變片、應(yīng)變式引伸傳感器、差動(dòng)電阻式應(yīng)變計(jì)、電感式應(yīng)變傳感器、弦式應(yīng)變傳感器、混凝土應(yīng)變計(jì)及光纖傳感器等。該類傳感器大多僅具有單點(diǎn)測試功能。長期試驗(yàn)研究與工程實(shí)踐表明，目前采用的變形傳感器普遍存在以下兩個(gè)關(guān)鍵問題(1)各類變形傳感器敏感元件原理各異、傳感器與待測介質(zhì)剛度不匹配；單個(gè)傳感器一般只能測得單點(diǎn)信息，無法獲得場量特征，即大多信息“測不準(zhǔn)” ；(2)現(xiàn)有測試傳感器無法量測巖土介質(zhì)非線性變形及其分布、裂紋及破壞(剪切)帶孕育及演化等對(duì)于現(xiàn)代基礎(chǔ)科學(xué)研究越來越重要的參數(shù)，即諸多信息“測不到”。因此，現(xiàn)有傳感技術(shù)已不適應(yīng)巖土介質(zhì)表面變形，特別是非線性大變形分布的量測。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是克服已有技術(shù)中的不足，提出一種結(jié)構(gòu)簡單、能夠測試巖土介質(zhì)及結(jié)構(gòu)表面變形分布及變化的傳感元件。技術(shù)方案本發(fā)明的表面變形分布測試傳感元件，包括柔性傳感薄膜、柔性傳感薄膜的周圍均勻布有若干與導(dǎo)線相連接的電極，柔性傳感薄膜上下表面及電極連接處分別附
著一層柔性絕緣層。所述的柔性傳感薄膜由導(dǎo)電橡膠復(fù)合材料制作而成；所述的柔性絕緣層由硅橡膠制作而成。有益效果采用由導(dǎo)電橡膠復(fù)合材料制作而成的柔性傳感薄膜、均勻間隔布置在柔性傳感薄膜四周的電極、與電極連接的導(dǎo)線及附著于柔性傳感薄膜上下面的柔性絕緣層。導(dǎo)電橡膠復(fù)合材料使用橡膠作為材料的基體，使用的導(dǎo)電相可以是導(dǎo)電炭黑、碳納米管或碳納米纖維等；具有柔性大變形的特點(diǎn)，制作的傳感薄膜可實(shí)現(xiàn)超薄化，并具有應(yīng)變敏感性的特點(diǎn)。由于柔性傳感薄膜具有柔性(低彈模、剛性低)的特點(diǎn)，當(dāng)其被粘貼于巖土介質(zhì)表面時(shí)，巖土介質(zhì)變形柔性傳感薄膜也跟隨其同步變形，其電阻率將產(chǎn)生變化，變形大小的不同，電阻率的變化將不同，便可通過測試此電阻率的不同來判斷巖土介質(zhì)表面變形的大小。 四周布置的電極及導(dǎo)線用來量測柔性傳感薄膜的電阻率變化信息。柔性絕緣層附著于柔性傳感薄膜的上下表面，用于防止外界接觸物對(duì)柔性傳感薄膜電性能的影響，起到絕緣、密封等作用；柔性絕緣層利用橡膠制作而成，其剛性(或彈性模量)應(yīng)大于傳感薄膜，以實(shí)現(xiàn)巖土介質(zhì)表面與柔性傳感薄膜之間變形的有效傳遞。傳感元件使用時(shí)，將導(dǎo)線與測試儀器連接，傳感元件粘貼于巖土介質(zhì)表面，當(dāng)巖土介質(zhì)表面產(chǎn)生變形時(shí)，傳感元件產(chǎn)生同樣的變形，傳感薄膜不同位置處的電阻率將產(chǎn)生變化；便可通過已有文獻(xiàn)中公開的電阻抗成像技術(shù)對(duì)這種變化進(jìn)行采集測試及進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算，得到各位置處的電阻率變化以反推出各位置處變形的大小，得到巖土介質(zhì)表面變形分布。具有如下優(yōu)點(diǎn)
1、傳感元件使用的柔性傳感薄膜，具有結(jié)構(gòu)薄、應(yīng)變精度高、大量程及成本低的特點(diǎn)；
2、柔性傳感薄膜具有較高的柔順性，可以貼附在任意形狀的巖土介質(zhì)表面進(jìn)行變形分布的量測；
3、可以通過密布電極實(shí)現(xiàn)較高的分辨率，理論上，四周間隔布置的電極越多，通過電阻抗成像技術(shù)計(jì)算出的應(yīng)變精度和分辨率越高；
4、可實(shí)現(xiàn)大面積表面變形分布的測量。理論上，傳感元件的面積可以根據(jù)需要做成任意大小，實(shí)現(xiàn)大面積表面變形分布的測量。


圖1為本發(fā)明的傳感元件實(shí)施例1的平面結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明的傳感元件實(shí)施例2的平面結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為圖1和圖2的A-A剖面結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作進(jìn)一步的描述
實(shí)施例1、如圖1圖3所示，表面變形分布測試傳感元件包括柔性傳感薄膜1、均勻間隔布置在柔性傳感薄膜1四周的電極2、與電極連接的導(dǎo)線3及附著于柔性傳感薄膜上下表面的柔性絕緣層4。柔性傳感薄膜1使用炭黑填充的橡膠基導(dǎo)電復(fù)合材料制作而成，厚度為 40 μ m，柔性傳感薄膜1的形狀為正方形，正方形邊長為250mm，32個(gè)電極每邊均勻間隔布置 8個(gè)，電極2采用0.05mm厚的銅片，尺寸為5mmX10mm，電極2上均連接有導(dǎo)線3。銅片電極2與柔性傳感薄膜1使用導(dǎo)電膠粘接，導(dǎo)線3與電極2焊接。在柔性傳感薄膜1上下表面及電極2連接處分別附著一層用液體硅橡膠分別澆注而成的柔性絕緣層4，能起到較好的絕緣密封作用。為保證柔性絕緣層4的剛性大于柔性傳感薄膜1，通過在硅橡膠中充填納米補(bǔ)強(qiáng)材料(二氧化硅)來提高柔性絕緣層4的彈性模量(剛性)。實(shí)施例2、如圖2圖3所示，表面變形分布測試傳感元件包括柔性傳感薄膜1、均勻間隔布置在柔性傳感薄膜1四周的電極2、與電極連接的導(dǎo)線3及附著于柔性傳感薄膜上下表面的柔性絕緣層4。柔性傳感薄膜使用碳納米管和炭黑混合填充的橡膠基導(dǎo)電復(fù)合材料制作而成，厚度為30 μ m，柔性傳感薄膜形狀為正方形，正方形邊長為200mm，64個(gè)電極每邊均勻間隔布置16個(gè)，電極采用0. 05mm厚的銅片，尺寸為5mmX 5mm，每個(gè)電極上連接有導(dǎo)線。銅片電極2與柔性傳感薄膜1使用導(dǎo)電膠粘接，導(dǎo)線3與電極2焊接。在柔性傳感薄膜 1上下表面及電極2連接處分別附著一層用液體硅橡膠分別澆注而成的柔性絕緣層4，使用液體硅橡膠分別澆注而成，起到絕緣密封作用。為保證柔性絕緣層的剛性大于柔性傳感薄膜，通過在硅橡膠中充填納米補(bǔ)強(qiáng)材料(二氧化硅)來提高柔性絕緣層的彈性模量(剛性)。傳感薄膜1的形狀和大小可以根據(jù)測試需要而定，形狀可以為矩形、圓形或其他特殊形狀；電極2數(shù)量根據(jù)測試精度而定，測試精度越高所布置的電極數(shù)量就越多。
權(quán)利要求
1.一種表面變形分布測試傳感元件，其特征在于包括柔性傳感薄膜(1)，柔性傳感薄膜(1)的周圍均勻布有若干與導(dǎo)線(3)相連接的電極(2)，柔性傳感薄膜(1)上下表面及電極(2 )連接處分別附著有一層柔性絕緣層(4 )。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面變形分布測試傳感元件，其特征在于，所述的柔性傳感薄膜(1)由導(dǎo)電橡膠復(fù)合材料制作而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面變形分布測試傳感元件，其特征在于，所述的柔性絕緣層(4)由硅橡膠制作而成。
全文摘要
一種表面變形分布測試傳感元件，包括柔性傳感薄膜、柔性傳感薄膜四周間隔均勻布置的電極、與電極連接的導(dǎo)線及上下柔性絕緣層。利用具有應(yīng)變敏感特性的導(dǎo)電橡膠復(fù)合材料制作柔性傳感薄膜，電極與導(dǎo)線用于輸出柔性傳感薄膜不同位置處電阻率信息。測試時(shí)，將導(dǎo)線與測試儀器連接，利用電阻抗成像技術(shù)進(jìn)行采集測試及計(jì)算，獲得柔性傳感薄膜不同位置處的電阻率分布，再通過傳感薄膜應(yīng)變大小與電阻率大小之間的特定關(guān)系得到應(yīng)變大小分布。所發(fā)明的傳感元件可以實(shí)現(xiàn)二維變形場量的測試，并具有結(jié)構(gòu)簡單超薄、柔性、分辨率與精度高、應(yīng)變量程大及成本低的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01B7/16GK102305587SQ20111021885
公開日2012年1月4日 申請(qǐng)日期2011年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月2日
發(fā)明者周國慶, 商翔宇, 廖波, 王承來, 趙光思, 陳國舟 申請(qǐng)人:中國礦業(yè)大學(xué)