本發(fā)明屬于測量技術(shù)領(lǐng)域，主要用于直接測量物體的曲率，具體地涉及一種柔性曲率傳感器及其制備方法。

背景技術(shù)：

結(jié)構(gòu)的曲率是一個(gè)非常重要的幾何參數(shù)，其準(zhǔn)確的測量在很多方面有著重要的意義，從醫(yī)學(xué)上人眼角膜測量和兒童呼吸的監(jiān)測，到運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練中關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的記錄等可穿戴電子的研發(fā)，再到大型工件如船體、汽車覆蓋件的制作，大型工程施工、重要基建設(shè)施質(zhì)量的保證等都有體現(xiàn)。但是直接用于測量曲率的傳感器并不多見，因此發(fā)明設(shè)計(jì)一種曲率傳感器在物體形貌測量、工件尺寸測量、機(jī)器人技術(shù)、醫(yī)療健康監(jiān)測等方面都有著廣泛的應(yīng)用。

傳統(tǒng)的接觸式測量法往往是利用測量工具與工件表面直接接觸得出數(shù)據(jù)，例如游標(biāo)卡尺、千分尺等等。這些測量儀器雖然使用原理簡單，但是操作起來極不方便，不適合在工作環(huán)境中使用。目前，曲率測量主要使用非接觸式的光學(xué)方法，例如利用光纖光柵測量、激光測距、激光干涉和圖像分析等技術(shù)設(shè)計(jì)制作的傳感器。此外，還有利用磁場定位原理的磁學(xué)測量法和聲學(xué)測量法等方法。而這些方法大多數(shù)實(shí)現(xiàn)過程比較復(fù)雜，設(shè)計(jì)制作成本比較高，使用范圍有一定的局限性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是，現(xiàn)有曲率測量工具實(shí)現(xiàn)過程和結(jié)構(gòu)都很復(fù)雜，制作成本高，經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性不強(qiáng)的問題。

為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種柔性曲率傳感器，包括2個(gè)壓合在一起的應(yīng)變片；所述每個(gè)應(yīng)變片包括敏感柵、柔性基底和引出線，所述敏感柵位于柔性基底中央,上面覆蓋有保護(hù)層，所述敏感柵連接2根引出線；2個(gè)應(yīng)變片以基底相對，其中一個(gè)旋轉(zhuǎn)180°后壓合在一起，敏感柵的測量柵完全重合。

本發(fā)明提供另一種柔性曲率傳感器，包括2個(gè)壓合在一起的應(yīng)變片；所述每個(gè)應(yīng)變片包括2個(gè)測量方向相互垂直的敏感柵、柔性基底和引出線，所述敏感柵位于柔性基底中央,上面覆蓋有保護(hù)層，所述敏感柵連接2根引出線；2個(gè)應(yīng)變片以基底相對壓合在一起，敏感柵完全重合。

進(jìn)一步，所述應(yīng)變片敏感柵材質(zhì)為康銅箔，基底和保護(hù)層材質(zhì)為酚醛環(huán)氧樹脂，引出線為細(xì)銅絲。

本發(fā)明提供一種柔性曲率傳感器的制備方法，包括如下步驟：

a)將箔材剪裁成大于光刻版的尺寸，除去箔材表面的油脂和臟物；

b)用膠黏劑旋涂于箔材上制作膠膜基底；

c)采用傳統(tǒng)的光刻方法制作2個(gè)的相同的應(yīng)變片；

d)將2個(gè)應(yīng)變片以基底相對，其中一個(gè)旋轉(zhuǎn)180°后壓合在一起，其中敏感柵的測量柵完全重合；

e)將成品進(jìn)行靈敏度系數(shù)的標(biāo)定。

進(jìn)一步，所述步驟a)具體為：

1)將康銅箔剪裁成大于光刻版的尺寸；

2)采用丙酮溶液除去箔材表面的油脂和臟物；

所述步驟b)具體為：

1)選擇酚醛環(huán)氧樹脂作為膠黏劑，用旋涂的方法使箔材表面的膠液分布均勻；

2)水平臺(tái)上晾置、干燥，在150℃的溫度下保持約2個(gè)小時(shí)，直到其固化；

所述步驟c)具體為：

1)采用光刻技術(shù)，經(jīng)涂膠、前烘、曝光、顯影之后，用三氯化鐵溶液將箔材刻飾成敏感柵；

2)用高倍顯微鏡對制作好的應(yīng)變片進(jìn)行外形檢查；

3)用稀釋的三氯化鐵溶液作腐蝕劑，將應(yīng)變片阻值調(diào)整到120Ω；

4)去除光刻膠之后，采用貼膜法在敏感柵上覆蓋一層保護(hù)膜；

5)焊接端頭接線；

6)按照基底上的尺寸標(biāo)志進(jìn)行剪裁，之后進(jìn)行規(guī)格及電阻值的檢查；

所述步驟d)具體為：

1)在基底上旋涂膠黏劑之后采用升溫加壓的方式將2個(gè)應(yīng)變片以基底相對，其中一個(gè)旋轉(zhuǎn)180°后壓合在一起，其中敏感柵的測量柵完全重合。

本發(fā)明提供另一種柔性曲率傳感器的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

a)將箔材剪裁成大于光刻版的尺寸，除去箔材表面的油脂和臟物；

b)用膠黏劑旋涂于箔材上制作膠膜基底；

c)采用傳統(tǒng)的光刻方法制作2個(gè)的相同的應(yīng)變片；所述每個(gè)應(yīng)變片包括2個(gè)測量方向相互垂直的敏感柵；

d)將2個(gè)應(yīng)變片以基底相對壓合在一起，敏感柵完全重合；

e)將成品進(jìn)行靈敏度系數(shù)的標(biāo)定。

進(jìn)一步，所述步驟a)具體為：

1)將康銅箔剪裁成大于光刻版的尺寸；

2)采用丙酮溶液除去箔材表面的油脂和臟物；

所述步驟b)具體為：

1)選擇酚醛環(huán)氧樹脂作為膠黏劑，用旋涂的方法使箔材表面的膠液分布均勻；

2)水平臺(tái)上晾置、干燥，在150℃的溫度下保持約2個(gè)小時(shí)，直到其固化；

所述步驟c)具體為：

1)采用光刻技術(shù)，經(jīng)涂膠、前烘、曝光、顯影之后，用三氯化鐵溶液將箔材刻飾成敏感柵；每個(gè)應(yīng)變片包括2個(gè)測量方向相互垂直的敏感柵；

2)用高倍顯微鏡對制作好的應(yīng)變片進(jìn)行外形檢查；

3)用稀釋的三氯化鐵溶液作腐蝕劑，將應(yīng)變片阻值調(diào)整到120Ω；

4)去除光刻膠之后，采用貼膜法在敏感柵上覆蓋一層保護(hù)膜；

5)焊接端頭接線；

6)按照基底上的尺寸標(biāo)志進(jìn)行剪裁，之后進(jìn)行規(guī)格及電阻值的檢查；

所述步驟d)具體為：

1)在基底上旋涂膠黏劑之后采用升溫加壓的方式將2個(gè)應(yīng)變片以基底相對，壓合在一起，其中敏感柵完全重合。

進(jìn)一步，所述步驟e)具體為：

1)分別測量已知曲率半徑的被測件，通過萬用表來讀取電阻的改變值；

2)畫出曲率半徑和電阻變化值之間的關(guān)系圖；

3)用最小二乘法進(jìn)行線性擬合得到整個(gè)曲率傳感器的靈敏度系數(shù)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的技術(shù)效果：

本發(fā)明采用傳統(tǒng)的接觸式測量方法，利用應(yīng)變片簡易的制作原理和成熟的加工工藝設(shè)計(jì)制作的曲率傳感器，可以通過接觸被測量件的方式直接測量得到物體的曲率，實(shí)現(xiàn)過程和結(jié)構(gòu)都很簡易，制作成本低，經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性都很強(qiáng)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明應(yīng)變片的一種結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明曲率傳感器的一種結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為圖2的敏感柵放大圖。

圖4為本發(fā)明曲率傳感器的制備流程圖。

圖5為本發(fā)明曲率傳感器的另一種結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下文中將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互任意組合。

實(shí)施例一：

本發(fā)明提供了如附圖1-3所示的一種柔性曲率傳感器，包括2個(gè)壓合在一起的應(yīng)變片；每個(gè)應(yīng)變片包括柔性基底1、敏感柵2和2根引出線3。其中敏感柵2包括測量柵21，過渡柵22和焊接?xùn)?3。測量柵部分完全重合是為了消除基底受拉伸時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)變，過渡柵與測量柵垂直是為了消除過渡柵電阻變化對整個(gè)曲率測量的影響。其中一個(gè)應(yīng)變片旋轉(zhuǎn)180°是為了使兩過渡柵位置錯(cuò)開，進(jìn)而使焊點(diǎn)位置錯(cuò)開使局部厚度不至于過厚，便于封裝。

進(jìn)一步，敏感柵材質(zhì)為康銅箔，柔性基底1材質(zhì)為酚醛環(huán)氧樹脂，引出線3為細(xì)銅絲。

本發(fā)明利用柔性基底表面某一點(diǎn)的應(yīng)變與這一點(diǎn)的曲率成正比這一特點(diǎn)，通過重疊的應(yīng)變片貼合被測件時(shí)產(chǎn)生彎曲變形，來直接測量產(chǎn)生的拉(壓)應(yīng)變，間接得出被測件的曲率。另外測量過程中受拉伸一側(cè)的應(yīng)變片產(chǎn)生的應(yīng)變由兩部分構(gòu)成：ε_s＝ε_R+ε_M，其中ε_R為彎曲產(chǎn)生的應(yīng)變，ε_M為膜受拉神產(chǎn)生的應(yīng)變；受壓縮一側(cè)的應(yīng)變片產(chǎn)生的應(yīng)變也由兩部分構(gòu)成：ε_c＝-ε_R+ε_M。采用重疊應(yīng)變片的方式，利用兩側(cè)應(yīng)變片應(yīng)變之差消除由基底膜受拉伸產(chǎn)生的應(yīng)變，可以直接測得彎曲曲率。

如圖4所示，本發(fā)明還提供一種柔性曲率傳感器的制備方法，包括如下步驟：

a)將箔材剪裁成大于光刻版的尺寸，除去箔材表面的油脂和臟物；

b)用膠黏劑旋涂于箔材上制作膠膜基底；

c)采用傳統(tǒng)的光刻方法制作2個(gè)的相同的應(yīng)變片；

d)將2個(gè)應(yīng)變片以基底相對，其中一個(gè)旋轉(zhuǎn)180°后壓合在一起，其中敏感柵的測量柵完全重合；

e)將成品進(jìn)行靈敏度系數(shù)的標(biāo)定。

進(jìn)一步，步驟a)具體為：

1)本發(fā)明選取應(yīng)變片常用的箔材康銅箔(銅鎳合金，其中銅59％，鎳40％，錳1％)，將康銅箔剪裁成大于光刻版的尺寸；

2)采用丙酮溶液除去箔材表面的油脂和臟物(通過丙酮與箔材表面的污漬反應(yīng)以達(dá)到清潔表面的目的)。

進(jìn)一步，步驟b)具體為：

1)本發(fā)明用膠黏劑直接制作的膠膜基底的方法，選擇酚醛環(huán)氧樹脂作為膠黏劑，用旋涂的方法使箔材表面的膠液分布均勻；

2)水平臺(tái)上晾置、干燥，為了加快固化速度，在150℃的溫度下保持約2個(gè)小時(shí)，直到其固化。

進(jìn)一步，步驟c)具體為：

1)采用傳統(tǒng)工藝成熟的光刻技術(shù)，經(jīng)涂膠、前烘、曝光、顯影之后，用三氯化鐵溶液將箔材刻飾成敏感柵；

2)用高倍顯微鏡對制作好的應(yīng)變片進(jìn)行外形檢查；

3)采用化學(xué)調(diào)整法，用稀釋的三氯化鐵溶液作腐蝕劑，將應(yīng)變片阻值調(diào)整到120Ω；

4)去除光刻膠之后，采用貼膜法在敏感柵上覆蓋一層保護(hù)膜以保護(hù)敏感元件；

5)焊接端頭接線；

6)按照基底上的尺寸標(biāo)志進(jìn)行剪裁，之后進(jìn)行規(guī)格及電阻值的檢查。

進(jìn)一步，步驟d)具體為：

1)在基底上旋涂膠黏劑之后采用升溫加壓的方式將2個(gè)應(yīng)變片以基底相對，其中一個(gè)旋轉(zhuǎn)180°后壓合在一起，其中敏感柵的測量柵完全重合

進(jìn)一步，步驟e)具體為：

1)由于整個(gè)傳感器的靈敏度系數(shù)影響因素很多，很難直接用理論方法推出，本發(fā)明的標(biāo)定方法是對于每一個(gè)傳感器，分別測量已知曲率半徑的被測件，通過萬用表來讀取電阻的改變值；

2)畫出曲率半徑和電阻變化值之間的關(guān)系圖；

3)用最小二乘法進(jìn)行線性擬合得到整個(gè)曲率傳感器的靈敏度系數(shù)。

實(shí)施例二：

如圖5所示，本發(fā)明提供了另一種柔性曲率傳感器，與實(shí)施例一不同的是，該曲率傳感器是由兩個(gè)相同的應(yīng)變花以基底相對壓合在一起制作而成的。每個(gè)應(yīng)變花包括2個(gè)測量方向相互垂直的敏感柵，每個(gè)敏感柵包括測量柵21、過渡柵22和焊接?xùn)?3，這樣可以通過測量兩個(gè)相互垂直方向的曲率，進(jìn)而得到被測曲面任意方向的曲率。兩個(gè)敏感柵的過渡柵22和焊接?xùn)?3做成一體，其中過渡柵制作較寬是為了消除測量過程中過渡柵電阻變化對整個(gè)曲率測量的影響。其發(fā)明原理和制作工藝過程同實(shí)施例一完全相同此處不再贅述。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的技術(shù)效果：

本發(fā)明采用傳統(tǒng)的接觸式測量方法，利用應(yīng)變片的制作原理和加工工藝設(shè)計(jì)制作的曲率傳感器，可以通過接觸被測量件的方式直接測量得到物體的曲率，實(shí)現(xiàn)過程和結(jié)構(gòu)都很簡易，制作成本低，經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性都很強(qiáng)。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。