柔性电阻式压力传感器应变片受力应变模型建立及分析
- 文献综述
1.1研究背景
随着科技的进步及生产的发展，国防、航空、医疗等领域的重要设备或者关键零部件的形状变得越来越复杂，主要呈现接触面间隙微小以及器件表面多采取曲面设计等特点，这些类型零件的加工、安装、测试及状态监控则因受到空间结构、尺寸及被测材料介质特性等条件的限制而增大了难度[1-5]。此外，曲面层间应力的测量对于评估设备的安装精度、材料性能以及长期保存的可靠性等具有极其特殊的意义。因此对于曲面层间应力的检测和监控成为科研课题研究中急需解决的难题。为应对被测对象的空间结构特点和使用要求，柔性传感技术由于其小型化、可挠性、可靠度高等特点，收到广泛的关注，具有广阔的应用前景。
柔性传感器的电阻应变片采用柔性导电材料，其特点是，敏感材料具有良好的柔韧性和压力敏感性能，不但能够放入不规则曲面层问，而且其特殊的制备工艺可以实现几十微米的厚度，可测得间隙非常小的平面或曲面间的应力[6-11]。
由于压敏材料的导电通路的形成受诸多因素的影响，因此其过程研究比较复杂。目前对于导电材料应变规律的理论研究仍落后于其应用研究，对该材料的导电机理、压阻特性和电阻温度特性的研究还没有较统一的理论体系[3]。但作为柔性传感器的基本材料，对其导电特性的研究是非常必要的。同时由于其附着于高分子柔性材料基底上，因此，此电阻应变片结构表现出高聚物材料的力学行为，具有粘性和弹性双重力学特性。而且复合材料的导电通道也会随基底的形变而发生变化，从而使得应变片的压阻效应呈现出时间依赖性。这些现象主要体现在材料电阻的时间依赖性方面，即电阻松弛和电阻蠕变[12-15]。类似于聚合物基导电复合材料在恒应变作用下应力随时间而逐渐减小的力学松弛现象，压敏材料的电阻在恒应变作用下也出现了逐渐降低的电阻松弛现象，在该电阻应变片被用做压力传感器的敏感单元时，会导致很大的误差。由于时间依赖性的存在，使得以应变结构的压阻效应为基础的柔性压力传感器需要同时研究应变结构电阻—应力—时间三者之间的关系，而目前对于这方面的研究仅限于电阻—时间关系，而无电阻—应力、应力—时间关系的研究，从而导致柔性压力传感器的精度受到很大影响。
1.2压力传感器发展
压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及生产白控、水利水电、航空航天、铁路交通、智能楼宇、军工、石化、油井、机床、电力、管道等众多行业。通常由敏感元件和转换元件组成。
1.2.1 传统压力传感器
传统压力传感器主要包括压电式压力传感器[16]、电阻式压力传感器[17]、电容式压力传感器、电感式压力传感器等。这里主要介绍其中应用最为广泛的压电式压力传感器和电阻式压力传感器。
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