一种机械量振动传感器及其制备方法

1.本发明涉及传感器技术领域，尤其是指一种机械量振动传感器及其制备方法。


背景技术：

2.用于机械内部的机械量传感器为智能设备的自适应电机控制、机械故障诊断和加工状态监测提供重要的机械信息。具有小型化、高精度和超高灵敏度等优异性能的内部机械传感器因其在不可预测的复杂环境中智能机器人的精确自适应电机控制、指导机械致动器的控制、控制机器人的速度和速度等方面具有极为重要的作用。
3.现有的内部机械传感器对由物体撞击引起的动态信号以及与工作工具简单接触产生的轻微震动灵敏度有限，这已成为提高内部传感器性能以进一步优化本体感知能力的障碍。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本发明提供了一种机械量振动传感器及其制备方法。
5.一种机械量振动传感器，包括：
6.刚性基板，所述刚性基板上设置有一端开口的受控狭缝和镂空结构，所述受控狭缝位于所述刚性基板的中线上，所述受控狭缝的开口端两侧的刚性基板上设置有凹槽；所述镂空结构对称分布于所述受控狭缝两侧；
7.应变片，所述应变片包括柔性基底层和具有纳米级裂纹结构的金属导电层，所述应变片两端固定设置于所述凹槽内，横跨所述受控狭缝的开口端；
8.放大电路板，所述放大电路板通过导线连接至所述应变片的两端实现电信号的转化与放大。
9.优选的，与所述受控狭缝的开口端相对的为闭合端，所述闭合端设计为u型沟槽、v型沟槽、正梯形沟槽、矩形沟槽。
10.优选的，所述受控狭缝的长度不大于所述刚性基板中线长度的2/3。
11.优选的，所述镂空结构设计为蛇形、组合矩形、单矩形、圆形。
12.优选的，所述应变片为微裂纹应变片、电阻应变片、压阻材料、电容电感式应变片。
13.优选的，所述应变片为微裂纹应变片。
14.优选的，位于所述受控狭缝的开口端两侧的凹槽的总长度小于所述应变片长度。
15.优选的，所述机械量振动传感器还包括导线，所述导线与所述应变片的两端连接，与所述金属导电层焊接。
16.优选的，所述放大电路板放置于所述刚性基板上方，所述刚性基板的一端设置有螺栓孔，所述放大电路板与所述刚性基板通过螺栓连接。
17.一种机械量振动传感器的制备方法，用于制备如上所述的机械量振动传感器，包括以下步骤：
18.步骤s1：选取合适尺寸的刚性基板材料，在中心线切割出一条一端开口的受控狭
缝，所述受控狭缝开口端两侧的刚性基板上设置有凹槽；受控狭缝两侧对称切割出镂空结构；
19.步骤s2：将选取长度小于凹槽长度的应变片，并将应变片两端置于凹槽中，此时应变片中心隆起；
20.步骤s3：采用胶水将所述应变片与所述凹槽粘合；
21.步骤s4：将导线与所述应变片上的金属导电层焊接，所述导线连接于所述应变片两端并延伸出来；
22.步骤s5：将放大电路板置于所述刚性基板上方，所述放大电路板与延伸出来的导线连接，所述放大电路板与所述刚性基板用螺栓连接，得到完整的机械量振动传感器。
23.本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
24.1、本发明所述的机械量振动传感器及其制备方法将应变片放置于刚性基板的受控狭缝结构尾部，所述刚性基板上设置有受控狭缝和对称分布于所述受控狭缝两侧的镂空结构。受到机械信号振动时利用受控狭缝尾部在交变载荷作用下的类呼吸效应增强机械振动信号，实现对外部机械振动信号进行放大的效果，然后由应变片将机械振动信号转化为电信号，最后通过放大电路板对电信号进行转化和放大处理输出，从而提升了机械量振动传感器的灵敏度。
25.2、本发明所述的机械量振动传感器及其制备方法在仿生传感元件的设计中引入镂空结构，实现对基底的“降刚度”处理，镂空设计可促进传感元件缝尾部受载荷作用后的形变效果，提升传感元件的性能。
附图说明
26.为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
27.图1是本发明机械量振动传感器的示意图。
28.图2是本发明刚性基板的示意图。
29.图3是本发明应变片摆放位置的示意图。
30.图4是本发明机械量振动传感器的灵敏度系数曲线图。
31.说明书附图标记说明：1、刚性基板；101、受控狭缝；102、镂空结构；103、凹槽；104、螺栓孔；2、应变片；201、柔性基底层；202、金属导电层；3、放大电路板；4、导线；5、螺栓。
具体实施方式
32.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
33.本发明模仿蛛形纲动物利用裂纹状狭缝作为机械感受觉器的机械感觉结构，灵感来自狭缝的综合变形特性以及覆盖狭缝尾部的具有弯曲形变特征的生物表皮膜的超薄角质膜。
34.如图1-3所示，本发明提供一种机械量振动传感器，包括：
35.刚性基板1，所述刚性基板1上设置有一端开口的受控狭缝101和镂空结构102，所述受控狭缝101位于所述刚性基板1的中线上，所述受控狭缝101的开口端两侧的刚性基板1
上设置有凹槽103；所述镂空结构102对称分布于所述受控狭缝101两侧；
36.应变片2，所述应变片2包括柔性基底层201和具有纳米级裂纹结构的金属导电层202，所述应变片2两端固定设置于所述凹槽103内，横跨所述受控狭缝101的开口端；
37.放大电路板3，所述放大电路板3通过导线4连接至所述应变片2的两端实现电信号的转化与放大。
38.本发明提供的机械量振动传感器受到机械信号振动时利用受控狭缝101尾部在交变载荷作用下的类呼吸效应增强机械振动信号，固定于受控狭缝101尾部的应变片2将机械振动信号转化为电信号。所述刚性基板1上的镂空结构102用于降低刚性基板1的平面刚度，使传感器对于振动信号更为敏感，尾部形变更大，以增强传感器的灵敏度。
39.在一个可选的实施例中，所述刚性基板1为亚克力板、玻璃，结构钢，铝合金，尼龙，环氧树脂。具体的，刚性基板1的厚度与受控狭缝101的形变响应成反比关系，但总体变化幅度不大，可根据实际情况确定。
40.在一个可选的实施例中，与所述受控狭缝101的开口端相对的为闭合端，所述闭合端设计为u型沟槽、v型沟槽、正梯形沟槽、矩形沟槽。优选的，所述闭合端设计为u型沟槽，u型沟槽在动态压力载荷下的应变与位移变化量都表现良好，且不易产生应力集中，不会轻易在动载在失稳，同时，u型沟槽的型形变量相对更平滑，不会因沟槽两侧边缘顶部接触而导致传感器的阻值产生阶跃式的变化。
41.在一个具体的实施例中，所述受控狭缝101的长度不大于所述刚性基板1中线长度的2/3；优选的，所述受控狭缝101的长度为所述刚性基板1中线长度的2/3。所述受控狭缝101的长度对于缝状结构的振动形变响应起着至关重要的作用，当缝隙长度较短时，缝隙尾部的位移量随着缝隙长度的增加而增加，这有利于增加传感元件对机械量信号的感知能力。但是当受控狭缝101长度超过刚性基板1边长的2/3后，u型槽尖端的一部分应力会分散至尖端对面一侧壁的中点附近，虽然受控狭缝101长度的增加对尾部最大位移量的提升效果很明显，但分散在另一侧的应力使得平面基底在循环交变载荷作用下存在发生疲劳断裂的可能性，亦或迫使元件在尖端处发生进一步的裂纹伸长。
42.在一个可选的实施例中，所述镂空结构102设计为蛇形、组合矩形、单矩形、圆形；优选的，所述镂空结构102设计为蛇形。所述镂空结构102的主要目的是降低刚性基板1的刚度以增强尾部的形变响应，其结构可以选择蛇形、组合矩形、单矩形等形状。过小的镂空面积对于刚性基板1降刚度效果不明显，过大的镂空面积虽可以增强缝隙尾部的呼吸效应，但会导致刚性基板1两侧壁受载断裂。相比之下，蛇形镂空结构102既可以增强缝隙尾部的位移，同时又可以更好的分散两侧的压力。
43.在一个具体的实施例中，所述刚性基板1整体结构与所述受控狭缝101尾部的形变特征无关，因此刚性基板1整体结构的设计可根据实际情况选择。
44.在一个可选的实施例中，所述应变片2为微裂纹应变片2、电阻应变片2、压阻材料、电容电感式应变片2等柔性传感元件。优选的，所述应变片2为微裂纹应变片2，所述微裂纹应变片2具有灵敏度高，响应迅速的优势。
45.在一个具体的实施例中，位于所述受控狭缝101的开口端两侧的凹槽103的总长度小于所述应变片2长度，如此设置可使得应变片2中心隆起，如图3所示。如此设置可以提升应变片2的灵敏度，跳过应变片2的传感器应变-响应曲线初期响应迟缓的阶段。且凹槽103
结构可以更好的固定应变片2，通过设计凹槽103间距来控制应变片2的弯曲曲率半径以获得最大灵敏度。
46.在一个具体的实施例中，所述机械量振动传感器还包括导线4，所述导线4与所述应变片2的两端连接，与所述金属导电层202焊接。可选的，所述导线4的材料为铜、银、钛、金、铝中的一种或多种；所述导线4的直径为0.1mm—0.15mm。
47.在一个具体的实施例中，所述放大电路板3放置于所述刚性基板1上方，所述刚性基板1的一端设置有螺栓孔104，所述放大电路板3与所述刚性基板1通过螺栓5连接。
48.本发明还提供一种机械量振动传感器的制备方法，用于制备如上所述的机械量振动传感器，包括以下步骤：
49.步骤s1：选取合适尺寸的刚性基板1材料，在中心线切割出一条一端开口的受控狭缝101，所述受控狭缝101开口端两侧的刚性基板1上设置有凹槽103；受控狭缝101两侧对称切割出镂空结构102；
50.步骤s2：将选取长度小于凹槽103长度的应变片2，并将应变片2两端置于凹槽103中，此时应变片2中心隆起；
51.步骤s3：采用胶水将所述应变片2与所述凹槽103粘合；
52.步骤s4：将导线4与应变片2上的金属导电层202焊接，所述导线4连接于所述应变片2两端并延伸出来；
53.步骤s5：将放大电路板3置于刚性基板1上方，放大电路板3与延伸出来的导线4连接，放大电路板3与刚性基板1用螺栓5连接，放大电路板3得到完整的机械量振动传感器。
54.本发明所提供的一种机械量振动传感器，将应变片2放置于刚性基板1的受控狭缝101结构尾部，利用受控狭缝101尾部易于形变的特性对外部机械振动信号进行放大，然后由应变片2将机械振动信号转化为电信号，最后通过放大电路板3对电信号进行转化和放大处理输出，从而提升了机械量振动传感器的灵敏度。
55.在一个具体的实施例中，所述刚性基板1的受控狭缝101和镂空结构102由激光切割制穿透制成。
56.在一个可选的实施例中，所述应变片2与所述刚性基板1的粘合采用502胶水、101胶水、703硅橡胶的一种。
57.对上述机械量振动传感器进行灵敏度测试。在本实施例中，采用的灵敏度测试方法为：首先，需要对平面传感元件的灵敏度系数进行表征。通常灵敏度计算公式表示为:gf＝(
△
r/r0)/
△
ε，式中，
△
r为电阻变化量，r0为应变片2的基础电阻，灵敏度系数gf表示为电阻变化率δr/r0和引起此电阻变化的构件表面在应变轴线方向的应变变化量δε之比即样品在载荷作用下发生弯曲后，电阻变化率随应变量变化的比值。而此时，应变片2以不同的曲率半径摆放在平面基底尾部，还用电阻变化率
△
r/r0与应变变化量
△
ε之比反应灵敏度系数，则无法进行比较。应变片2的应变变化量
△
ε与其弯曲产生的弦长有关，位移台相对运动产生位移变化，位移变化导致应变片2弦长变化，进而产生应变变化量
△
ε，故在此简单定义平面传感器的灵敏度系数为电阻变化率与沟槽尾部位移变化率之比。由于阻值与位移都是随时间变化的函数，将数字万用表记录到的阻值信号与位移台的位移变化信号进行处理，即可绘制出如图4所示灵敏度系数曲线图，从电阻变化率-位移量曲线上看，该曲线在较小位移下的斜率较小，其斜率值即为传感元件的灵敏度值，约为67.46。当传感元件受到的
位移量较大时，电阻变化率-位移量曲线的斜率迅速增大，表现出极高的灵敏度值，约为8856.73。
58.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

技术特征：
1.一种机械量振动传感器，其特征在于，包括：刚性基板，所述刚性基板上设置有一端开口的受控狭缝和镂空结构，所述受控狭缝位于所述刚性基板的中线上，所述受控狭缝的开口端两侧的刚性基板上设置有凹槽；所述镂空结构对称分布于所述受控狭缝两侧；应变片，所述应变片包括柔性基底层和具有纳米级裂纹结构的金属导电层，所述应变片两端固定设置于所述凹槽内，横跨所述受控狭缝的开口端；放大电路板，所述放大电路板通过导线连接至所述应变片的两端实现电信号的转化与放大。2.根据权利要求1所述的机械量振动传感器，其特征在于，与所述受控狭缝的开口端相对的为闭合端，所述闭合端设计为u型沟槽、v型沟槽、正梯形沟槽、矩形沟槽。3.根据权利要求1所述的机械量振动传感器，其特征在于，所述受控狭缝的长度不大于所述刚性基板中线长度的2/3。4.根据权利要求1所述的机械量振动传感器，其特征在于，所述镂空结构设计为蛇形、组合矩形、单矩形、圆形。5.根据权利要求1所述的机械量振动传感器，其特征在于，所述应变片为微裂纹应变片、电阻应变片、压阻材料、电容电感式应变片。6.根据权利要求5所述的机械量振动传感器，其特征在于，所述应变片为微裂纹应变片。7.根据权利要求1所述的机械量振动传感器，其特征在于，位于所述受控狭缝的开口端两侧的凹槽的总长度小于所述应变片长度。8.根据权利要求1所述的机械量振动传感器，其特征在于，所述机械量振动传感器还包括导线，所述导线与所述应变片的两端连接，与所述金属导电层焊接。9.根据权利要求1所述的机械量振动传感器，其特征在于，所述放大电路板放置于所述刚性基板上方，所述刚性基板的一端设置有螺栓孔，所述放大电路板与所述刚性基板通过螺栓连接。10.一种机械量振动传感器的制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求1-9任意一项所述的机械量振动传感器，包括以下步骤：步骤s1：选取合适尺寸的刚性基板材料，在中心线切割出一条一端开口的受控狭缝，所述受控狭缝开口端两侧的刚性基板上设置有凹槽；受控狭缝两侧对称切割出镂空结构；步骤s2：将选取长度小于凹槽长度的应变片，并将应变片两端置于凹槽中，此时应变片中心隆起；步骤s3：采用胶水将所述应变片与所述凹槽粘合；步骤s4：将导线与应变片上的金属导电层焊接，所述导线连接于所述应变片两端并延伸出来；步骤s5：将放大电路板置于刚性基板上方，所述放大电路板与延伸出来的导线连接，所述放大电路板与所述刚性基板用螺栓连接，得到完整的机械量振动传感器。

技术总结
本发明涉及一种机械量振动传感器及其制备方法。本发明所述的机械量振动传感器及其制备方法将应变片放置于刚性基板的受控狭缝结构尾部，所述刚性基板上设置有受控狭缝和对称分布于所述受控狭缝两侧的镂空结构。受到机械信号振动时利用受控狭缝尾部在交变载荷作用下的类呼吸效应增强机械振动信号，实现对外部机械振动信号进行放大的效果，然后由应变片将机械振动信号转化为电信号，最后通过放大电路板对电信号进行转化和放大处理输出，从而提升了机械量振动传感器的灵敏度。了机械量振动传感器的灵敏度。了机械量振动传感器的灵敏度。


技术研发人员：王可军 高雷 王倩 王德山 芦泽仲 陈思远
受保护的技术使用者：苏州大学
技术研发日：2023.03.23
技术公布日：2023/7/25