[发明专利]一种锥形杆系金刚石点阵结构、应变传感器及测量系统

说明书

本发明属于传感器相关技术领域，其公开了一种锥形杆系金刚石点阵结构、应变传感器及测量系统。该点阵结构单胞包括四个子单元，其中：每个子单元包括顶点相交于一点的四个锥形杆，每个锥形杆中包括两个结构相同且共底面的锥形体，子单元之间通过该子单元中的锥形杆顶点相互连接，相连的四个子单元形成金刚石点阵结构单胞，以此形成锥形杆系金刚石点阵结构。所述应变传感器包括电容以及设置在电容上电极板和下电极板之间的金刚石点阵结构，所述金刚石点阵结构由多个锥形杆系金刚石点阵结构单胞呈阵列空间排布在所述上电极板和下电极板之间。通过本发明，解决传统电容式应变传感器存在的检测范围窄、无法可重复以及承载性能低等问题。

技术领域

本发明属于传感器相关技术领域，更具体地，涉及一种锥形杆系金刚石点阵结构、应变传感器及测量系统。

背景技术

激光增材制造近年来受到越来越多的关注，它将三维复杂模型进行二维分解简单化，通过层层激光扫描成形堆积，最终获得三维实体产品。该成形工艺有利于成形复杂结构。另外，镍钛形状记忆合金具有良好的应用前景，得益于增材制造技术的发展，成形镍钛记忆合金复杂功能构件、拓宽形状记忆合金应用范围将成为可能。

随着柔性电子工程及传感器技术的发展，柔性电子功能领域对于高性能传感器提出了迫切的需求和更高的要求。目前，传统的电容式应变传感器存在着检测范围窄、无法可重复以及承载性能低等问题。虽然可尝试通过将杆系点阵结构加入到电容器中间可以提高电容性承载性能，但可回复应变小导致检测范围窄的问题依然没有得到解决；其次，如何进行精密成形复杂杆系点阵结构也是重要的问题之一。因此，急需一种检测范围宽，可重复使用以及承载性高的传感器。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种锥形杆系金刚石点阵结构、应变传感器及测量系统，通过设计镍钛形状记忆合金锥形杆系金刚石点阵结构电容器，以解决传统电容式应变传感器存在的检测范围窄、无法可重复以及承载性能低等问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种锥形杆系金刚石点阵结构，该点阵结构包括四个子单元，其中：每个子单元包括顶点相交于一点的四个锥形杆，每个锥形杆中包括两个结构相同且共底面的锥形体，子单元之间通过该子单元中的锥形杆顶点相互连接，相连的四个子单元形成金刚石结构，以此形成锥形杆系的金刚石点阵结构。

进一步优选地，所述锥形体的底面直径为D，顶面直径为d，二者之间的比值D/d大于等于2。

进一步优选地，所述点阵结构的材料为镍钛形状记忆合金。

进一步优选地，所述点阵结构采用激光选区熔化成形。

进一步优选地，所述激光选区熔化成形中激光功率为100W～250W，扫描速度为200mm/s～1000mm/s。

进一步优选地，相连的锥形杆之间的夹角为120°。

按照本发明的另一个方面，提供了一种利用上述所述的金刚石点阵结构形成的应变传感器，该应变传感器包括电容以及设置在电容上电极板和下电极板之间金刚石点阵结构，一个金刚石点阵结构为一个单胞，多个单胞呈阵列空间排布在所述上电极板和下电极板之间。

按照本发明的又一个方面，提供了一种上述所述的应变传感器进行应变测量的测量系统，其特征在于，该测量系统包括串联形成回路的应变传感器、电源、电流检测装置，所述电流检测装置用于检测并显示应变传感器发生形变后产生的电流变化。

进一步优选地，所述电流检测装置中显示的数值按照下列关系式计算获得：

其中，ΔQ是电流的变化，ε是应变，S是点阵介质的横截面积，dz是电容上电极板和下电极板之间的原始间距，F是外载荷，d是锥形杆系的顶面直径，a是金刚石点阵结构的边长，γ是常数系数，U是电压。