專利名稱：一種動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量裝置及測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于應(yīng)變測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量裝置。
背景技術(shù)：
動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量一般是研究工作頻率在幾十KHz或幾百KHz的形變監(jiān)測，不僅要檢 測機(jī)械形變的產(chǎn)生，而且要實(shí)時(shí)檢測機(jī)械形變的變化。傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量方式基本上是 利用電阻應(yīng)變片組成測量電橋形式，結(jié)合相應(yīng)的外圍電路，采用調(diào)頻的方式形成動(dòng)態(tài)應(yīng)變 測量系統(tǒng)。在已公開動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量專利中，例如專利CN201096560公開了一種沖壓模具動(dòng) 態(tài)應(yīng)力應(yīng)變測量裝置，包括應(yīng)變花、電阻式應(yīng)變片、電橋盒、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、位移傳感器、工業(yè) 計(jì)算機(jī)等；專利CN2577235公開了一種由直流應(yīng)變電橋提供輸入，帶有差動(dòng)儀表放大器、自 動(dòng)平衡電路及狀態(tài)監(jiān)視電路的可調(diào)動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀；專利CN101034037公開了一種智能化動(dòng)態(tài) 測試儀，主要由單片機(jī)、四個(gè)應(yīng)變模塊、兩個(gè)脈沖信號(hào)模塊、數(shù)據(jù)存貯模塊、輸出設(shè)備、系統(tǒng) 電源組成；專利CN2182389公開了一種測量高頻應(yīng)變的超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀器，其特點(diǎn)是具有超 低噪聲寬頻帶0 300kHz并可消除50Hz及其高頻信號(hào)的干擾；專利CN101435747公開了 一種基于應(yīng)變動(dòng)態(tài)量測的裂縫計(jì)設(shè)計(jì)方法，其特征是從裂縫側(cè)立面引出兩個(gè)嵌套的弧型金 屬應(yīng)變載片，以載片上的應(yīng)變片作為唯一測值來分析裂縫的動(dòng)態(tài)變化。以上這些專利申請都是基于電阻應(yīng)變片這一基本敏感元件所組成的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測 量系統(tǒng)。然而，由于電阻應(yīng)變片本身的機(jī)械滯后特性以及外圍電路的設(shè)計(jì)方式，都會(huì)影響動(dòng) 態(tài)測量的精度和范圍。在已公開較少的柔性應(yīng)變測量專利中，測量方式基本包括兩類薄膜電阻式和纖 維式(光學(xué)纖維或?qū)щ娎w維)，但都存在著問題和局限。薄膜電阻式柔性應(yīng)變測量，例如專 利CN1924564公開了一種柔性基板上金屬薄膜若干臨界應(yīng)變值；專利CN1313949公開一種 柔性硅應(yīng)變計(jì)，采用一個(gè)參雜硅材料的應(yīng)變感應(yīng)電阻柔性元件以及一個(gè)支撐感應(yīng)元件的柔 性基體。這一類電阻式的柔性應(yīng)變測量，基本上是通過柔性導(dǎo)體的形變導(dǎo)致其電阻率的變 化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對材料應(yīng)變的測量。然而，電阻式應(yīng)變測量的最大問題在于無機(jī)械應(yīng)變或固定 機(jī)械應(yīng)變長時(shí)間作用下，傳感器自身變化所導(dǎo)致的零漂或蠕變，由此每次測量之前必須先 進(jìn)行校準(zhǔn)。另一類纖維式柔性應(yīng)變測量，例如專利CN101050948公開一種通過分布植入在帆 板結(jié)構(gòu)表面的離散布拉格光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)，來實(shí)現(xiàn)太空柔性帆板結(jié)構(gòu)形態(tài)的感知；專利 CN1299247公開一種用于生物醫(yī)學(xué)測量的平面壓力傳感器，通過測量植入壓力極板內(nèi)光纖 中光強(qiáng)的變化來實(shí)現(xiàn)平面柔性形變的感知。這一類纖維式的柔性應(yīng)變測量，基本上是通過 纖維材料本身的柔性特征，植入被測物中形成傳感網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)柔性應(yīng)變的測量。但是， 纖維式的柔性應(yīng)變測量受限于其結(jié)構(gòu)布置的差異和信號(hào)的特征，特別是光纖器件需要光源 和光電轉(zhuǎn)換等額外器件，成本較高。此外，外界環(huán)境因素引起的信號(hào)漂移也會(huì)導(dǎo)致校準(zhǔn)和定 標(biāo)等問題。以上這些專利申請都是通過單信號(hào)輸入輸出的時(shí)域測量來實(shí)現(xiàn)的，這就無法避免測量過程中環(huán)境因素等非測量信號(hào)所導(dǎo)致的漂移等問題，每次測量必須進(jìn)行相應(yīng)的校準(zhǔn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種精度較高，可以 實(shí)現(xiàn)自校準(zhǔn)功能，并能夠測量高頻動(dòng)態(tài)應(yīng)變的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量裝置。 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量裝置，包括柔性薄膜微波應(yīng)變傳感器、動(dòng)態(tài)載荷測試儀和網(wǎng)絡(luò) 分析儀，其中，所述的柔性薄膜微波應(yīng)變傳感器，包括襯底、傳感器主體以及正極和負(fù)極，所述的 襯底包括塑料層和用于粘合PET塑料層和傳感器主體的SU8材料層，所述的傳感器主體為 一層單晶硅薄膜，該層薄膜由P型摻雜區(qū)、未摻雜區(qū)、和N型摻雜區(qū)構(gòu)成，未摻雜區(qū)位于P型 摻雜區(qū)和N型摻雜區(qū)之間，形成PIN結(jié)，P型單晶硅區(qū)與正極相連，N型單晶硅區(qū)與負(fù)極相 連，測量時(shí)，所述的柔性薄膜微波應(yīng)變傳感器被固定在待測物體上；所述的動(dòng)態(tài)載荷測試儀用于向待測物體加載載荷；所述的網(wǎng)絡(luò)分析儀包括微波掃頻信號(hào)輸出端和接收輸入端，所述的輸出端和輸入 端分別與所述柔性薄膜微波應(yīng)變器的正極或負(fù)極相連，其內(nèi)存儲(chǔ)有反映應(yīng)變與S參數(shù)之間 關(guān)系的數(shù)據(jù)，測量時(shí)，網(wǎng)絡(luò)分析儀根據(jù)實(shí)施獲取的柔性薄膜微波應(yīng)變傳感器的S參數(shù)變化 的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)柔性應(yīng)變的測量。作為優(yōu)選實(shí)施方式，網(wǎng)絡(luò)分析儀里存儲(chǔ)有在兆赫茲到吉赫茲高頻微波信號(hào)掃描測 試下得到的柔性應(yīng)變與微波應(yīng)變傳感器的S參數(shù)的關(guān)系數(shù)據(jù)。本發(fā)明同時(shí)提供一種采用上述裝置實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量方法，包括下列步驟(1)將微波應(yīng)變傳感器固定在待測物體上；(2)由動(dòng)態(tài)載荷測試儀向待測物體加載載荷；(3)網(wǎng)絡(luò)分析儀里存儲(chǔ)反映應(yīng)變與微波應(yīng)變傳感器的S參數(shù)之間的關(guān)系的數(shù)據(jù)；(4)由網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出端向微波應(yīng)變傳感器施加微波掃頻信號(hào)，使其正向?qū)?，?由網(wǎng)絡(luò)分析儀輸入端接收其采集的帶有應(yīng)變測量信號(hào)的微波信號(hào)；(5)網(wǎng)絡(luò)分析儀測量柔性薄膜微波應(yīng)變傳感器的S參數(shù)的變化，并根據(jù)已經(jīng)存儲(chǔ) 的動(dòng)態(tài)應(yīng)變與微波應(yīng)變傳感器的S參數(shù)之間關(guān)系數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)柔性應(yīng)變的測量。作為優(yōu)選實(shí)施方式，網(wǎng)絡(luò)分析儀里存儲(chǔ)有在兆赫茲到吉赫茲高頻微波信號(hào)掃描測 試下得到的柔性應(yīng)變與微波應(yīng)變傳感器的S參數(shù)的關(guān)系數(shù)據(jù)。本發(fā)明采用單晶硅薄膜二極管作為柔性應(yīng)變傳感器件，利用掃頻實(shí)時(shí)輸入的方 法，實(shí)現(xiàn)不同載荷條件下，薄膜二極管傳感器的S參數(shù)輸出，建立應(yīng)變-S參數(shù)模型，實(shí)現(xiàn)柔 性應(yīng)變的測量。由于柔性微波二極管本身屬于高頻器件，工作頻率在兆赫茲(MHz)至吉赫 茲(GHz)，因此足可以適用于千赫茲(KHz)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量。由于在不同頻率測試下，外力口 載荷引起的應(yīng)變與傳感器自身形變所對應(yīng)的S參數(shù)輸出不同，因此該種測量裝置和方法能 夠?qū)崿F(xiàn)自校準(zhǔn)功能，可以有效的解決了傳統(tǒng)應(yīng)變傳感器零漂和蠕變等問題。此外，這種方法 還可以順延至其他非柔性應(yīng)變的傳感測量中去。


附圖1為本發(fā)明采用的單晶硅薄膜柔性微波二極管動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感器的結(jié)構(gòu)圖，附 圖標(biāo)記說明如下1 PET塑料襯底2 SU8材料粘合層
3單晶硅薄膜(P型摻雜區(qū)域)4單晶硅薄膜(未摻雜區(qū)域)5單晶硅薄膜(N型摻雜區(qū)域)6金屬互聯(lián)7輸入極(交流信號(hào)輸入端，高電平直流偏置端)8輸出極(交流信號(hào)輸出端，低電平直流偏置端)附圖2為該種單晶硅薄膜柔性微波二極管動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感器的等效電路圖。附圖3為本發(fā)明的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳述。附圖1為單晶硅薄膜柔性微波二極管動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感器的結(jié)構(gòu)圖。襯底包含PET塑 料1和粘合層2，用來支撐微波二極管動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感器的主體部分。單晶硅薄膜柔性微波二 極管在PET塑料襯底1 (其他類型普通塑料或柔性材料都可以作為襯底基材)上，PET塑料 表面有一層SU8材料層2，作為粘合層。薄膜柔性微波二極管應(yīng)變傳感器的工作主體部分為 由對單晶硅摻雜制成的薄膜PIN二極管，圖中，3、4、5分別表示單晶硅薄膜的P型摻雜區(qū)、未 摻雜區(qū)、和N型摻雜區(qū)。P型單晶硅區(qū)3通過互聯(lián)金屬6連接微波二極管傳感器的正極7，N 型單晶硅區(qū)5通過互聯(lián)金屬6連接微波二極管傳感器的負(fù)極，互聯(lián)由鈦金層式金屬6構(gòu)成。 薄膜PIN 二極管正極7為微波信號(hào)輸入端，薄膜PIN 二極管負(fù)極8為微波信號(hào)輸出端。附圖2為單晶硅薄膜柔性微波二極管動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感器等效電路圖。10為等效電 感，11為等效電阻，12為等效電容。附圖3為單晶硅薄膜柔性微波二極管傳感器動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量示意圖。將柔性微波二 極管傳感器14固定在待測物體(即圖中的測試用柔性基材13)上，應(yīng)用動(dòng)態(tài)載荷測量儀16 對柔性基材13進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載。柔性微波二極管傳感器的輸入輸出測試端口分別通過微波 電纜17與網(wǎng)絡(luò)分析儀15連接。下面結(jié)合附圖實(shí)例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。測試方法采用輸入與輸出兩個(gè)探針(實(shí)施例=Cascade GSG探針)分別與信號(hào)輸入端7和信 號(hào)輸出端8相連接。輸入輸出探針通過兩根微波線纜17分別連接網(wǎng)絡(luò)分析儀15 (Network Analyer,實(shí)施例安捷倫E8364A網(wǎng)絡(luò)分析儀)的輸入與輸出端口。由網(wǎng)絡(luò)分析儀15為柔 性微波二極管動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感器提供直流偏置，使微波二極管正向?qū)üぷ?。網(wǎng)絡(luò)分析儀包 括微波交流信號(hào)的輸入端和輸出端。在校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)分析儀15后，實(shí)時(shí)產(chǎn)生從45兆赫茲(MHz) 到20吉赫茲(GHz)的交流微波信號(hào)，從輸出端輸出，接到微波二極管的正電極7。同時(shí)從網(wǎng) 絡(luò)分析儀15的輸入端接收柔性微波二極管的負(fù)電極8輸出的微波信號(hào)，并以散射參數(shù)(S參數(shù))的形式顯示。將柔性微波二極管傳感器安裝于柔性基材13上，通過動(dòng)態(tài)加載使柔性基材13產(chǎn) 生形變。網(wǎng)絡(luò)分析儀15向柔性微波二極管傳感器輸入實(shí)時(shí)交流掃頻信號(hào)，柔性微波二極管 傳感器的S參數(shù)隨載荷所產(chǎn)生的機(jī)械形變而實(shí)時(shí)產(chǎn)生變化。由網(wǎng)絡(luò)分析儀采集S參數(shù)變化數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)處理后得到應(yīng)變-S參數(shù)關(guān)系模 型。測量時(shí)，網(wǎng)絡(luò)分析儀根據(jù)該模 型和實(shí)時(shí)采集的薄膜微波二極管動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感器S 參數(shù)輸出隨應(yīng)變變化的信息，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)柔性應(yīng)變的測量。此外，在無機(jī)械形變或機(jī)械形變固定不變的狀態(tài)下，其S參數(shù)在不同頻率點(diǎn)也會(huì) 隨時(shí)間變化，通過建立非應(yīng)變-S參數(shù)模型，通過無機(jī)械形變或機(jī)械形變固定條件下，S參數(shù) 在不同頻率點(diǎn)隨時(shí)間的變化對應(yīng)變-S參數(shù)模型進(jìn)行修正，從而實(shí)現(xiàn)自校準(zhǔn)的功能。
權(quán)利要求
一種動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量裝置，包括柔性薄膜微波應(yīng)變傳感器、動(dòng)態(tài)載荷測試儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀，其中，所述的柔性薄膜微波應(yīng)變傳感器，包括襯底、傳感器主體以及正極和負(fù)極，所述的襯底包括塑料層和用于粘合PET塑料層和傳感器主體的SU8材料層，所述的傳感器主體為一層單晶硅薄膜，該層薄膜由P型摻雜區(qū)、未摻雜區(qū)、和N型摻雜區(qū)構(gòu)成，未摻雜區(qū)位于P型摻雜區(qū)和N型摻雜區(qū)之間，形成PIN結(jié)，P型單晶硅區(qū)與正極相連，N型單晶硅區(qū)與負(fù)極相連，測量時(shí)，所述的柔性薄膜微波應(yīng)變傳感器被固定在待測物體上；所述的動(dòng)態(tài)載荷測試儀用于向待測物體加載載荷；所述的網(wǎng)絡(luò)分析儀包括微波掃頻信號(hào)輸出端和接收輸入端，所述的輸出端和輸入端分別與所述柔性薄膜微波應(yīng)變器的正極或負(fù)極相連，其內(nèi)存儲(chǔ)有反映應(yīng)變與S參數(shù)之間關(guān)系的數(shù)據(jù)，測量時(shí)，網(wǎng)絡(luò)分析儀根據(jù)實(shí)施獲取的柔性薄膜微波應(yīng)變傳感器的S參數(shù)變化的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)柔性應(yīng)變的測量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量裝置，其特征在于，網(wǎng)絡(luò)分析儀里存儲(chǔ)有在兆 赫茲到吉赫茲高頻微波信號(hào)掃描測試下得到的柔性應(yīng)變與微波應(yīng)變傳感器的S參數(shù)的關(guān) 系數(shù)據(jù)。
3.一種采用權(quán)利要求1所述的裝置實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量方法，其特征在于，包括下列 步驟(1)將微波應(yīng)變傳感器固定在待測物體上；(2)由動(dòng)態(tài)載荷測試儀向待測物體加載載荷；(3)網(wǎng)絡(luò)分析儀里存儲(chǔ)反映應(yīng)變與微波應(yīng)變傳感器的S參數(shù)之間的關(guān)系的數(shù)據(jù)；(4)由網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出端向微波應(yīng)變傳感器施加微波掃頻信號(hào)，使其正向?qū)ǎ⒂删W(wǎng) 絡(luò)分析儀輸入端接收其采集的帶有應(yīng)變測量信號(hào)的微波信號(hào)；(5)網(wǎng)絡(luò)分析儀測量柔性薄膜微波應(yīng)變傳感器的S參數(shù)的變化，并根據(jù)已經(jīng)存儲(chǔ)的動(dòng) 態(tài)應(yīng)變與微波應(yīng)變傳感器的S參數(shù)之間關(guān)系數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)柔性應(yīng)變的測量。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的測量方法，其特征在于網(wǎng)絡(luò)分析儀里存儲(chǔ)有在兆赫茲到吉 赫茲高頻微波信號(hào)掃描測試下得到的柔性應(yīng)變與微波應(yīng)變傳感器的S參數(shù)的關(guān)系數(shù)據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明屬于應(yīng)變測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量裝置，包括柔性薄膜微波應(yīng)變傳感器、動(dòng)態(tài)載荷測試儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀，其中，所述的柔性薄膜微波應(yīng)變傳感器為單晶硅型微波二極管薄膜；動(dòng)態(tài)載荷測試儀用于向待測物體加載載荷；網(wǎng)絡(luò)分析儀包括微波掃頻信號(hào)輸出端和接收輸入端，輸出端和輸入端分別與所述柔性薄膜微波應(yīng)變器的正極或負(fù)極相連，其內(nèi)存儲(chǔ)有反映應(yīng)變與S參數(shù)之間關(guān)系的數(shù)據(jù)，測量時(shí)，網(wǎng)絡(luò)分析儀根據(jù)實(shí)施獲取的柔性薄膜微波應(yīng)變傳感器的S參數(shù)變化的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)柔性應(yīng)變的測量。本發(fā)明同時(shí)提供一種采用上述測量裝置實(shí)現(xiàn)的測量方法。本發(fā)明精度較高，可以實(shí)現(xiàn)自校準(zhǔn)功能，并能夠測量高頻動(dòng)態(tài)應(yīng)變。
文檔編號(hào)G01N22/00GK101968412SQ20101051486
公開日2011年2月9日 申請日期2010年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月21日
發(fā)明者呂辰剛, 姬中凱, 張瑞峰, 秦國軒, 鄒強(qiáng), 馬建國 申請人:天津大學(xué)