CN102087101B - 应变测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种应变测量装置，其包括：一应变片；一用于夹持并拉伸所述应变片的夹持装置，所述应变片在拉伸方向上产生纵向应变，在垂直于拉伸方向上产生横向应变；以及一用于测量所述应变片的横向应变的横向应变记录器。所述应变片包括一碳纳米管膜结构，该碳纳米管膜结构包括多个碳纳米管，所述多个碳纳米管分别沿一第一方向与一第二方向择优取向排列，沿第一方向择优取向定向排列的碳纳米管与沿第二方向定向择优取向排列的碳纳米管重叠交叉设置，所述第一方向与第二方向具有一夹角，所述夹角大于0度小于180度，使用时，应变片是沿所述第一方向与第二方向的夹角的平分线的方向设置在夹持装置。本发明还提供采用上述应变测量装置测量应变的方法。

Description

应变测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种应变测量装置及测量方法，尤其涉及一种基于碳纳米管的应变测量装置及采用该应变装置的测量方法。

背景技术

“应变”就是由于外力作用所产生的改变。应变计使用电阻来表示由外力引起的应变大小。应变计有多种不同的类型，最常见的就是电阻应变片。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路(通常是A/D转换和CPU)显示或执行机构。

这种测量应变的装置存在很多缺点，比如电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。另外为了实现应变放大的功能，都需要搭接一套后续电路***，笨重复杂，不利于测量微小物体的形变。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种新型的应变测量装置及采用该应变测量装置测量应变的方法，该应变测量装置结构简单，有利于测量物体的微小形变。

一种应变测量装置，其包括：一应变片；一用于夹持并拉伸所述应变片的夹持装置，所述应变片在拉伸方向上产生纵向应变，在垂直于拉伸方向上产生横向应变；以及一用于测量所述应变片的横向应变的横向应变记录器。所述应变片包括一碳纳米管膜结构，该碳纳米管膜结构包括多个碳纳米管，所述多个碳纳米管分别沿一第一方向与一第二方向择优取向排列，沿第一方向择优取向定向排列的碳纳米管与沿第二方向定向择优取向排列的碳纳米管重叠交叉设置，所述第一方向与第二方向具有一夹角，所述夹角大于0度小于180度，使用时，应变片是沿所述第一方向与第二方向的夹角的平分线的方向设置在夹持装置。

一种测量应变的方法，包括以下步骤：首先，提供一上述应变测量装置；其次，对所述应变片的拉伸进行标定，获得应变片的横向应变与纵向应变的函数关系；再次，提供一待测样品，将所述应变片与该待测样片贴合；最后，将所述贴合有应变片的待测样品固定于所述夹持装置，对该待测样品施加纵向的拉力，通过横向应变记录器测量待测样品的横向应变，通过数据处理装置计算待测样品的纵向应变。

与现有技术相比较，所述应变测量装置采用包括碳纳米管膜结构的应变片测量待测样品的应变，且无需后续电路***，使得测量方法简单，容易操作，且更加容易实现。

附图说明

图1为本发明实施例的应变测量装置的立体结构示意图。

图2为本发明实施例的应变测量装置中的应变片中的碳纳米管膜结构的示意图。

图3为本发明实施例碳纳米管泊松比材料的泊松比与拉伸应变之间的关系图。

图4为本发明实施例的应变测量装置中的应变片中的碳纳米管膜结构的扫描电镜照片。

图5为本发明实施例的应变测量装置中的应变片中的碳纳米管膜的扫描电镜照片。

图6为本发明实施例的应变测量装置的应变片使用时的方位示意图。

图7为本发明实施例的应变片的纵向应变与横向应变的关系示意图。

图8为本发明实施例的应变片的结构示意图。

主要元件符号说明

应变片        12

待测样品      16

应变测量装置  100

数据处理装置  101

横向应变记录器102

第一夹持器    104

第二夹持器    106

夹持装置      108

碳纳米管      145

具体实施方式

以下将结合附图详细说明本发明的应变测量装置100及采用该应变测量装置100测量应变的方法。

请参考图1，本发明实施例提供一种应变测量装置100，所述应变测量装置100包括一横向应变记录器102，一夹持装置108，一应变片12以及一数据处理装置101。所述一夹持装置108包括一第一夹持器104以及一第二夹持器106，所述第一夹持器104及第二夹持器106可以相对移动。所述数据处理装置101通过数据线与所述横向应变记录器102电连接，从而可以实现数据传输。使用时，可将所述应变片12铺设于一待测样品16的表面，并将待测样品16相对的两端与所述应变片12接触的部分粘结在一起，然后将待测样品16相对的两端分别固定于所述第一夹持器104以及所述第二夹持器106，通过使所述第一夹持器104以及所述第二夹持器106相对移动，对所述应变片12及待测样品16施加应力。

所述夹持装置108用于固定并拉伸所述待测样品16以及应变片12。所述第一夹持器104与所述第二夹持器106均具有一夹持端，该夹持端可以将表面贴有应变片12的待测样品16固定。所述第一夹持器104及第二夹持器106可以采用金属、陶瓷或塑料制成。

所述横向应变记录器102用于测量所述应变片12的横向应变，该横向应变记录器102可以记录所述应变片12在初态的横向长度，以及在受到应力时的横向长度。该横向应变记录器102可以为数码相机、摄像机、摄像头等，用于记录物体形态的图像记录装置。本实施例中，所述横向应变记录器102为一数码相机。

所述数据处理装置101用于计算所述应变片12的纵向应变。该数据处理装置101为具有数据计算功能的计算装置，具体可以为小型计算机、笔记本、服务器或巨型计算机。本实施例中，该数据处理装置101为小型计算机。

所述应变片12为具有一定厚度的片材，可以根据待测样品16表面的形状任意裁减。请参阅图2，本实施例中，该应变片12为一碳纳米管膜结构。该碳纳米管膜结构由多个碳纳米管145沿膜表面延伸排列形成，其中部分碳纳米管145基本沿一第一方向X择优取向排列，另一部分碳纳米管145基本沿一第二方向Y择优取向排列。所述第一方向X与第二方向Y成一定角度α，α大于0度小于180度。且基本沿第一方向X定向排列的碳纳米管145与基本沿第二方向Y定向排列的碳纳米管145相互交叉形成多个网格。当沿着与该应变片12中第一方向X或第二方向Y夹角的平分线的方向拉伸该应变片12时，该应变片12在垂直于该拉伸方向上将发生收缩；而当沿着与该应变片12中第一方向X或第二方向Y夹角的平分线的方向压缩该应变片12时，该应变片12在垂直于压缩方向发生膨胀。因此，该应变片12具有正泊松比的性质。本实施例中，α角为90度。

请参阅图3，该图为本发明应变片12的泊松比与拉伸应变之间的关系图。从该图可以看出，本发明实施例提供的应变片12在与所述第一方向X或第二方向Y夹角的平分线的方向拉伸应变为5％时，泊松比为2.25；在与所述第一方向X或第二方向Y成45度角的方向拉伸应变为20％时，其泊松比值为3.25。

请参阅图4，所述碳纳米管膜结构通过至少两层碳纳米管膜交叉层叠设置形成。该碳纳米管膜由多个碳纳米管组成，所述多个碳纳米管首尾相连基本沿一个方向择优取向排列。所述每两个相邻的碳纳米管膜中，一个碳纳米管膜中的碳纳米管基本沿着一第一方向X择优取向排列，另一个碳纳米管膜中的碳纳米管基本沿着一第二方向Y择优取向排列，所述第一方向X与所述第二方向Y相互垂直，且相邻的两个碳纳米管膜中的碳纳米管相互交叉形成多个网格。碳纳米管膜结构可包括10层～5000层交叉层叠设置的碳纳米管膜，所述碳纳米管膜的厚度为0.5纳米～1微米。本实施例中，所述碳纳米管膜结构包括100层碳纳米管膜。

图5为图4中碳纳米管膜结构中碳纳米管膜的扫描电镜照片，所述碳纳米管膜是由若干碳纳米管组成的自支撑结构。所述若干碳纳米管为沿同一方向择优取向排列。所述择优取向是指在碳纳米管膜中大多数碳纳米管的整体延伸方向基本朝同一方向。而且，所述大多数碳纳米管的整体延伸方向基本平行于碳纳米管膜的表面。进一步地，所述碳纳米管膜中多数碳纳米管是通过范德华力首尾相连。具体地，所述碳纳米管膜中基本朝同一方向延伸的大多数碳纳米管中每一碳纳米管与在延伸方向上相邻的碳纳米管通过范德华力首尾相连。当然，所述碳纳米管膜中存在少数随机排列的碳纳米管，这些碳纳米管不会对碳纳米管膜中大多数碳纳米管的整体取向排列构成明显影响。所述自支撑为碳纳米管膜不需要大面积的载体支撑，而只要相对两边提供支撑力即能整体上悬空而保持自身膜状状态，即将该碳纳米管膜置于(或固定于)间隔一定距离设置的两个支撑体上时，位于两个支撑体之间的碳纳米管膜能够悬空保持自身膜状状态。所述自支撑主要通过碳纳米管膜中存在连续的通过范德华力首尾相连延伸排列的碳纳米管而实现。

具体地，所述碳纳米管膜中基本朝同一方向延伸的多数碳纳米管，并非绝对的直线状，可以适当的弯曲；或者并非完全按照延伸方向上排列，可以适当的偏离延伸方向。因此，不能排除碳纳米管膜的基本朝同一方向延伸的多数碳纳米管中并列的碳纳米管之间可能存在部分接触。

本发明实施例进一步提供一种采用所述应变测量装置100测量应变的方法，通过以下步骤实现：

步骤S1，提供一应变测量装置100。

步骤S2，对所述应变片12的拉伸并进行标定，获得应变片12的横向应变ε_i与纵向应变ε_j的函数关系。

请参阅图6，定义方向a为应变片12的纵向应变方向，方向a与应变片12中的第一方向X成45度角。定义方向b为应变片12的横向应变方向，且方向b与方向a垂直。定义应变片12的横向应变为ε_i，纵向应变为ε_j。可以通过数值拟合的方法得到应变片12的横向横向应变ε_i与纵向应变为ε_j的函数关系。具体地，可以将所述应变片12裁减成长方型，使该长方型的应变片12的长边与方向a平行。并将该长方型应变片12的短边对应的两端分别固定，然后沿方向a多次拉伸该应变片12，并记录每次的横向应变为ε_i，及其对应的纵向应变为ε_j。最后，通过二次多项式拟合可以获得该应变片12的横向应变ε_i与纵向应变ε_j的函数关系ε_i＝f(ε_j)。该应变片12的横向应变ε_i与纵向应变ε_j的关系曲线如图7所示，从该图可以看出，曲线上任意一点，该应变片12的横向应变ε_i都远大于对应得纵向应变ε_j。因此，当应变片12的纵向应变ε_j较小难于测量时，可以通过测量该应变片的横向应变ε_i，由函数关系ε_i＝f(ε_j)计算出应变片12的纵向应变ε_j。本实施例中，所述应变片12包括100层碳纳米管膜，利用数值拟合后所述应变片12的横向应变ε_i与纵向应变ε_j的函数关系为： ${\mathrm{\ϵ}}_i=-2.45234+2.55284{\mathrm{\ϵ}}_j+0.03821{\mathrm{\ϵ}}_j^2.$

请参见图8，为了增大所述应变片12的泊松比，还可将所述长方型的应变片12沿着两个长边的中间部分裁减为对称的弧形，使得所述应变片12裁减为哑铃型状，从而可以获得更大的泊松比，以有利于测量。

步骤S3，提供一待测样品16，将所述应变片12与该待测样品16贴合。

该待测样品16为具有一定厚度的薄片，其形状与所述应变片12相同。使用时，可以在该待测样品16的一个表面的两端涂一层粘合剂，然后将所述应变片12通过粘合剂粘附于该待测样品16的表面。从而使得该待测样品16与所述应变片12具有相同的纵向应变方向a，以及相同的横向应变方向b。可以理解，也可以直接将应变片12贴合于待测样品16的表面，不加粘合剂。

步骤S4，将所述贴合有应变片12的待测样品16固定于所述夹持装置108，对该待测样品16施加纵向的拉力，使待测样品16与应变片12产生相同的纵向应变ε_j。

具体的，沿待测样品16的纵向应变方向a，固定贴合有应变片12的待测样品16的一端于所述第一夹持器104，固定所述贴合有应变片12的待测样品16的另一端于所述第二夹持器106。使所述第一夹持器104及第二夹持器106，沿待测样品16的纵向应变方向a相对移动，所述应变片12与待测样品16产生相同的纵向应变ε_j。

步骤S5，通过横向应变记录器102测量待测样品16的横向应变ε_i，通过数据处理装置101计算待测样品16的纵向应变ε_j。

当对贴合有应变片12的待测样品16施加纵向的拉力时，所述应变片12的横向应变ε_i可以通过横向应变记录器102测量出来，数据处理装置101就可以通过该应变片12的横向应变ε_i与纵向应变ε_j的函数关系ε_i＝f(ε_j)计算出来，从而得到待测样品16的纵向应变ε_j。

与现有技术相比较，所述应变测量装置100采用包括碳纳米管膜结构的应变片12测量待测样品16的应变，且无需后续电路***，使得测量方法简单，容易操作，且更加容易实现。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (12)

1.一种应变测量装置，其包括：

一应变片；

一用于夹持并拉伸所述应变片的夹持装置，所述应变片在拉伸方向上产生纵向应变，在垂直于拉伸方向上产生横向应变；以及

一用于测量所述应变片的横向应变的图像记录装置；

其特征在于，所述应变片包括一碳纳米管膜结构，该碳纳米管膜结构包括多个碳纳米管，所述多个碳纳米管分别沿一第一方向与一第二方向择优取向排列，沿第一方向择优取向排列的碳纳米管与沿第二方向择优取向排列的碳纳米管重叠交叉设置，所述第一方向与第二方向具有一夹角，所述夹角大于0小于180度，使用时，应变片是沿所述第一方向与第二方向的夹角的平分线的方向设置在夹持装置。

2.如权利要求1所述的应变测量装置，其特征在于，该碳纳米管膜结构包括至少两个层叠设置的碳纳米管膜，每一碳纳米管膜由多个首尾相连且基本沿同一方向择优取向排列的碳纳米管构成，所述碳纳米管膜中的碳纳米管沿碳纳米管膜的表面延伸，每两个相邻的碳纳米管膜中，一个碳纳米管膜中的碳纳米管沿着所述第一方向择优取向排列，另一个碳纳米管膜中的碳纳米管沿着所述第二方向择优取向排列。

3.如权利要求2所述的应变测量装置，其特征在于，所述碳纳米管膜结构中，相邻的碳纳米管膜之间通过范德华力紧密结合。

4.如权利要求2所述的应变测量装置，其特征在于，所述碳纳米管膜结构包括10层～5000层碳纳米管膜，所述碳纳米管膜的厚度为0.5纳米～1微米。

5.如权利要求4所述的应变测量装置，其特征在于，所述碳纳米管膜结构的泊松比为0.5～3.5。

6.如权利要求1所述的应变测量装置，其特征在于，所述夹持装置包括一第一夹持器以及一第二夹持器，所述第一夹持器及第二夹持器可以在纵向应变方向相对移动。

7.如权利要求1所述的应变测量装置，其特征在于，所述图像记录装置为数码 相机、摄像机或摄像头。

8.一种采用如权利要求1至7项中任一项所述的应变测量装置测量应变的方法，包括以下步骤：

拉伸所述应变片并标定，获得该应变片的横向应变与纵向应变的函数关系；

提供一待测样品，将所述应变片贴合于该待测样品的表面；

将贴合有应变片的待测样品固定于所述夹持装置，对该待测样品施加纵向的拉力，使待测样品与应变片产生相同的纵向应变；以及

通过所述图像记录装置测量所述应变片的横向应变，通过所述数据处理装置计算出应变片的纵向应变。

9.如权利要求8所述的测量应变的方法，其特征在于，所述应变片的横向应变与纵向应变的函数关系通过二次多项式拟合获得。

10.如权利要求9所述的测量应变的方法，其特征在于，所述应变片为长方形片材，该长方形的应变片的长边与应变片的纵向应变方向平行。

11.如权利要求10所述的测量应变的方法，其特征在于，所述应变片为沿着所述长方形的应变片两个长边的中间部分裁减为对称的弧形。

12.如权利要求8所述的测量应变的方法，其特征在于，所述待测样品与所述应变片具有相同的纵向应变方向，以及相同的横向应变方向。 

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