CN108613620A - 一种基于3d打印的接触式位移传感器结构及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于3D打印的接触式位移传感器结构及其制作方法，接触式位移传感器结构包括基底结构，基底结构的一端设有第二固定孔，另一端设有导向孔，基底结构上方连接有悬臂梁结构，基底结构的第二固定孔和悬臂梁结构末端的第一固定孔对齐，悬臂梁结构的末端设有应变计结构，悬臂梁结构的首端设有限位孔，探针穿过基底结构上的导向孔，探针上端位于限位孔内，下端用于接触测量；制作方法采用光固化工艺与喷墨打印工艺相结合，将导电油墨直接喷印在树脂悬臂梁结构之上，实现了三维复合结构传感器的制造；并且运用桌面级的光固化打印机制作传感器结构；本发明具有加工成本低、加工周期短、制作简便、结构优化方便等优点。

Description

一种基于3D打印的接触式位移传感器结构及其制作方法
技术领域
本发明属于增材制造以及传感器技术领域，具体涉及一种基于3D打印的接触式位移传感器结构及其制作方法。
背景技术
3D打印属于增材制造技术，是一种是通过CAD设计数据采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术。该技术近些年已被广泛的应用在汽车、航天、医疗、机器人、玩具、珠宝甚至建筑物等领域的零部件制作上。该技术目前可以运用聚合物、金属、复合材料和陶瓷等多种材料进行生产。3D打印技术主要包括光固化成型技术、分层实体制造、熔融沉积制造、激光选取烧结、三维打印等。其中，光固化成型技术具有加工精度高、制造周期短、成本低、材料利用率高、无污染等优势，成为目前应用最广泛的3D打印技术，也是发展最快、研究最多、最成熟的3D打印技术。
虽然丝网印刷等传统的二维打印方式多年前便被用于传感器的制造，并具有体积小、成本低廉以及操作简便的优势，但是这些技术仅限于制造二维的、平面的结构，存在难以加工真三维自由形状的结构的弊端。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于3D打印的接触式位移传感器结构及其制作方法，通过光固化成型技术与喷墨打印技术的结合，实现了三维复合结构传感器制造，具有加工成本低、加工周期短、制作简便、结构优化方便等优点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于3D打印的接触式位移传感器结构，包括基底结构6，基底结构6的一端设有第二固定孔7，另一端设有导向孔5，基底结构6上方连接有悬臂梁结构2，基底结构6的第二固定孔7和悬臂梁结构2末端的第一固定孔4对齐，悬臂梁结构2的末端设有应变计结构3，悬臂梁结构2的首端设有限位孔1，探针8穿过基底结构6上的导向孔5，探针8上端位于限位孔1内，下端用于接触测量。
所述的悬臂梁结构2、基底结构6和探针8由耐高温树脂材料制成，作为传感器的敏感元件；所述的应变计结构3由导电油墨PEDOT:PSS[聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)]制成，作为传感器的转换元件。
一种基于3D打印的接触式位移传感器结构的制作方法，包括以下步骤：
1)运用三维设计软件对悬臂梁结构2、基底结构6和探针8进行结构设计，运用切片软件对设计好的悬臂梁结构2、基底结构6和探针8模型进行切片；
2)运用桌面级光固化打印机固化耐高温树脂材料形成预定尺寸的悬臂梁结构2、基底结构6以及探针8；
3)将加工好的悬臂梁结构2依次置于酒精、去离子水中各超声清洗处理5min；取出悬臂梁结构2后将其置于烘箱中60℃烘烤10min使其完全干燥；用等离子清洗机将悬臂梁结构2氧等离子体处理1min；
4)将等离子清洗处理处理完毕的悬臂梁结构2的置于气动式喷墨打印机下，按设计的应变计结构3图案喷印PEDOT:PSS墨水于悬臂梁结构2上末端的预定位置，形成均匀厚度的应变计结构3图案；
5)取出喷印好应变计结构3图案的悬臂梁结构2置于强制对流烘箱中，120℃烘烤15min使应变计结构3图案完全固化，取出后自然冷却至室温；
6)运用环氧树脂银胶对制作在悬臂梁结构2上的应变计结构3外接导线，并将接好导线的悬臂梁结构2置于强制对流烘箱中，100℃烘烤10min使环氧树脂银胶固化牢固，取出后自然冷却至室温；
7)将接好导线的悬臂梁结构2、基底结构6和探针8装配在一起，通过螺钉螺母将第一固定孔4、第二固定孔7固定，形成具有测量功能的传感器整体结构。
所述的应变计结构3在连接外部测量电路导线后粘贴一层聚酰亚胺胶带。
本发明的有益效果为：
采用桌面级光固化3D打印机加工传感器结构，节约了传感器结构优化、制造的时间成本；原材料成本低，并可以加工真三维形状的结构，成型精度好。
将光固化成型与喷墨打印两种打印工艺相结合，可以将传感器的敏感元件与转换原件制作在一起，形成复合结构的传感器，实现传感器测量功能。本发明的接触式位移传感器可应用在机器人领域。
附图说明
图1为本发明实施例传感器结构示意图。
图2为本发明实施例带应变计的悬臂梁结构示意图。
图3为本发明实施例传感器的截面示意图。
图4为本发明实施例传感器的一种惠斯通测量电桥示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做详细描述。
如图1、图2、图3所示，一种基于3D打印的接触式位移传感器结构，包括基底结构6，基底结构6的一端设有两个第二固定孔7，另一端设有一个导向孔5，基底结构6上方连接有悬臂梁结构2，基底结构6的两个第二固定孔7和悬臂梁结构2末端的两个第一固定孔4对齐，两个第一固定孔4分别为第一固定孔4-1、4-2，悬臂梁结构2的末端设有应变计结构3，悬臂梁结构2的首端设有限位孔1，探针8穿过基底结构6上的导向孔5，探针8上端位于限位孔1内，下端用于接触测量。
所述的悬臂梁结构2、基底结构6和探针8由耐高温树脂材料制成，作为传感器的敏感元件；所述的应变计结构3由导电油墨PEDOT:PSS[聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)]制成，作为传感器的转换元件。
一种基于3D打印的接触式位移传感器结构的制作方法，包括以下步骤：
1)运用三维设计软件Pro Engineer 5.0对悬臂梁结构2、基底结构6和探针8进行结构设计，运用切片软件XMAKER对设计好的悬臂梁结构2、基底结构6和探针8模型进行切片；
2)运用桌面级光固化打印机M-Jewelry U50固化耐高温树脂材料形成预定尺寸的悬臂梁结构2、基底结构6以及探针8；
3)将加工好的悬臂梁结构2依次置于酒精、去离子水中各超声清洗处理5min；取出悬臂梁结构2后将其置于烘箱中60℃烘烤10min使其完全干燥；用等离子清洗机将悬臂梁结构2氧等离子体处理1min；使得悬臂梁结构2洁净亲水，以便后续应变计结构3在其上的喷墨打印成型；
4)将等离子清洗处理处理完毕的悬臂梁结构2的置于气动式喷墨打印机FujiDMP3000下，按设计的应变计结构3图案喷印PEDOT:PSS墨水于悬臂梁结构2上末端的预定位置，重复喷印8次，形成均匀厚度的应变计结构3图案；
5)取出喷印好应变计结构3图案的悬臂梁结构2置于强制对流烘箱中，120℃烘烤15min使应变计结构3图案完全固化，取出后自然冷却至室温；
6)运用环氧树脂银胶对制作在悬臂梁结构2上的应变计结构3外接导线，并将接好导线的悬臂梁结构2置于强制对流烘箱中，100℃烘烤10min使环氧树脂银胶固化牢固，取出后自然冷却至室温；将接好导线的应变计结构3上粘贴一层聚酰亚胺胶带，以防止应变计结构3在使用过程中的刮擦磨损以及环境湿度变化对其阻值的影响；
7)将接好导线的悬臂梁结构2、基底结构6和探针8装配在一起，通过螺钉螺母将第一固定孔4、第二固定孔7固定，形成具有测量功能的传感器整体结构。
本发明接触式位移传感器结构的工作原理为：
如图3所示，当探针8的下端接触于待测物体时，物体的位移变化使得探针8在基底结构6上导向孔5的约束下产生上下位移，这种位移经由悬臂梁结构2首端的限位孔1对悬臂梁结构2产生压力作用；悬臂梁受压力作用产生应变，其最大应变产生在悬臂梁末端位置处，此时，喷印在此位置的应变计结构3将这种应变转化为自身的阻值变化。这种位移变化与应变计结构3阻值变化的关系如下：
式中:ΔR——应变计电阻值变化值；
R——应变计的初始电阻值；
Ge——应变计的有效应变计系数；
εl——悬臂梁上应变计处的纵向应变；
t——悬臂梁的厚度；
l——悬臂梁的长度；
x——待测位移。
通过外接惠斯通电桥电路，如图4所示，其中Ru为待测应变计电阻，Ra、Rb、Rc为定值电阻，Vu和Vo为输入电压和输出电压，将这一阻值变化转变为电信号输出，从而实现传感器结构的位移—电压信号转换，完成对位移的测量。

Claims (4)

1.一种基于3D打印的接触式位移传感器结构，包括基底结构(6)，其特征在于：基底结构(6)的一端设有第二固定孔(7)，另一端设有导向孔(5)，基底结构(6)上方连接有悬臂梁结构(2)，基底结构(6)的第二固定孔(7)和悬臂梁结构(2)末端的第一固定孔(4)对齐，悬臂梁结构(2)的末端设有应变计结构(3)，悬臂梁结构(2)的首端设有限位孔(1)，探针(8)穿过基底结构(6)上的导向孔(5)，探针(8)上端位于限位孔(1)内，下端用于接触测量。
2.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的接触式位移传感器结构，其特征在于：所述的悬臂梁结构(2)、基底结构(6)和探针(8)由耐高温树脂材料制成，作为传感器的敏感元件；所述的应变计结构(3)由导电油墨PEDOT:PSS[聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)]制成，作为传感器的转换元件。
3.一种基于3D打印的接触式位移传感器结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)运用三维设计软件对悬臂梁结构(2)、基底结构(6)和探针(8)进行结构设计，运用切片软件对设计好的悬臂梁结构(2)、基底结构(6)和探针(8)模型进行切片；
2)运用桌面级光固化打印机固化耐高温树脂材料形成预定尺寸的悬臂梁结构(2)、基底结构(6)以及探针(8)；
3)将加工好的悬臂梁结构(2)依次置于酒精、去离子水中各超声清洗处理5min；取出悬臂梁结构(2)后将其置于烘箱中60℃烘烤10min使其完全干燥；用等离子清洗机将悬臂梁结构(2)氧等离子体处理1min；
4)将等离子清洗处理处理完毕的悬臂梁结构(2)的置于气动式喷墨打印机下，按设计的应变计结构(3)图案喷印PEDOT:PSS墨水于悬臂梁结构(2)上末端的预定位置，形成均匀厚度的应变计结构(3)图案；
5)取出喷印好应变计结构(3)图案的悬臂梁结构(2)置于强制对流烘箱中，120℃烘烤15min使应变计结构(3)图案完全固化，取出后自然冷却至室温；
6)运用环氧树脂银胶对制作在悬臂梁结构(2)上的应变计结构(3)外接导线，并将接好导线的悬臂梁结构(2)置于强制对流烘箱中，100℃烘烤10min使环氧树脂银胶固化牢固，取出后自然冷却至室温；
7)将接好导线的悬臂梁结构(2)、基底结构(6)和探针(8)装配在一起，通过螺钉螺母将第一固定孔(4)、第二固定孔(7)固定，形成具有测量功能的传感器整体结构。
4.根据权利要求3所述的一种基于3D打印的接触式位移传感器结构的制作方法，其特征在于：所述的应变计结构(3)在连接外部测量电路导线后粘贴一层聚酰亚胺胶带。
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