摘 要

本研究中采用柔性电容式薄膜应变传感器作为测量应力/应变的元件，用于测量车身如商用车车架等应变较大处的应变，并将其以数据、波形图、云图等形式实现可视化。解决了目前常用的电阻应变片测量法曲面测量精度低、易受温度、电磁干扰等技术问题，既可以提高复杂表面如曲面的测量精度，又可以减少电磁干扰、温度和湿度等对测量结果的影响，并且可测应变范围可达30%。测试得到信号后通过LabVIEW软件可视化，可以直观地输出采集信号的波形图和应变值，若进一步进行阵列化或多点测量即可得到车身应变的云图，实现车身全方位、少干扰的应力/应变可视化。

本研究的主要研究内容与研究结果如下：

1. 设计并制备了柔性电容式薄膜应变传感器，结构上选用平板式电容传感器，形状为工字形，有效区域为中间矩形部分，两端便于测试时的夹持。介电层和上下封装层我们选用具有良好的绝缘性、较低的粘弹性以及较高的柔韧性的聚二甲基硅氧烷（PDMS），通过旋涂完成，电极层我们选用同时具备结构、功能、智能材料特性的碳纳米管（CNT），制备过程为先涂抹一层多壁碳纳米管粉末，再刮涂一层碳纳米管溶液。
2. 对制备出的电容式薄膜应变传感器进行了标定测试，首先搭建了测试环境，主要包括E4980AL低频精密型LCR测试仪、拉伸试验台、电脑，标定测试中包括电容的标定测试、电阻的标定测试、重复性标定测试、以及电容、电阻的温度特性的标定测试，通过对实验原始数据的处理和分析，可知我们制备出的电容式薄膜应变传感器具有良好的线性度、重复性以及温度不敏感的特性，符合测试环境的要求。
3. 开发了基于LabVIEW的可视化平台并对平台进行了应用测试。我们选择了车身上常用的6061铝合金板来模拟车身，在上面粘贴5个传感器，通过改变拉伸试验台的两个滑动平台的水平相对位移来使铝板产生不同的程度的应变，测试了铝板两端水平移动距离为5.8mm、6.2mm、7.5mm时传感器的电容值、电容变化量、应变等，并给出了铝板两端水平移动距离为6.2mm时被测件的应变云图。我们开发出的可视化平台在后续的应用测试中验证了 LabVIEW平台与LCR测试仪成功建立了联系，不仅可以准确并实时地记录电容变化、应变等重要参数而且可以直观地展示出被测工件的应力云图，精准度与LCR测试仪相同。

关键词：柔性传感器；应变传感器；车身；可视化；LabVIEW

Abstract

In our study, a flexible capacitive film strain sensor was used as a component for measuring stress/strain, which was used to measure the strain at a large strain such as a commercial vehicle frame, and visualized it in the form of data,waveforms and nephogram. It solves the technical problems of low precision measurement, temperature and electromagnetic interference of the commonly used resistance strain gauge measurement method, which can improve the measurement accuracy of complex surfaces such as curved surfaces, and reduce the electromagnetic interference, temperature and humidity. Impact and measurable strain range up to 30%. After the test signal is obtained, it can be visualized by LabVIEW software, and the waveform and strain value of the acquired signal can be visually outputted. If further array or multi-point measurement is performed, the cloud image of the body strain can be obtained, and omnidirectional, less disturbing stress/strain visualization of the body can be achieved.

The main research contents and research results of this study are as follows:

1.A flexible capacitive film strain sensor is designed and fabricated. The structure is a flat-plate capacitive sensor with a shape of I-shaped. The effective area is the middle rectangular part, and the two ends are easy to clamp during testing. The fabrication of Dielectric layer and upper and lower encapsulation layer we use polydimethylsiloxane (PDMS) with good insulation, low viscoelasticity and high flexibility, which is completed by spin coating. Carbon nanotubes (CNTs) with functional and intelligent material properties are prepared by first coating a layer of multi-walled carbon nanotube powder and then coating a layer of carbon nanotube solution.

2.The prepared capacitive film strain sensor was tested. Firstly, the test environment was built, including E4980AL low-frequency precision LCR meter, tensile test bench and computer. The calibration test included capacitance calibration test and resistance. Calibration test, repetitive calibration test, and calibration test of temperature characteristics of capacitance and resistance. Through the processing and analysis of the experimental raw data, we can know that our prepared capacitive film strain sensor has good linearity, repeatability and temperature characteristics. Sensitive features that meet the requirements of the test environment.

3. Developed a visualization platform based on LabVIEW and applied the platform to the application. We selected the 6061 aluminum alloy plate commonly used on the body to simulate the body, pasted 5 sensors on it, and tested the aluminum plate by changing the horizontal relative displacement of the two sliding platforms of the tensile test bench to produce different degrees of strain on the aluminum plate. The capacitance value, capacitance change, strain, etc. of the sensor when the horizontal moving distance of the two ends is 5.8mm, 6.2mm, 7.5mm, and the strain cloud of the tested part when the horizontal moving distance of the aluminum plate is 6.2mm. The visualization platform we developed verified the successful connection between the LabVIEW platform and the LCR meter in subsequent application tests. Not only can the important parameters such as capacitance changes and strains be recorded accurately and in real time, but also the stress cloud of the measured workpiece can be visually displayed. The accuracy is the same as the LCR meter.

Key words: Flexible Sensor, Strain Sensor, Body, Visualization, LabVIEW

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 应力/应变检测研究现状 2

1.2.2 柔性应变传感器的研究现状 3

1.2.3 应力/应变可视化的研究现状 6

1.3 本文主要研究内容 7

第2章 电容式薄膜应变传感器的设计 8

2.1 传感器结构设计 8

2.2 传感器材料选取 12

2.2.1 柔性基底材料的选择 12

2.2.2 电极层材料的选择 14

2.2.3 介电层材料的选择 16

2.3 实验仪器及试剂 17

2.4 本章小结 18

第3章 电容式薄膜应变传感器的工艺制备 19

3.1 电容式薄膜应变传感器制备的主要工艺 19

3.2 电容式薄膜应变传感器的工艺设计与制备 21

3.3 电容式薄膜应变传感器的制备工艺参数汇总 31

3.4 本章小结 31

第4章 电容式薄膜应变传感器的性能测试 33

4.1 测试环境的搭建 33

4.2 电容式薄膜应变传感器的标定测试 35

4.2.1 电容标定测试 36

4.2.2 电阻标定测试 40

4.2.3 重复性标定测试 42

4.2.4 电容及电阻的温度特性标定测试 43

4.3 本章小结 47

第5章 系统的可视化开发 48

5.1 可视化系统的硬件设计 48

5.2 可视化系统的软件开发 49

5.2.1 可视化系统的软件选择 49

5.2.2 用LabVIEW进行可视化功能开发 50

5.2.3 可视化系统的前面板设计 53

5.3 可视化系统的应用测试 55

5.4 本章小结 60

第6章 总结与展望 61

参考文献 62

致谢 65

第1章 绪论

1.1 研究目的及意义

汽车车身为驾驶者提供便利的工作条件，并且为乘坐人员提供良好的乘坐体验，保护驾驶者及乘坐人员免受汽车行驶造成的振动、噪声，废气的侵袭及外界恶劣天气的影响，同时保证运载货物的完好无损且装卸方便。^[1]并且车身上的某些结构措施及设备还有利于安全行车和减轻事故的后果。

目前，在汽车试验学中如碰撞试验、空气动力学试验等试验中均需要检测汽车车身的应力应变。^[2]大多数轿车采用承载式车身，无车梁故重量压在车身上，客车、货车、矿车等若车身的应力应变过大则很容易发生车身解体等安全事故，造成人员伤亡和财产损失。同时，汽车行驶过程中由于路面的不平也会给车身带来较大的应力变化。另外，车身上的重要部件如立柱等如果因受到的应力过大而损坏，同样会造成严重的安全事故。因此，无论是轿车还是客车或特种汽车，车身的应力/应变的检测都十分重要。^[3]

可视化即一种用更加生动、具体的图像或者图形去展示相对抽象的计算数据，为我们提供一种发现不可见信息的方法。^[4]其有利于更快地分析数据得到结果，更有效地控制计算过程，又可以将离散数据整体化，将发展过程及规律等直接展示在人们面前，还可以改变其控制参量或试验条件，实现动态仿真，工程构件的其他力学性能。^[5]

汽车车身应力/应变可视化，可以将我们看不到的应力/应变通过计算机或其他技术转化成我们看得见的数据、曲线、云图等^[6-7]，进而对汽车的应变情况、运行工况有更直观的认识，同时有利于汽车产品的研发、制造、测试及改进，并且提高汽车产品的安全性。本文中提到的可视化是指通过图表、波形图、云图等较直观地展现车身的应力/应变大小及分布情况。

本次研究的目的在于：采用柔性电容式薄膜应变传感器作为测量应力/应变的元件，用于测量如商用车车架等应变较大处的应变，并将其实现可视化。解决目前常用的电阻应变片测量法安装复杂、易受电磁干扰等技术问题，既可以提高复杂表面如曲面的测量精度，又可以减少电磁干扰、温度和湿度等对测量结果的影响。测试得到信号后通过LabVIEW软件可视化，可以直观地输出采集信号的波形图和应变值，进行阵列化或多点测量即可得到车身应变的云图，实现车身全方位、少干扰的应力/应变可视化。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 应力/应变检测研究现状

应力即物体由于受力、湿度、温度场变化等外因而变形时，在物体内产生的抵抗这种外因的内力。^[8]它反映着物体的受力情况，也反映着强度及耐热性能，因此应力/应变测试方法一直是国内外研究的热门领域。随着计算机技术、传感技术、信号分析处理技术和图像处理技术的快速发展，应力/应变测试技术取得了很大的进步，目前应力应变测试方法主要有三种，应变片电学测量法、光学测量法以及视觉测量法。^[9-10]

1）应变片电学测量法

目前，采用应变片电学测量法是一种应力/应变测量的常用手段,常用于测试、分析和评价工程重要结构件的设计、制造以及装配的安全性和可靠性，广泛应用于航空、车辆、土木、机械等工程领域。^[11]目前，最常用的方法是电阻应变片测量和电容应变片测量方法。第一种方法的原理是基于当施加力或压力时特殊压阻层的电阻变化。这种传感器的优点是其简单的读出电量。当施加力或压力时，第二种方法的原理基于受到应力/应变时的电容变化。导电板安装在非导电弹性体片上。施加压力时，极板间的距离d、正对面积A和相对介电常数的变化会使电容值发生变化。电容方法的优点是输出通常对温度和湿度不太敏感。通常，电容测量技术倾向于提供比电阻测量技术更低的输出值，因为电容传感器测量感测区域上的平均压力，而电阻传感器测量感测区域上的峰值压力。 因此，对于两种类型的技术，感测区域应该足够小以在不均匀的压力分布的情况下获得精确的压力值。^[12-13]

这种测量方法的优点如下：

1. 灵敏度和测量精度比较高，常温下测量精度可以达到1%-2%；
2. 量程比较大，尺寸比较小；
3. 技术成熟、应用广泛；

缺点为：

1. 属于接触式的测量，只能够测量表面的应力/应变，不能够测量内部应力/应变；
2. 容易受到电磁信号的干扰，需要采取有效的措施达到增强系统的抗电磁干扰能力的目的；
3. 测量多点时线路较多，安装复杂。

2）光学测量法

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