基于复合型导电高分子压敏材料电阻蠕变的位移测量方法

摘要

本发明涉及一种基于复合型导电高分子压敏材料电阻蠕变的位移测量方法，属于测量技术领域。该方法不对电阻蠕变进行抑制，反而利用电阻蠕变实时反映位移的变化。在标定中，分别得到施载完成瞬间和蠕变阶段的电阻-应变特性，并分别编写相应的算法；在监测中，先通过电阻的变化判定压敏材料所处的受力阶段，再用相应的算法得到实时的位移值。本发明提出的测量方法，根据受力状态的不同，采用不同的标定方法和算法，并考虑了时间因素，进而消除了压敏材料电阻蠕变对位移测量的不利影响。由于不采用向基体中添加纳米粉末减小电阻蠕变的传统方法，因而保证了压敏材料的柔韧性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于复合型导电高分子压敏材料电阻蠕变的位移测量方法，属于测量技术领域。

背景技术

复合型导电高分子材料的电阻在形变作用下呈现规律性变化，且具有良好的柔韧性和易加工性，故可作为柔性位移传感器的敏感材料。这种材料还具有良好的减震性，因此将基于这种压敏材料的柔性传感器置于曲面层间结构之中，不但能完成层间位移监测任务，还能起到减震缓冲的保护作用。

然而，复合型导电高分子压敏材料是一种具有大分子链段结构的粘弹性材料，在恒压力下产生电阻蠕变，这种现象严重降低了监测精度，其根本原因在于：获取标定数据和编写算法时均未考虑时间因素。由于目前国内外对复合型导电高分子压敏材料的电阻-应力(应变)-时间特性及机理的研究还很不深入和完善，因此，如何消除电阻蠕变对监测精度的影响是目前亟需解决的难题。

国内外的研究者大多采用添加纳米粉末等手段，减小电阻蠕变现象，进而提高测量精度。但是这种方法在减小电阻蠕变的同时，不可避免地降低了压敏材料的柔韧性；而且，电阻蠕变是粘弹性材料的固有属性，不可能完全消除，因而无法从根本上避免电阻蠕变对监测精度的不利影响。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有发明的不足之处，提出一种基于复合型导电高分子压敏材料电阻蠕变的位移测量方法，用于解决曲面层间粘弹性基底在蠕变过程中的位移测量。本发明提出的测量方法包括标定和监测两部分。在标定过程中，分别得到蠕变阶段及施载完成瞬间的电阻-应变特性，并编写相应的算法；在监测过程中，先通过电阻变化判定压敏材料所处的受力阶段，再用相应的算法得到每一时刻的位移值。

1、本发明所述的位移测量方法的标定过程，其特征在于，该过程包括以下步骤：

(1)、将压敏材料施载至某一压力，记录施载完成瞬间的位移与电阻值，共得到N组数据构成施载完成瞬间的标定数据，进而得到相邻标定点之间的位移变化值与电阻变化值之比。

(2)、在施载完成后保持恒压力的阶段，记录每一时刻的位移与电阻值，共得到M组数据构成蠕变阶段的标定数据，进而得到相邻时刻的位移变化值与电阻变化值之比。

2、本发明所述的位移测量方法的监测过程，其特征在于，该过程包括以下步骤：

(1)、判断压敏材料在t时刻所处的受力阶段：如果t时刻检测到的电阻与上一时刻检测到的电阻的差值超过设定阈值，则表明对压敏材料进行了施载操作，否则表明压敏材料处于蠕变阶段。

(2)、如果确认对压敏材料进行了施载操作，则首先利用查表法，确定电阻所在区间，然后利用t时刻的电阻值、相邻标定点的位移和电阻值、以及步骤1(1)中得到的位移变化值与电阻变化值之比，通过线性插值法，得到施载完成瞬间的位移值。

(3)、如果确认压敏材料处于蠕变阶段，则利用t时刻的电阻值、前一时刻的位移和电阻值、以及步骤1(2)中得到的相邻时刻位移变化值与电阻变化值之比，得到该蠕变阶段t时刻的位移值，总的位移值为最近一次施载完成瞬间的位移值与该蠕变阶段t时刻的位移值之和。

本发明的特点及效果

1、本发明提出的基于复合型导电高分子压敏材料电阻蠕变的位移测量方法，不但对电阻蠕变不加抑制，反而利用电阻蠕变完成位移测量。

2、采用本发明提出的位移测量方法，不需要向基体中添加纳米粉末以减小电阻蠕变，从而保证了压敏材料的柔韧性。

3、采用本发明提出的位移测量方法，在标定和编写算法时，都考虑了时间因素，因而从根本上解决了电阻蠕变对位移测量精度与响应速度的不利影响。

4、本发明提出的位移测量方法，根据敏感材料受力状态的不同，得到两套标定数据，编写两套算法，从而提高了位移测量精度。

附图说明

图1是施载完成瞬间的电阻-位移标定曲线及用于标定的关键量。

图2是蠕变阶段电阻-时间标定曲线。

图3是蠕变阶段位移-时间标定曲线。

图4是蠕变阶段电阻-时间标定曲线局部发大及用于标定的关键量。

图5是蠕变阶段位移-时间标定曲线局部发大及用于标定的关键量。

具体实施方式

在标定过程中，分别对施载完成瞬间和蠕变阶段进行标定，并编写相应的算法；在监测过程中，首先通过电阻的变化，确定压敏材料所处的受力阶段，然后利用相应的标定数据和算法得到每一时刻的位移值。

1、标定过程

(1)、对压敏材料施载至某一压力，记录施载完成瞬间的位移与电阻值，共得到N组数据构成施载完成瞬间的标定数据。施载完成瞬间的电阻-位移标定曲线及用于标定的关键量如图1所示，图中的“o”为标定点。其中，S(i)和R(i)表示施载完成瞬间的位移和电阻，i＝1，2，3，...N。其中，S(n₁)＜S(n₂)，R(n₁)＜R(n₂)，1≤n₁＜n₂≤N。则相邻标定点之间位移变化值ΔS(i)与电阻变化值ΔR(i)之比K(i)为：

$K\left(i\right)=\frac{\mathrm{\Delta S}\left(i\right)}{\mathrm{\Delta R}\left(i\right)}=\frac{S\left(i\right)-S(i-1)}{R\left(i\right)-R(i-1)}---\left(1\right)$

式中，S(0)为0位移，R(0)为0位移下的电阻值。

(2)、在施载完成后保持恒压力的阶段，记录t＜M时刻的每一时刻的位移与电阻值，共得到M组数据构成蠕变阶段的标定数据。图2和图3分别为第i个蠕变阶段的电阻-时间和位移-时间标定曲线，图中的“.”为标定点。为了更清楚地说明，图4和图5分别对图2和图3中0到12秒的部分进行了放大，并标注了用于标定的关键量。其中，s_i(j)和r_i(j)(j＝1，2，3，...M)表示压敏材料被加载到S(i)后的蠕变阶段的位移和电阻值，s(m₁)＜s(m₂)，r(m₁)＜r(m₂)，1≤m₁＜m₂≤M。则相邻时刻之间位移变化值Δs_i(j)与电阻变化值Δr_i(j)之比k_i(j)为：

$k_i\left(j\right)=\frac{\Delta s_i\left(j\right)}{{\mathrm{\Delta r}}_i\left(j\right)}=\frac{s_i\left(j\right)-s_i(j-1)}{r_i(j-1)-r_i\left(j\right)}---\left(2\right)$

式中，s_i(0)和r_i(0)分别为蠕变初始时刻的位移和电阻值。

当t＞M时，相邻时刻之间位移变化值Δs_i(j)与电阻变化值Δr_i(j)之比k_i(j)为：

k_i(h)＝2×k_i(h-1)-k_i(h-2)，h＝M+1，M+2，M+3，...(3)

2、监测过程

(1)、判断压敏材料所处的受力阶段：设r(t)为t时刻检测到的电阻，r(t′)为t时刻之前的t′时刻检测到的电阻，T为设定的阈值。

(2)、如果r(t)-r(t′)≥T，则表明对压敏材料进行了施载操作，利用查表法，确定r(t)所在区间。R(ξ-1)＜r(t)＜R(ξ)，1≤ξ≤N。利用线性插值法，得到施载完成瞬间的位移值S(t)为：

S(t)＝S(ξ)+K(ξ)×[r(t)-R(ξ)](4)

(3)、如果r(t)-r(t′)＜T，则表明压敏材料处于蠕变阶段。则在该蠕变阶段的位移值s(t)为：

s(t)＝s_i(ξ)+k_i(ξ)×[r(t)-r_i(ξ)]    (5)

则总的位移D(t)为：

D(t)＝D+s(t)(6)

式中，D为上一次施载完成瞬间的位移值。