本研究展示了一种应变测量传感器，该传感器由放大机构和利用改进型3D打印机制造的聚二甲基硅氧烷显微镜组成。
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摘要
摘要
传统的应变测量传感器需要通电，且易受电磁干扰。为解决传统应变片在工作过程中模拟电信号的波动问题，本文提出了一种新的应变测量方法。该方法采用摄影技术，通过放大机构指针位移的变化来显示应变变化。在智能手机相机上添加了一个焦距为7.16 mm的可视化聚二甲基硅氧烷（PDMS）透镜，构成一组透镜系统，充当显微镜以捕捉图像，其等效焦距为5.74 mm。采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）和尼龙放大器，测试不同材料对传感器性能的影响。放大器和PDMS透镜的制备基于改进的3D打印技术。所获得的数据与有限元分析（FEA）结果进行对比，以验证其有效性。ABS放大器的灵敏度为36.03 ± 1.34 µε/µm，尼龙放大器的灵敏度为36.55 ± 0.53 µε/µm。
引言
在现代工业中，获得轻质且高强度的材料尤为重要。材料在使用过程中受到应力、压力、扭转和弯曲振动时，其性能会受到影响1,2。因此，测量材料的应变对于分析其耐久性以及排查使用中的问题具有重要意义。此类测量使工程师能够评估材料的耐久性，并诊断生产过程中的问题。工业中最常见的应变测量方法是使用应变传感器3。传统的箔式传感器因其成本低、可靠性好而被广泛应用4。它们通过测量电信号的变化，并将其转换为不同的输出信号5,6。然而，该方法无法获取被测物体内部应变分布的详细信息，且容易受到振动引起的电磁干扰对模拟信号造成的噪声影响。开发准确、高度可重复且操作简便的材料应变测量方法在工程领域具有重要意义。因此，研究人员正在探索其他测量方法。
近年来，纳米材料引起了研究人员的广泛关注。为了测量微小物体上的应变，Osborn 等人7,8 提出了一种利用电子背散射衍射（EBSD）测量三维纳米材料应变的方法。Lina 等人9 通过分子动力学研究了石墨烯层间摩擦应变工程。基于瑞利背向散射光谱（RBS）的分布式光纤应变测量技术因其高空间分辨率和高灵敏度，已被广泛应用于故障检测和光器件性能评估10。光纤光栅（FBG）11,12 分布式应变传感器因其对温度和应变的高敏感性，已被广泛用于高精度应变测量13。为监测树脂注入后固化过程中引起的应变变化，Sanchez 等人14 将光纤传感器嵌入环氧碳纤维板中，实现了完整应变过程的测量。微分干涉对比（DIC）是一种强大的全场变形测量方法15,16,17，也被广泛应用18。该方法通过比较采集图像中被测表面灰度值的变化，分析变形并计算应变。Zhang 等人19 提出了一种基于引入增强颗粒和DIC图像的方法，实现了对传统DIC技术的改进。Vogel 和 Lee20 采用自动双视角方法计算应变值。近年来，该技术实现了在颗粒增强复合材料中同步进行微观结构观察和应变测量。传统应变传感器仅能有效测量单一方向的应变。Zymelka 等人21 提出了一种全向柔性应变传感器，通过检测传感器电阻的变化，改进了传统的应变片测量方法。此外，也可利用生物或化学物质进行应变测量。例如，离子导电水凝胶因其良好的拉伸性能和高灵敏度，已成为应变/触觉传感器的有效替代方案22,23。石墨烯及其复合材料具有优异的力学性能，同时具备高载流子迁移率和良好的压阻特性24,25,26。因此，基于石墨烯的应变传感器已广泛应用于电子皮肤健康监测、可穿戴电子设备及其他领域27,28。
本研究提出了一种利用聚二甲基硅氧烷（PDMS）显微镜和放大系统进行概念性应变测量的方法。该装置不同于传统应变片，无需导线或电气连接，且可直接观察位移。放大机构可放置于被测物体的任意位置，从而显著提高测量的重复性。在本研究中，传感器和应变放大器均采用3D打印技术制成。我们首先对3D打印机进行了改进，以提高其满足本研究需求的效率。设计了一种球形挤出装置，取代传统的单材料挤出机，并通过切片软件控制，实现金属与塑料喷嘴的切换。同时对相应的成型平台进行了改造，将位移传感装置（放大器）与读数装置（PDMS显微镜）集成于一体。
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方案
1. 扩增机制的组装
- 构建一个实验平台，包括改进的3D打印机、应变仪显示器、驱动装置、支撑架、铝棒、PDMS透镜、智能手机、砝码、打印放大器（补充图1）以及应变仪，如图1所示。
- 将打印机中尼龙材料的每层高度设为0.05 mm，ABS材料设为0.2 mm。两种情况下打印头的直径均设为0.2 mm。喷嘴温度设为尼龙220 °C，ABS 100 °C。最后，打印速度设为尼龙2,000 mm/min，ABS 3,500 mm/min。
- 调整球形挤出头的方向，使金属喷嘴朝向低温平台，并打印轮廓以确保正常挤出，如图2所示。
- 将尼龙和ABS线材悬挂在柱上，前端必须进入打印线圈容器，由金属喷嘴将其熔化。
2. PDMS显微镜的组装
- 使用磁力搅拌器将PDMS预聚体与固化剂混合，得到质量比为10:1的混合物。
- 将混合物放入脱泡机中脱泡40分钟，然后将脱泡后的混合物倒入球形挤出头的PDMS容器中。
- 旋转球形挤出头和平台，使塑料喷嘴朝向高温平台。
- 设置塑料喷嘴的增量为50 µL。通过喷嘴旋转和Z轴步进电机，将移液装置的底端置于距离模具20 mm29的位置。
- 开启加热板以加热高温平台。平台温度由非接触式红外辐射测温仪控制。
注意：本研究测试了140 °C、160 °C、180 °C、200 °C、220 °C和240 °C的温度条件。 - 挤压PDMS容器以打印PDMS透镜。
- 将PDMS透镜冷却至室温，并用橡胶镊子取出。
- 使用三维形貌分析仪测定透镜的几何参数，包括接触角、曲率半径和液滴直径。
3. 对照组和实验组加载测试中的应变测量
- 使用6063 T83铝合金制成的悬臂梁，其长度、宽度和厚度分别为380 mm × 51 mm × 3.8 mm。用螺栓和螺母将一端固定在操作台上。
- 在悬臂梁自由端起160 mm处的中心位置画一个十字标记。
- 为去除悬臂梁表面的氧化层，在粘贴前用细砂纸打磨其表面，打磨方向应与应变片电阻栅方向成约45°角。用浸有丙酮的脱脂棉擦拭悬臂梁表面以及应变片胶的表面。
- 连接驱动装置和应变仪。打开电源。在铝棒固定端的中心表面安装应变片，用于测量应变变化。
- 在悬臂梁自由端固定标准砝码，以控制集中力输入。使用常规应变仪，采用四分之一桥接法读取数据。
- 在同一位置，将应变片更换为ABS和尼龙放大器。
- 将PDMS透镜附着在具有800万像素传感器的智能手机摄像头，焦距为29 mm。调节摄像头焦距，直至获得清晰图像。使用PDMS显微镜读取指针的位移。
- 重复步骤3.5和3.6，每次分别设置载荷为1 N、2 N、3 N、4 N和5 N。
4. 有限元分析
- 建立用于应变测量的尼龙和ABS零件的三维有限元模型（所用软件见材料表）。将悬臂梁和放大机构导入软件的材料库中，并模拟其安装位置。
- 分析在悬臂梁作用下放大机构指针的力学性能。
- 使用四面体单元并设置较细的单元尺寸，对三维几何模型进行网格划分。重点细化柔性铰链区域，尤其是指针与其他部件之间的铰链部分。
注：铝、尼龙和ABS的弹性模量分别采用69 GPa、2 GPa和2.3 GPa；铝、尼龙和ABS的泊松比分别采用0.33、0.44和0.394。 - 在悬臂梁自由端中心施加1 N的集中力。随后依次施加2 N、3 N、4 N和5 N的力重复实验。
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结果
随着平台温度升高，液滴直径和曲率半径减小，而接触角增大（图3）。因此，聚二甲基硅氧烷（PDMS）透镜的焦距增加。然而，当平台温度高于220 °C时，液滴的固化时间极短，无法扩展成平面-凸面形状。这可能是由于在粘附到智能手机摄像头时附着面积较小所致。因此，在所有测试中仅使用在220 °C下形成的软透镜作为放大镜。PDMS透镜的焦距为7.16 mm，对应光学倍率为140 m-1。液滴直径为2.831 mm，最大圆锥角为46.68°，由此得到的数值孔径（NA）约为0.40，接近20倍放大率。透镜组的焦距可通过公式 f1 × f2 / (f1 + f2 - s) 计算，其中 f1 为PDMS透镜的焦距，f2 为摄像头透镜的焦距，s 为两者之间的距离。假设 s = 0，则PDM...
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讨论
输出位移随集中作用在悬臂梁自由端的力呈线性变化，并与有限元分析（FEA）模拟结果一致。放大器的灵敏度在尼龙材料下为36.55 ± 0.53 με/μm，在ABS材料下为36.03 ± 1.34 με/μm。稳定的灵敏度验证了采用3D打印技术快速原型制造高精度传感器的可行性与有效性。该放大器具有高灵敏度，且不受电磁干扰影响。此外，其结构简单、体积小、重量轻。在打印过程中，不同材料需根据层厚、喷嘴直径和进给速率等多个变量进行不同的参数设置。具体数值需结合不同打印机的参数，通过多次调试后确定。这种灵活的制造方法可根据实际工况即时更换材料和尺寸，可通过增加电绝缘性和防爆性来提升性能，从而实现高精度位移传感器的微型化、定制化生产与应用。
为了获得5.74 mm的宏观图像，镜头组由PDMS透镜和智能手机摄像头组成。影响PDMS透镜成形光学质量的基本参数，包括接触面直径、曲率半径和接触角，由制备平台的温度和溶液滴加体积（在固定滴落高度条件下）决定。温度通过加热板和非接触式红外测温仪精确控制。通过塑料喷嘴每次滴加溶液的体积为50 μL。需用酒精擦拭摄像头以去除灰尘等杂质，确保PDMS透镜紧密附着，...
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披露
作者声明无利益冲突。
致谢
本工作受到国家自然科学基金（项目编号：51805009）的资助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| ABS | Hengli dejian plastic electrical products factory | 用于打印放大机构的直径为 1.75 mm 的线材 | |
| Aluminum 6063 T83 bar | 悬臂梁的长度、宽度和厚度分别为 380 mm、51 mm 和 3.8 mm | ||
| ANSYS | ANSYS | ANSYS 14.5 | |
| CURA | Ultimaker | Cura 3.0 | 切片软件，与改进型 3D 打印机配合使用 |
| 固化剂 | Dow Corning | PDMS 与固化剂按 10:1 的质量比混合 | |
| 驱动装置 | Xinmingtian | E00 | |
| 改进型 3D 打印机及配件 | 自制，采用旋转球形升降平台，该平台配备喷嘴和移液管，可自由切换并打印；配有旋转打印平台，平台温度可自由控制 | ||
| iPhone 6 | Apple | MG4A2CH/A | 800 万像素传感器，等效焦距为 29 mm |
| 磁力搅拌器 | SCILOGEX | MS-H280-Pro | |
| 尼龙 | Hengli dejian plastic electrical products factory | 用于打印放大机构的直径为 1.75 mm 的线材 | |
| PDMS | Dow Corning | SYLGARDDC184 | 粘稠混合物经加热固化后，可与手机的镜头放大装置结合用于图像采集 |
| 形状分析仪 | Gltech | SURFIEW 4000 | |
| Solidworks | Dassault Systems | Solidworks 2017 | 辅助建模 |
| VISHAY 应变片 | Vishay | 用于测量实验中产生的应变 | |
| VISHAY 应变片指示仪 | Vishay | 应变数据采集 |
参考文献
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