Summary
本工作提供了一个应变测量传感器，由扩增机制和使用改进的3D打印机制造的聚二甲基硅氧烷显微镜组成。
Abstract
传统的应变测量传感器需要电气化，并且易受电磁干扰。为了解决传统应变片操作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。它使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。在智能手机相机中增加了一个焦距为7.16毫米的视觉聚二甲基硅氧烷（PDMS）镜头，以生成一个镜头组，作为显微镜拍摄图像。其等效焦距为5.74毫米。丙烯酰胺苯乙烯（ABS）和尼龙放大器用于测试不同材料对传感器性能的影响。放大器和 PDMS 镜头的生产基于改进的 3D 打印技术。将所得数据与有限元分析结果进行比较，验证其有效性。ABS放大器的灵敏度为36.03 ± 1.34 μ/μm，尼龙放大器的灵敏度为36.55 ± 0.53 μ/μm。
Introduction
在现代工业中，获得轻而强的材料尤为重要。在使用1、2期间，材料的特性在受到应力、压力、扭转和弯曲振动的影响。因此，材料的应变测量对于分析其耐久性和故障排除使用非常重要。这种测量使工程师能够分析材料的耐久性并解决生产问题。工业中最常见的应变测量方法使用应变传感器3。传统的铝箔传感器因其成本低、可靠性好而得到广泛应用。他们测量电信号的变化，并将其转换为不同的输出信号5，6。但是，此方法忽略了被测对象中应变轮廓的细节，并且容易受到模拟信号振动电磁干扰的噪声的影响。开发准确、高度可重复且易于重复的材料应变测量方法在工程中非常重要。因此，正在研究其他方法。
近年来，纳米材料引起了研究者的极大兴趣。为了测量小物体的应变，Osborn等人提出了一种利用电子反散射（EBSD）测量3D纳米材料应变的方法。利用分子动力学，Lina等人9号研究了石墨烯的层间摩擦应变工程。使用雷利反向散射光谱（RBS）的分布式光纤应变测量，由于其高空间分辨率和灵敏度10，已广泛应用于故障检测和光学器件的评估。光栅光纤（FBG）11、12分布式应变传感器已广泛用于高精度应变测量13，其灵敏度对温度和应变。为了监测树脂注入后固化引起的应变变化，桑切斯等人14日将一个光纤传感器嵌入环氧碳纤维板中，并测量了整个应变过程。差分干涉对比度（DIC）是一种强大的测量方法，对场变形15、16、17等被广泛应用。通过比较所采集图像中测得的表面灰度水平变化，分析变形，计算应变。张等人19日提出了一种依靠增强粒子和DIC图像从传统DIC进化的方法。Vogel 和 Lee20使用自动双视图方法计算应变值。近年来，在颗粒增强复合材料中实现了同步的微观结构观测和应变测量。传统的应变传感器只能有效地测量一个方向的应变。Zymelka等人21日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方法。也可以使用生物或化学物质测量应变。例如，离子导电水凝胶是应变/触觉传感器的有效替代品，因为它们具有良好的抗拉性能和高灵敏度22，23。石墨烯及其复合材料具有优异的机械性能，具有高载波流动性，具有良好的压阻性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、可穿戴电子等领域27、28。
在这项工作中，提出了使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）显微镜和扩增系统的概念应变测量。该器件不同于传统的应变片，因为它不需要电线或电气连接。此外，可以直接观察到位移。放大机构可以放置在被测试物体的任何位置，这大大提高了测量的可重复性。在这项研究中，3D打印技术制造了传感器和应变放大器。我们首先改进了 3D 打印机，以提高其满足我们需求的效率。球面挤出装置被设计为取代传统的单材料挤出机，由切片软件控制，以完成金属和塑料喷嘴的转换。改变了相应的成型平台，集成了位移感应装置（放大器）和读取装置（PDMS显微镜）。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
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，应变表指示器，驱动装置，支撑框架，铝棒，PDMS镜头，智能手机，重量，印刷放大器（补充图1）和应变片，如图1所示。
- 将打印机每一层的高度设置为尼龙 0.05 mm，ABS 为 0.2 mm。在这两种情况下，将打印头的直径设置为 0.2 mm。将喷嘴温度设置为 220°C（用于尼龙）和 100°C（用于 ABS）。最后，将尼龙的打印速度设置为 2，000 mm/min，将 ABS 的打印速度设置为 3，500 mm/min。
- 调整球面挤压头的方向，使金属喷嘴面向低温平台并打印轮廓，以确保正常挤压，如图2所示。
- 将尼龙和 ABS 挂在柱子上。前端必须进入印刷线圈容器，才能被金属喷嘴熔化。
2. PDMS显微镜的组装
- 使用磁搅拌器，混合PDMS前体和固化剂，获得10：1的重量比。
- 将混合物放入脱气器中40分钟，以去除气泡，并将脱气混合物倒入球形挤出头的PDMS容器中。
- 旋转球形挤压头和平台，使塑料喷嘴面向高温平台。
- 将塑料喷嘴增量设置为 50 μL。使用喷嘴旋转和 Z 轴中的步进电机将移液器装置的底端放在离模具 20 mm29的位置。
- 打开热板加热高温平台。平台的温度由非接触式红外辐射温度计控制。
注：本研究测试的温度为140°C、160°C、180°C、200°C、220°C和240°C。 - 挤压 PDMS 容器以打印 PDMS 镜头。
- 将 PDMS 镜头冷却至室温，然后用橡胶钳将其拆下。
- 使用三维形状分析仪确定镜头的几何参数，包括接触角度、曲率半径和水滴直径。
3. 用于在控制和测试组中加载测试的应变测量
- 使用铝 6063 T83 制成的杆作为悬臂梁。悬臂梁的长度、宽度和厚度应分别为 380 mm x 51 mm x 3.8 mm。用螺栓和螺母固定操作台的一端。
- 在中心画一个十字架，从悬臂梁的自由端画一个160毫米的十字架。
- 要去除悬臂梁上的氧化层，在粘贴前用细沙纸抛光其表面。磨削方向应距应变片线网的方向约 45°。使用浸在丙酮中的棉棉擦拭悬臂梁表面和应变片膏表面。
- 连接驱动装置和应变片指示器。打开电源。使用安装在固定端铝棒中心表面上的应变片测量应变变化。
- 将标准重量固定到悬臂梁的自由端，以控制集中力输入。使用具有四分之一桥连接方法的传统应变片指示器读取数据。
- 在同一位置用 ABS 和尼龙放大器更换应变片。
- 以29mm对焦距离将PDMS镜头连接到智能手机摄像头，使用800万像素传感器。调整相机焦距，直到获得清晰的图像。使用 PDMS 显微镜读取指针的位移。
- 重复步骤 3.5 和 3.6，每次将负载设置为 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 部件的 3D 有限元模型（参见所用软件的材料表）。将悬臂梁和放大机构导入软件的材料库中，并模拟其放置位置。
- 在悬臂梁的作用下分析放大机构指针的机械特性。
- 使用具有精细元素大小的四面体元素生成用于 3D 几何模型的要素。优化弯曲铰链，尤其是指针与其他实体之间的铰链。
注：用于铝、尼龙和 ABS 的弹性杨调节力分别为 69 GPa、2 GPa 和 2.3 GPa。用于铝、尼龙和 ABS 的泊森比率分别为 0.33、0.44 和 0.394。 - 将 1 N 的集中力施加到悬臂梁自由端的中心。用 2 N、3 N、4 N 和 5 N 重复。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
当平台温度升高时，滴径和曲率半径减小，而接触角增加（图3）。因此，PDMS 的焦距增加。然而，对于高于220°C的平台温度，在液滴中观察到非常短的固化时间，并且不能扩展到平面凸的形状。这可以归因于在智能手机相机上粘附时连接面积低。因此，在所有测试中，只有220°C形成的软透镜作为放大镜。PDMS镜头的焦距为7.16毫米，光学功率为140m-1。液滴直径为2.831毫米，圆锥最大角为46.68°，其数值孔径（NA）约为0.40，接近20倍放大倍率。镜头组的焦距可以计算为f1 + f2 / （f1 + f2 - s），其中f1是 PDMS 镜头的焦距，f2是相机镜头的焦距，s是它们之间的距离。假设s = 0，PDMS 显微镜的有效对焦距离为 5.74 mm。
对照组和测试组之间的校准使用测量灵敏度K进行，以K = +/ / μlp表示，其中α是应变指示器获得的应变，μlp是指针的输出。图4A显示了实验位移测量与尼龙FEA模拟的比较。实验和FEA斜率从0.027-0.097（2.74%~9.36%）不等。图 4B显示了 ABS 的坡度为 0.026 和 0.07（3.85% 和 9.94%）之间的最小和最大差异。图 5显示了尼龙和 ABS 的K。研究发现，K尼龙= 36.55 ± 0.53 μ/μm，K ABS = 36.03 = 1.34 μ/μm。
图 1：实验测试设置，包括改进的 3D 打印机、应变片指示器、驱动装置、支撑框架、铝棒、PDMS 镜头、智能手机、重量、印刷放大器和应变片。请点击此处查看此图的较大版本。
图2：两相固液3D打印机的详细信息。请点击此处查看此图的较大版本。
图3：不同温度下PDMS镜头的滴径、曲率半径和接触角。请点击此处查看此图的较大版本。
图4：指针位移与尼龙和ABS不同集中力之间的关系。使用改进的 3D 打印机的相同参数，打印了五个尼龙放大器 （a+e） 和五个 ABS 放大器 （a+e）。每组测试重复十次。请点击此处查看此图的较大版本。
图5：尼龙和ABS的位移与应变的相关性。字母 a_e 表示每种材料的五个样本。尼龙和ABS的灵敏度K是通过对五个斜坡求平均值而得到的。请点击此处查看此图的较大版本。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
输出位移随着力集中在悬臂梁的自由端呈线性变化，并且与 FEA 模拟一致。放大器的灵敏度为尼龙的36.55 ± 0.53 μ/μm，ABS的灵敏度为36.03 ± 1.34 μ/μm。稳定的灵敏度证实了使用3D打印进行高精度传感器快速原型设计的可行性和有效性。放大器灵敏度高，无电磁干扰。此外，它们结构简单，体积小，重量轻。在打印过程中，必须根据多个变量（包括层厚度、喷嘴直径和进给速率）以不同方式设置不同的材料。特定值需要与不同的打印机参数组合，并在重复调试步骤后确定。这种灵活的制造方法能够根据实际工作条件立即更改材料和尺寸。这可以增加电气绝缘并使其防爆，从而提高性能。它实现了小型化、定制化生产和高精度位移传感器的使用。
为了获得 5.74 mm 微距拍摄，镜头组由 PDMS 镜头和智能手机摄像头组成。影响PDMS透镜形成光学质量的基本参数，包括接触面直径、曲率半径和接触角，由生产平台的温度和溶液体积决定。恒定下降高度。温度由热板和非接触式红外温度计精确控制。溶液体积为50μL每滴通过塑料喷嘴。需要用酒精擦拭相机，以去除灰尘等杂质，以确保 PDMS 镜头紧密粘附，以增加组合时间和锐度。通过调整仪器的参数和所使用的解决方案，该系统可以适用于各个领域的各种非接触式微测量。
采用球面挤压头的双腔结构和两相固体液体材料的单机形成，实现了传感器的快速制造。印刷线圈容器用于引入实线，放大器由金属喷嘴的热熔化打印。PDMS 容器由软材料制成，包含混合 PDMS 溶液。溶液从塑料喷嘴中精确挤出。该技术还可用于电子、生物制药、能源和国防等各个领域的结构微球材料制造。
这项工作演示了具有放大器、PDMS 透镜和智能手机的实时应变测量系统，可取代传统的复杂应变计-应变计桥测试方法。此外，还展示了高精度、低成本和快速重复生产的两相固液 3D 打印机。实心印刷过程中，尼龙层厚度设定为0.05毫米，喷嘴温度为220°C，打印速度为2000mm/min。ABS层厚度为0.2毫米，喷嘴温度为100°C，打印速度为3500毫米/分钟。打印参数需要与固有的材料熔融速度、温度和粘弹性相结合，以获得最佳的印刷性能;还需要考虑打印机层精度、进纸范围和打印速度。在液体印刷过程中，PDMS需要具有10：1的前体溶液和固化剂的重量比，悬垂高度固定为20mm，从而控制60s镜头的成型率。高温平台由玻璃制成，温度由热板和非接触式红外辐射温度计控制。镜头的几何参数随测试的表面温度（140 °C、160 °C、180 °C、200 °C、220 °C 和 240 °C）而有很大差异。PDMS 镜头在 220°C 下成型，50 μL 溶液的光学性能在设计的测量系统中产生了最佳结果。通过调整溶液比例、体积、成型温度和悬挂高度，可以制造具有不同光学特性和尺寸的个性化镜片。该方法可以测量的与微观结构变形相关的广泛应用必然增加。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
作者声明没有利益冲突。
Acknowledgments
这项工作得到了中国国家自然科学基金（第51805009号）的资助。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| ABS | Hengli dejian plastic electrical products factory | Used for printing 1.75 mm diameter wire for amplifying mechanism | |
| Aluminum 6063 T83 bar | The length, width and thickness of cantilever beam are 380 mm, 51 mm, and 3.8 mm. | ||
| ANSYS | ANSYS | ANSYS 14.5 | |
| CURA | Ultimaker | Cura 3.0 | Slicing softare,using with the improved 3D printer |
| Curing agent | Dow Corning | PDMS and curing agent are mixed with the weight ratio of 10:1 | |
| Driving device | Xinmingtian | E00 | |
| Improved 3D printer and accessories | Made by myself. The rotary spherical lifting platform is adopted. The spherical lifting platform is equipped with a nozzle and a pipette, which can be switched and printed freely. With a rotary printing platform, the platform temperature can be freely controlled. | ||
| iPhone 6 | Apple | MG4A2CH/A | 8-megapixel sensor and the equivalent focus distance is 29mm |
| Magenetic stirrer | SCILOGEX | MS-H280-Pro | |
| Nylon | Hengli dejian plastic electrical products factory | Used for printing 1.75 mm diameter wire for amplifying mechanism | |
| PDMS | Dow Corning | SYLGARDDC184 | After the viscous mixture is heated and hardened, it can be combined with the lens amplification device of the mobile phone for image acquisition. |
| Shape analyzer | Gltech | SURFIEW 4000 | |
| Solidworks | Dassault Systems | Solidworks 2017 | Assist to modelling |
| VISHAY strain gauge | Vishay | Used to measure the strain produced in the experiment. | |
| VISHAY strain gauge indicator | Vishay | Strain data acquisition. |
References
- Laramore, D., Walter, W., Bahadori, A. Design of a micro-nuclear-mechanical system for strain measurement. Radiation Physics and Chemistry. 155 (8), 209-212 (2019).
- Hu, D., Song, B., Dang, L., Zhang, Z. Effect of strain rate on mechanical properties of the bamboo material under quasi-static and dynamic loading condition. Composite Structures. 200 (4), 635-646 (2018).
- Mattana, G., Briand, D. Recent advances in printed sensors on foil. Materials Today. 19 (2), 88-99 (2016).
- Laramore, D., McNeil, W., Bahadori, A. A. Design of a micro-nuclear-mechanical system for strain measurement. Radiation Physics and Chemistry. 281, 258-263 (2018).
- Enser, H., Sell, J. K., Hilber, W., Jakoby, B. Printed strain sensors in organic coatings: In depth analysis of sensor signal effects. Sensors and Actuators A: Physical. 19 (2), 88-99 (2016).
- Kelb, C., Reithmeier, E., Roth, B.
- Osborn, W., Friedman, L. H., Vaudin, M. Strain measurement of 3D structured nanodevices by EBSD. Ultramicroscopy. 184, 88 (2018).
- Liu, F., Guo, C., Xin, R., Wu, G., Liu, Q. Evaluation of the reliability of twin variant analysis in Mg alloys by in situ EBSD technique. Journal of Magnesium and Alloys. 150 (4), 184-198 (2019).
- Lin, X., Zhang, H., Guo, Z., Chang, T. Strain engineering of friction between graphene layers. Journal of Tribology International. 131 (8), 686-693 (2019).
- Shingo, O. Long-range measurement of Rayleigh scatter signature beyond laser coherence length based on coherent optical frequency domain reflectometry. Journal of Optics Express. 24 (17), 19651 (2016).
- Davis, C., Tejedor, S., Grabovac, I., Kopczyk, J., Nuyens, T. High-Strain Fiber Bragg Gratings for Structural Fatigue Testing of Military Aircraft. Journal of Photonic Sensors. 2 (3), 215-224 (2012).
- Peng, J., Jia, S., Jin, Y., Xu, S., Xu, Z. Design and investigation of a sensitivity-enhanced fiber Bragg Grating sensor for micro-strain measurement. Journal of Sensors and Actuators. 285, 437-447 (2019).
- Hong, C. Y., Zhang, Y. F., Yang, Y. Y., Yuan, Y. An FBG based displacement transducer for small soil deformation measurement. Sensors and Actuators A: Physical. 286, 35-42 (2019).
- Sánchez, D. Z., Gresil, M., Soutis, C. Distributed internal strain measurement during composite manufacturing using optical fibre sensors. Composites Science and Technology. 120, 49-57 (2015).
- Castillo, D. R., Allen, T., Henry, R., Giffith, M., Ingham, J. Digital image correlation (DIC) for measurement of strains and displacements in coarse, low volume-fraction FRP composites used in civil infrastructure. Composite Structures. 212 (10), 43-57 (2019).
- Badadani, V., Sriranga, T. S., Srivatsa, S. R. Analysis of Uncertainty in Digital Image Correlation Technique for Strain Measurement. Materials Today: Proceedings. 5 (10), 20912-20919 (2018).
- Gao, C., Zhang, Z., Amirmaleki, M., Tam, J., Sun, Y. Local strain mapping of GO nanosheets under in situ TEM tensile testing. Applied Materials Today. 14, 102-107 (2018).
- Chine, C. H., Su, T. H., Huang, C. J., Chao, Y. J. Application of digital image correlation (DIC) to sloshing liquids. Optics and Lasers in Engineering. 115, 42-52 (2019).
- Zhang, F., Chen, Z., Zhong, S., Chen, H., Wang, H. W. Strain measurement of particle reinforced composites at microscale: an approach towards concurrent characterization of strain and microstructure. Micron. , (2019).
- Vogel, J. H., Lee, D. An automated two-view method for determining strain distributions on deformed surfaces. Journal of Materials Shaping Technology. 6 (4), 205-216 (1988).
- Zymelka, D., Yamashita, T., Takamatsu, S., Kobayashi, T. Thin-film flexible sensor for omnidirectional strain measurements. Journal of Sensors and Actuators. 263, 391-397 (2017).
- Li, R., Zhang, K., Cai, L., Chen, G., He, M. Highly stretchable ionic conducting hydrogels for strain/tactile sensors. Polymer. 167 (12), 154-158 (2019).
- Liu, H., Macqueen, L. A., Usprech, J. F., Maleki, H. Microdevice arrays with strain sensors for 3D mechanical stimulation and monitoring of engineered tissues. Biomaterials. 172, 30-40 (2018).
- Bolotin, K. I., Sikes, K. J., Jiang, Z., Stormer, H. L. Ultrahigh electron mobility in suspended Graphene. Solid State Communications. 146 (9-10), 351-355 (2008).
- Smith, A. D., et al. Electromechanical piezoresistive sensing in suspended graphene membranes. Nano Letters. 13 (7), 3237-3242 (2013).
- Zhao, J., Wang, G., Yang, R., Lu, X., Cheng, M. Tunable piezoresistivity of nanographene films for strain sensing. ACS Nano. 9 (2), 1622-1629 (2015).
- Bae, S. H., Lee, Y. B., Sharma, B. K.
- Boland, C. S., Khan, U. Sensitive electromechanical sensors using viscoelastic graphene polymer nanocomposites. Science. 354 (6317), 1257-1260 (2016).
- Sung, Y. L., Jeang, J., Lee, C. H., Shih, W. C. Fabricating optical lenses by inkjet printing and heat-assisted in situ curing of polydimethylsiloxane for smartphone microscopy. Journal of Biomedical Optics. 20 (4), 047005 (2015).
