第1章简介17莫尔条纹技术可以记录1μm2cm范围内的位移，分辨率可以达到1

第一章简介17莫尔条纹技术可以记录位移分辨率，范围为1μm2cm，分辨率可以达到1μm. 系统原理图和物理图分别显示在图1 18中，但是传感器只能在和纳米级测量分辨率的要求. 如图19所示，由块形成的滑块通过弹簧连接，并进行了支撑结构变形的理论计算和有限元模拟. 理论分析和实验结果表明，在2mm变形测量范围内，相应的应变测量范围可达105105. 传感器的测量分辨率小于5nm，支撑结构引起的最大附加变形小于20nm. 该传感器结构简单，安装方便，能够满足大变形条件下桥梁和深海设备的应变测量要求. 18基于Moiré条纹技术的微应变仪微应变传感器的日本东北大学的S Ri Fujigak等提出了一种精确测量变形的新技术. 该技术利用了对莫尔条纹图案进行采样的方法. 将物体的测量区域与电子科学技术大学博论文的18点光栅胶带连接在已知光栅之间，然后在固定点安装一台普通CCD摄像机以记录物体的测量区域. 变形过程中的图像. 可以通过相移方法来计算获得具有相移的多个莫尔图案的图像处理. 可以通过将光栅间距乘以变形前后的相位差来计算波纹图案的相位分布，从而获得目标的变形量.

如果光栅间距为2mm，则该测量系统的测量误差可以达到小于光栅间距1500的标准. 这使得可以使用高速，高精度，低成本的简单设备进行非接触式应变分布测量. 用于基础设施的结构评估. 日本和歌山大学的Motoharu Fujigaki和他的团队还使用采样莫尔条纹技术来测试动力系统的形状和应变分布. 92日本国立材料科学研究所，SKishimoto等. 提出了一种使用电子莫尔条纹技术测量智能材料的应变分布的方法93如图1 20所示. 该技术在测量应变分布的过程中需要进行推下测试. 将预制的模型网格放置在抛光表面上的光纤周围，并使用钢针将光纤推出网格. 同时观察下推过程中电子莫尔条纹的变化. 可以计算出推压试验前后的电子莫尔条纹图案的变化，以计算出智能材料纤维周围的应变量. 使用这种方法，还可以根据加热前后电子波纹的变化来计算智能材料的热膨胀系数. 这种电子莫尔条纹方法保留了莫尔条纹和激光莫尔条纹干涉技术的主要优点，并可以在小范围内测量应变. 它具有更高的灵敏度和更宽的测量范围. 但是，当前将该技术应用于大应变检测的研究仍需进一步加强. 20下推测试和产生残余应力的过程. 电容式大应变传感器电容测试技术采用非接触式测量方法，具有精度高，测量范围广，动态性能好，分辨率高，温度稳定性好等优点. 它非常灵活，因此得到了广泛的应用在测量位移，振动，应变等方面. 94 95.

同时，随着微加工技术的飞速发展，采用体硅和表面微加工工艺制备的电容式传感器便于系统集成，并且由于其体积小，适应性强，动态快速等优点而得到了进一步的改进. 响应. 作为主要敏感器件之一的96应变电容传感器的发展已广泛用于应力和应变测量的各个领域. 电容应变传感器通常通过改变板之间的距离或板的面积来实现参数的测量，例如位移，压力和振动. 马来西亚理工大学的Muhammad Irsyad Abdul Mokti和其他人分别设计了SiO2和PDMS作为介电层材料的MEMS电容式弯曲应变传感器. 有限元分析被用来模拟传感器的应变特性. 结果表明，介电层材料增加了传感器的电容输出，并提高了灵敏度，设计的传感器灵敏度达到了0 525pF97. Michael Suster和他在美国凯斯西储大学的团队设计并准备了一个MEMS电容应变传感器. 当发生0时，电容发生变化. 265AF这项研究工作将MEMS传感器与低噪声CMOS电路集成在一起，以将电容变化转换为最小电压输出. 检测009με98.厦门大学冯永健通过MEMS技术实现了微束电容应变传感器96. 在一定应力下，传感器的应变灵敏度可以达到10 fF MPa. 测量误差小于1 FS. 它具有良好的线性度，小的磁滞和稳定的工作特性.

此内具有良好的线性特性，并且没有滞后现象. 预期将其应用于人造皮肤. 100 21电子科技大学电容式大应变传感器的安装物理博论文20 22当柔性大应变传感器变形时，尽管电容式大应变传感器作为非接触式测量方法具有许多优点，电容式大应变传感器的容量受其电极影响. 诸如几何尺寸的限制容易受到外部电磁干扰和杂散电容等的影响，这可能会导致不稳定. 此外，寄生电容和非线性输出特性也是需要进一步解决的问题101 102.

目前，电容式大应变传感器正朝着智能化，小型化，模块化和便携性的方向发展. 音量将越来越小，功能将更加完善. 电容方法还将突出更高的性价比和优越性. 论文的主题和主要研究工作作为一种重要类型的物理量传感器大应变传感器广泛应用于航空航天，军事武器，大型建筑，土木工程，医疗或机械设备，结构应力应变测量和带控制的载荷测量. 在所有这些应用中，要求大型应变传感器具有高灵敏度，良好的线性和可重复性以及低滞后性. 它们还受到诸如温度和湿度等环境因素的影响. 本文的应用背景是检测系统的大皮肤应变. 通过检测其大的应变，它为系统的安全控制提供了可靠的应变测量参数. 因为系统的柔性表面蒙皮可能会在气动载荷的作用下局部变形，这对系统的整体压力分布有很大影响. 通过实时测量和研究系统蒙皮的动态变形特性，可以直观地反映出负载状态对系统的影响. 从设计上改进系统. 同时，由于需要进行与环境过程相关的长期应变监测，因此传感器需要在较大的应变检测能力的基础上进行良好的结构安装和匹配. 因此，本发明的主要目的是实现对负载状态下系统表皮结构引起的大应变变化的检测，以提高系统的可靠性. 根据该实际应用背景设计和制造的大型应变传感器应满足以下技术要求. 内具有良好的零稳定性. 温度漂移系数小于0 05 FS. 基于此，本文需要关注大应变检测中面临的以下问题. 与微应变和应力分布检测相比，检测原理相对较小. 当前，用于大应变检测的传感器的报道并不多工业测量系统原理与应用，它们基于电阻类型和光栅类型. 或电容式大应变传感器各有优缺点.

基于本文的应用背景，从传感器检测原理出发，探索解决大应变检测关键技术的方法. 为大应变检测提供重要的理论支持是本文面临的主要问题. 在此基础上，本文将设计和制备具有不同原理和结构的大应变传感器，并进行特性测试，分析和结构组合，以探索能够解决本文应用需求的大应变检测技术. 装置的小型化由于在测量过程中系统的安装空间非常狭窄并且被测部件是弯曲的，因此有必要设计一种小型的大应变传感器并实现传感器的弯曲安装. 应变检测的基本原理是将应变敏感装置与被测对象的同步结构的应变变化转换为可测量的电信号，即前提是应变传感器能够如实反映被测对象的应变变化. 结构是指传感器和被测目标物具有良好的物理性. 材料和结构的接触和匹配程度. 因此，要在小尺寸结构下实现传感器的大应变信号检测功能和良好的对接传感器结构设计是本文要解决的难题. 必须从性能指标和形状结构两个方面来实现传感器的结构和性能. 尺寸设计意味着需要根据性能指标实现大应变和高精度检测功能. 该结构需要满足特定安装的要求以及对恶劣使用环境的抵抗力. 由于实现了用于高应变高精度检测的小型化传感器的结构，器件技术和读出电路是需要解决的关键问题. 使用的工艺技术必须考虑传感器设计的可实现性和可靠性问题.

同时，在测量大应变信号时可能会出现输出非线性问题. 因此，有必要在高精度信号检测的前提下设计和处理非线性校正电路. 环境适应性系统需要在负载下具有较高的环境适应性. 其环境主要以冲击或振动引起的复合过载，温度场，电磁场，大气环境等形式出现. 提出了大型应变传感器的环境适应性. 诸如温度影响小，抗振动，抗电磁干扰等应用要求. 因此，有必要在结构设计和匹配，材料选择和电路等各个方面考虑环境适应性的要求. 设计. 从目前的研究成果来看，尽管有关于基于不同原理和不同结构的大型应变传感器的设计，制备和特性的报道，但从电子科技大学的角度来看，已有22对博士论文. 系统皮肤大应变检测的应用概述各种大应变传感器的纵向研究和水平比较的系统报告很少. 因此，本文针对上述问题，将相关的科研课题与大应变传感器的结构和电路设计，工艺制备技术以及特性研究与分析相结合，以设计和制备电容式，光栅式和电阻式大应变传感器. 现有技术的缺点和实际需求是通过对比研究不同的大型应变传感器来进行的，结合新的大型应变传感器的结构设计优化，将拉动结构和复合材料发展到满足安装条件的尺寸，良好的电磁兼容性和高性能应变传感器.

本文旨在从应变理论，新结构和新材料的探索以及测试应用技术的角度研究大型应变传感器. 大应变理论分析与仿真研究. 由于基于不同原理和结构的大型应变传感器涉及结构力学，微观学科，如电子，光学，材料科学等不同学科. 因此，本文旨在探讨涉及大型应变的多学科交叉理论和方法. 传感器研究所从理论指导和实践研究的角度出发. 电光耦合理论包括物理灵敏度机制和机械结构机理，光栅光路系统和结构设计，电容器板结构设计和微电子加工技术，动静转换等. 在理论研究的基础上，选择适当的参数条件，建立大型应变传感器的数学模型并对其进行仿真，为大型应变传感器的设计提供理论指导. 新结构设计和新材料探索为了实现小型化，高精度和良好的环境适应性的技术要求，设计一种新的大应变传感器结构并探索新的大应变柔性复合材料. 同时建立大型应变敏感机构调制模型，设计敏感系统组成模型，材料功能匹配设计，过程系统匹配设计和读出电路设计等. 基于设计的制备技术研究. 大型应变传感器的测试应用技术研究是基于大型应变传感器的理论设计. 准备了具有不同结构的大型应变传感器的原理样本. 建立了大型应变特性测试系统，以测试传感器的大型应变灵敏度性能和环境适应性.

基于此，对大型应变传感器的设计和过程进行了优化. 本文的研究工作从以上三个主要方面入手. 目的是制备具有良好线性特性，高分辨率，低磁滞，可重复性和环境适应性的小型大应变传感器，并检测系统中的大应变传感器. 为该方面的初步应用提供依据. 本文的主要内容和结构体系如下. 第1章总结了大应变监测的重要性和必要性. 它还总结了大型应变传感器在不同领域的应用. 介绍了大型应变传感器的研究动态. 总结了结构大应变传感器的基本组成，原理和研究现状，总结了不同类型大应变传感器研究的主要问题. 提出了本文需要解决的主要问题，研究思路和内容. 第1章简介23第2章介绍了本文设计的电容，光栅和电阻大应变传感器的基本工作原理. 简要介绍了大型应变传感器性能测试系统以及大型应变传感器的主要分析测试方法. 定义了特征参数. 第3章使用拉出结构设计小型电容式大应变传感器. 建立了单电容器结构模型，并进行了仿真研究. 设计并优化了单电容器和双电容器结构以及电容信号读出电路. 基于大应变灵敏度性能测试，比较并分析了敏感结构对传感器大应变性能的影响. 测试并分析了环境温度对双电容传感器零位的影响.

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