کرنش سنج

1 معرفی

کرنش‌ها را می‌توان توسط حسگرهایی اندازه‌گیری کرد که بر اثر پیزورزیستیو، تغییر فرکانس حالت اساسی تشدیدگر، اثر پیزوالکتریک، تغییر ظرفیت، تغییرات خواص نوری و سایر اثرات متکی هستند. اثرات پیزورمقاومتی شامل تغییرات در مقاومت الکتریکی یک ماده هنگام قرار گرفتن در معرض فشار مکانیکی است. با اعمال یک سیگنال الکتریکی، می توان این تغییرات را اندازه گیری کرد و کرنش را می توان از طریق یک روش کالیبراسیون تعیین کرد. در کرنش سنج های پیزومقاومتی، کرنش با تغییر مقاومت مرتبط است. سنسورهای کرنش سنج فویل فلزی برای اندازه‌گیری کرنش در سطح اجزا یا سازه‌ها استفاده می‌شوند و معمولاً کرنش‌های تا 5 درصد را با فاکتورهای گیج می‌گیرند که عمدتاً به کاهش سطح مقطع و ازدیاد طول مقاومت بستگی دارد و اطراف آن شناور می‌شود. معمولی ترین آلیاژ مورد استفاده در این سنسورها Constantan (55% مس و 45% نیکل) است که حساسیت کرنش نسبتاً بالایی، عدم حساسیت نسبی به دما، مقاومت کافی بالا برای دستیابی به مقادیر مقاومت قابل اندازه گیری، قابلیت های خستگی خوب و کشیدگی نسبتاً بالا را نشان می دهد. با این حال، کنستانتان در دماهای بالاتر از 65 درجه سانتیگراد رانش دائمی را نشان می دهد، که می تواند برای دستیابی به اندازه گیری های کرنش پایدار در طی چند ساعت یا روز مشکل ساز باشد. کرنش سنج های نیمه هادی بر اثر پیزومقاومتی سیلیکون یا ژرمانیوم تکیه دارند و تغییرات مقاومت را با توجه به تنش های اعمالی اندازه گیری می کنند. آنها دقیق، قابل تکرار هستند و دارای یک فاکتور گیج هستند که بیشتر به اثر بخش پیزورزیستیو بستگی دارد که بین 200 تا 500 با توجه به غلظت دوپینگ و جهت شبکه متغیر است. آنها ممکن است غیرخطی قابل توجهی و حساسیت دمای بالاتر را نشان دهند، اما پسماند و خزش را می توان از طریق تکنیک های تصفیه مواد کاهش داد. سایر حسگرها به ویژگی پیزومقاومتی الیاف کربن که تقویت کننده در مواد کامپوزیتی را تشکیل می دهند، تکیه دارند، اگرچه مقاومت پیزوی آنها قابل تنظیم نیست و ممکن است با تعداد قابل توجهی الیاف در ساختارهای مرکب معمولی کاهش یابد. سنسورهای فشار پیزومقاومتی دیگر شامل الیاف کربن در ماتریس‌های پلیمری است که می‌توانند کرنش‌های بزرگ را هنگام نظارت توسط طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمیایی (EIS) در دمای اتاق و پارچه‌های رسانا جذب کنند . نانوسیم‌های سیلیکونی همچنین مقاومت پیزوی بالایی از خود نشان می‌دهند و همچنین برای سنجش کرنش در مقیاس نانو امیدوارکننده هستند. سایر حسگرهای کرنش به ماهیت پیزومقاومتی نانولوله‌های کربنی متکی هستند که در ماتریس‌های پلیمری پراکنده شده‌اند، نانوکامپوزیت‌ها را تشکیل می‌دهند و یک واکنش تغییر کرنش مقاومتی شبه خطی با فاکتورهای گیج بین 200- تا 500- متفاوت نشان می‌دهند. اخیراً، کرنش سنج هایی با استفاده از نانولوله های کربنی، گرافن و سایر نانومواد کربنی در حال توسعه هستند و نوید فاکتورهای گیج بالا را ارائه می دهند. بسیاری از سنسورهای کرنش معمولاً مورد استفاده، به ویژه سنسورهای فیبر نوری، ممکن است ریزساختار ماده را تغییر دهند و برخی ممکن است یکپارچگی آن را با نیاز به بسیاری از سنسورها و تجهیزات پیچیده برای به دست آوردن داده های فشار سنج به خطر بیاندازند. سنسورهای کرنش سنج ایده آل باید کوچکتر از ریزساختار ماده میزبان، کم هزینه، ادغام آسان، بسیار حساس به کرنش، غیر حساس به تغییرات دما و بدون نیاز به تجهیزات اندازه گیری پیچیده یا گران قیمت باشند. در نتیجه، مواد نانومقیاس مانند نانوسیم‌ها و نانولوله‌ها و مفاهیم جدید برای سنجش در مقیاس نانو بسیار امیدوارکننده هستند. با این حال، ادغام آنها در کل ساختار آسان نیست. نخ‌های نانولوله‌های کربنی الیافی در مقیاس میکرو هستند که حاوی هزاران نانولوله کربنی در هم تنیده در سطح مقطع خود هستند و ویژگی‌های مقاومت پیزو را نشان می‌دهند که می‌توان برای سنجش کرنش به آن ضربه زد. استفاده از حسگرهای کرنش سنج شامل نخ CNT ممکن است یک راه عملی و عملی برای اندازه گیری کرنش در مواد پلیمری و کامپوزیت [61-64] و روی سطح همه مواد ارائه دهد. کار ارائه شده در این مقاله بر روی سنسورهای فشار سنج فویل تمرکز دارد که می توانند به سطوح خارجی بچسبند. سنسورهای فشار سنج فویل مبتنی بر مقاومت پیزو معمولاً از یک لایه غشایی پیزومقاومت متصل به یک بستر انعطاف‌پذیر ساخته می‌شوند. این ساختار انعطاف پذیر به عنوان یک مکانیسم سازگار عمل می کند که یک نیروی ورودی را به کرنش و تنش موضعی در لایه پیزومقاومتی تبدیل می کند، به طوری که تغییرات در مقاومت الکتریکی را می توان با استفاده از اثر مقاومت پیزو با کرنش کنترل کرد. لایه پیزومقاومتی را می توان به صورت الکتریکی به پل وتستون متصل کرد تا حساسیت سنسور را بهبود بخشد و اثرات نامطلوب دما را جبران کند. اندازه، هندسه و آرایش نسبی غشای پیزومقاومتی در حسگر به طور قابل توجهی بر عملکرد سنسورهای فشار سنج تأثیر می‌گذارد. به طور معمول، هدف طراحی کرنش سنج به دست آوردن مکان و پیکربندی ماده است که حساسیت آن را به بارگذاری خارجی به حداکثر برساند. این مقاله نتایج ساخت و کالیبراسیون را بر روی گیج های کرنش فویل شامل نخ CNT پیزومقاومتی خلاصه می کند. بخش 2 مفهوم سنسور کرنش سنج فویل و پاسخ مقاومتی پیزو عنصر حسگر، یعنی نخ CNT را ارائه می‌کند. بخش 3 به طور خلاصه نتایج مدل‌سازی پاسخ مقاومتی پیزورزی این سنسورهای کرنش سنج فویل را که منجر به انتخاب نمونه اولیه می‌شود، توضیح می‌دهد. بخش 4 جزئیات ساخت حسگرهای کرنش سنج فویل را شرح می‌دهد. بخش 5 کالیبراسیون سنسورهای فشار سنج فویل و فاکتورهای گیج آنها را توضیح می دهد. بخش 6 نتیجه گیری مطالعه را ارائه می کند.

 

2 مفهوم حسگر و عنصر حسگر آن

شماتیکی از پیکربندی سنسور کرنش سنج فویل شامل لایه پیزومقاومتی حاوی نخ های CNT، بستر متشکل از یک ماده پلیمری و الکترودها در شکل 1 نشان داده شده است. “بلوک ساختمانی” یا پیکربندی اولیه اولیه لایه پیزومقاومتی، آرایشی از نخ های CNT موازی است که در شکل 1 نشان داده شده است. ترتیبات دیگر نخ های CNT نیز از جمله تنظیمات دو طرفه امکان پذیر است. نخ‌های CNT در این مطالعه از کناره‌های آرایه‌های هم‌تراز عمودی با ارتفاع 400 میکرومتر متشکل از نانولوله‌های کربنی متشکل از 2 تا 3 دیواره‌ای که از طریق رسوب‌دهی بخار شیمیایی به کمک آب رشد می‌کنند، چرخانده شدند. نخ های CNT از یک نخ با زاویه تقریبی تاب 30 درجه تشکیل شده است. یک تصویر نوری از قرقره حاوی نخ CNT در شکل 2a و یک تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) از نخ CNT یک رشته ای در شکل 2b نشان داده شده است. این نخ CNT دارای قطری در حدود 30 میکرون با خواص مکانیکی و الکتریکی است که مشابه آنهایی است که در جاهای دیگر ارائه می شود. تقریباً دو سوم نانولوله های کربنی نیمه رسانا و یک سوم دیگر فلزی هستند. نخ های CNT با استون بدون تغییر در شیمی نانولوله ها متراکم شدند. این نخ‌های یک نخ دارای چگالی حدود 0.9 گرم بر سانتی‌متر مکعب هستند که آنها را در محدوده بالایی از چگالی نخ‌ها با پیامدهای مربوطه از نظر مدول الاستیک کششی و استحکام تک محوری بالاتر و مقاومت الکتریکی پایین‌تر قرار می‌دهد. این نخ‌های CNT دارای یک پاسخ پیزومقاومتی هستند که به هندسه و کایرالیته‌های نانولوله‌ها، زاویه پیچش نخ و چندین پارامتر ساختار و بارگذاری نخ دیگر بستگی دارد. ( برای کیفیت بهتر لطفا روی تمامی تصاویر کلیک کنید.)

شماتیک سطح مقطع سنسور فشار سنج فویل

شکل 1. شماتیک سطح مقطع سنسور فشار سنج فویل شامل نخ های CNT. Inset: نمای شماتیک بالای چیدمان نخ های CNT در یک پیکربندی یک جهته

پاسخ الکترومکانیکی نخ CNT بدون محدودیت مورد استفاده در این مطالعه قبلاً با استفاده از چهار اندازه گیری پروب تعیین شده بود. بر اساس نتایج تجربی قبلی، این فرضیه وجود دارد که دو پدیده فیزیکی زیربنایی بر پاسخ الکترومکانیکی نخ‌های CNT حاکم است: (1) کاهش طول تماس بسته‌های نانولوله کربنی با کشیده شدن نخ CNT در طول بارگذاری که منجر به افزایش مقاومت می‌شود و برعکس. افزایش طول تماس دسته‌های نانولوله کربنی در حین تخلیه منجر به کاهش مقاومت می‌شود. و (2) کاهش مقاومت به دلیل لغزش بین لوله / بین بسته ای (حرکت برشی غیرالاستیک) ناشی از شل شدن نخ و اصلاح ساختاری در طول بخش های بارگذاری، و کاهش مداوم مقاومت در حین تخلیه با بازیابی ساختار نخ (رسانا). در نرخ کرنش بالا، اولین پدیده بارگیری و تخلیه غالب است. در مورد نرخ کرنش کمتر، پدیده دوم در حین بارگذاری و پدیده اول در هنگام تخلیه غالب است. این فرضیه ها نیاز به تایید از طریق مدل سازی محاسباتی دارند.

شکل 2. (الف) تصویر نوری یک قرقره با نخ CNT. (ب) تصویر SEM میکروسکوپ الکترونی روبشی از یک نخ CNT یک رشته ای.

3 مدلسازی واکنش پیزومقاومتی کرنش سنج های فویل

یک مدل پارامتریک در Matlab برای طراحی سنسورهای کرنش سنج فویل چهار ترمینالی شامل نخ‌های CNT پیزومقاومتی اجرا شده بود (شکل 1). حساسیت سنسورهای کرنش سنج فویل با تغییر چندین پارامتر هندسی و مواد از جمله شکل و ابعاد سنسورهای کرنش سنج فویل و بار اعمال شده محاسبه شد. به این نتیجه رسیدیم که بالاترین حساسیت را می توان در مورد یک سنسور مربع با نخ های CNT با جهت گیری 70 درجه و تا حد امکان نزدیک به یکدیگر به دست آورد. سنسور فشار سنج فویل به همه کشش ها حساس است، اگرچه بیشترین حساسیت زمانی حاصل می شود که کشش معمولی نسبتاً با جهت نخ CNT همسو باشد. ابعاد سنسور نقش مهمی در حساسیت بازی می‌کند، اگرچه پیکربندی واقعی نخ‌های CNT در حسگر و محل نسبی الکترودهای اندازه‌گیری ولتاژ حیاتی است. فاکتور فاصله، که فاصله نرمال شده(نسبت فاصله بین نخ های CNT و قطر نخ  CNT) و نسبت پواسون نخ CNT  نیز نقش مهمی در حساسیت کرنش سنج فویل ایفا می کند. هر چه ضریب فاصله کمتر و نسبت پواسون بیشتر باشد، حساسیت بالاتر است. نتایج مدل‌سازی نشان می‌دهد که حساسیت این سنسورهای کرنش سنج فویل برای اندازه‌گیری کرنش کافی است و فاکتورهای گیج آنها می‌تواند یک مرتبه بزرگتر از کرنش سنج‌های فویل فلزی باشد.

 

4 ساخت انواع استرین گیج فویل

مجموعه‌ای از حسگرهای مربعی، 2 میلی‌متر در 2 میلی‌متر، با نخ‌های CNT با فاصله یک قطر از هم و با توجه به جهت بارگذاری در 0◦ و 70◦ مرتب شده‌اند، ساخته شده و برای اهداف کالیبراسیون استفاده می‌شود. مفاهیم حسگر دیگری وجود داشت که حساسیت بالاتری از جمله اشکال مستطیلی و پیکربندی‌های دو طرفه را به همراه داشت، اما به دلیل پیچیدگی آنها، در ابتدا تنها مجموعه‌ای از طرح‌های ساده‌تر ساخته شدند. فیلم‌های پلی‌آمید Kapton HNTM با ضخامت 125 میکرومتر به‌عنوان ماده زیرلایه استفاده شد و ریز کانال‌ها (شیارها) برای نخ‌های CNT با استفاده از روش حفاری لیزری برای قرار دادن نخ‌های CNT ایجاد شد. تصاویر و نقشه های نمونه های ساخته شده را می توان به ترتیب در شکل های 3 و 4 مشاهده کرد. چندین پیکربندی برای این میکرو کانال ها از جمله تغییر عرض و فاصله بین آنها در نظر گرفته شد. ماشین کاری فیلم کاپتون برای ایجاد ریز کانال ها با استفاده از یک دستگاه نمونه سازی سریع، یک دستگاه ساختار مدار لیزری (LPKF ProtoLaser U3) انجام شد.  این تجهیزات دارای دیود لیزری خود با طول موج 355 نانومتر، با قطر پرتو قابل تنظیم کمتر 10 میکرومتر، و حداکثر توان حدود 6 وات (معمولاً در فرکانس پالس آلیزر 40 کیلوهرتز) که به 30 میلی‌وات میکرومتر ^-2 می‌رسد، تنظیم شده بود. ماشینکاری بسیار سریع است، اگرچه قدرت ابزار لیزر باید متناسب با کاربرد خاص باشد (0.2 W  در این مورد) . شکل 3 a-c تصاویر نوری یک پیکربندی اولیه زیرلایه را با شیارهایی که در 0◦ جهت دارند نشان می دهد . شکل 3d شامل نتایج پروفیلومتری سطح است که عرض و عمق شیارهای واقعی را نشان می دهد (زبری سطح در این کار بررسی نشده است). شکل 4a,b شماتیک لایه زیرلایه را با شیارهای 70◦ و 0◦ نشان می دهد، که جهت گیری هایی بودند که در نهایت برای ساخت اولین نمونه های اولیه کرنش سنج فویل انتخاب شدند.

شکل 3. بستر فشار سنج فویل با شیارهای جهت 0◦. (الف) تصویر نوری زیرلایه شامل یک حاشیه برای الکترود. (ب) تصویر نوری نزدیک از بستر. (ج) تصویر نوری نزدیک از یک شیار. (د) داده های پروفیلومتر که عرض و عمق هر شیار را نشان می دهد.

شکل 4. شماتیک زیرلایه های فشار سنج فویل که شیارها را نشان می دهد. (الف) شیارهای جهت 70 درجه. (ب) شیارهایی با جهت 0 یا 90 درجه. ابعاد بر حسب میلی متر هستند.

قرار دادن نخ‌های CNT در زیرلایه به دقت نیاز دارد تا اطمینان حاصل شود که لایه پیزومقاومتی فشار سنج فویل مانند لایه زیرلایه‌ای که به ماده میزبان متصل است، تحت فشار قرار می‌گیرد. در ابتدا، از یک صفحه خلاء نگهدارنده بستر ماشین‌کاری شده استفاده شد و سپس نخ‌های CNT با استفاده از موچین‌های دقیق روی هر میکرو کانال قرار گرفتند.  مازاد نخ های CNT با استفاده از قیچی دقیق بریده شد. در اولین نمونه های اولیه کرنش سنج فویل، یکی از شیارهای دیگر با نخ های CNT تکمیل شد. تنظیمات آزمایشی مورد استفاده برای قرار دادن نخ های CNT در زیرلایه در ابتدا در شکل 5 نشان داده شده است. برای چسباندن نخ های CNT به زیرلایه، یک چسب بر روی بستر اعمال می شود. در ابتدا، یک چسب شفاف اپوکسی آرالدیت برای تجسم آسان‌تر نخ‌های CNT در زیرلایه استفاده شد. شکل 6a,d تصاویر نوری نخ های CNT را در شیارهای زیرلایه ساخته شده بر روی فیلم Kapton HN با ضخامت 125 میکرومتر نشان می دهد. مراحل نهایی شامل پر کردن ریز کانال های مرزی با یک ترکیب اپوکسی رسانا برای ایجاد الکترودهای پایانه است.

شکل 5. (الف) تصویر نوری از تنظیمات آزمایشی که در ابتدا برای قرار دادن نخ های CNT در بستری متشکل از یک میکروسکوپ با یک پلت فرم قابل تنظیم و یک اتصال خلاء استفاده شد.  (ب) تصویر نوری نزدیک از پلت فرم قابل تنظیم

عمق نسبی نخ‌های CNT نسبت به زیرلایه نقش مهمی در پاسخ مقاومتی پیزورز حسگر کرنش فویل دارد. تخمین زده می شود که نخ های CNT حدود 80 درصد در عمق شیارهای زیرلایه جاسازی شده اند. این پیکربندی امکان اندازه گیری کرنش را بیشتر در جهت طولی می دهد.

شکل 6. تصاویر نوری از نمونه های اولیه اسکرین سنج فویل: (الف) بستری با چندین نخ CNT که در شیارها با شیب 0◦ قرار گرفته است. (ب) بستری با چندین نخ CNT که در شیارها با شیب 70◦ قرار داده شده است. (ج) بستر با نخ CNT قرار داده شده در شیار (د) نمای نزدیک از بستر با یک نخ CNT منفرد در شیار قرار داده شده است. (ه) گیج کامل که نخ های CNT را در شیارها، لایه چسب روی ناحیه گیج و نقره رسانا را روی الکترودها نشان می دهد.

5 کالیبراسیون کرنش سنج های فویل

یک برنامه آزمایشی برای کالیبره کردن نمونه‌های اولیه کرنش سنج فویل و تعیین هرگونه آرامش پسماند پیزومقاومتی و سایر غیرخطی‌های مواد طراحی شد. تنظیمات تجربی برای تعیین پاسخ الکترومکانیکی سنسورهای کرنش سنج فویل ساخته شده و نتایج مربوطه ارائه شده و در ادامه مورد بحث قرار می‌گیرند. نمونه اولیه فشار سنج فویل با استفاده از یک چسب مبتنی بر سیانواکریلات به یک نمونه استخوان سگ فولادی متصل شد. نمونه فولادی استخوان سگ به طول 82 میلی متر با ابعاد مقطع عرضی به ترتیب 12.5 میلی متر در 3.0 میلی متر بود (شکل 7a.).  نمونه در ابتدا تحت بارگذاری کششی شبه استاتیکی در یک سیستم تست مکانیکی سروو هیدرولیک قرار گرفت. بار ابتدا به صورت یکنواخت افزایش یافت و سپس برای دستیابی به حداکثر کرنش تقریباً 0.4٪ با نرخ جابجایی 300 میکرومتر در دقیقه و نرخ کرنش تقریبی 5.5 × (10^-5) (s^-1) چرخه شد. این الگوی بارگذاری به گونه ای انتخاب شد که نمونه فولاد در رژیم الاستیک خطی خود باقی بماند. یک تا پنج سیکل به عنوان الگوی بارگذاری استفاده شد و این تعداد در ابتدا برای انجام محاسبات فاکتور کرنش سنج و آنالیز پیزومقاومتی کافی تلقی شد. یک کرنش سنج فویل فلزی دقیقاً در همان مکان طولی و در طرف دیگر نمونه فلزی چسبانده شد تا کرنش مستقیماً روی نمونه تعیین شود و آن با نمونه اولیه کرنش سنج فویل در این مطالعه مرتبط شود. یک کارت National Instruments 4072 LCR که بر روی شاسی NI-PXI 1033 نصب شده بود و یک کارت NI 9219 نصب شده بر روی شاسی NI 9178 برای به دست آوردن داده های الکتریکی از نمونه های اولیه نوار فشار سنج فویل و کرنش سنج های فویل فلزی استفاده شد . در نهایت، نرخ‌های اکتساب داده‌های نرم‌افزار کنترل هر دو دستگاه تقریباً 10 هرتز تنظیم شد و جمع‌آوری داده‌های مکانیکی و الکتریکی برای همبستگی فوری و ساده آغاز شد. یک تصویر نوری از این تنظیمات آزمایشی در شکل 7b ارائه شده است.

شکل 7. (الف) تصویر نوری از نمونه فولادی استخوان سگ که با نمونه اولیه فشار سنج فویل ساخته شده است. (ب) راه اندازی آزمایشی مورد استفاده برای کالیبره کردن نمونه های اولیه کرنش سنج فویل.

مقاومت الکتریکی از الکترودهای جانبی (الکترودهای خاکستری در شکل 1) اندازه گیری می شود. از آنجایی که کرنش سنج فویل در این نتایج کالیبراسیون شامل پیکربندی 0-90 ◦ بود، فقط از دو الکترود مخالف در تماس با نخ‌های CNT استفاده می‌شود، اما چهار الکترود را می‌توان برای همه پیکربندی‌های دیگر استفاده کرد. مقاومت اولیه در اولین نمونه های اولیه کرنش سنج فویل حدود 1.2 Ω بود که با مقاومت اولیه آنها قبل از اعمال بارگذاری مطابقت داشت. مقاومت نمونه اولیه کرنش سنج فویل را نیز می توان بر اساس مقاومت هر نخ CNT تعبیه شده در شیارها و طول آنها با استفاده از مدلی از مقاومت ها به صورت موازی تخمین زد. نتایج تجربی شامل همبستگی داده‌های کرنش از گیج کرنش فویل فلزی و داده‌های مقاومت نمونه اولیه کرنش سنج فویل است (شکل 8). شکل 8a تاریخچه تغییر کرنش اعمال شده و مقاومت نسبی را نشان می دهد. داده‌های تغییر مقاومت نسبی با استفاده از فیلترهای غیرخطی دیجیتال و مدل‌های برازش منحنی در ExcelTM و MatlabTM با نویز کاهش یافته و صاف‌تر شدند. نحنی‌های تاریخچه تغییر مقاومت نسبی نشان می‌دهد که نمونه اولیه حسگر کرنش سنج فویل به بارگذاری پاسخ می‌دهد و یک پاسخ چرخه‌ای را نشان می‌دهد که کاملاً از تاریخچه کرنش اعمال‌شده تقلید می‌کند. مدت زمان هر چرخه مشابه چرخه کرنش اعمال شده است (به دست آمده از تاریخچه کرنش گیج کرنش فویل فلزی) و هیچ تاخیری در پاسخ کرنش سنج فویل به طور مداوم در هر چرخه مشاهده نمی شود، همانطور که در شکل 10- 8 نشان داده شده است. در مورد آزمایشات در 300 میکرومتر در دقیقه (5.5 × (10^-5) (s^-1))، تغییر مقاومت نسبی برای حدود 0.04٪ سطوح کرنش به حدود 1٪ می رسد. در چرخه چهارم، کاهش جزئی در پاسخ پیزومقاومتی نمونه اولیه کرنش سنج در شکل 8 مشاهده شد.  بلافاصله تحت بارگذاری چرخه ای اضافی (شکل 9)، مشاهده شد که گیج به طور کامل بازیابی نمی شود و مقاومت غیر صفر نشان می دهد. کل 10 پاسخ پیزومقاومتی نمونه اولیه کرنش سنج فویل را نشان می‌دهد که در معرض نرخ بارگذاری کندتر (150 میکرومتر در دقیقه یا ((2.8 × (10^-5) (s^-1)) است. یک بار دیگر مشاهده شد که مدت زمان و پیک های تاریخ تغییر مقاومت نسبی دقیقاً با تاریخچه کرنش اعمال شده مطابقت دارد.

شکل 8. پاسخ الکترومکانیکی نمونه اولیه کرنش سنج فویل تحت بارگذاری چرخه ای با نرخ جابجایی 300 میکرومتر بر دقیقه: (الف) تاریخچه تغییر کرنش و مقاومت نسبی در طول پنج چرخه بارگذاری-تخلیه. (ب) تغییر مقاومت نسبی در برابر منحنی کرنش اولین سیکل بارگذاری و ضریب گیج مربوطه.

شکل 9. پاسخ الکترومکانیکی همان نمونه اولیه کرنش سنج فویل تحت بارگذاری چرخه ای بعدی با نرخ جابجایی 300 میکرومتر بر دقیقه: (الف) تاریخچه تغییر کرنش و مقاومت نسبی در طول سه چرخه بارگذاری-تخلیه. (ب) تغییر مقاومت نسبی در برابر منحنی کرنش اولین سیکل بارگذاری و ضریب گیج مربوطه.

شکل 10. پاسخ الکترومکانیکی نمونه اولیه کرنش سنج فویل تحت بارگذاری چرخه ای با نرخ جابجایی 150 میکرومتر در دقیقه: (الف) تاریخچه تغییر کرنش و مقاومت نسبی در طول یک چرخه. (ب) تغییر مقاومت نسبی در برابر منحنی کرنش سیکل بارگذاری و ضریب گیج مربوطه.

 

بر اساس این نتایج اولیه، اصلاحات طراحی در کرنش سنج فویل اجرا خواهد شد و یک کالیبراسیون دقیق جدید شامل چندین سطح کرنش و نرخ کرنش بالاتر انجام خواهد شد. به طور خاص، انتظار می‌رود پیکربندی‌های کرنش سنج فویل که شامل نخ‌های CNT همسو با جهت بارگذاری، جداسازی‌های کوچک‌تر بین نخ‌های CNT و الکترودهای بزرگ‌تر باشد، حسگرهای قوی‌تری تولید کند و منجر به درک بهتر پدیده‌هایی مانند فعل و انفعال نخ CNT و چسب و سایر پدیده‌ها شود. که ممکن است تغییر شکل آنها را کنترل کند. فاکتورهای گیج نمونه های اولیه کرنش سنج را می توان با فرض شرایط تنش تک محوری و با استفاده از خواص کشسانی ماده حسگر تعیین کرد:

1

 

که در آن R مقاومت کرنش سنج فویل، ν نسبت پواسون کرنش سنج فویل، ε کرنش طولی، و ρ مقاومت الکتریکی کرنش سنج فویل است. از معادله (1)، می توان مشاهده کرد که ضریب سنج شامل سه ترم است. در کرنش سنج های فویل فلزی، تغییر کسری در مقاومت الکتریکی در مقایسه با اثرات ابعادی ارائه شده توسط دو عبارت اول تقریباً ناچیز است. در مورد نخ های CNT، فاکتورهای گیج را می توان از تغییر مقاومت نسبی در مقابل منحنی های کرنش تحت کشش تعیین کرد. این مقادیر بسته به نرخ کرنش متفاوت است، اما تعیین شد که بین 0.1 و 0.5 برای نخ های CNT بدون محدودیت و بین 1 تا 30 برای نخ های CNT ادغام شده در مواد پلیمری متفاوت است. برای هر دو نخ CNT بدون محدودیت و محدود، نرخ کرنش نقش بسیار مهمی در حساسیت آنها ایفا می کند و نرخ کرنش بالاتر به نفع فاکتورهای گیج بالاتر است.

شایان ذکر است که در مورد نخ های CNT بدون محدودیت و زمانی که نرخ کرنش بسیار کم است (0.001 دقیقه در 1 و کمتر)، یک مقاومت پیزومقاومت منفی وجود دارد که منجر به عوامل گیج منفی می شود. این فاکتورهای گیج همچنین تحت تأثیر تغییر ابعادی زمانی که نسبت پواسون نخ CNT بالا است (6-8)، که در سطوح کرنش بالاتر رخ می‌دهد، و همچنین توسط مقاومت بین لوله‌ای نانولوله‌های کربنی در تماس فیزیکی (مقاومت در تماس) یا با فاصله بین نانولوله ها (مقاومت تونل زنی). ضریب گیج نخ CNT آزاد کمی کمتر از کرنش سنج های فویل فلزی و به طور قابل توجهی کمتر از کرنش سنج های سیلیکونی نیمه هادی است. با این حال، ضریب گیج نخ‌های CNT محدود که در یک محیط پلیمری ادغام شده‌اند، به طور قابل‌توجهی بالاتر و یک مرتبه بزرگتر از کرنش سنج‌های فویل فلزی است. کرنش سنج های فویل شامل نخ های CNT هستند که توسط شیارها و یک پلیمر محدود شده اند، و بنابراین آنها بیشتر شبیه پاسخ پیزومقاومتی نخ های CNT  محدود شده و حساسیت آنها هستند. در این مطالعه، شیب تغییر مقاومت نسبی در مقابل منحنی‌های کرنش در هر سیکل (اعم از بخش بارگیری یا تخلیه) برای تعیین فاکتورهای گیج استفاده می‌شود. شکل 8b منحنی بخش بارگذاری سیکل 1 را نشان می دهد. با استفاده از رگرسیون خطی، ضریب گیج تقریباً 34 تعیین می شود.  آزمایش دیگری که بر روی همان نمونه اولیه کرنش سنج فویل انجام شد به همان ضریب سنج منجر شد که در شکل 9b مشاهده می شود. نرخ بارگذاری و نرخ کرنش در حساسیت کرنش سنج ها نقش دارند و فاکتورهای گیج برای نرخ جابجایی کمتر (150 میکرومتر بر دقیقه) کمتر بوده و به حداکثر مقدار 22 می رسد (شکل 10b). مشخصات الکترومکانیکی نسل بعدی نمونه های اولیه کرنش سنج شامل به دست آوردن اطلاعات بیشتر در مورد زمان های آرامش به خصوص با افزایش تعداد چرخه ها و پهنای باند کرنش دینامیکی آنها برای تعیین اینکه آیا به اندازه کافی بالا هستند که از آنها برای اندازه گیری بیشتر حالت های ساختاری ارتعاش و رویدادهای ضربه استفاده شود، می شود. پایداری کرنش سنج ها در برابر دما برای اطمینان از دستیابی به سطح کرنش مناسب بسیار مهم است. اثرات دما از جمله مقاومت ضریب دمایی این نمونه های اولیه کرنش سنج نیز هنگام کالیبره کردن نمونه های اولیه کرنش سنج فویل تعیین می شود.

6 نتیجه گیری

مفاهیم حسگر کرنش سنج فویل شامل نخ های نانولوله کربنی یک طرفه و موازی در حال توسعه هستند و اولین نتایج تجربی شامل جزئیات ساخت و کالیبراسیون آنها در این مقاله توضیح داده شده است. مدل سازی پاسخ پیزومقاومتی کرنش سنج ها نشان داده بود که حساسیت آنها برای اندازه گیری کرنش کافی است و فاکتورهای گیج آنها به طور بالقوه می تواند از کرنش سنج های فویل فلزی فراتر رود. اولین نمونه‌های اولیه کرنش سنج فویل شامل نخ‌های CNT با توجه به پیکربندی‌هایی که بالاترین حساسیت را بر اساس تلاش مدل‌سازی ارائه می‌دهند، ساخته شدند. نتایج کالیبراسیون نشان می‌دهد که این گیج‌های کرنش فویل به بارگذاری حساس بودند و تاریخچه مقاومت آنها کاملاً با تاریخچه کرنش چرخه‌ای اعمال‌شده هم در اوج و هم در مدت زمان هر چرخه همبستگی دارد. فاکتورهای گیج به طور مداوم یک مرتبه بزرگتر از فاکتورهای کرنش سنج فویل فلزی تعیین شد. محتویات این مقاله نشان‌دهنده نتایج تجربی اولیه در مورد توسعه گیج‌های کرنش فویل شامل نخ CNT پیزومقاومتی است که ممکن است ابزار حساس‌تری برای اندازه‌گیری کرنش‌ها نسبت به فناوری‌های موجود ارائه دهد. بر اساس این نتایج، مفاهیم اولیه نمونه اولیه کرنش سنج فویل ساخته خواهد شد و به منظور افزایش استحکام و حساسیت توسعه خواهد یافت.

:References

What is a strain gauge? | Omega Engineering

Abot, J. L., et al. (2018). “Foil strain gauges using piezoresistive carbon nanotube yarn: fabrication and calibration.” Sensors 18(2): 464.

Anike, J.C.; Belay, K.; Abot, J.L. Piezoresistive response of carbon nanotube yarns under tension: Parametric effects and phenomenology. New Carbon Mater. 2018, 33, 6.

Yin, F.; Ye, D.; Zhu, C.; Qiu, L.; Huang, Y.A. Stretchable, highly durable ternary nanocomposite strain sensor for structural health monitoring of flexible aircraft. Sensors 2017, 17, 2677. [CrossRef] [PubMed]

بدون دیدگاه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.