Создание и исследование статических показаний гибкого тензометрического датчика на основе токопроводящих порошков

В статье «Математическая модель для гибких тензодатчиков на основе токопроводящих порошков» [1] была описана математическая модель для гибкого тензометрического датчика на основе токопроводящих порошков. Для её проверки необходимо создать тестовый образец, с помощью которого получим зависимость сопротивления R от удлинения l.

Перед началом создания датчика был проведён поиск необходимых материалов. В ходе поисков для матрицы был выбран литьевой силикон с твёрдостью Шора равной 30 и плотностью 1,08 г/см³, так как его физико-механические свойства подходят под наши потребности, для наполнителя были выбраны порошки из: меди, алюминия и графита, из-за их электрических свойств. Так как было необходимо выбрать мелкодисперсные токопроводящие порошки, были выбраны следующие марки: медный порошок ПМР; алюминиевая пудра ПАП-1; графит литейный ГЛ-1.

После подбора материалов необходимо было создать литьевую форму. В программе «КОМПАС-3D» была создана литьевая форма, представленных на рисунке 1, с рабочей зоной 10×63×2 мм. После этого литьевая форма была создана с помощью 3D принтера.

Рис. 1. Модель форма для заливки датчиков

Для создания датчика необходимо рассчитать отношение силикона и токопроводящих порошков. Для этого необходимо знать насыпную плотность порошков. По ГОСТ 4960-75 «Порошок медный электролитический. Технические условия.» насыпная плотность медного порошка составляет 4 г/см³, по ГОСТ 5494-95 «Пудра алюминиевая. Технические условия.» насыпная плотность алюминиевой пудры составляет ~ 0,22 г/см³, по ГОСТ Р 50019.1-92 «Графит. Метод определения насыпной плотности.» была получена насыпная плотность графита, рассчитана насыпная плотность по формуле:

(1)

где:

m₁ – масса ёмкости с графитом;

m₂ – масса ёмкости;

V – объём ёмкости;

Насыпная плотность графитового порошка составила 0,87 г/см³.

Для замеса тестовых гибких тензометрических датчиков было взято 4 грамма литьевого силикона, для облегчения смешивания компонента А с компонентом Б. Объём силикона находится по формуле:

(2)

где:

– масса силикона;

– плотность силикона;

Рис. 2. Гибкие тензонометрические датчики на основе графитового, медного и алюминиевого порошков

Затем была рассчитана масса порошка, входящего в гибкий тензометрический датчик, по формуле:

(3)

где:

V – объём силикона;

– насыпная плотность порошка;

n – коэффициент, рассчитываемый по формуле:

(4)

где:

V_пр – объём порошка;

V_сил – объём силикона.

Рис. 3. Зажимы

Для тестовых гибких тензометрических датчиков коэффициент n брался в диапазоне от 1 до 3, так как существовала гипотеза, что объём порошков должен быть равен или больше объёма силикона, а при увеличении объём порошков в более чем 3 раза прогнозировалось существенное ухудшение прочностных характеристик датчика, в том числе размеры зоны упругой деформации.

На первом этапе было изготовлено 6 образцов. Проводя измерение их сопротивления, выяснилось, что при добавлении алюминиевого и медного порошков гибкий тензометрический датчик не проводит электрический ток, в то время при добавлении графитового порошка электрический ток проходит при n равном 3 и не проходит при n равном 1. Из-за этого в дальнейшем опыты проводились только с добавлением графитового порошка.

Рис. 4. Нахождение зависимости сопротивления R от удлинения l при n = 1.0625

Для получения зависимости удлинения от изменения сопротивления были созданы зажимы (рис. 3). Для выявления оптимального коэффициента n применялся метод половинных отрезков. В ходе экспериментов с помощью мультиметра были выявлены коэффициенты n, при которых сохраняются физико-механические свойства и наблюдается проводимость. Из всех тестовых гибких тензометрических датчиков наиболее удачными оказались образцы с коэффициентом n равным 1,125, 1,1875 и 1,0625. Полученные замеры и графики зависимостей представлены в таблицах 1, 2, 3 и рисунках 3, 4, 5. Из полученных зависимостей можно сделать вывод, что наилучшим соотношением силикона с графитовым порошком будет наблюдаться при n = 1.1875.

Таблица 1

Замеры гибкого тензометрического датчика при n = 1.0625

Рис. 5. Зависимость R(l) при n = 1.0625

Таблица 2

Замеры гибкого тензометрического датчика при n = 1.125

Рис. 6. Зависимость R(l) при n = 1.125

Таблица 3

Замеры гибкого тензометрического датчика при n = 1.1875

Рис. 7. Зависимость R(l) при n = 1.1875

Из полученных данных можно сделать вывод о несостоятельности математической модели, представленной в статье «Математическая модель для гибких тензодатчиков на основе токопроводящих порошков». Также в ходе тестов были выявлены рабочие диапазон гибкого тензометрического датчика.