本发明涉及拉力测量领域，具体而言，涉及一种基于石墨烯薄膜的拉力传感器及系统。
背景技术：
拉力是在弹性限度以内，物体受外力的作用而产生的形变与所受的外力成正比。形变随力作用的方向不同而异，使物体延伸的力称“拉力”或“张力”。
现有技术中对拉力的测量主要是通过拉力器进行测量，而拉力器的计算原理是通过公式f＝w/s进行计算得到，其中，f表示拉力，w表示长度，s表示弹簧的弹性系数，
但是，每个拉力器的弹性系数不仅自身材料有关，还与使用时间有关，拉力器在使用一段时间后，会发生一定的形变，使得拉力器的弹性系数发生改变，进而使得对拉力的测量不准确。
技术实现要素：
本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种基于石墨烯薄膜的拉力传感器及系统，以解决现有技术中基于石墨烯薄膜的拉力传感器及系统的问题。
为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供了一种基于石墨烯薄膜的拉力传感器，拉力传感器包括：柔性材料层、石墨烯层、第一电极、第二电极；
石墨烯层设置在柔性材料层的一侧，第一电极和第二电极分别设置在石墨烯层远离柔性材料层一侧的两端，其中，柔性材料层远离石墨烯层的一侧挖设有空腔。
可选地，该拉力传感器还设置有石墨烯片，石墨烯片设置在柔性材料层与石墨烯层之间。
可选地，该石墨烯片设置在柔性材料层的空腔位置。
可选地，该石墨烯片为中部弯折形状，中部弯折形状的石墨烯片的两端分别设置在空腔的腔壁上，弯折位置远离石墨烯层。
可选地，该石墨烯片包括：第一石墨烯片和第二石墨烯片，第一石墨烯片和第二石墨烯片分别设置在在空腔的腔壁上。
可选地，该空腔内设置有锥形凸起，该锥形凸起的锥尖与石墨烯片相对设置。
可选地，该空腔的形状为：圆柱形、球形和“l”形中任意一种。
第二方面，本发明实施例提供了另一种基于石墨烯薄膜的拉力传感系统，基于石墨烯薄膜的拉力传感系统包括：电流表和第一方面任意一项的拉力传感器，电流表的正极与拉力传感器的第一电极电连接，电流表的负极与拉力传感器的负极电连接。
本发明的有益效果是：
本申请通过将石墨烯层设置在柔性材料层的一侧，第一电极和第二电极分别设置在石墨烯层远离柔性材料层一侧的两端，其中，柔性材料层远离石墨烯层的一侧挖设有空腔，当拉力作用在该拉力传感器的两端时，石墨烯层在拉力的作用下体积发生改变，使得该石墨烯层的电阻发生变化，由于该柔性材料层的材料为柔性材料，柔性材料具有一定的延展性，并且柔性材料中间挖设有空腔，更进一步的在拉力作用在该拉力传感器的时候，加大了石墨烯层体积的变化，进而使得该石墨烯层的电阻进一步的发生变化，通过电阻变化与拉力之间的对应关系，可以准确的得到该待测拉力，由于电阻变化与石墨烯层体积有固定的对应关系，则使用电阻测量拉力，使得对拉力的测量更加准确。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明一实施例提供的一种基于石墨烯薄膜的拉力传感器的结构示意图；
图2为本发明一实施例提供的另一种基于石墨烯薄膜的拉力传感器的结构示意图；
图3为本发明一实施例提供的另一种基于石墨烯薄膜的拉力传感器的结构示意图；
图4为本发明一实施例提供的另一种基于石墨烯薄膜的拉力传感器的结构示意图；
图5为本发明一实施例提供的另一种基于石墨烯薄膜的拉力传感器的结构示意图；
图6为本发明一实施例提供的另一种基于石墨烯薄膜的拉力传感器的结构示意图。
图标：10-柔性材料层；11-空腔；12-锥形凸起；20-石墨烯层；30-第一电极；40-第二电极；50-石墨烯片。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一金属板实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1为本发明一实施例提供的一种基于石墨烯薄膜的拉力传感器的结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供了一种基于石墨烯薄膜的拉力传感器，拉力传感器包括：柔性材料层10、石墨烯层20、第一电极30、第二电极40；石墨烯层20设置在柔性材料层10的一侧，第一电极30和第二电极40分别设置在石墨烯层20远离柔性材料层10一侧的两端，其中，柔性材料层10远离石墨烯层20的一侧挖设有空腔11。
该柔性材料层10上设置有石墨烯层20，该第一电极30和第二电极40分别设置在该石墨烯层20上方的两端，好柔性材料层10和石墨烯层20的体积和变面积根据实际需要进行设置，在此不做具体限定，该柔性材料层10远离石墨烯层20的一侧挖设有一空腔11，该空腔11的可以为球形，也可以为柱形，还可以为其他形状在此不做限定，为了方便说明，以该空腔11为圆柱形进行说明，该圆柱形空腔11设置在该柔性材料层10上，并且未将该柔性材料层10分为两部分，当拉力作用在该拉力传感器的两端时，石墨烯层20在拉力的作用下体积发生改变，使得该石墨烯层20的电阻发生变化，由于该柔性材料层10的材料为柔性材料，柔性材料具有一定的延展性，并且柔性材料中间挖设有空腔11，更进一步的在拉力作用在该拉力传感器的时候，加大了石墨烯层20体积的变化，进而使得该石墨烯层20的电阻进一步的发生变化，通过电阻变化与拉力之间的对应关系，可以准确的得到该待测拉力，由于电阻变化与石墨烯层20体积有固定的对应关系，则使用电阻测量拉力，使得对拉力的测量更加准确，需要说明的是，该柔性材料层10的材料为柔性材料，即具有一定弹性形变，在受力之后形状可以恢复的材料，该石墨烯层20的材料为石墨烯。
图2为本发明一实施例提供的另一种基于石墨烯薄膜的拉力传感器的结构示意图，如图2所示，可选地，该拉力传感器还设置有石墨烯片50，石墨烯片50设置在柔性材料层10与石墨烯层20之间。
该石墨烯片50可以为一个完整的石墨烯片50，覆盖在该柔性材料层10与石墨烯层20之间，也可以是多个较小的石墨烯片50拼成一个表面积较大的石墨烯片50，设置在该柔性材料层10与石墨烯层20之间，当石墨烯片50与石墨烯层20之间产生隧穿效应时，拉力将改变石墨烯层20与石墨烯片50之间的接触面积，从而改变该拉力传感器之间的电性，从而更敏感的对拉力进行测量。
名词解释，穿隧效应或量子隧道效应为一种量子特性，是如电子等微观粒子能够穿过它们本来无法通过的“墙壁”的现象。这是因为根据量子力学，微观粒子具有波的性质，而有不为零的机率穿过势障壁。
可选地，该石墨烯片50设置在柔性材料层10的空腔11位置。
该石墨烯片50设置在柔性材料层10上空腔11对应的位置，由于在整个拉力传感器受力的过程中，空腔11位置是形变量最大的位置，则将石墨烯片50设置在柔性材料层10上空腔11对应的位置，使得拉力更多的改变石墨烯层20与石墨烯片50之间的接触面积，从而更大的改变该拉力传感器之间的电性，从而更敏感的对拉力进行测量。
图3为本发明一实施例提供的另一种基于石墨烯薄膜的拉力传感器的结构示意图，如图3所示，可选地，该石墨烯片50为中部弯折形状，中部弯折形状的石墨烯片50的两端分别设置在空腔11的腔壁上，弯折位置远离石墨烯层20。
该石墨烯片50的形状可以是中部弯折形状，将该中部弯折形状的石墨烯片50的弯折部设置在该空腔11位置，即该石墨烯片50向下弯形，在拉力作用下，石墨烯片50与石墨烯层20接触面积发生显著变化，进而使得对拉力的探测更灵敏。并且制备中部弯折形状的石墨烯片50，用粗糙表面压即可，制作方法简单。
图4为本发明一实施例提供的另一种基于石墨烯薄膜的拉力传感器的结构示意图，如图4所示，可选地，该石墨烯片50可以为凹形，即该石墨烯片50两端平行，中间下凹，下凹的位置设置在该空腔11位置，该石墨烯片50的两端分别设置在该空腔11的腔壁上。
图5为本发明一实施例提供的另一种基于石墨烯薄膜的拉力传感器的结构示意图，如图5所示，可选地，该石墨烯片50包括：第一石墨烯片50和第二石墨烯片50，第一石墨烯片50和第二石墨烯片50分别设置在在空腔11的腔壁上。
该石墨烯片50可以包括两部分分别为第一石墨烯片50和第二石墨烯片50，由于单个石墨烯片50的体积较小，能以将柔性材料层10中的空腔11完全覆盖住，将石墨烯片50设置为包括第一石墨烯片50和第二石墨烯片50的两部分，两部分分别具有一定的弯折形状，且分别将该第一石墨烯片50和第二石墨烯片50设置在空腔11靠近石墨烯层20的腔壁上，在拉力作用下，石墨烯片50与石墨烯层20的接触面积也增大显著。
图6为本发明一实施例提供的另一种基于石墨烯薄膜的拉力传感器的结构示意图，如图6所示，可选地，该空腔11内设置有锥形凸起12，该锥形凸起12的锥尖与石墨烯片50相对设置。
该空腔11底部的形状设置为锥形凸起12，该锥形凸起12具体可以为三角锥形凸起，也可以为梯形凸起，还可以为柱形凸起，在此不做具体限定，为了清楚说明，在此以该锥形凸起12为三角形锥形凸起进行说明，当在竖直方向上施加拉力时，石墨烯片50与石墨烯膜的接触面积不同，测的不同的数据。这样，该结构可以在不同拉力下，测得多组拉力数据，判断拉力大小时，使得对垃圾的测量更准确。
图6为本发明一实施例提供的另一种基于石墨烯薄膜的拉力传感器的结构示意图，如图6所示，可选地，该石墨烯片50可以为凹形，即该石墨烯片50两端平行，中间下凹，下凹的位置设置在该空腔11位置，该石墨烯片50的两端分别设置在该空腔11的腔壁上。
可选地，该空腔11的形状为：圆柱形、球形和“l”形中任意一种。
该空腔11的形状可以为圆柱形、还可以为球形，也可为“l”形中任意一种，还可以将具有不同形状空腔11的拉力传感器设置为不同的规格，即设置有圆形空腔11拉力传感器、球形空腔11拉力传感器和“l”形空腔11拉力传感器，对于不同的拉力，可以施加在结构的不同方向，以获得不同的数据，提高了数据准确性。
本申请通过将石墨烯层20设置在柔性材料层10的一侧，第一电极30和第二电极40分别设置在石墨烯层20远离柔性材料层10一侧的两端，其中，柔性材料层10远离石墨烯层20的一侧挖设有空腔11，当拉力作用在该拉力传感器的两端时，石墨烯层20在拉力的作用下体积发生改变，使得该石墨烯层20的电阻发生变化，由于该柔性材料层10的材料为柔性材料，柔性材料具有一定的延展性，并且柔性材料中间挖设有空腔11，更进一步的在拉力作用在该拉力传感器的时候，加大了石墨烯层20体积的变化，进而使得该石墨烯层20的电阻进一步的发生变化，通过电阻变化与拉力之间的对应关系，可以准确的得到该待测拉力，由于电阻变化与石墨烯层20体积有固定的对应关系，则使用电阻测量拉力，使得对拉力的测量更加准确。
第二方面，本发明实施例提供了另一种基于石墨烯薄膜的拉力传感系统，基于石墨烯薄膜的拉力传感系统包括：电流表和第一方面任意一项的拉力传感器，电流表的正极与拉力传感器的第一电极30电连接，电流表的负极与拉力传感器的负极电连接。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种基于石墨烯薄膜的拉力传感器，其特征在于，所述拉力传感器包括：柔性材料层、石墨烯层、第一电极、第二电极；
所述石墨烯层设置在所述柔性材料层的一侧，所述第一电极和所述第二电极分别设置在所述石墨烯层远离所述柔性材料层一侧的两端，其中，所述柔性材料层远离所述石墨烯层的一侧挖设有空腔。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯薄膜的拉力传感器，其特征在于，所述拉力传感器还设置有石墨烯片，所述石墨烯片设置在所述柔性材料层与所述石墨烯层之间。
3.根据权利要求2所述的基于石墨烯薄膜的拉力传感器，其特征在于，所述石墨烯片设置在所述柔性材料层的空腔位置。
4.根据权利要求2所述的基于石墨烯薄膜的拉力传感器，其特征在于，所述石墨烯片为中部弯折形状，中部弯折形状的所述石墨烯片的两端分别设置在所述空腔的腔壁上，所述弯折位置远离所述石墨烯层。
5.根据权利要求2所述的基于石墨烯薄膜的拉力传感器，其特征在于，所述石墨烯片包括：第一石墨烯片和第二石墨烯片，所述第一石墨烯片和所述第二石墨烯片分别设置在所述空腔的腔壁上。
6.根据权利要求2所述的基于石墨烯薄膜的拉力传感器，其特征在于，所述空腔内设置有锥形凸起，该锥形凸起的锥尖与所述石墨烯片相对设置。
7.根据权利要求1所述的基于石墨烯薄膜的拉力传感器，其特征在于，所述空腔的形状为：圆柱形、球形和“l”形中任意一种。
8.一种基于石墨烯薄膜的拉力传感系统，其特征在于，所述基于石墨烯薄膜的拉力传感系统包括：电流表和权利要求1-7任意一项所述的拉力传感器，所述电流表的正极与所述拉力传感器的第一电极电连接，所述电流表的负极与所述拉力传感器的负极电连接。
技术总结