应变作为结构安全评估最为重要的参数之一,反映了系统结构的固有特征。在某些特定的具有大应变甚至超大应变特征的结构检测中,常规的应变检测手段已不能满足要求,因此亟待开发精度高、重复性和稳定性好的小型化大应变传感器。本论文针对某系统蒙皮材料大应变检测的应用要求,基于不同的大应变检测原理,设计并制备了变面积型电容式、莫尔条纹光栅式和复合材料电阻式等不同结构大应变传感器,并进行了信号读出电路的设计与仿真研究;创新性地将抽拉式结构与电阻检测方法结合,研制出满足应用需求的滑道电阻式大应变传感器。其主要内容归纳如下:1.基于变面积型电容传感器的基本原理,分别以氧化铝陶瓷和铬-金合金为电容极板和电极材料,设计制备了抽拉式单/双电容结构的小型大应变传感器(外形尺寸25mm×15mm×15mm),测试并比较分析了其大应变敏感特性。采用有限元分析方法对电容极板宽度和间距等结构参数对大应变特性的影响规律进行了仿真研究,结果表明极板宽度越大,间距越小,器件灵敏度越高。单电容大应变传感器特性测试结果表明:该传感器在0-0.2ε大应变范围内具有良好的线性特性(1.60%FS)和重复性(0.89%FS),同时灵敏度较高(19.06V/ε),迟滞较小(1.17%FS),但分辨率未能满足优于0.5%FS的要求。在此基础上,首次设计了两对定极板和动极板对称的双电容结构大应变传感器,增加了结构稳定性,补偿了环境应力所造成的误差,同时双电容结构和云母介质增加了传感器的初始电容值;采用差分方法设计了信号读出电路,提高了电路测量精度,并抵消了被测电容的零位电容和杂散电容影响。结果表明,其线性度(0.68%FS)、灵敏度(20.39V/ε)、重复性(0.17%FS)和迟滞(0.27%FS)等特性参数均优于单电容结构,同时分辨率满足应用要求;但该传感器零点存在温漂问题,这是因为环境温度对电容结构和介质介电常数均有一定的影响作用。2.基于莫尔条纹测量位移的基本原理,初步设计并制备了抽拉式光栅大应变传感器,并对其大应变特性进行了测试分析。从光栅莫尔条纹系统要求出发,以SFH4680型砷化镓近红外固体发光二极管为光源,M1045型光电二极管阵列为光电探测器;以裂相光栅为指示光栅,采用镀铬工艺,栅距25条线/mm,研究了传感器的装配与调试工艺。采用差分放大电路、辨向电路和计数与显示电路组成传感器信号读出电路;测试结果表明所制备的传感器可测量0-0.2ε的大应变,其脉冲输出与大应变输入具有良好的线性特性(0.82%FS),灵敏度高(627脉冲数/ε),迟滞较小(0.80%FS),但重复性较差(1.94%FS),且分辨率不满足应用要求。从结构设计、制备工艺和电路设计等方面对传感器特性进行了分析,并简要提出了改进方法。3.采用物理共混工艺制备了聚合物/导电填料复合应变敏感材料,研究了材料种类、复合比例等对复合材料大应变敏感特性的影响;运用扫描电镜(SEM)对复合材料微观形貌进行了表征分析,并建立了敏感机理模型。测试结果表明室温硫化硅橡胶/炭黑和聚二甲基硅氧烷(PDMS)/多壁碳纳米管(MWNTs)复合敏感材料均能实现0-0.2ε大应变的测量;当炭黑纳米颗粒体积分数为30%时,复合材料传感器显示出最好的线性特性(R2值为0.9735)和最大的灵敏度(应变系数为2.9),从导电通路理论角度出发建立了“聚集体-链条”应变敏感模型。PDMS/MWNTs复合材料中MWNTs填充量为9wt%时表现出最优的大应变特性(R2值为0.9982,应变系数3.1),基于隧道理论建立了该传感器的敏感模型。初步探索了MWNTs和石墨填充PDMS复合材料的大应变特性,其电阻变化随大应变表现出非线性特性,这是因为MWNTs的远程导电网络和石墨的近程导电网络相互补充,搭建起更加稳定的导电通路和导电网络,从而减缓了电阻的线性增大。4.将抽拉式结构与复合材料电阻检测方法结合,首次设计并制备了新型滑道电阻式大应变传感器,在大应变作用下,通过电刷与复合材料电阻条触点位置的变化改变其电阻值。采用惠斯登电桥测量方式设计了信号读出电路,并运用正反馈电压线性化方法对传感元件的非线性误差进行了一定的修正。其大应变特性测试结果表明该传感器具有良好的线性特性(0.83%FS)和重复性(0.32%FS),较高的灵敏度(20.21V/ε)和较小的迟滞(0.25%FS),分辨率优于0.5%;同时该传感器零点输出受环境温度影响小(温漂系数0.027%FS/℃),完全满足某系统蒙皮材料用小型化、高性能大应变传感器的应用需求。