一种用于裂隙监测的压阻传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种用于裂隙监测的压阻传感器及其制备方法，所述压阻传感器包括压敏单元、弹簧单元及将整个器件进行封装的封装层，所述的压敏单元由压敏材料层及设于压敏材料层两侧的电极层构成的三明治结构，所述弹簧单元为由若干弹簧构成的弹簧阵列，弹簧阵列的一端与压敏单元接触，另一端与封装层接触；所述的压敏材料层由导电水凝胶制得，且表面具有微结构。本发明专利技术的压阻传感器，利用弹簧阵列结合压敏单元不仅保证监测的灵敏度且实现了在不同裂隙尺寸上的监测范围能力，不仅质轻、可灵活组装、无损安装并可以同时进行同步实现动态监测，为文物缝隙的健康监测提供一种新的解决思路，具有重大的历史意义和应用前景。具有重大的历史意义和应用前景。具有重大的历史意义和应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种用于裂隙监测的压阻传感器及其制备方法


[0001]本专利技术属于裂隙监测
，涉及一种用于裂隙监测的压阻传感器及其制备方法，具有量程扩展性好、高灵敏度，适宜用于小尺寸裂隙监测的特点。

技术介绍

[0002]目前，国内外已经提出了许多技术来检测不同场景的裂隙，大致上可以分为嵌入式与外置式两种，其中嵌入式包括塞尺、分布式光纤等。其中塞尺的精度有限，并且测试单元硬度较高，不可避免地在测量过程中造成更多无法恢复的损坏。分布式光纤传感技术虽然可以实现高精度和高速检测，但是传感器以及供电模块需预埋于被测对象中，也明显地不适用于文物监测。对于外置式的，包括激光位移传感器或者图像处理方法，不但难以实现实时监测、价格昂贵而且数据来源依赖于外部体积较大笨重的激光光源或光学显微镜等相应的探测设备。这样在一些博物馆或景区，不但影响文物的景观而且也会带来安全隐患。可见目前已经广泛研究和应用的手段都无法直接应用于文物裂隙监测。近来质轻柔软的传感器显示出了极大的优势，比如柔软不会对文物造成创伤，可以实现无损安装，也不会影响观瞻。近来，国内外的发展均倾向于无损轻便实时探测，柔性压阻或者电容应变传感器的研究正在逐年增加。然而目前也存在面积过大且需要固定于表面的问题，不但影响观瞻而且对固定方法仍然提出了较高要求。因此综上，如果有一种质轻、高灵敏度、无损安装并可以同时进行同步实现动态监测的传感器必将受到文物监测领域的青睐，可以为文物缝隙的健康监测并评估是否需要及时修复提供新的解决思路，具有重大的历史意义。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用于裂隙监测的压阻传感器及其制备方法，该压阻传感器质轻、灵敏度高且量程扩展性好，尤其适用于古建筑裂隙的实时监测。
[0004]本专利技术的技术方案如下：
[0005]用于裂隙监测的压阻传感器，包括压敏单元、弹簧单元及将整个器件进行封装的封装层，所述的压敏单元由压敏材料层及设于压敏材料层两侧的电极层构成的三明治结构，所述弹簧单元为由若干弹簧构成的弹簧阵列，弹簧阵列的一端与压敏单元接触，另一端与封装层接触；所述的压敏材料层由导电水凝胶制得，且表面具有微结构。
[0006]上述方案中，具有微结构的压敏材料层是将导电水凝胶在特制模具中固化脱模形成，所述特制模具是采用针阵列在机械压力的作用，在130℃条件下，通过10
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50KPa的压力作用于聚碳酸酯板，得到模板，在该模板上分布有凹坑阵列，凹坑形状为半椭球形状。
[0007]进一步的，所述半椭球形状的凹坑的离心率e范围为0.80
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0.98，高度为7
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20μm。
[0008]进一步的，在所述压阻传感器预载50g载荷力时，其器件厚度范围为1
‑
2mm。其中弹簧阵列中弹簧劲度系数、压敏单元及封装材料应配合实现上述条件，可实现压敏层在小位移范围内保持高弹性的同时器件量程得到很好的扩展。
[0009]进一步的，所述的导电水凝胶的制备方法如下：
[0010]将丙烯酰胺单体、丙烯酸单体和氯化镍溶解在去离子水中，然后加入化学交联剂N,N
‑
亚甲基双丙烯酰胺，再滴入催化剂四甲基乙二胺溶液，全部溶解后得到溶液a，放入真空干燥箱进行排气泡；
[0011]将羧甲基羟乙基纤维素溶解于去离子水中，得到溶液b；
[0012]将溶液a和溶液b混合，最后加入引发剂过硫酸钾，得到溶液c，将溶液c放入真空干燥箱中排气泡，导入模具中，用波长为365nm的紫外光进行引发聚合，时间为1h
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3h。
[0013]更进一步的，所述溶液a中丙烯酰胺单体、丙烯酸单体的摩尔比为1:1，二者总浓度为10mol/L；镍离子与丙烯酸单体摩尔比为1:1
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2:1；所述N,N
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亚甲基双丙烯酰胺的浓度为0.002
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0.02mol/L；所述的催化剂的加入量为占溶液a体积的4％；所述溶液b中羧甲基羟乙基纤维素的浓度为0.05wt％
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1wt％，且溶液a和溶液b为等体积混合。
[0014]进一步的，所述的导电水凝胶的电导率范围为1.2
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3.0S/m。
[0015]进一步的，所述的封装层为聚酯薄膜材料。
[0016]本专利技术的压阻传感器以高弹性的导电水凝胶复合材料作为基体，在特制的模具中固化后脱模得到表面高度规则的半椭球形微突起构造的层片状的压敏材料层，将该压敏材料层贴置电极后与弹簧阵列层一上一下夹置于封装材料中，得到相应的器件。
[0017]本专利技术的压阻传感器件，利用弹簧的伸缩量程来实现传感器在不同裂隙尺寸上的监测范围能力，总体厚度压缩后可达到1
‑
5mm量程的技术指标，可以弥补单纯的压敏层在裂隙监测量程的不足，组合起来的器件的量程得到了很好的扩展。相比于现有的裂隙传感器，本专利技术的压阻传感器采用三明治式结构，器件中相应的弹簧弹性系数、压敏材料回弹性与电学性能之间相互协调且兼具简易安装性与质轻柔软性，克服了在不同文物场景下其他传统压阻传感器难以应用的缺陷，如相关的嵌入式测试单元硬度较高，不可避免地在安装过程中造成更多无法恢复的损坏，对于外置式测试单元，不但难以实现实时监测、而且会影响文物的景观甚至带来安全隐患。本专利技术的裂隙传感器是一种质轻、可灵活组装、无损安装并可以同时进行同步实现动态监测，为文物缝隙的健康监测提供一种新的解决思路，具有重大的历史意义和应用前景。
附图说明
[0018]图1为本专利技术具有微结构的压敏层脱模过程和不同微结构尺寸示意图。
[0019]图2为本专利技术的用于裂隙监测的压阻传感器结构示意图；其中封装层，电极层，压敏材料层及弹簧阵列如图中所示。
[0020]图3为本专利技术在载荷力为0.5N的条件下，逐步卸载过程中，本专利技术的压阻传感器的灵敏度示意图。
[0021]图4为本专利技术选用不同微结构时灵敏度模拟图。
具体实施方式
[0022]下面将结合附图，对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术的实施例，本领域普通技术人员在没有做出任何创造性劳动前提下获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的
范围。
[0023]实施例1：
[0024]1.称取2g丙烯酰胺、2g丙烯酸，1.331g六水合氯化镍，放置装有10mL去离子水的烧杯a中溶解，加入磁子放在磁力搅拌器上搅拌至固体全部溶解；然后在上述溶液中加入0.008g的N,N
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亚甲基双丙烯酰胺粉末，滴入0.4mL四甲基乙二胺溶液，再次磁力搅拌至固体全部溶解；将配好的溶液放进真空干燥箱中排气10min。称取0.05g的羧甲基羟乙基纤维素溶于装有10mL去离子水的烧杯b中，磁力搅拌至全部溶解。将烧杯b中的溶液导入烧杯a，加入0.04g过硫酸钾粉末，放进真空干燥箱中排气10min。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于裂隙监测的压阻传感器，其特征在于，包括压敏单元、弹簧单元及将整个器件进行封装的封装层，所述的压敏单元由压敏材料层及设于压敏材料层两侧的电极层构成的三明治结构，所述弹簧单元为由若干弹簧构成的弹簧阵列，弹簧阵列的一端与压敏单元接触，另一端与封装层接触；所述的压敏材料层由导电水凝胶制得，且表面具有微结构。2.根据权利要求1所述的用于裂隙监测的压阻传感器，其特征在于，具有微结构的压敏材料层是将导电水凝胶在特制模具中固化脱模形成，所述特制模具是采用针阵列在机械压力的作用，在130℃条件下，通过10
‑
50KPa的压力作用于聚碳酸酯板，得到模板，在该模板上分布有凹坑阵列，凹坑形状为半椭球形状。3.根据权利要求2所述的用于裂隙监测的压阻传感器，其特征在于，所述半椭球形状的凹坑的离心率e范围为0.80
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0.98，高度为7
‑
20μm。4.根据权利要求1所述的用于裂隙监测的压阻传感器，其特征在于，在所述压阻传感器预载50g载荷力时，其器件厚度范围为1
‑
2mm。5.根据权利要求1所述的用于裂隙监测的压阻传感器，其特征在于，所述的导电水凝胶的制备方法如下：将丙烯酰胺单体、丙烯酸单体和氯化镍溶解在去离子水中，然后加入...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲍同乐，陈旻，闫祺珑，娄翔，王宗荣，范宏，董亚波，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：