【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及地下管道系统结构健康监测领域，具体涉及一种用于地下管道系统结构健康监测的法兰垫片。
技术介绍
1、随着城市化进程的加快，地下管网系统在城市运转中承载着越来越关键的作用，而日益庞杂的地下管网在状态监测及故障排查方面存在极大的挑战。由于深埋地下无法得到有效的视觉图像信息，针对地下管道的损伤评估比其他基础设施构件更为复杂。
2、目前针对地下管道结构健康监测的研究主要基于附加装置，例如利用压电换能器的机电阻抗分析、利用布拉格光纤光栅(fbg)的光谱分析、利用磁化设备或阵列磁场的漏磁检测等。但这类附加装置对地下管网系统的设计排布造成了极大的困扰，需要进行额外的结构设计，大大提高了管网排布成本，不具备工程适用性。因此，利用多功能响应材料，设计自感知传感方案，是实现地下管道实时监测的新兴方法。
3、根据相关研究，地下管道故障的原因包括管材老化、地质土层腐蚀、管材配件与管道不匹配、施工质量不达标、管网压力波动剧烈、地质环境变化等，既包含管材破损等物理因素，也包含诸如土壤腐蚀、环境温湿度等化学因素，因此在进行地下管道故障排查时，需要从多维度综合考量。而根据管网系统破损部位的统计数据，管段接口部位故障比例高达80％(包括阀门、接头、三通等)，这主要是因为接口部位为应力集中点，当出现管材形变、土层沉降等情况时易松动甚至破裂，从而影响管网系统的正常运转。在故障发生的过程中，接口部位波动最剧烈的两个物理变量即是应力与湿度。当接口出现松动或者破裂时，接口部位的应力分布无疑会发生巨大的变化，而当出现化学腐蚀、雨水渗透或者
4、目前针对地下管道智能感知技术的研究还留有空白，因此希望能够针对故障频发的接口部位，设计一款具备多模态感知能力的法兰垫片，替换原有的法兰垫片部件，在不添加额外设备的情况下实现对地下管网系统的状态监测与故障排查，解决当前地下管网系统状态监测困难的实际工程问题。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提出一款具备多模态感知功能的法兰垫片，以实现地下管网系统的实时结构健康监测。
2、本专利技术一方面提供了一种用于地下管道系统结构健康监测的法兰垫片，包括三个组件：传感单元、外形填充层和金属信号线；
3、所述传感单元呈四层结构，自下而上分别为具有微流道结构的柔性衬底、导电复合材料形成的导电层、表面涂覆湿敏薄膜的多孔敏感层和顶层保护层；其中，所述微流道结构为螺旋叉指型电极结构；导电层嵌入在柔性衬底的微流道结构中，导电层的两侧连接金属信号线；所述金属信号线用于传感单元独立电信号的输出；
4、所述外形填充层呈圆环型，且沿圆环周向均匀设置有多个用于镶嵌传感单元的通孔；所述传感单元设置在所述通孔内，所述传感单元的数量大于等于。
5、所述外形填充层的高度小于传感单元的高度，保证传感单元的应力感知能力。
6、进一步地，所述外形填充层的高度小于传感单元的高度，保证传感单元的应力感知能力。
7、本专利技术还提供一种用于地下管道系统结构健康监测的法兰垫片的制备方法，包括以下步骤：
8、步骤1、传感单元柔性衬底所用模具的设计与制作：设计螺旋叉指型电极结构的光刻图案，将其加工为菲林胶片；经过前烘、软烘、曝光、后烘、冲洗和硬烘步骤得到具有螺旋叉指图案的光刻模具；
9、步骤2、底层柔性衬底的制备：将混合均匀的液相pdms倾倒在步骤1得到的具有螺旋叉指图案的光刻模具上，在匀胶机作用下形成均匀薄面；随后抽除内部气泡后置于热板上加热至固化，剥离后得到具有微流道结构的柔性衬底；其中，混合均匀的液相pdms中的硅烷预聚物：交联剂的质量比为10:1；
10、步骤3、顶层保护层的制备：将混合均匀的液相pdms倾倒在干净的硅片上，在匀胶机作用下形成均匀薄面；随后抽除内部气泡后置于热板上加热至固化，得到一层均匀薄膜，即为顶层保护层；其中，混合均匀的液相pdms中的硅烷预聚物：交联剂的质量比为10:1；
11、步骤4、导电复合材料cb/pdms的制备：先将硅烷预聚物与甲苯混合，磁力搅拌后得到混合物i；同时将cb颗粒与甲苯混合，超声分散至cb颗粒完全溶于甲苯，得到混合物ii；将混合物i与混合物ii均匀混合，磁力搅拌后缓慢加热至甲苯完全挥发，随后滴加交联剂，得到粘稠状的稳定的导电复合材料；其中，cb颗粒为炭黑颗粒；
12、步骤5、在去离子水中加入go粉末，超声分散后得到稳定的go分散液；再加入c60粉末，超声分散后得到均匀的c60/go溶液；其中，go为氧化石墨烯，c60为富勒烯；
13、步骤6、多孔敏感层的制备：将白砂糖颗粒倒入高压釜中压平，加热至白砂糖颗粒表面熔融后缓慢降温，使得白砂糖颗粒固化成型为糖饼；将糖饼浸入pdms/甲苯溶液中使其内部空隙被完全填满，浸没一段时间后取出加热至固化，得到pdms填充的糖饼；随后将糖饼浸没在去离子水中进行水浴加热，待白砂糖颗粒完全溶解后得到多孔pdms；将多孔pdms冲洗干净并室温干燥后，浸没在c60/go溶液中，静置至多孔pdms表面均匀粘附一层黑色薄膜，取出后室温干燥，随后用去离子水冲洗干净后再室温干燥，得到表面涂覆湿敏薄膜的多孔敏感层；其中，pdms/甲苯溶液中硅烷预聚物：交联剂：甲苯的质量比为10:1:20；
14、步骤7、传感单元的组装制备：将粘稠状的稳定导电复合材料cb/pdms刮涂进柔性衬底的微流道结构内，并在两侧插入金属信号线，利用pdms液/固相之间的自粘附性质实现导电层、金属信号线和柔性衬底的无缝稳固组装，随后在柔性衬底上表面与顶层保护层下表面均匀涂覆一层液相pdms，使柔性衬底和顶层保护层分别与多孔敏感层实现自粘附稳定组装；
15、步骤8、法兰垫片的组装制备：制备法兰垫片的亚克力模具，模具内部为法兰垫片的凹版图案，将多个高度相等的圆柱体均匀分散在图案中央，圆柱体与传感单元直径相等，随后倒入pdms并加热固化，得到存在多个圆形通孔的外形填充层；在通孔内部均匀涂抹一层液相pdms，并将传感单元嵌入，加热固化后在导电层的两侧连接金属信号线，即可形成最终的法兰垫片。
16、本专利技术还进一步提供一种所述法兰垫片的地下管道系统结构健康监测方法，包括以下步骤：
17、步骤1、地下管道构建阶段，将法兰垫片安装在管道接口处，对每个法兰垫片配置一个电信号读取芯片，读取法兰垫片传感数据，法兰垫片传感数据包括每个传感单元的阻抗信息r-x与电容信息c，并间隔一定管段设置一个信号发射站点，通过发射站点将法兰垫片传感数据上传至终端处理器；
18、步骤2、当地下管道发生不可知故障后，故障区域的法兰垫片传感数据会发生本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于地下管道系统结构健康监测的法兰垫片，其特征在于，包括三个组件：传感单元(1)、外形填充层(2)和金属信号线(3)；
2.根据权利要求1所述的用于地下管道系统结构健康监测的法兰垫片，其特征在于，所述外形填充层(2)、柔性衬底(4)和顶层保护层(7)均由柔性PDMS材料构成；导电层(5)由导电复合材料CB/PDMS填充在柔性衬底的微流道结构内构成，多孔敏感层(6)由涂覆湿敏薄膜C60/GO的PDMS泡沫结构构成；其中，PDMS为聚二甲基硅氧烷，CB/PDMS为炭黑/聚二甲基硅氧烷，C60/GO为富勒烯/氧化石墨烯。
3.根据权利要求1所述的用于地下管道系统结构健康监测的法兰垫片，其特征在于，所述外形填充层(2)的高度小于传感单元(1)的高度，保证传感单元的应力感知能力。
4.一种权利要求2所述用于地下管道系统结构健康监测的法兰垫片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述用于地下管道系统结构健康监测的法兰垫片的制备方法，其特征在于，所述步骤4中，硅烷预聚物与甲苯的质量比为1:1，CB颗粒与甲苯质量比为1:
6.一种基于权利要求1所述法兰垫片的地下管道系统结构健康监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
7.根据权利要求6所述的法兰垫片的地下管道系统结构健康监测方法，其特征在于，当外界环境的相对湿度与应力发生变化时，多孔敏感层会受力压缩或吸附水分子，引起传感单元边缘电场介电环境的变化，导致法兰垫片传感数据的波动，包括每个传感单元的电容信息与电阻抗信息，根据法兰垫片中每个传感单元的数据雷达图可绘制整体的应力分布热力图、相对湿度分布热力图，最终判断当前的实时环境参量。
...【技术特征摘要】
1.一种用于地下管道系统结构健康监测的法兰垫片，其特征在于，包括三个组件：传感单元(1)、外形填充层(2)和金属信号线(3)；
2.根据权利要求1所述的用于地下管道系统结构健康监测的法兰垫片，其特征在于，所述外形填充层(2)、柔性衬底(4)和顶层保护层(7)均由柔性pdms材料构成；导电层(5)由导电复合材料cb/pdms填充在柔性衬底的微流道结构内构成，多孔敏感层(6)由涂覆湿敏薄膜c60/go的pdms泡沫结构构成；其中，pdms为聚二甲基硅氧烷，cb/pdms为炭黑/聚二甲基硅氧烷，c60/go为富勒烯/氧化石墨烯。
3.根据权利要求1所述的用于地下管道系统结构健康监测的法兰垫片，其特征在于，所述外形填充层(2)的高度小于传感单元(1)的高度，保证传感单元的应力感知能力。
4.一种权利要求2所述用于地下管道系统结构健康监测的法兰垫片的制备方法，其特征在于，包括以下...
【专利技术属性】
技术研发人员：侯迪波，曹云琦，池豪镇，朱梓荧，黄平捷，张光新，张宏建，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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