基于柔性碳纳米管压阻膜的无线加速度传感器制造技术

本实用新型专利技术涉及一种加速度传感器，属于传感装置技术领域，尤其是一种基于柔性碳纳米管压阻膜的无线加速度传感器，其包括单片机、传感探头、应变电桥、放大电路、AD转换电路以及无线模块，其中，传感探头、应变电桥、放大电路、AD转换电路、单片机顺次连接，无线模块与单片机连接；传感探头为覆有柔性碳纳米管压阻膜的应变梁，柔性碳纳米管压阻膜是在柔性基底上交替沉积聚阳离子和单壁碳纳米管而成；该传感器实现了加速度测量的高灵敏度，结构简单，可远程控制，适用于电梯保护系统、汽车安全气囊等多种应用场合。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种加速度传感器，尤其是一种基于柔性碳纳米管压阻膜的无线加速度传感器，属于传感装置

技术介绍
准确测量绝对加速度值，对国防建设、经济建设和科学研究有着十分重要的意义。 比如，远程洲际弹道导弹、人造地球卫星、宇宙飞船等都在地球重力场中运动，在设计太空飞行器时，也要首先知道准确的加速度数据；此外，与加速度测量相关的传感器在动力机械工业、车船和飞机等交通工具、桥梁和建筑安全监测、科学实验、兵器工业以及在日常生活中都极为有用；每一辆现代的轿车需要的加速度传感器达十数个之多，可见加速度传感器有着重要的市场价值；在汽车安全气囊、导弹引信、电梯保护装置、机器人运动、卫星运动等系统中无一离开加速度的测量。从20世纪40年代初，德国研制了世界第一只摆式陀螺加速度计以后，由于航空、航海和航天领域对惯性测量元件的需求，各种新型加速度计营运而生，其性能和精度也有了很大的完善和提高，但在一些对灵敏度有较高要求的如电梯保护系统，汽车安全气囊等应用场合，现有的加速度传感器仍然存在灵敏度不够高、通讯不便、 难以满足应用需求的弊端。碳纳米管有良好的应力诱导电阻变化特性，可用来作为压阻传感器。在微观角度上，碳纳米管具有独特的电学性能，碳纳米管中的电子波矢是沿轴向的。随网络构型(螺旋角)及直径的不同，单壁纳米碳管中电子从价带进入导带的能隙可从接近零(类金属)连续变化至leV(半导体)，即其导电性可呈金属、半金属或半导体性。因而，纳米碳管的导电性可通过改变管中网络的结构和直径来变化。在宏观角度上，大量碳纳米管均勻密布的薄膜材料也能体现出其微观的性能，当薄膜材料受到外力时，薄膜发生形变使得大量的碳纳米管直径等形态发生变化，从而改变了电阻值，若测出电阻值的变化就可以测得力的大小 F。若在薄膜上粘合一定质量m的重物，可通过牛顿第二定律(F = Hia)测得加速度的大小。鉴于上述情况，能否将碳纳米管敏感材料与传感器的智能检测技术巧妙结合，设计、生产一种新型的加速度传感器以克服上述缺陷，成为本领域技术人员有待解决的技术难题。
技术实现思路
本技术旨在提供一种基于柔性碳纳米管压阻膜的无线加速度传感器，实现了纳米技术、无线通讯技术以及检测技术的有机结合，利用碳纳米管的优良性质提高加速度检测的灵敏度。其所采用的技术方案如下该基于柔性碳纳米管压阻膜的无线加速度传感器主要包括单片机、应变电桥、放大电路、AD转换电路、无线模块以及传感探头，其中，所述传感探头、应变电桥、放大电路、AD 转换电路、单片机顺次连接，所述无线模块与所述单片机连接；所述传感探头为覆有柔性碳纳米管压阻膜的应变梁，所述柔性碳纳米管压阻膜是在柔性基底上交替沉积聚阳离子和单壁碳纳米管而成。优选地，所述单片机采用AT89C52——8位单片机。优选地，所述放大电路中采用AD620AN芯片。优选地，所述AD转换电路采用串行输入串行输出的8位A/D转换器TLC549模块。优选地，所述无线模块中采用NRF24L01芯片。本技术较之现有技术的优点在于(1)碳纳米管具有独特的电学性能，由于碳纳米管薄膜受外力而发生弯曲形变时， 改变能隙，引起其宏观电阻发生较大改变，通过检测其电阻变化来检测所受力的大小，因此单壁碳纳米管薄膜可用作加速度传感器。更重要的是利用纳米技术制作传感器，是站在原子尺度上，从而极大地丰富了传感器的理论，推动了传感器的制作水平，拓宽了传感器的应用领域，同时实现了纳米技术的具体应用；(2)使用了纳米技术传感器的加速度检测仪在灵敏度方面，较市面现有的加速度检测仪有了长足的进步。附图说明图1是本技术的基于柔性碳纳米管压阻膜的无线加速度传感器结构框图图2是单片机1的电路原理图；图3a和图3b是加速度传感探头2及其应变电桥3的原理图；图4是放大电路4的电路原理图；图5是AD转换电路5的电路原理图；图6是无线模块6的电路原理图；图7a和图7b是本技术的电源模块电路原理图；图8是下位机传感器程序流程图；图9是上位机远程控制系统程序流程图。符号说明1单片机 2传感探头 3应变电桥4放大电路 5 AD转换电路 6无线模块具体实施方式专利技术原理基于柔性碳纳米管压阻膜的加速度传感器输出的电信号经过单片机的A/D转换之后，得到与加速度成一定比例的数字量，公式计算后得到实际的加速度值，通过无线模块将测得的加速度数据发送到上位机上显示，可以实现远程实时监测当前加速度值。以下结合附图和实施例对本技术进一步说明如图1所示，该基于柔性碳纳米管压阻膜的无线加速度传感器包括单片机1、传感探头2、应变电桥3、放大电路4、AD转换电路5以及无线模块6，其中，传感探头2、应变电桥 3、放大电路4、AD转换电路5、单片机1顺次连接，无线模块6与单片机1连接；单片机1例如采用AT89C52——8位单片机，并采用MAX708作为电源监控芯片，其电路原理及接线如图2所示。通过此单片机以实现数据的处理、阈值的判断等功能。4传感探头2示意图如图3a所示，该传感探头2为覆有柔性碳纳米管压阻膜的应变梁，柔性碳纳米管压阻膜是在柔性基底(PET)上，通过层层自组装交替沉积聚阳离子 (PDDA)和单壁碳纳米管(SWNT)而成。应变梁一端固定，另一端安装有一定质量的重物。当加速度变化时，重物的惯性迫使应变梁发生形变，从而使得薄膜电阻发生变化。应变电桥3电路原理及接线如图3b所示，其由+9V电池直接供电，Rl = R2 = IOKΩ ；接入传感探头2之后，通过对可调电阻R3的调整可以使得R3 Rl = RO R2 ；此时，V+端与V-端电压差Δν = 0。当传感器电阻RO发生改变时，V+端与V-端电压差Δ V 则发生变化，通常这个变化非常微小，需要借助放大电路的放大才可进行测量。放大电路4电路原理及接线如图4所示，其采用AD620AN芯片作为放大电路核心来放大差模信号、抑制共模信号将AD620AN接入+5V、-5V电源，5管脚接地，2、3管脚分别接入应变电桥的V+、V-输出端；通过调整Rl即可改变放大电路的差模放大倍数。放大增益可由如下公式计算权利要求1.一种基于柔性碳纳米管压阻膜的无线加速度传感器，其特征在于包括单片机(1)、 传感探头(2)、应变电桥(3)、放大电路(4)、AD转换电路(5)以及无线模块(6)，其中，所述传感探头(2)、应变电桥(3)、放大电路(4)、AD转换电路(5)、单片机(1)顺次连接，所述无线模块(6)与所述单片机(1)连接。2.根据权利要求1所述的基于柔性碳纳米管压阻膜的无线加速度传感器，其特征在于，其加速度传感探头(2)为覆有柔性碳纳米管压阻膜的应变梁，所述柔性碳纳米管压阻膜是在柔性基底上交替沉积聚阳离子和单壁碳纳米管而成。3.根据权利要求1所述的基于柔性碳纳米管压阻膜的无线加速度传感器，其特征在于，所述单片机(1)采用AT89C52-8位单片机。4.根据权利要求1所述的基于柔性碳纳米管压阻膜的无线加速度传感器，其特征在于，所述放大电路⑷中采用AD620AN芯片。5.根据权利要求1所述的基于柔性碳纳米管压阻膜的无线加速度传感器，其特征在于，所述AD转换电路(5)采用串行输入串行输出的8位A/D转换器TLC549模块。6.根据权利要求1所述的基于柔性碳纳米管压阻膜的无线加速度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘一剑，陈达，张鲁殷，范士帅，刘梦寒，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：实用新型
国别省市：