[發(fā)明專利]一種基于壓致變色效應(yīng)的振動(dòng)可視化傳感器

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910625100.6
• 申請(qǐng)日: 2019-07-11
• 公開（公告）號(hào): CN110426143A
• 公開（公告）日: 2019-11-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳軒;汪堯進(jìn);楊娜娜;汪洋;楊斌;文鑫榮
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G01L1/16
• 分類號(hào): G01L1/16;G01H11/08;G02F1/1514
• 代理公司: 南京理工大學(xué)專利中心 32203
• 代理人: 張玲

本發(fā)明屬于傳感器領(lǐng)域，特別是一種基于壓致變色效應(yīng)的振動(dòng)可視化傳感器。包括柔性襯底、壓電傳感器、整流器和電致變色器件；所述壓電傳感器、整流器和電致變色器件均設(shè)置在柔性襯底上，且壓電傳感器與整流器的交流輸入端連接，整流器的直流輸出端與電致變色器件連接，從而把振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為顏色響應(yīng)。本發(fā)明制備的振動(dòng)可視化傳感器柔性耐彎折，且在彎曲情況下產(chǎn)生的壓電信號(hào)和電致變色信號(hào)接近于平整狀態(tài)時(shí)的數(shù)值，可以完全的貼合在振動(dòng)物體的表面。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于傳感器領(lǐng)域，特別是一種基于壓致變色效應(yīng)的振動(dòng)可視化傳感器。

背景技術(shù)

在我們的日常生活中，振動(dòng)無(wú)處不在，給道路、橋梁和機(jī)器的結(jié)構(gòu)健康以及人們的生命安全帶來(lái)了很多危害，但是對(duì)于壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)仍然具有很大的挑戰(zhàn)。近年來(lái)隨著傳感器技術(shù)的迅猛發(fā)展，基于各種監(jiān)測(cè)技術(shù)的實(shí)時(shí)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)諸如在橋梁、高層建筑等工程領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。其中常見的基于振動(dòng)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)器件有壓電加速度計(jì)，但是壓電加速度計(jì)操作繁瑣耗時(shí)，并且具有高功耗的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所以壓電加速度計(jì)成本昂貴、操作不方便。另外一個(gè)主要挑戰(zhàn)是它們需要高空間分辨率的關(guān)鍵曲線形元件的實(shí)時(shí)多點(diǎn)監(jiān)控。如果能將結(jié)構(gòu)物斷裂或機(jī)器振動(dòng)所產(chǎn)生的機(jī)械能實(shí)時(shí)地通過(guò)壓電器件轉(zhuǎn)換為電能，然后把電能轉(zhuǎn)換為直觀的可讀信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)壓力振動(dòng)的可視化，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患。

目前主要應(yīng)用的壓電傳感器包括剛性鋯鈦酸鉛傳感器、剛性鈮鎂酸鉛傳感器、聚偏氟乙烯傳感器等。對(duì)于前兩種壓電器件，壓電系數(shù)高，能夠產(chǎn)生較大的壓電信號(hào)，但是柔性很差，不能良好的附著在建筑物和機(jī)器的表面；聚偏氟乙烯壓電傳感器具有優(yōu)異的柔性，可以較大角度的彎曲從而貼合在物體表面，但是它的壓電系數(shù)低，產(chǎn)生的壓電信號(hào)小，因此當(dāng)前的壓電傳感器存在精而不柔、柔而不精的缺點(diǎn)。

由于常用的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)傳感器需要高功耗的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，操作不方便，因此需要一個(gè)能耗低的、直觀的、實(shí)時(shí)的反映壓力變化的器件。電致變色傳感器在低電壓下可以產(chǎn)生明顯的顏色變化，變色速度快且能耗低，把壓電傳感器和電致變色器件結(jié)合，可以通過(guò)顏色的變化來(lái)監(jiān)測(cè)外界振動(dòng)的歷史。國(guó)內(nèi)外一些課題組針對(duì)壓電-電致變色效應(yīng)做了很多創(chuàng)新性地工作，例如“A novel approach to electrochromism in WO₃thin film usingpiezoelectric ceramics for power supply”，C.N.Xu,M.Akiyama,P.Sun,andT.Watanabe，Applied Physics Letters，70(13):1639-1640，1997年1月。利用錳摻雜的鋯鈦酸鉛陶瓷作為能源供應(yīng)驅(qū)動(dòng)WO₃薄膜變藍(lán)，用一個(gè)虎鉗往PZT薄片上應(yīng)用一個(gè)30MPa的機(jī)械壓力，產(chǎn)生壓電電壓并施加到WO₃薄膜上面，WO₃薄膜變藍(lán)。該工作只是在實(shí)驗(yàn)上證明了壓電和電致變色效應(yīng)結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)壓力的可視化，由于是在液態(tài)電解質(zhì)環(huán)境下進(jìn)行的，容易發(fā)生電解質(zhì)的泄漏污染，并且所需的外界壓力比較大，因此不能應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。為了克服液態(tài)電解質(zhì)的滲漏問(wèn)題，“A chameleon-inspired stretchable electronic skinwith interactive colour changing controlled by tactile sensing”，Chou,H.H.,etal，Nat Communications，6:8011，2015年8月。鮑哲南課題組采用涂覆單壁碳納米管的聚二甲基硅氧烷(PDMS)作為柔性導(dǎo)電基底，組裝成壓阻式傳感器Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)作為電致變色層與柔性導(dǎo)電基底組裝成可拉伸的電致變色器件，兩者相結(jié)合構(gòu)成觸覺感應(yīng)變色器件。電阻式壓力傳感器將外加壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電阻值，并通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)電壓的大小和方向調(diào)節(jié)器件的顏色。但是該技術(shù)存在一些問(wèn)題，器件需要外加電壓，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)無(wú)源壓力可視化，能耗比較高，并且采用的有機(jī)電致變色材料沒(méi)有無(wú)機(jī)電致變色的變色效率高、變色速度。

因此，對(duì)于振動(dòng)可視化傳感器，既要克服器件剛性的缺點(diǎn)，又要解決所需振動(dòng)壓力大、顏色對(duì)比度小、外加電源能耗高等問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容