[發明專利]一種用于裂隙監測的壓阻傳感器及其制備方法

有效

• 申請號: 202110389657.1
• 申請日: 2021-04-12
• 公開（公告）號: CN113504266B
• 公開（公告）日: 2022-10-04
• 發明（設計）人: 鮑同樂;陳旻;閆祺瓏;婁翔;王宗榮;范宏;董亞波
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01N27/04
• 分類號: G01N27/04;G01N15/08;G01B7/14
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 萬尾甜;韓介梅

本發明公開了一種用于裂隙監測的壓阻傳感器及其制備方法，所述壓阻傳感器包括壓敏單元、彈簧單元及將整個器件進行封裝的封裝層，所述的壓敏單元由壓敏材料層及設于壓敏材料層兩側的電極層構成的三明治結構，所述彈簧單元為由若干彈簧構成的彈簧陣列，彈簧陣列的一端與壓敏單元接觸，另一端與封裝層接觸；所述的壓敏材料層由導電水凝膠制得，且表面具有微結構。本發明的壓阻傳感器，利用彈簧陣列結合壓敏單元不僅保證監測的靈敏度且實現了在不同裂隙尺寸上的監測范圍能力，不僅質輕、可靈活組裝、無損安裝并可以同時進行同步實現動態監測，為文物縫隙的健康監測提供一種新的解決思路，具有重大的歷史意義和應用前景。

技術領域

本發明屬于裂隙監測技術領域，涉及一種用于裂隙監測的壓阻傳感器及其制備方法，具有量程擴展性好、高靈敏度，適宜用于小尺寸裂隙監測的特點。

背景技術

目前，國內外已經提出了許多技術來檢測不同場景的裂隙，大致上可以分為嵌入式與外置式兩種，其中嵌入式包括塞尺、分布式光纖等。其中塞尺的精度有限，并且測試單元硬度較高，不可避免地在測量過程中造成更多無法恢復的損壞。分布式光纖傳感技術雖然可以實現高精度和高速檢測，但是傳感器以及供電模塊需預埋于被測對象中，也明顯地不適用于文物監測。對于外置式的，包括激光位移傳感器或者圖像處理方法，不但難以實現實時監測、價格昂貴而且數據來源依賴于外部體積較大笨重的激光光源或光學顯微鏡等相應的探測設備。這樣在一些博物館或景區，不但影響文物的景觀而且也會帶來安全隱患?？梢娔壳耙呀洀V泛研究和應用的手段都無法直接應用于文物裂隙監測。近來質輕柔軟的傳感器顯示出了極大的優勢，比如柔軟不會對文物造成創傷，可以實現無損安裝，也不會影響觀瞻。近來，國內外的發展均傾向于無損輕便實時探測，柔性壓阻或者電容應變傳感器的研究正在逐年增加。然而目前也存在面積過大且需要固定于表面的問題，不但影響觀瞻而且對固定方法仍然提出了較高要求。因此綜上，如果有一種質輕、高靈敏度、無損安裝并可以同時進行同步實現動態監測的傳感器必將受到文物監測領域的青睞，可以為文物縫隙的健康監測并評估是否需要及時修復提供新的解決思路，具有重大的歷史意義。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種用于裂隙監測的壓阻傳感器及其制備方法，該壓阻傳感器質輕、靈敏度高且量程擴展性好，尤其適用于古建筑裂隙的實時監測。

本發明的技術方案如下：

用于裂隙監測的壓阻傳感器，包括壓敏單元、彈簧單元及將整個器件進行封裝的封裝層，所述的壓敏單元由壓敏材料層及設于壓敏材料層兩側的電極層構成的三明治結構，所述彈簧單元為由若干彈簧構成的彈簧陣列，彈簧陣列的一端與壓敏單元接觸，另一端與封裝層接觸；所述的壓敏材料層由導電水凝膠制得，且表面具有微結構。

上述方案中，具有微結構的壓敏材料層是將導電水凝膠在特制模具中固化脫模形成，所述特制模具是采用針陣列在機械壓力的作用，在130℃條件下，通過10-50KPa的壓力作用于聚碳酸酯板，得到模板，在該模板上分布有凹坑陣列，凹坑形狀為半橢球形狀。

進一步的，所述半橢球形狀的凹坑的離心率e范圍為0.80-0.98，高度為7-20μm。

進一步的，在所述壓阻傳感器預載50g載荷力時，其器件厚度范圍為1-2mm。其中彈簧陣列中彈簧勁度系數、壓敏單元及封裝材料應配合實現上述條件，可實現壓敏層在小位移范圍內保持高彈性的同時器件量程得到很好的擴展。

進一步的，所述的導電水凝膠的制備方法如下：

將丙烯酰胺單體、丙烯酸單體和氯化鎳溶解在去離子水中，然后加入化學交聯劑N,N-亞甲基雙丙烯酰胺，再滴入催化劑四甲基乙二胺溶液，全部溶解后得到溶液a，放入真空干燥箱進行排氣泡；

將羧甲基羥乙基纖維素溶解于去離子水中，得到溶液b；

將溶液a和溶液b混合，最后加入引發劑過硫酸鉀，得到溶液c，將溶液c放入真空干燥箱中排氣泡，導入模具中，用波長為365nm的紫外光進行引發聚合，時間為1h-3h。