CN105043469A - 一种流量传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种流量传感器，其中包括：石墨烯传感元件(1)、两支导线(3)以及柔性载体(2)。所述柔性载体(2)包覆在所述石墨烯传感元件(1)上，两支所述导线(3)分别与所述石墨烯传感元件(1)电连接，且所述导线向所述柔性载体之外引出。所述石墨烯传感元件(1)密封在所述柔性载体(2)中。本发明提供的流量传感器结构简洁，使用方便，且传感元件不与流体直接接触，能够防止流体对传感元件的损害。另一方面，本发明提供了流量传感器的制造方法。

Description

一种流量传感器及其制造方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种用于直接测量液体流量的流量传感器。

背景技术

在液体流量传感器中，最常见的是涡轮传感器。其原理是流动的液体对涡轮产生冲击力带动涡轮旋转，利用涡轮的旋转带动磁铁旋转。进而通过电磁感应产生电流，测量电流的大小以得到水流量的数值。

传统的涡轮传感器在实际使用过程中存在诸多问题。由于涡轮传感器通过机械旋转的方式获取液体的流量信息，所以，机械装置的性能成为影响流量监控准确与否的关键因素。但是，机械设备的老化是不可避免的，例如轴承的老化、磨损等问题。另一方面，因涡轮直接与水接触，水中的化学成分及污垢会给涡轮带来破坏，造成腐蚀、生锈等问题，改变涡轮的转动惯量，使传感器的准确性大幅下降。

所以，为了解决传统流量传感器存在的缺陷，有必要提供一种新型液体流量传感器，利用简洁的方式获取液体流量的信息，无需采用涡轮、电磁感应装置等机械设备，避免由于机械结构的老化和破损造成的测量准确性降低。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种结构简单、使用方便的流量传感器。

根据本发明的第一方面，提供了一种流量传感器，其中包括：

石墨烯传感元件；

两支导线；

柔性载体；

所述柔性载体包覆在所述石墨烯传感元件上，两支所述导线分别与所述石墨烯传感元件电连接，且所述导线项所述柔性载体之外引出。

特别的，所述石墨烯传感元件可以密封在所述柔性载体中，所述石墨烯传感元件可以为纤维状结构。

优选的，所述柔性载体可以为圆柱形结构，所述石墨烯传感元件可以位于所述柔性载体的圆柱轴线位置。

当所述石墨烯传感元件为纤维状结构时，所述导线可以连接在所述石墨烯传感元件的两端。

优选的，所述柔性载体的材料可以是柔性绝缘疏水材料。

另一方面，本发明提供了一种流量传感器的制造方法，其中包括：

步骤A、制备石墨烯传感元件；

步骤B、在所述石墨烯传感元件上连接两支导线；

步骤C、在所述石墨烯传感元件周围形成柔性载体，所述柔性载体将所述石墨烯传感元件完全密封；

所述柔性载体与所述石墨烯传感元件紧密接合，以在所述柔性载体产生形变时，使所述石墨烯传感元件随所述柔性载体一同形变。

本发明还提供了另一种流量传感器的制造方法，其中包括：

步骤A、制备石墨烯传感元件；

步骤B、在所述石墨烯传感元件周围形成柔性载体，所述石墨烯传感元件从所述柔性载体中露出；

步骤C、在所述石墨烯传感元件上连接两支导线；

所述柔性载体与所述石墨烯传感元件紧密接合，以在所述柔性载体产生形变时，使所述石墨烯传感元件随所述柔性载体一同形变。

优选的，所述步骤A的制备石墨烯传感元件还可以包括：

步骤A1、提供氧化石墨烯溶液和凝固浴；

步骤A2、将所述氧化石墨烯溶液滴入所述凝固浴，所述氧化石墨烯溶液滴入时的拖曳轨迹呈线形，生成纤维状结构的石墨烯传感元件；

步骤A3、将生成的石墨烯传感元件从所述凝固浴中取出。

另外，所述氧化石墨烯溶液的浓度可以为10mg/mL，所述凝固浴可以包括溶剂和溶质。所述溶剂是体积比为3:1的水和乙醇溶剂，所述溶质为质量分数为5％的氢氧化钠。

在本发明提供的流量传感器中，石墨烯传感元件不直接与水流接触，柔性载体提供的稳定密封环境既能保护石墨烯传感元件，同时柔性载体自身作为受力元件，能够向传感元件传递作用力。另外，由于柔性载体的疏水性，其可以避免流体对器件的污染。而石墨烯传感元件的电阻随其形变量呈指数变化，可获得高稳定性和灵敏度。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1是本发明具体实施例中提供的流量传感器的结构示意图；

图2是本发明具体实施例中提供的流量传感器的底面示意图；

图3是本发明具体实施例中提供的流量传感器在使用状态的结构示意图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

本发明提供了一种流量传感器，其中包括石墨烯传感元件、两支导线和柔性载体。所述石墨烯传感元件由石墨烯材料构成，所述柔性载体形成在所述石墨烯传感元件周围，包覆在所述石墨烯传感元件上并与其紧密接合，两支导线分别与所述石墨烯传感元件电连接，导线从所述柔性载体外侧引出，将石墨烯传感元件与外部设备连通。所述柔性载体具有良好的弹性，能够在外力作用下产生弯曲、拉伸等变形，所述石墨烯传感元件具有导电性和弹性，其电阻率随自身的形变程度而改变。本发明所述的流量传感器工作原理如下，将所述流量传感器置于流动的液体中，所述柔性载体在液体流动的作用力下发生弯曲和拉伸变形，由于所述柔性载体与所述石墨烯传感元件紧密接合，所述石墨烯传感元件随柔性载体一同产生弯曲和拉伸变形。外部设备通过导线向所述石墨烯传感元件中持续输送电流或信号，当所述石墨烯传感元件的电阻率由于形变产生变化时，外部设备能够检测到流经石墨烯传感元件的电流和信号发生变化，从而计算所述石墨烯传感元件的形变量，进而得到流量传感器所处流体的流量。

在具体实施例中，由于石墨烯传感元件在工作状态时需要通电，所以优选的，所述柔性载体可以将所述石墨烯传感元件完全密封，使石墨烯传感元件不与外界直接接触。所述导线与石墨烯传感元件在所述柔性载体的内部连接，所述流量传感器中的导电部分不会与流动液体接触。但是，本发明并不限制所述柔性载体必须将所述石墨烯传感元件完全密封，在不同的实际使用情况下，所述流量传感器可能只有一部分置于流体中，所以，所述石墨烯传感元件可以从所述柔性载体中伸出，所述导线与所述石墨烯传感元件在所述柔性载体的外部电连接。

如图1所示，所述石墨烯传感元件1优选为纤维状结构，所述纤维状石墨烯传感元件为细长柔软的石墨烯结构，由大量细小的层片状结构连接而成。所述纤维状的石墨烯传感元件1能够在各个方向都具有较大的弯曲程度，并且在一个方向上具有较大的拉伸范围。纤维状石墨烯传感元件1占用的空间相对较小，而且工作时可以随柔性载体2向各个方向发生变形。在优选的实施方式中，可以使用纤维状石墨烯传感器，但是本发明并不对所述石墨烯传感元件1的结构进行限制，本领域技术人员可以根据实际使用情况，采用矩形、方形的石墨烯传感元件1，增强传感器在特定方向上的敏感性。

更进一步的，为了便于所述流量传感器的使用，所述柔性载体2的外形形貌可以是圆柱形结构。当所述柔性载体2为圆柱形时，圆柱体的圆柱面优选作为垂直于液体流动方向的受力面，使用者无需限制柔性载体2的某个特定方向朝向液体的流动方向，只需将柔性载体2的两端固定，使圆柱面垂直于液体流动方向即可。所述柔性载体2的受力面大小为圆柱的纵截面。在使用状态下，可以将所述柔性在体的两端固定，保证所述石墨烯传感元件1的初始状态不产生形变，将所述柔性载体2的圆柱面朝向液体的流动方向。本发明并不限制所述柔性载体2外行形貌，本领域技术人员可以根据实际使用情况，将所述柔性载体2设计成其他形态。例如，为了接受更多液体流动产生的推力从而获得更大的形变，可以将所述柔性载体2设计成矩形板结构，使用时，可以将柔性载体2具有最大表面积的一个面固定面向液体的流动方向。这种结构可以使石墨烯传感元件1产生更大形变，从而使电阻率变化更明显。但这种结构的缺点在于，需要将柔性载体2的一个固定方向面对液体的流动方向，当液体流动方向时常发生变化时，则不适合使用这种结构。圆柱形柔性载体2的实用性更强，安装使用更简便。

当所述柔性载体2为圆柱形结构时，石墨烯传感元件1优选为纤维状结构。纤维状石墨烯传感元件1可以沿所述柔性载体2的长度方向均匀分布在所述柔性载体2中，如图1所示。这种结构能够使所述石墨烯传感元件1与所述柔性载体2具有更高的配合度。更优的，如图2所示，纤维状石墨烯传感元件1可以正好位于柔性载体2的圆柱轴线上，当所述柔性载体2产生弯曲、拉伸时，所述石墨烯传感元件1也能够产生程度完全相同的弯曲和拉伸。本发明并不限制所述柔性载体2的形状和结构，本领域技术人员可以根据实际使用情况将所述柔性载体2设计成矩形板结构或者椭圆柱结构等。例如，当所述柔性载体2为矩形板结构时，所述石墨烯传感元件1可以由平行于柔性载体2的最长边的多条纤维状石墨烯构成。

在本发明所述的流量传感器中，所述导线3需于所述石墨烯传感元件1电连接，使监测电流流过所述石墨烯传感元件1。特别的，当所述石墨烯传感元件1为纤维状结构时，如图1所示，所述导线3可以连接在所述石墨烯传感元件1的两端。这种连接方式能够使传感元件形变产生的电阻变化完全反映在监测电流中，提升流量传感器的精确度。当所述石墨烯传感元件1的机构为矩形或其他形状时，本领域技术人员可以根据预设的弯曲、拉伸的方向在传感元件上选择连接导线3的位置。

特别的，为了增强所述流量传感器对流体流量增减的敏感性，所述柔性载体2的材料可以采用疏水材料。优选的，所述柔性载体2的材料可以是聚二甲基氧烷或其它高分子材料。聚二甲基氧烷为绝缘材料，同时具有疏水性，其可以将石墨烯传感元件1与外部的流体完全隔离，并且可以防止传感器受流体污染的问题。

以柔性载体2为圆柱型、纤维状石墨烯传感元件1位于圆柱轴心位置、导线3连接在石墨烯传感元件1的两端的实施方式为例，如图3所示，图3中N代表流体流动方向，所述流量传感器在使用时两端固定，其主体垂直于流体的流动方向。由于两端被固定，柔性载体2在流体的作用下发生拉伸、弯曲，石墨烯传感器元件1随柔性载体2一同产生拉伸弯曲形变。产生形变的石墨烯传感器元件1的电阻迅速变化，此响应通过连接在传感元件两端的导线3传出，外部设备监测流经传感元件的电流产生的变化，从而得到石墨烯传感器元件1的形变量，推导得出水流量数值。

本发明所述流量传感器的流量计算原理如下：

石墨烯传感元件的原始长度为L；

石墨烯传感元件形变后的长度为L'；

石墨烯传感元件形变后的圆周角为A(弧度)；

L'可以通过圆周角A和原始长度L计算得出：

L′＝A×L/sinA

进而计算得到应变量：

ε＝(L′–L)/L＝A/sinA-1

圆周角A与流速V的关系为：

(12EπR⁴)A/(L³ρ)＝V²

可得到液体流量Q：

Q＝V*S

其中，E为柔性载体2的弹性模量，I为惯性距，R为柔性载体2的截面半径，ρ为流体密度，S为待测流体流经空间的横截面积。

另一方面，本发明还提供了两种制作本发明所述流量传感器的方法。

方法一

本发明提供的一种流量传感器的制造方法包括：

步骤A、制备石墨烯传感元件；

步骤B、在所述石墨烯传感元件上连接两支导线；

步骤C、在所述石墨烯传感元件周围形成柔性载体，所述所述柔性载体将所述石墨烯传感元件完全密封。所述柔性载体与所述石墨烯传感元件紧密接合，当所述柔性载体产生结构变化时，所述石墨烯传感元件随所述柔性载体一同变化。

在方法一中，先将导线连接在所述石墨烯传感元件，而后再在所述石墨烯传感元件的周围形成柔性载体。所述柔性载体可以将所述石墨烯传感元件完全密封，并将传感元件与所述导线连接的位置也密封在柔性载体中。方法一制成的流量传感器的导电部分完全与外界隔离，工作时可以整体置于流体中。

方法二

本发明提供的另一种流量传感器的制造方法包括：

步骤A、制备石墨烯传感元件；

步骤B、在所述石墨烯传感元件周围形成柔性载体，所述石墨烯传感元件从所述柔性载体中露出；

步骤C、在所述石墨烯传感元件上连接两支导线。所述柔性载体与所述石墨烯传感元件紧密接合，当所述柔性载体产生结构变化时，所述石墨烯传感元件随所述柔性载体一同变化。

方法二与方法一的不同在于，先在石墨烯传感元件周围形成柔性载体，所述柔性载体将所述石墨烯传感元件的主体部分包封在其内部，所述石墨烯传感元件有少部分露在柔性载体之外，用于与导线连接。以纤维状石墨烯传感元件为例，所述传感元件的两端可以从所述柔性载体中露出。由于传感元件与导线的连接部分位于柔性载体之外，能够接触流体，所以以方法二形成的流量传感器不适合整体置于流体中的使用方式。本领域技术人员也可以在方法二之后再对暴露在外的石墨烯传感元件和导线进行密封。

特别的，所述石墨烯传感元件为纤维状结构，方法一和方法二的步骤A还可以包括：

步骤A1、提供氧化石墨烯溶液和凝固浴；

步骤A2、将所述氧化石墨烯溶液滴入所述凝固浴，所述氧化石墨烯溶液滴入时的拖曳轨迹呈线形；

步骤A3、将生成的石墨烯传感元件从所述石墨烯凝固液中取出。

所述氧化石墨烯溶液在凝固浴中会发生还原反应，氧化石墨烯得到还原，在凝固浴中聚集形成石墨烯结构。将所述氧化石墨烯溶液以线形拖曳的形式滴入凝固浴中，可使还原形成的石墨烯结构线形生长，形成纤维状结构。最后，将生成的石墨烯结构从凝固浴中取出。

优选的，所述柔性载体采用聚二甲基硅氧烷制成。具体的，在方法一的步骤C或方法二的步骤B中，可以将所述石墨烯传感元件的两端拉直，固定在浇注模具中，在浇注模具中浇注聚二甲基硅氧烷。所述聚二甲基硅氧烷在模具中凝固后形成柔性载体，包封在所述石墨烯传感元件的周围，与其紧密结合。

特别的，所述氧化石墨烯溶液的浓度可以是10mg/mL，所述凝固浴包括溶剂和溶质，所述溶剂可以是体积比为3:1的水和乙醇混合溶剂，所述溶质可以为质量分数为5％的氢氧化钠。所述凝固浴用于还原、聚集所述氧化石墨烯溶液中的石墨烯。

本发明提供的流量传感器对液体流量的变化具有灵敏的反应机制，所述石墨烯传感元件的电阻变化随形变量呈指数变化，能够对流量的微小改变做出响应。另一方面，本发明的流量传感器结构简单，便于使用，其中没有复杂的机械结构，避免了结构老化造成的准确性下降。

虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种流量传感器，其特征在于，包括：

石墨烯传感元件(1)；

两支导线(3)；

柔性载体(2)；

所述柔性载体(2)包覆在所述石墨烯传感元件(1)上，两支所述导线(3)分别与所述石墨烯传感元件(1)电连接。

2.根据权利要求1所述的流量传感器，其特征在于，所述石墨烯传感元件(1)密封在所述柔性载体(2)中。

3.根据权利要求1或2所述的流量传感器，其特征在于，所述石墨烯传感元件(1)为纤维状结构。

4.根据权利要求3所述的流量传感器，其特征在于，所述柔性载体(2)为圆柱形结构，所述石墨烯传感元件(1)位于所述柔性载体(2)的圆柱轴线位置。

5.根据权利要求3所述的流量传感器，其特征在于，所述导线(3)连接在所述石墨烯传感元件(1)的两端。

6.根据权利要求1所述的流量传感器，其特征在于，所述柔性载体(2)的材料是柔性绝缘疏水材料。

7.一种流量传感器的制造方法，其特征在于，包括：

步骤A、制备石墨烯传感元件(1)；

步骤B、在所述石墨烯传感元件(1)上连接两支导线(3)；

步骤C、在所述石墨烯传感元件(1)周围形成柔性载体(2)，所述柔性载体(2)将所述石墨烯传感元件(1)完全密封；

所述柔性载体(2)与所述石墨烯传感元件(1)紧密接合，以在所述柔性载体(2)产生形变时，使所述石墨烯传感元件(1)随所述柔性载体(2)一同形变。

8.一种流量传感器的制造方法，其特征在于，包括：

步骤A、制备石墨烯传感元件(1)；

步骤B、在所述石墨烯传感元件(1)周围形成柔性载体(2)，所述石墨烯传感元件(1)从所述柔性载体(2)中露出；

步骤C、在所述石墨烯传感元件(1)上连接两支导线(3)；

所述柔性载体(2)与所述石墨烯传感元件(1)紧密接合，以在所述柔性载体(2)产生形变时，使所述石墨烯传感元件(1)随所述柔性载体(2)一同形变。

9.根据权利要求7或8所述的制造方法，其特征在于，所述步骤A的制备石墨烯传感元件(1)包括：

步骤A1、提供氧化石墨烯溶液和凝固浴；

步骤A2、将所述氧化石墨烯溶液滴入所述凝固浴，所述氧化石墨烯溶液滴入时的拖曳轨迹呈线形，生成纤维状结构的石墨烯传感元件(1)；

步骤A3、将生成的石墨烯传感元件(1)从所述凝固浴中取出。

10.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于，所述氧化石墨烯溶液的浓度为10mg/mL，所述凝固浴包括溶剂和溶质；

所述溶剂是体积比为3:1的水和乙醇溶剂；

所述溶质为质量分数为5％的氢氧化钠。