CN105387927A - 一种新型柔性振动传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种新型柔性振动传感器，包括三维石墨烯和弹性高分子基体，所述三维石墨烯被包覆在弹性高分子基体内部，三维石墨烯的两端设置有导线并穿出弹性高分子基体，导线通过银胶与三维石墨烯连接。本发明能够同时测量静态信号、低频动态信号和高频动态信号，具有频谱宽、制备方法简单经济、操作方便、测试安装简易等优点。
Description
技术领域
本发明涉及新型传感技术领域，尤其是一种新型柔性振动传感器。
背景技术
传感技术是现代测量和自动化系统的重要技术之一，从宇宙探索到海洋开发，从生产过程的控制到现代文明生活，几乎每一项现代科学技术都离不开传感器。力敏传感器的应用非常广泛，遍布航空航天、电子电气、机械、建筑、医疗等领域，柔性力敏传感器因能方便地贴附于各种复杂不规则的表面上，正越来越受到人们的重视，力敏传感器按传感原理分有压阻、压电和压容三种，因压阻式柔性力敏传感器仅需力敏复合材料作为传感单元，具有电极布置灵活，无需复杂的传感结构，工艺简单，成本低等特点，更是人们优先发展的对象。
目前制造压阻式柔性力敏传感器的柔性敏感材料主要有两类，一是在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等柔性衬底上用导电纳米粒子(碳纳米管、银纳米线等)制成敏感薄膜，二是将导电填料(碳黑、碳纳米管、银纳米线等)采用物理或化学方法与聚合物基体复合得到聚合物基力敏复合材料。敏感薄膜型灵敏度高，但对导电粒子纯度要求较高，而且制作工艺复杂，应用范围较窄；聚合物基力敏复合材料灵敏度底于前者，但工艺简单，对导电填料纯度、缺陷等没有严格的要求。这两类压阻式柔性力敏传感器响应频率都较低，只能用于静态测量(如压力检测)及较低频率的动态测量(如脉搏检测)，不能用于高频的动态测量(如高频振动、超声波、冲击波)，而能测量高频的动态信号的压阻式柔性力敏传感器的应用将更广泛。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种新型柔性振动传感器，用于解决现有各类柔性压阻传感器频响较低的问题，使其不仅能够测量静态信号及较低频率的动态信号，同时还能测量高频的动态信号，具有宽频谱、制备方法简单经济、操作方便、测试安装简易等优点。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种新型柔性振动传感器，包括三维石墨烯和弹性高分子基体，所述三维石墨烯被包覆在弹性高分子基体内部，三维石墨烯的两端设置有导线并穿出弹性高分子基体，导线通过银胶与三维石墨烯连接。
进一步的，本发明的新型柔性振动传感器，所述三维石墨烯是利用化学气相沉积法在泡沫镍模板上生长，经过盐酸刻蚀并干燥后得到的。
进一步的，本发明的新型柔性振动传感器，所述弹性高分子基体为聚二甲基硅氧烷。
进一步的，本发明的新型柔性振动传感器，所述弹性高分子基体为热塑性聚氨酯弹性体橡胶。
进一步的，本发明还提出了一种测量外界信号的串联测试电路，包括直流稳压电源、标准电阻、示波器，以及前述的新型柔性振动传感器，其中，直流稳压电源、标准电阻和新型柔性振动传感器串联连接，示波器连接在新型柔性振动传感器的两端。
进一步的，本发明还提出了一种测量外界信号的差分锁相电路，包括直流稳恒电流源、可变电阻、锁相放大器、第一至第三差分放大器，以及前述的新型柔性振动传感器，其中，直流稳恒电流源、可变电阻和新型柔性振动传感器串联连接，第一差分放大器的同相输入端和反相输入端接在可变电阻的两端，第二差分放大器的同相输入端和反相输入端接在新型柔性振动传感器的两端，第一差分放大器和第二差分放大器的输出端分别接在第三差分放大器的同相输入端和反相输入端，第三差分放大器的输出端与锁相放大器连接。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明的新型柔性振动传感器将三维石墨烯复合在弹性高分子基体内部作为传感单元，具有较宽的频谱，可同时测量低频和高频动态信号，具有非常广泛的应用；
2、采用本发明的新型柔性振动传感器只需检测电阻值就能反应出信号的变化，因此具有使用简单、成本低、检测速度快、测试精度高、操作方便等优点；
3、本发明的新型柔性振动传感器只通过压阻效应就能同时测量静态信号、高频和低频动态信号；
4、本发明的新型柔性振动传感器的测试电路采用差分放大提高了测试精度，采用锁相放大提高了测试信号的信噪比。
附图说明
图1为本发明的新型柔性振动传感器的结构示意图；
图2中：(a)为本发明的新型柔性振动传感器的实物图，(b)至(f)为三维石墨烯不同放大倍率的电子扫描显像图，(c)为(b)中的方框区域，(d)至(f)分别对应(c)中的方框区域；
图3为本发明的新型柔性振动传感器测量外界信号的串联测试电路示意图；
图4为本发明的新型柔性振动传感器测量外界信号的差分锁相测试电路示意图；
图5中：(a)为本发明的新型柔性振动传感器粘附在音叉上的实物图，(b)至(f)对应不同频率音叉的实际测试的原始信号；
图6为图5中的(b)至(f)各信号所对应的频谱图；
图7中：(a)为驱动电源信号及对应频谱图，(b)为实际测试的原始信号及对应频谱图。
图中标号的含义为：1：三维石墨烯；2：弹性高分子基体；3：导线。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
首先以泡沫镍作为模板，使用化学气相沉积法(CVD)制备三维石墨烯。将泡沫镍裁剪成所需尺寸大小，置于管式炉中。氢气和氩气混合气体作为载体，无水乙醇作为碳源，制备过程控制在常压下；控制氢气和氩气流速分别在25sccm和50sccm，管式炉以50℃/min升温到1000℃并维持10分钟，对泡沫镍表面进行预处理；然后使用鼓泡器通入乙醇，维持20分钟生长时间。反应结束后，立刻关闭管式炉降到室温。将泡沫镍石墨烯复合物使用浓度10％的盐酸在80℃下刻蚀10小时，刻蚀完毕后使用去离子水清洗三遍，然后置于鼓风干燥箱60℃干燥6小时，取出，即完成了三维石墨烯的制备。
其次配制聚二甲基硅氧烷溶液，使用的聚二甲基硅氧烷是由液体组分组成的双组分套件产品，包括预聚物与固化剂，将预聚物和固化剂按照5:1的体积比配制，用玻璃棒充分搅拌使得两种物质充分混合。将混合好的聚二甲基硅氧烷液体放在真空干燥箱中，保持抽真空状态直至液体中无气泡为止，该过程需要约5-15分钟。
最后在三维石墨烯两端边缘处涂覆银胶并引出导线，干燥之后，将其置于事先做好的模具中，将配制好的聚二甲基硅氧烷溶液缓慢地倾倒入模具中，使三维石墨烯在聚二甲基硅氧烷内部，并达到一定厚度，常温固化，固化后脱模，并按设计要求剪裁成所需的尺寸与形状，至此，完成了振动传感器的制备。由图2可知制备的三维石墨烯为带有孔隙的孔道连通网络结构。
传感材料的基体是弹性的，当压力(静态信号)、脉博(低频动态信号)等外部信号作用于柔性振动传感器上，柔性振动传感器在外力作用下就会发生机械形变，嵌入在基体内的三维石墨烯会产生应变，则三维石墨烯的电阻会发生变化，由于机械形变的时间较长，故对应测试的信号只能是静态信号或动态低频信号，测试三维石墨烯的电阻阻值，就表征了外部信号。
当声波等高频振动信号耦合进柔性振动传感器的基体，在基体中传播至三维石墨烯并与其作用，从而引起三维石墨烯的电阻变化，由于高频振动信号与三维石墨烯的作用非常迅速，且三维石墨烯反应非常灵敏，则三维石墨烯的阻值变化能够与高频振动信号相对应，因此对应测试的信号是动态高频信号，测试三维石墨烯的电阻随时间的变化关系，就表征了声波信号。
图3为测量外界信号的串联测试电路示意图。对于有一定带宽或有多个频率的外界信号，采用串联电路测试三维石墨烯的电阻。串联测试电路包括直流稳压电源、标准电阻和示波器，将阻值为R的固定标准电阻与阻值为RG的柔性振动传感器串联于电路中，电压源的电压在1～12V可调，柔性振动传感器的电压VG用示波器测试。其中R的选取满足R＞＞RG，通常取R＝10RG，则示波器的输出电压VG为
由(1)式可知，示波器上的输出电压与三维石墨烯的电阻成正比关系，当三维石墨烯因受外力产生应变作用时，其电阻随应变的变化而变化，则示波器上的输出电压反映了外界的激励信号。则当有外界信号作用到柔性振动传感器上时，三维石墨烯的电阻会发生变化，则示波器的输出信号反映的是外界信号。
图4为差分锁相测试电路示意图。对于单一频率的高频信号，采用差分锁相电路测试三维石墨烯的电阻。差分锁相测试电路包括直流稳恒电流源、可变电阻、三个差分放大器以及锁相放大器。首先调节可变电阻，使锁相放大器输出为零，此时可变电阻为R0。当三维石墨烯的电阻变化时输出电压U为：
U＝k(RG-R0)IS(2)
其中，IS为电流源的电流，k为比例系数。由(2)式可知输出信号反映的是外界信号。
实施例1
将制备的柔性振动传感器用声耦合制粘附在音叉的一侧，用一小锤敲击音叉的另一侧使其发声，如图5中的(a)所示，用图3所示的电路进行测试。图5中的(b)至(f)显示了不同频率音叉的实际测试的原始信号，各插图为对应方框的信号。图6显示了图5中的(b)至(f)的信号所对应的频谱图，由图5和图6可知，所述柔性振动传感器可同时测量低频和高频信号。
实施例2
将制备的柔性振动传感器用声耦合制粘附在PZT振源变辐杆的一侧，调节PZT驱动电源的频率，使PZT产生单一频率的高频声波，用图4所示的电路进行测试。图7中的(a)显示了驱动电源信号及对应频谱图，图7中的(b)显示了实际测试的原始信号及对应频谱图。由图7可知，测试信号的频率为185900Hz，所述柔性振动传感器可测量高频超声信号。
上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种新型柔性振动传感器，其特征在于，包括三维石墨烯和弹性高分子基体，所述三维石墨烯被包覆在弹性高分子基体内部，三维石墨烯的两端设置有导线并穿出弹性高分子基体，导线通过银胶与三维石墨烯连接。
2.根据权利要求1所述的新型柔性振动传感器，其特征在于，所述三维石墨烯是利用化学气相沉积法在泡沫镍模板上生长，经过盐酸刻蚀并干燥后得到的。
3.根据权利要求1所述的新型柔性振动传感器，其特征在于，所述弹性高分子基体为聚二甲基硅氧烷。
4.根据权利要求1所述的新型柔性振动传感器，其特征在于，所述弹性高分子基体为热塑性聚氨酯弹性体橡胶。
5.一种测量外界信号的串联测试电路，其特征在于，包括直流稳压电源、标准电阻、示波器，以及权利要求1-4任意一项所述的新型柔性振动传感器，其中，直流稳压电源、标准电阻和新型柔性振动传感器串联连接，示波器连接在新型柔性振动传感器的两端。
6.一种测量外界信号的差分锁相电路，其特征在于，包括直流稳恒电流源、可变电阻、锁相放大器、第一至第三差分放大器，以及权利要求1-4任意一项所述的新型柔性振动传感器，其中，直流稳恒电流源、可变电阻和新型柔性振动传感器串联连接，第一差分放大器的同相输入端和反相输入端接在可变电阻的两端，第二差分放大器的同相输入端和反相输入端接在新型柔性振动传感器的两端，第一差分放大器和第二差分放大器的输出端分别接在第三差分放大器的同相输入端和反相输入端，第三差分放大器的输出端与锁相放大器连接。
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| PB01 | Publication | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
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