CN105675174A - 一种基于液态金属天线的单向应力传感器和该传感器制备方法 - Google Patents

一种基于液态金属天线的单向应力传感器和该传感器制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于液态金属天线的单向应力传感器，它包括有盒体（2），在盒体（2）内部有两个可压缩的有机聚合物圆柱体（5），有机聚合物圆柱体（5）长度为盒体内两个相对面之间的距离，盒体内部充满填充材料（7），每个有机聚合物圆柱体（5）设有微流道（4），微流道（4）内填充满液态金属，微流道内的液态金属与同轴馈线（1）电连接，同轴馈线（1）从盒体封装物（3）中引出。本发明还公开了一种基于液态金属天线的单向应力传感器的制备方法。本发明的优点是：液态金属天线的变化能真实反映盒体受力变形，提高了滑坡监测的准确性，增加了液态金属天线的强度，提高了滑坡监测的可靠性。

Description

一种基于液态金属天线的单向应力传感器和该传感器制备方法
技术领域
本发明属于灾害防控技术领域，具体涉及一种基于液态金属天线的单向应力传感器和该传感器制备方法。
背景技术
现代城市建设、经济发展和技术进步对越来越多的岩土工程提出了更高水平的要求，这就需要对岩土工程中的土压力测试装置进行改进。测试土压力一直是岩土工程的一项重要课题，现在普遍采用的测试装置一般为振弦式传感器及电阻应变式传感器，然而这些测试装置都不能实现远程无线监控，并且测量精度不高。而土压力的监控对于基坑、大坝、路基、隧道等都有着重大的意义。
在实际应用中，还没有能够实现远程无线监测的压力测试装置。中国专利文献CN104037495A于2014年9月10日公开了一种用于滑坡监测的L型液态金属天线，它包括有弹性壳体、L型空心管、微型泵和馈电同轴线以及接地片，弹性壳体内部装满液态金属，L型空心管设置在弹性壳体顶部侧边，并连通弹性壳体内部，L型空心管向上延伸，L型空心管顶端安装微型泵，从L型空心管内部位于液态金属溢流口处有馈电同轴线引出，溢流口处的液态金属与接地片电连接。该专利能够进行实时的远程监测滑坡的状态变化，但是，该装置存在以下问题：
1、由于L型空心管顶端安装微型泵，该微型泵用于对L型空心管抽空气，以维持L型空心管气压平衡，因为L型空心管内的气压值无法检测并保持恒定，导致与气压值相关的液态金属流动受到微型泵控制，所以L型空心管的液态金属长短不能真实反映弹性壳体的受力变形，导致滑坡位移变形的监测错误；
2、L型空心管设置在弹性壳体顶部侧边，细长的L型空心管强度较低，在与弹性壳体连接处的强度很薄弱，在实际使用中容易折断和损坏。
发明内容
针对L型液态金属天线的存在的问题，本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于液态金属天线的单向应力传感器，其液态金属天线的变化能真实反映盒体受力变形，能提高滑坡监测的准确性，还能增强液态金属天线的强度，避免损坏，提高滑坡监测的可靠性。本发明还提供一种基于液态金属天线的单向应力传感器制备方法。
本发明提供一种基于液态金属天线的单向应力传感器，它包括有盒体，在盒体内部有两个可压缩的有机聚合物圆柱体，有机聚合物圆柱体长度为盒体内两个相对面之间的距离，盒体内部充满填充材料，每个有机聚合物圆柱体设有微流道，微流道内填充满液态金属，微流道内的液态金属与同轴馈线电连接，同轴馈线从盒体封装物中引出。
微流道内的液态金属构成液态金属天线。
本发明的工作原理是：将本发明的传感器预埋在待检测的土体或岩体，在盒体面板受到土体压力变形，盒体的面板变形导致两个有机聚合物圆柱体发生变形，致使微流道内的液态金属长度发生变化，从而实现液态金属天线频率的变化。
上述液态金属的微流道为螺旋形，两个有机聚合物圆柱体上的液态金属天线同时接入同轴馈线进行馈电，形成天线中的对称振子。
依据“基于液态金属的频率可重构天线研究与设计”，夏林艳，重庆邮电大学硕士学位论文，第34页公式(3.5)，记载了液态金属天线的频率与天线长度的关系：
液态金属天线的频率f与液态金属的长度l成反比例关系，其中c是光速，a是l与波长间的关系系数，εp是有机聚合物介电常数。
接收装置通过液态金属天线频率的变化，推算出盒体表面受到的土压力，盒体外壳受力F与变形量ΔL成正比，关系式如下：
F＝KΔL
式中，K为盒体的弹性系数，ΔL＝l1-l2，l1为压力作用前的液态金属天线长度；l2为压力作用后的液态金属天线长度。
由此，依据f-l-ΔL-F的相互关系能够测得待测岩体或土体的变形和压力。
本发明提供的一种基于液态金属天线的单向应力传感器制备方法，包括以下步骤：
(1)制备金属丝螺旋柱模具和圆柱形的空心模具；
(2)将金属丝螺旋柱模具放入圆柱形的空心模具内，并将金属丝螺旋柱模具紧贴空心模具内壁粘接固定，在金属丝螺旋柱模具和空心模具内壁涂上脱模剂，然后填充胶状有机聚合物溶液，待有机聚合物固化后，按螺旋方向旋转取出有机聚合物圆柱体，有机聚合物圆柱体的柱面上得到一个螺旋形微流道凹槽；
(3)在有机聚合物圆柱体表面紧贴上一圈有机弹性薄膜，使微流道凹槽密封形成螺旋形微流道；
(4)通过微流道一端开口向微流道内注入液态金属，微流道填充满液态金属后，将微流道两端开口用薄膜密封，并在其中一端的薄膜上开孔；
(5)将同轴馈线接入到薄膜开孔；
(6)对开孔进行密封；
(7)将上述做好的含有螺旋形微流道的有机聚合物圆柱体放置到盒体里；
(8)往盒体里注入硅胶，盒体内填充硅胶后，将盒体密封。
本发明的传感器预埋在待检测的土体或岩体，由于岩土压力通过盒体面板直接作用在有机聚合物圆柱体上，引起微流道内的液态金属长度发生变化，避免了微型泵抽出管道空气所引起的液态金属流动变形，液态金属天线的变化能真实反映盒体受力变形；另外，充满液态金属的微流道开设在聚合物圆柱体的柱面上，液态金属天线依附在聚合物圆柱体上，且安装在盒体内，其强度为盒体整体的强度，不易损坏，能长期使用。
所以本发明的优点是：液态金属天线的变化能真实反映盒体受力变形，提高了滑坡监测的准确性，增加了液态金属天线的强度，提高了滑坡监测的可靠性。
附图说明
本发明的附图说明如下：
图1为本发明的外形结构示意图；
图2为本发明的内部结构示意图；
图3为本发明的金属丝螺旋柱模具的外形结构示意图；
图4为本发明的有机聚合物圆柱体的结构示意图。
图中：1.同轴馈线；2.盒体；3.盒体封装物；4.微流道；5.有机聚合物圆柱体；6.有机弹性薄膜；7.填充材料；8.金属丝螺旋柱模具。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
如图1和图2所示，本发明的基于液态金属天线的单向应力传感器，包括有盒体2，在盒体2内部有两个可压缩的有机聚合物圆柱体5，有机聚合物圆柱体5长度为盒体内两个相对面之间距离，盒体2内部充满填充材料7；
如图1和图4所示，每个有机聚合物圆柱体5设有微流道4，微流道4内填充满液态金属，微流道内的液态金属与同轴馈线1电连接，同轴馈线1从盒体封装物3中引出。
本实施例中，盒体内部的填充材料7选用硅胶，微流道4采用螺旋形微流道，液态金属选用3:1的镓铟合金。盒体受力面为是可变形的钢膜、非受力面为不变形的钢板。
螺旋形微流道4内注满液态金属，外部电路通过接入的同轴馈线1给液态金属馈电，螺旋形微流道4内的液态金属构成液态金属天线，辐射出电磁波。当盒体2受到外部压力时，盒体受压面板变形，盒体内的有机聚合物圆柱体5变形，螺旋形微流道4内的液态金属也跟着压缩变形。此时，只要外加接收装置就可以接收到频率的变化，便可以反过来分析频率变化与受力的关系，进而远程监测出压力的变化。
本发明提供的一种基于液态金属天线的单向应力传感器制备方法，包括以下步骤：
(1)如图3所示，制备金属丝螺旋柱模具8，并制备一个圆柱形的空心模具；
(2)将金属丝螺旋柱模具放入圆柱形的空心模具内，并将金属丝螺旋柱模具紧贴空心模具内壁粘接固定，在金属丝螺旋柱模具和空心模具内壁涂上脱模剂，然后填充胶状有机聚合物溶液，待有机聚合物固化后，按螺旋方向旋转取出有机聚合物圆柱体，有机聚合物圆柱体的柱面上得到一个螺旋形微流道凹槽；
(3)如图4所示，在有机聚合物圆柱体5表面紧贴上一圈有机弹性薄膜6，使微流道凹槽密封形成螺旋形微流道4；
(4)通过微流道一端开口向微流道内注入液态金属，微流道填充满液态金属后，将微流道两端开口用薄膜密封，并在其中一端的薄膜上开孔；
(5)将同轴馈线接入到薄膜开孔；
(6)对开孔进行密封；
(7)将上述做好的含有螺旋形微流道的有机聚合物圆柱体5放置到盒体2里；
(8)如图2所示，往盒体里注入填充材料7，填充材料7选用硅胶，盒体内填充满硅胶后，用盒体封装物3将盒体顶部密封。
本发明的液态金属天线频率测定的电路原理与CN104037495A公开的用于滑坡监测的L型液态金属天线相同。

Claims (3)

1.一种基于液态金属天线的单向应力传感器，包括有盒体（2），其特征是：在盒体（2）内部有两个可压缩的有机聚合物圆柱体（5），有机聚合物圆柱体（5）长度为盒体内两个相对面之间的距离，盒体内部充满填充材料（7），每个有机聚合物圆柱体（5）设有微流道（4），微流道（4）内填充满液态金属，微流道内的液态金属与同轴馈线（1）电连接，同轴馈线（1）从盒体封装物（3）中引出。
2.根据权利要求1所述的基于液态金属天线的单向应力传感器，其特征是：所述微流道（4）为螺旋形微流道，所述填充材料（7）为硅胶。
3.一种权利要求2所述的基于液态金属天线的单向应力传感器的制备方法，其特征是：包括以下步骤：
步骤1、制备金属丝螺旋柱模具和圆柱形的空心模具；
步骤2、将金属丝螺旋柱模具放入圆柱形的空心模具内，并将金属丝螺旋柱模具紧贴空心模具内壁粘接固定，在金属丝螺旋柱模具和空心模具内壁涂上脱模剂，然后填充胶状有机聚合物溶液，待有机聚合物固化后，按螺旋方向旋转取出有机聚合物圆柱体，有机聚合物圆柱体的柱面上得到一个螺旋形微流道凹槽；
步骤3、在有机聚合物圆柱体表面紧贴上一圈有机弹性薄膜，使微流道凹槽密封形成螺旋形微流道；
步骤4、通过微流道一端开口向微流道内注入液态金属，微流道填充满液态金属后，将微流道两端开口用薄膜密封，并在其中一端的薄膜上开孔；
步骤5、将同轴馈线接入到薄膜开孔；
步骤6、对开孔进行密封；
步骤7、将上述做好的含有螺旋形微流道的有机聚合物圆柱体放置到盒体里；
步骤8、往盒体里注入硅胶，盒体内填充硅胶后，将盒体密封。
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