CN105698982B - 智能调节敏感度的传感器及其测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及智能调节敏感度的传感器及其测试方法，智能调节敏感度的传感器，纳米多孔金属材料层与绝缘体层相间叠放排布，纳米多孔金属材料层外侧表面为载荷作用面，电阻应变片贴合在纳米多孔金属材料层与绝缘体层表面，所有纳米多孔金属材料层和所有绝缘体层均浸在电解质溶液中，电源的一端与一个载荷作用面接通，电源的另一端与另一个载荷作用面接通。一种应用智能调节敏感度的传感器的测试方法，包括如下步骤：（1）组装纳米多孔金属材料层、绝缘体层和电阻应变片；（2）调配电解质溶液；（3）接通电源；（4）施加载荷。本发明，克服了测量小载荷，误差率较大的问题。

Description

智能调节敏感度的传感器及其测试方法
技术领域
本发明涉及智能调节敏感度的传感器及其测试方法，该传感器通过电解液中纳米多孔金属材料的力学性质对电压变化来调节敏感度，属于传感器技术领域。
背景技术
纳米多孔金属是近十年来发展起来的一类新型功能材料，是一种具有纳米级孔洞、高表面积和双连续孔洞的多孔泡沫材料。除宏观泡沫金属材料所具备的轻质、高比强度、阻燃隔热、吸能减振、吸声降噪、防爆等优点外，纳米多孔金属还具有许多独特的性能，如催化、表面拉曼散射、作动、过滤吸附等，在催化载体、人造肌肉、海水淡化、生物医学等尖端领域有着广泛的应用前景。尤其值得注意的是，若在纳米多孔金属的孔洞内填入电解液，在电压改变的情况下，纳米多孔金属的变形行为和力学性质将会发生显著变化。
纳米多孔材料不仅性能优异，而且制备方式简便。其中脱合金法是主要的制备方法之一，可以生成不同的形状，如纳米线、薄膜、三维块体等，可以适应不同应用环境和工况的要求。
测量大小无法确定的载荷时，由于受到误差的影响，测量大载荷，误差率可以很小；但是测量小载荷，误差率较大。这就使得测量小载荷的准确度很低，给工业应用以及实验带来较大的误差率。
发明内容
为了解决上述存在的问题，本发明公开了一种智能调节敏感度的传感器及其测试方法，其具体技术方案如下：
智能调节敏感度的传感器，包括电阻应变片、电源和若干个纳米多孔金属材料层，
若干个纳米多孔金属材料层相互叠放布置，任意相邻的纳米多孔金属材料层之间设有绝缘体层，纳米多孔金属材料层与对应的绝缘体层紧密贴合，所述纳米多孔金属材料层与绝缘体层相间叠放排布，绝缘体层将与其贴合的两个纳米多孔金属材料层完全分离开，位于最外侧且没有与绝缘体层接触的纳米多孔金属材料层表面为载荷作用面，所述载荷作用面与绝缘体层平行，载荷作用面有2个，
所述电阻应变片贴合在所有纳米多孔金属材料层与所有绝缘体层表面，所有纳米多孔金属材料层和所有绝缘体层均浸在电解质溶液中，所述纳米多孔金属材料层内分布有若干个通孔，所述通孔中浸有电解质溶液，载荷作用面完全暴漏在电解质溶液中，
电源的一端与一个载荷作用面接通，电源的另一端与另一个载荷作用面接通。
所述电阻应变片与所有的绝缘体层和所有的纳米多孔金属材料层均垂直。
所述纳米多孔金属材料层的数量为2，绝缘体层的数量为1。
所述电源并联接有电压表。
所述纳米多孔金属材料层选用纳米多孔金或纳米多孔铜。
所述电解质溶液选用AgCl溶液或者CuCl2溶液。
所述绝缘体层选用绝缘陶瓷。
一种应用智能调节敏感度的传感器的测试方法，其特征是包括如下步骤：
（1）组装纳米多孔金属材料层、绝缘体层和电阻应变片：如权利要求1所述，选若干个纳米多孔金属材料层，绝缘体层的数量比纳米多孔金属材料层的数量少1，将纳米多孔金属材料层与绝缘体层相间排列，纳米多孔金属材料层与绝缘体层的接触面紧密贴合，绝缘体层能将与其贴合的两个纳米多孔金属材料层完全分离开，将电阻应变片贴在纳米多孔金属材料层和绝缘体层表面，电阻应变片与所有的纳米多孔金属材料层和所有的绝缘体层垂直；
（2）调配电解质溶液：调配饱和的电解质溶液，将步骤（1）所得到的纳米多孔金属材料层、绝缘体层和电阻应变片的组装体完全浸入电解质溶液中，直到电解质溶液完全充满纳米多孔金属材料层的通孔；
（3）接通电源：选取电源，电源与步骤（1）所得到的纳米多孔金属材料层、绝缘体层和电阻应变片的组装体串联，电源的一端与一个载荷作用面接通，电源的另一端与另一个载荷作用面接通；
（4）施加载荷：在载荷作用面上施加载荷，测量电源两端的电压以及电路的实测载荷。
所述步骤（1）中纳米多孔金属材料层有2个，绝缘体层有1个，纳米多孔金属材料层的厚度为1mm，孔隙率为25%，孔壁ligment尺寸为20nm，载荷作用面的尺寸为2mm×2mm，纳米多孔金属材料层选用纳米多孔金，绝缘体层选用绝缘陶瓷，电解质溶液选用饱和的AgCl溶液。
所述电源并联有电压表，电源电路中串联有电路保护器。
本发明的工作原理是：
本发明，浸在电解质溶液中的纳米多孔金属材料层，在电源端电压较小的情况下，弹性模量较小，在电源端电压较大的情况下，弹性模量较大。
本发明受到较小载荷作用时，纳米多孔金属材料层形变较小，电阻应变片的形变小，则电阻应变片电阻大。由于电阻应变片的电阻大，导致电源处的电压减小，引起纳米多孔金属材料层的弹性模量的减小。本发明的应变较大，形变比较明显。因电解质溶液中纳米多孔金属材料层的应力应变曲线会随电压变化而变化，所以根据电压表量测本发明的电压，由此电压选择应力应变曲线，根据应变获得压力的详细数值。
本发明所受载荷增大，电阻应变片应变增大，电阻减小。电源处的电压增大，导致本发明中纳米金属材料层弹性模量增大，应变变化敏感度下降，再根据电压表所测电压选择应力应变曲线，根据应变获得压力数值。
本发明的有益效果是：
本发明，随着加载在纳米多孔金属材料层上荷载的减小而敏感度增大，实现敏感度的自动智能调节，从而获得更加准确的测量数值，克服了测量小载荷，误差率较大的问题。
附图说明
图1是本发明的结构示意图，
图2是本发明的电路连接示意图，
附图标记列表：1—纳米多孔金属材料层，2—电解质溶液，3—绝缘体层，4—电阻应变片，5—电源，6—电路保护器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
图1是本发明的结构示意图，图中的箭头方向表示载荷方向，结合附图可见，本智能调节敏感度的传感器，包括电阻应变片4、电源5和若干个纳米多孔金属材料层1，若干个纳米多孔金属材料层1相互叠放布置，任意相邻的纳米多孔金属材料层1之间设有绝缘体层3，纳米多孔金属材料层1与对应的绝缘体层3紧密贴合，所述纳米多孔金属材料层1与绝缘体层3相间叠放排布，绝缘体层3将与其贴合的两个纳米多孔金属材料层1完全分离开，位于最外侧且没有与绝缘体层3接触的纳米多孔金属材料层1表面为载荷作用面，所述载荷作用面与绝缘体层3平行，载荷作用面有2个，所述电阻应变片4贴合在所有纳米多孔金属材料层1与所有绝缘体层3表面，所有纳米多孔金属材料层1和所有绝缘体层3均浸在电解质溶液2中，所述纳米多孔金属材料层1内分布有若干个通孔，所述通孔中浸有电解质溶液2，载荷作用面完全暴漏在电解质溶液2中，电源5的一端与一个载荷作用面接通，电源5的另一端与另一个载荷作用面接通。若干个纳米多孔金属材料层1通过电阻应变片4实现电路接通。
所述电阻应变片4与所有的绝缘体层3和所有的纳米多孔金属材料层1均垂直。电阻应变片4的长度最短，电源5的传递路径最短，最快捷。
所述纳米多孔金属材料层1的数量为2，绝缘体层3的数量为1。两个纳米多孔金属材料层1，在其中间夹一个绝缘体层3即可实现本发明的目的。
所述电源5并联接有电压表。电压表测量电源5两端的即时电压值。
所述纳米多孔金属材料层1选用纳米多孔金或纳米多孔铜。所述电解质溶液2选用AgCl溶液或者CuCl2溶液。纳米多孔金或纳米多孔铜、AgCl溶液或者CuCl2溶液均能完成本发明的目的。
所述绝缘体层3选用绝缘陶瓷。绝缘陶瓷是一类常用、成本低，且绝缘效果较好的绝缘材料。
一种应用智能调节敏感度的传感器的测试方法，包括如下步骤：
（1）组装纳米多孔金属材料层、绝缘体层和电阻应变片：如权利要求1所述，选若干个纳米多孔金属材料层，绝缘体层的数量比纳米多孔金属材料层的数量少1，将纳米多孔金属材料层与绝缘体层相间排列，纳米多孔金属材料层与绝缘体层的接触面紧密贴合，绝缘体层能将与其贴合的两个纳米多孔金属材料层完全分离开，将电阻应变片贴在纳米多孔金属材料层和绝缘体层表面，电阻应变片与所有的纳米多孔金属材料层和所有的绝缘体层垂直；
（2）调配电解质溶液：调配饱和的电解质溶液，将步骤（1）所得到的纳米多孔金属材料层、绝缘体层和电阻应变片的组装体完全浸入电解质溶液中，直到电解质溶液完全充满纳米多孔金属材料层的通孔；
（3）接通电源：选取电源，电源与步骤（1）所得到的纳米多孔金属材料层、绝缘体层和电阻应变片的组装体串联，电源的一端与一个载荷作用面接通，电源的另一端与另一个载荷作用面接通；
（4）施加载荷：在载荷作用面上施加载荷，测量电源两端的电压以及电路的实测载荷。
所述步骤（1）中纳米多孔金属材料层有2个，绝缘体层有1个，纳米多孔金属材料层的厚度为1mm，孔隙率为25%，孔壁ligment尺寸为20nm，载荷作用面的尺寸为2mm×2mm，纳米多孔金属材料层选用纳米多孔金，绝缘体层选用绝缘陶瓷，电解质溶液选用饱和的AgCl溶液。
所述电源并联有电压表，电源电路中串联有电路保护器6。
下面具体举四个实施例来说明本发明的测试方法的实验结果走势：
实施例1：
（1）组装纳米多孔金属材料层、绝缘体层和电阻应变片：选2个纳米多孔金属材料层，1个绝缘体层，将绝缘体层置于纳米多孔金属材料层中间，纳米多孔金属材料层与绝缘体层的接触面紧密贴合，绝缘体层将两个纳米多孔金属材料层完全分离开，将电阻应变片贴在纳米多孔金属材料层和绝缘体层表面，电阻应变片与纳米多孔金属材料层和绝缘体层垂直；
（2）调配电解质溶液：调配饱和的AgCl溶液作为电解质溶液，将步骤（1）所得到的纳米多孔金属材料层、绝缘体层和电阻应变片的组装体完全浸入电解质溶液中，直到电解质溶液完全充满纳米多孔金属材料层的通孔；
（3）接通电源：选取电源，电源与步骤（1）所得到的纳米多孔金属材料层、绝缘体层和电阻应变片的组装体串联，电源的一端与一个载荷作用面接通，电源的另一端与另一个载荷作用面接通，电源并联有电压表，电源电路中串联有电路保护器；
（4）施加载荷：在载荷作用面上施加5 MPa载荷，测量电源两端的电压以及电路的实测载荷。
实施例2：
其他步骤与实施例1相同，其中步骤（4）中施加载荷为10Mpa。
实施例3：
其他步骤与实施例1相同，其中步骤（4）中施加载荷为15Mpa。
实施例4：
其他步骤与实施例1相同，其中步骤（4）中施加载荷为20Mpa。
上述四个实施例的结果汇总如下表：
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
实际载荷（MPa） 5 10 15 20
电压（V） 0.77 1.08 1.32 1.59
实测载荷（MPa） 5.09 10.21 14.67 19.52
绝对误差（MPa） 0.09 0.21 0.33 0.48
相对误差 1.80% 2.10% 2.20% 2.40%
从获得的数据不难看出，在载荷降低过程中，绝对误差和相对误差反而升高。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.智能调节敏感度的传感器，其特征是包括电阻应变片、电源和若干个纳米多孔金属材料层，
若干个纳米多孔金属材料层相互叠放布置，任意相邻的纳米多孔金属材料层之间设有绝缘体层，纳米多孔金属材料层与对应的绝缘体层紧密贴合，所述纳米多孔金属材料层与绝缘体层相间叠放排布，绝缘体层将与其贴合的两个纳米多孔金属材料层完全分离开，位于最外侧且没有与绝缘体层接触的纳米多孔金属材料层表面为载荷作用面，所述载荷作用面与绝缘体层平行，载荷作用面有2个，
所述电阻应变片贴合在所有纳米多孔金属材料层与所有绝缘体层表面，所有纳米多孔金属材料层和所有绝缘体层均浸在电解质溶液中，所述纳米多孔金属材料层内分布有若干个通孔，所述通孔中浸有电解质溶液，载荷作用面完全暴漏在电解质溶液中，
电源的一端与一个载荷作用面接通，电源的另一端与另一个载荷作用面接通。
2.根据权利要求1所述的智能调节敏感度的传感器，其特征是所述电阻应变片与所有的绝缘体层和所有的纳米多孔金属材料层均垂直。
3.根据权利要求2所述的智能调节敏感度的传感器，其特征是所述纳米多孔金属材料层的数量为2，绝缘体层的数量为1。
4.根据权利要求3所述的智能调节敏感度的传感器，其特征是所述电源并联接有电压表。
5.根据权利要求1所述的智能调节敏感度的传感器，其特征是所述纳米多孔金属材料层选用纳米多孔金或纳米多孔铜。
6.根据权利要求1所述的智能调节敏感度的传感器，其特征是所述电解质溶液选用AgCl溶液或者CuCl2溶液。
7.根据权利要求1所述的智能调节敏感度的传感器，其特征是所述绝缘体层选用绝缘陶瓷。
8.应用如权利要求1-7任一所述的智能调节敏感度的传感器的测试方法，其特征是包括如下步骤：
（1）组装纳米多孔金属材料层、绝缘体层和电阻应变片：选若干个纳米多孔金属材料层，绝缘体层的数量比纳米多孔金属材料层的数量少1，将纳米多孔金属材料层与绝缘体层相间排列，纳米多孔金属材料层与绝缘体层的接触面紧密贴合，绝缘体层能将与其贴合的两个纳米多孔金属材料层完全分离开，将电阻应变片贴在纳米多孔金属材料层和绝缘体层表面，电阻应变片与所有的纳米多孔金属材料层和所有的绝缘体层垂直；
（2）调配电解质溶液：调配饱和的电解质溶液，将步骤（1）所得到的纳米多孔金属材料层、绝缘体层和电阻应变片的组装体完全浸入电解质溶液中，直到电解质溶液完全充满纳米多孔金属材料层的通孔；
（3）接通电源：选取电源，电源与步骤（1）所得到的纳米多孔金属材料层、绝缘体层和电阻应变片的组装体串联，电源的一端与一个载荷作用面接通，电源的另一端与另一个载荷作用面接通；
（4）施加载荷：在载荷作用面上施加载荷，测量电源两端的电压以及电路的实测载荷。
9.根据权利要求8所述的智能调节敏感度的传感器的测试方法，其特征是所述步骤（1）中纳米多孔金属材料层有2个，绝缘体层有1个，纳米多孔金属材料层的厚度为1mm，孔隙率为25%，载荷作用面的尺寸为2mm×2mm，纳米多孔金属材料层选用纳米多孔金，绝缘体层选用绝缘陶瓷，电解质溶液选用饱和的AgCl溶液。
10.根据权利要求8所述的智能调节敏感度的传感器的测试方法，其特征是所述电源并联有电压表，电源电路中串联有电路保护器。
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