CN109752077B - 一种振动状态可视化检测装置、制作方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种振动状态可视化检测装置、制作方法及应用，其中，振动状态可视化检测装置包括相互并联电连接的超敏振动传感器与电致变色器；所述超敏振动传感器，当感知到外部的机械振动时，根据所述机械振动的强度的不同，电阻会发生改变，进而引起所述超敏振动传感器的端电压的改变；所述电致变色器，根据所述端电压的大小产生深浅不同的颜色。本发明通过超敏振动传感器感知外部的机械振动，并根据振动强度大小由电致变色器展现出不同程度的非透明导电层的颜色，以实现对主轴振动状态实时可视化监测。

Description

一种振动状态可视化检测装置、制作方法及应用

技术领域

本发明涉及振动检测领域，尤其涉及一种振动状态可视化检测装置、制作方法及应用。

背景技术

主轴指从发动机或电动机接受动力并将它传给其它机件的轴，主轴运行状态良好与否对仪器设备有着至关重要的影响，因此在仪器设备负载运行状态下对主轴进行实时监测具有十分重要的意义。例如机床刀具磨损严重时，主轴会出现异常振动，及时给仪器设备更换刀具，可以保证其正常运行，防止不必要的经济损失。

目前对振动的监测主要是使用加速度传感器，但是这种传感器无法进行通过直观的观察来发现主轴振动异常。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种振动状态可视化检测装置、制作方法及应用，旨在解决现有的振动传感器灵敏度不高、监测结果不准确和不直观的问题。

本发明的技术方案如下：

一种振动状态可视化检测装置，包括相互并联电连接的超敏振动传感器与电致变色器；所述超敏振动传感器，当感知到外部的机械振动时，根据所述机械振动的强度的不同，电阻会发生改变，进而引起所述超敏振动传感器的端电压的改变；所述电致变色器，根据所述端电压的大小产生深浅不同的颜色。

所述的振动状态可视化检测装置，其中，所述电致变色器从下至上依次包括：第一弹性体基底、非透明导电层、电解液、第一石墨烯层和第二弹性体基底，所述第一石墨烯层形成于所述第二弹性体基底的下表面；

所述超敏振动传感器包括形成在所述第二弹性体基底的上表面的第三弹性体基底，所述第三弹性体基底的上表面有若干平行的狭缝，所述第三弹性体基底的上表面包括狭缝的表面均设置有第二石墨烯层，所述第二石墨烯层上平行于所述狭缝的两端各设置有一个电极；

两个所述电极中，一个与所述非透明导电层电连接，另一个与所述第一石墨烯层电连接。

所述的振动状态可视化检测装置，其中，所述第一弹性体基底和/或所述第二弹性体基底和/或所述第三弹性体基底采用PDMS制作而成。

所述的振动状态可视化检测装置，其中，所述电解液为包含二乙基甲基-(2-甲氧乙基)铵基双(三氟甲磺酰基)酰亚胺离子的电解液。

所述的振动状态可视化检测装置，其中，所述第一石墨烯层由多层石墨烯组成。

一种如上所述的振动状态可视化检测装置的制作方法，包括如下：

制作结构Ⅰ，所述结构Ⅰ从下至上依次包括：所述第一石墨烯层、所述第二弹性体基底、所述第三弹性体基底、所述第二石墨烯层以及两个所述电极；

制作结构Ⅱ，所述结构Ⅱ从下至上依次包括：所述第一弹性体基底和所述非透明导电层；

将所述结构Ⅰ和所述结构Ⅱ组装，所述非透明导电层与所述第一石墨烯层相对，中间形成一空腔，所述空腔中容置有电解液；最后将两个所述电极中，一个与所述非透明导电层电连接，另一个与所述第一石墨烯层电连接

所述的振动状态可视化检测装置的制作方法，包括如下：

步骤A、准备一具有平行狭缝的铜模具，在所述铜模具的狭缝面制作第二石墨烯层，并在所述第二石墨烯层上平行于所述狭缝的两端各制作一个电极，最后在所述第二石墨烯层上制作第三弹性体基底；

步骤B、准备一镍基底，在所述镍基底上制作第一石墨烯层，并在所述第一石墨烯层上嵌入第一电极引线；

步骤C、准备第一弹性体基底，在所述第一弹性体基底的表面制作非透明导电层，并在所述非透明导电层上嵌入第二电极引线；

步骤D、准备第二弹性体基底，将所述第二弹性体基底层压至所述步骤B中的第一石墨烯层的表面；

步骤E、将所述步骤D得到的结构的第二弹性体基底所在面与所述步骤A中的第三弹性体基底所在面组装在一起；

步骤F、采用腐蚀液去除所述步骤E得到的结构中的所述铜模具和所述镍基底；

步骤G、将所述步骤C得到的结构与所述步骤F得到的结构封装，中间形成一空腔，其中，所述非透明导电层与所述第一石墨烯层相对，所述空腔中容置有电解液。

步骤H、将所述第一电极引线和所述第二电极引线分别与所述第二石墨烯层上的两个电极相连接。

所述的振动状态可视化检测装置的制作方法，其中，所述第一石墨烯层和/或所述第二石墨烯层采用化学气相沉积的方法制作而成。

所述的振动状态可视化检测装置的制作方法，其中，所述步骤F中，所述腐蚀液为三氯化铁溶液。

一种如上所述的振动状态可视化检测装置的应用，将所述超敏振动传感器贴附或嵌入待监测的主轴上，并在所述超敏振动传感器与所述电致变色器的并联电路的干路上串联一定值电阻，在整个电路两端外接固定电压，根据所述电致变色器显示的颜色的深浅来判断所述主轴的振动大小。

有益效果：本发明提供了一种如上所述的振动状态可视化检测装置，本发明通过超敏振动传感器感知外部的机械振动，并根据振动强度大小由电致变色器展现出不同程度的非透明导电层的颜色，以实现对主轴振动状态实时可视化监测。

附图说明

图1为本发明提供的一种较佳的振动状态可视化检测装置结构图。

图2为本发明的可视化检测装置的电路原理图。

图3为本发明实施例1中的铜模具结构图。

图4为本发明实施例1中制作第二石墨烯层和电极的效果图。

图5为本发明实施例1中制作第一石墨烯层和第一电极的效果图。

图6为本发明实施例1中制作第一弹性体和Cu导电层的效果图。

图7为本发明实施例1中将第一石墨烯层转移至第二弹性体上的效果图。

图8为将图4的第二石墨烯层与图7的第二弹性体组装连接后的效果。

图9为本发明实施例1中采用腐蚀剂去除铜模具以及Ni后的组装体结构。

图10为本发明实施例1制备的振动状态可视化检测装置结构图。

图11为本发明的振动状态可视化检测装置的等效电阻模型图。

具体实施方式

本发明提供了一种振动状态可视化检测装置、制作方法及应用，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“两侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。

本发明提供了一种振动状态可视化检测装置的较佳实施例，如图1所示，包括相互并联电连接的超敏振动传感器1与电致变色器2；电路原理如图2所示，整个并联电路外接一定值电阻Rb，超敏振动传感器1用于感知外部的机械振动，并根据机械振动强度的不同，电阻Rx会发生改变，进而引起所述超敏振动传感器的端电压的改变；电致变色器2（阻值为定值Ra）根据所述端电压的大小产生深浅不同的颜色。本发明通过超敏振动传感器感知外部的机械振动，并根据振动强度大小由电致变色器展现出深浅不同的颜色，以实现对主轴振动状态实时可视化监测。

传统的加速度传感器，由于尺寸过大迫使其安装位置与待监测点距离较远，监测信号包含大量噪声，存在灵敏度不高、监测结果不准确的问题，为解决该问题，本发明提供了一种较佳的振动状态可视化检测装置，具体的可参照图1，包括超敏振动传感器1与电致变色器2，电致变色器2从下至上依次包括：第一弹性体基底21、非透明导电层22、电解液23、第一石墨烯层24和第二弹性体基底25，所述第一石墨烯层24形成于所述第二弹性体基底25的下表面；

其中，非透明导电层22可以采用有颜色的导体材料制作，例如Al、Fe、Cu、Ag、Au中的一种或多种组成的合金材料制作而成，最好选用Cu，Cu为红色，更有预警性。电解液23可以是包含二乙基甲基-(2-甲氧乙基)铵基双(三氟甲磺酰基)酰亚胺离子的电解液。第一弹性体基底21、第二弹性体基底25和第三弹性体基底14均可以采用PDMS（聚二甲基硅氧烷）制作，PDMS易与其他材料结合，无毒无味透明度高，具有良好的化学稳定性，具有优良的物理特性比如高抗剪切能力，低的杨氏模量使其具备高弹性，容易传递机械振动。较佳地，第一石墨烯层24由多层石墨烯组成，单层石墨烯光学吸收小，可见光的透过率为97.7%，很难有效阻隔光的穿透，会使得电致变色器直接暴露出底色。因此选用多层石墨烯，在几层石墨烯厚度范围内，石墨烯厚度每增加一层，吸收率大致增加2.3%。

所述超敏振动传感器1包括形成在所述第二弹性体基底25的上表面的第三弹性体基底14，所述第三弹性体基底14的上表面有若干平行的狭缝，所述第三弹性体基底14的上表面包括狭缝的表面均设置有第二石墨烯层11，所述第二石墨烯层11的上表面具有若干平行的狭缝12；所述第二石墨烯层11上平行于所述狭缝12的两端各设置有一个电极13；两个所述电极13中，一个与所述非透明导电层22电连接，另一个与所述第一石墨烯层24电连接。

生物在漫长的进化过程中形成了很多巧妙的结构，彼得异蝎跗骨关节处放射状分布的缝感受器能在高衰减因子的松软沙粒表面探测定位到周围20cm范围内一粒沙的移动，或其周围50cm处地下洞穴内昆虫活动产生振幅为1nm的振动，本发明基于此，提出了上述高灵敏度的振动状态可视化检测装置，将超敏振动传感器两端电极通过引线与电致变色器上下电极相连接，即超敏振动传感器与电致变色器并联，应用时，与定值电阻通过串联的方式接入电路之中，其中超敏振动传感器与电致变色器两极分得相同大小的电压，超敏振动传感器的阻值根据振动信号的不同强度而变化，致使超敏振动传感器与电致变色器两端分得电压发生相同的变化，即超敏振动传感器通过感知主轴的振动状态，以电压信号传递给变色器，使其根据电压信号的大小而显示出不同程度的非透明导电层的颜色，进行振动可视化预警反馈。本装置不仅能对微振动实现可视化检测，而且具有响应快、灵敏度高的特点。

本发明还提供了一种上述的振动状态可视化检测装置的制作方法较佳实施例，包括如下步骤：

制作结构Ⅰ，所述结构Ⅰ从下至上依次包括：所述第一石墨烯层24、所述第二弹性体基底25、所述第三弹性体基底14、所述第二石墨烯层12以及两个所述电极13；

制作结构Ⅱ，所述结构Ⅱ从下至上依次包括：所述第一弹性体21基底和所述非透明导电层22；

将所述结构Ⅰ和所述结构Ⅱ组装，所述非透明导电层22与所述第一石墨烯层24相对，中间形成一空腔，所述空腔中容置有电解液23；最后将两个所述电极13中，一个与所述非透明导电层22电连接，另一个与所述第一石墨烯层24电连接。

进一步具体的制备步骤包括如下：

步骤A、准备一具有平行狭缝的铜模具，在所述铜模具的狭缝面制作第二石墨烯层11，并在所述第二石墨烯层11上平行于所述狭缝的两端各制作一个电极13，最后在所述第二石墨烯层11上制作第三弹性体基底14。

具体的，可以通过微电子技术加工出具有蝎子缝反结构的铜模具，然后在铜模具的狭缝面制作第二石墨烯层11，可以采用化学气相沉积的方法制作。再在第二石墨烯层11的两端分别制作电极13，第二石墨烯层上电极13所在的边平行于狭缝，最后在第二石墨烯层11上制作第三弹性体基底14。

步骤B、准备一镍基底，在所述镍基底上制作第一石墨烯层24，并在所述第一石墨烯层24上嵌入第一电极引线3。

步骤C、准备第一弹性体基底21，在所述第一弹性体基底21的表面制作非透明导电层22，并在所述非透明导电层22上嵌入第二电极引线4；

步骤D、准备第二弹性体基底25，将所述第二弹性体基底25层压至所述步骤B中的第一石墨烯层24的表面；

步骤E、将所述步骤D得到的结构的第二弹性体基底25所在面与所述步骤A中的第三弹性体基底所在面组装在一起；

步骤F、采用腐蚀液去除所述步骤E得到的结构中的所述铜模具和所述镍基底；

优选的，所述腐蚀液为三氯化铁溶液，可以将Cu模具和Ni基底氧化成阳离子并溶入溶液中而去除。

步骤G、将所述步骤C得到的结构与所述步骤F得到的结构封装，中间形成一空腔，其中，所述非透明导电层22与所述第一石墨烯层24相对，所述空腔中容置有电解液23。

步骤H、将所述第一电极引线3和所述第二电极引线4分别与所述第二石墨烯层11上的两个电极13相连接。

本发明还提供了一种如上所述的振动状态可视化检测装置的应用，将仿生超敏感知机理的振动状态可视化检测装置贴附或嵌入待监测的主轴上，并在所述超敏振动传感器与所述电致变色器的并联电路的干路上串联一定值电阻，在整个电路两端外接固定电压，可以根据电致变色器中呈现的非透明导电层的颜色，以铜为例，是否呈现红色来判断主轴的振动强度。

本发明的超敏振动传感器实质上是一种力致电阻式的压阻式应变测量传感器，如图11所示，其接触壁的接触电阻随裂缝接合程度而改变，整体电阻R=2Ri+R1||R2，其中，Ri为透明石墨烯薄层的电阻，R1、R2为裂缝接触区域石墨烯薄层的电阻。裂缝接合程度改变时，R1、R2会发生变化，由于石墨烯本身也具备灵敏的应变响应，导致Ri也会跟随振动的剧烈程度而改变。当主轴振动状态良好的情况下，主轴的振动幅度很小，超敏振动传感器裂缝两壁之间接触良好，超敏振动传感器无缝处的应也变很小，即R1、R2、Ri阻值很小，超敏振动传感器的整体阻值很小；当主轴运行状态出现异常时，振动幅度加剧，超敏振动传感器每条裂缝两壁之间的距离增加，使缝壁附着的石墨烯导电层逐渐分离，即使R1、R2阻值增加，其中附着石墨烯导电层的PDMS薄膜无缝处本身也随着振动幅度的增强而发生应变，使Ri阻值增大，即超敏振动传感器整体阻值随R1、R2、Ri阻值增加而增加。该仿生应变结构具有高灵敏度、反应时间迅速、耐久度良好等优异性能，并且由于PDMS以及其上转移的少层石墨烯均具有很高的透光率，仿蝎子缝感受器的超敏振动传感器始终为透明状态，因此位于上层的超敏振动传感器能够将位于下层的电致变色器颜色显露出来。

当主轴振动状态良好的情况下，主轴的振动幅度很小，超敏振动传感器的阻值很小，超敏振动传感器与电致变色器两极在电路中分得的电压很小，电解质中阴阳离子极化后聚集在石墨烯-电解质界面，电致变色器中的石墨烯层几乎不发生离子插入过程，石墨烯层仍然对光保有良好的吸收率，电致变色器整体为黑色不透明状态，由于上层振动传感器始终透明，所以装置整体为黑色不透明状态，即主轴运行状态良好的情况下装置为黑色。当主轴运行状态出现异常时，振动幅度加剧，上层超敏振动传感器的裂缝接合程度发生改变，其整体阻值随R1、R2、Ri阻值增加而增加，使得其两端分得电压升高，电致变色器两极电压升高，插入石墨烯层的离子增多，石墨烯层中更多的带间电子跃迁被阻断，使得其对光的吸收率减小，石墨烯层逐渐变得透明使变色结构呈现出底层Cu电极金属固有的红色。即当主轴振动状态发生异常时，基于仿生超敏感知机理的主轴振动状态可视化自检装置整体变为红色。以直观的颜色变化反馈给操作人员主轴的振动状态。观察到的电致变色效应不是因为化学反应氧化石墨烯电极，而是因为电解质离子插入过程改变了石墨烯层对光的吸收率。

下面通过实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

（1）通过微电子技术加工出具有蝎子缝反结构的铜模具，如图2所示，铜基板尺寸1cm×2cm×25μm，上面设置有平行狭缝，平行狭缝的高度为20μm，间距为90μm，狭缝间的隔离壁厚4μm，在铜模具的狭缝面通过化学气相沉积法沉积1nm左右厚度的石墨烯薄层11（第二石墨烯层），并在石墨烯薄层上平行于狭缝的两端各制作一个电极13，如图4所示，最后在沉积有石墨烯层的一面甩涂225μm厚的PDMS胶（第三弹性体基底14），不用固化，待用。

（2）在1cm×2cm×25μm的矩形镍薄膜上同样使用化学气相沉积的方法沉积8-9nm厚的石墨烯薄层24（第一石墨烯层），并在石墨烯层上嵌入第一电极引线3，如图5所示。

（3）制备1cm×2cm×75μm的PDMS薄膜载体21（第一弹性体基底），在PDMS薄膜载体的表面上蒸发一层100nm厚的Cu金属层，并在Cu金属层的侧表面嵌入电极引线4（第二电极引线），如图6所示。

（4）制备1cm×2cm×75μm的PDMS薄膜载体25（第二弹性体基底），通过层压工艺将步骤（2）制备的镍薄膜表面沉积的石墨烯层24（第一石墨烯层）转移到PDMS薄膜载体25上，如图7所示。

（5）将步骤（4）得到的结构的PDMS薄膜面轻压到步骤（1）的结构的PDMS胶面上，放入真空干燥箱中保持60min，以排出PDMS胶中的气泡，然后在120℃下热烘40min，使PDMS胶部分彻底固化，如图8所示。

（6）保护好电极即电极引线，将步骤5得到的结构置于三氯化铁腐蚀液中并用腐蚀液冲洗，以去除上、下表面的铜和镍层，最后用去离子水反复冲洗并吹干，得到如图9所示的薄膜总厚度大约为300μm的结构。

（7）将步骤6制得的结构置于上层，步骤3制得的PDMS载体覆铜薄膜置于下层，然后封装成具有250μm厚度的空腔的封装体，如图10所示，空腔内填充50μL二乙基甲基-(2-甲氧乙基)铵基双(三氟甲磺酰基)酰亚胺离子液体作为电解质，最后将第一电极引线和第二电极引线分别与第二石墨烯层上的两个电极相连接，振动状态可视化检测装置制作完成。

综上所述，本发明是在蝎子缝感受器的高灵敏振动感知机理的研究基础上，基于微电子、化学气相沉积、湿法刻蚀、电致变色显示等技术，提出了一种振动状态可视化检测装置、制作方法及应用，该装置可感知主轴的振动状态，并根据振动状态控制变色器展现出不同程度的非透明导电层的颜色，以实现对主轴振动状态实时可视化监测。本发明克服了现有技术中由于传统振动传感器尺寸过大不易安装、监测信号信噪比低、灵敏度低及监测结果不易直观反馈给操作人员等缺陷，具有响应快、灵敏度高、安装方便、可视化振动信号等特点。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种振动状态可视化检测装置，其特征在于，包括相互并联电连接的超敏振动传感器与电致变色器；

所述超敏振动传感器，当感知到外部的机械振动时，根据所述机械振动的强度的不同，电阻会发生改变，进而引起所述超敏振动传感器的端电压的改变；

所述电致变色器，根据所述端电压的大小产生深浅不同的颜色；所述电致变色器从下至上依次包括：第一弹性体基底、非透明导电层、电解液、第一石墨烯层和第二弹性体基底，所述第一石墨烯层形成于所述第二弹性体基底的下表面；

所述超敏振动传感器包括形成在所述第二弹性体基底的上表面的第三弹性体基底，所述第三弹性体基底的上表面有若干平行的狭缝，所述第三弹性体基底的上表面包括狭缝的表面均设置有第二石墨烯层，所述第二石墨烯层上平行于所述狭缝的两端各设置有一个电极；

两个所述电极中，一个与所述非透明导电层电连接，另一个与所述第一石墨烯层电连接。

2.根据权利要求1所述的振动状态可视化检测装置，其特征在于，所述第一弹性体基底和/或所述第二弹性体基底和/或所述第三弹性体基底采用PDMS制作而成。

3.根据权利要求1所述的振动状态可视化检测装置，其特征在于，所述电解液为包含二乙基甲基-(2-甲氧乙基)铵基双(三氟甲磺酰基)酰亚胺离子的电解液。

4.根据权利要求1所述的振动状态可视化检测装置，其特征在于，所述第一石墨烯层由多层石墨烯组成。

5.一种如权利要求2-4任一所述的振动状态可视化检测装置的制作方法，其特征在于，包括如下：

制作结构Ⅰ，所述结构Ⅰ从下至上依次包括：所述第一石墨烯层、所述第二弹性体基底、所述第三弹性体基底、所述第二石墨烯层以及两个所述电极；

制作结构Ⅱ，所述结构Ⅱ从下至上依次包括：所述第一弹性体基底和所述非透明导电层；将所述结构Ⅰ和所述结构Ⅱ组装，所述非透明导电层与所述第一石墨烯层相对，中间形成一空腔，所述空腔中容置有电解液；最后将两个所述电极中，一个与所述非透明导电层电连接，另一个与所述第一石墨烯层电连接。

6.根据权利要求5所述的振动状态可视化检测装置的制作方法，其特征在于，包括如下：步骤A、准备一具有平行狭缝的铜模具，在所述铜模具的狭缝面制作第二石墨烯层，并在所述第二石墨烯层上平行于所述狭缝的两端各制作一个电极，最后在所述第二石墨烯层上制作第三弹性体基底；

步骤B、准备一镍基底，在所述镍基底上制作第一石墨烯层，并在所述第一石墨烯层上嵌入第一电极引线；

步骤C、准备第一弹性体基底，在所述第一弹性体基底的表面制作非透明导电层，并在所述非透明导电层上嵌入第二电极引线；

步骤D、准备第二弹性体基底，将所述第二弹性体基底层压至所述步骤B中的第一石墨烯层的表面；

步骤E、将所述步骤D得到的结构的第二弹性体基底所在面与所述步骤A中的第三弹性体基底所在面组装在一起；

步骤F、采用腐蚀液去除所述步骤E得到的结构中的所述铜模具和所述镍基底；

步骤G、将所述步骤C得到的结构与所述步骤F得到的结构封装，中间形成一空腔，其中，所述非透明导电层与所述第一石墨烯层相对，所述空腔中容置有电解液；

步骤H、将所述第一电极引线和所述第二电极引线分别与所述第二石墨烯层上的两个电极相连接。

7.根据权利要求6所述的振动状态可视化检测装置的制作方法，其特征在于，所述第一石墨烯层和/或所述第二石墨烯层采用化学气相沉积的方法制作而成。

8.根据权利要求6所述的振动状态可视化检测装置的制作方法，其特征在于，所述步骤F中，所述腐蚀液为三氯化铁溶液。

9.一种如权利要求1-4任一所述的振动状态可视化检测装置的应用，将所述超敏振动传感器贴附或嵌入待监测的主轴上，并在所述超敏振动传感器与所述电致变色器的并联电路的干路上串联一定值电阻，在整个电路两端外接固定电压，根据所述电致变色器显示的颜色的深浅来判断所述主轴的振动大小。

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