CN112816090A - 一种传感器的制备方法、应变栅制备装置和传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种传感器的制备方法、应变栅制备装置和传感器，包括基体、模数转换器、电极和应变栅；基体采用木材，模数转换器、电极和应变栅均设置在木材表面、模数转换器输入端连接两个电极，应变栅位于两个电极之间，应变栅两端分别与两个电极连接，应变栅采用三维多孔碳材料制成。制备过程为：将木材放置在真空环境中，采用激光诱导的方法，在木材表面标刻生成应变栅；在木材上安装模数转换器；采用导电材料在木材上铺设两个电极和与电极连接的导线，两个电极分别连接应变栅两端，导线与模数转换器连接。传感器能够被降解，有利于环境的保护。
Description
技术领域
本发明属于传感器领域，涉及一种传感器的制备方法、应变栅制备装置和传感器。
背景技术
传统的传感器多以金属以及半导体为原材料制作。如压力传感器，压阻式压力传感器现主要以康铜作为敏感材料，半导体压力传感器以硅片作为基片，而温度传感器如双金属片式传感器、热电偶传感，均需要金属作为敏感器件，在满足使用要求的同时，废弃的传感器由于难以降解，带来了巨大的环境污染。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种传感器的制备方法、应变栅制备装置和传感器，传感器能够被降解，有利于环境的保护。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种传感器的制备方法，包括以下步骤：
将木材放置在真空环境中，采用激光诱导的方法，在木材表面标刻生成应变栅；
在木材上安装模数转换器；
采用导电材料在木材上铺设两个电极和与电极连接的导线，两个电极分别连接应变栅两端，导线与模数转换器连接。
优选的，在木材正反两面均标刻、安装和铺设应变栅、模数转换器、电极和与电极连接的导线，木材正面的应变栅标刻为温度应变栅，木材背面的应变栅标刻为压力应变栅，在木材上安装数字信号处理器，将两个模数转换器输出端均与数字信号处理器输入端连接。
优选的，激光诱导加工过程中，采用波长1070nm、10KHz脉冲的激光，激光功率为9.5～10.5w，离焦距离为3.8～4.2mm，扫描速度为95～105mm/s，标刻次数为11-14次。
一种基于上述任意一项所述制备方法的传感器应变栅的制备装置，包括光纤激光器、真空腔、真空计和真空泵，真空腔为密闭腔体，顶部为透明玻璃，光纤激光器设置在真空腔顶部，光纤激光器输出端朝向真空腔内部，真空计和真空泵均与真空腔内部连通。
一种传感器，包括基体、模数转换器、电极和应变栅；
基体采用木材，模数转换器、电极和应变栅均设置在木材表面、模数转换器输入端连接两个电极，应变栅位于两个电极之间，应变栅两端分别与两个电极连接，应变栅采用三维多孔碳材料制成。
优选的，应变栅采用温度应变栅。
优选的，应变栅采用压力应变栅。
优选的，应变栅采用气体应变栅。
优选的，木材正反两面均设置有一组模数转换器、电极和应变栅，木材正面的应变栅采用温度应变栅，木材背面的应变栅采用压力应变栅，木材上设置有数字信号处理器，两个模数转换器输出端均与数字信号处理器输入端连接。
进一步，木材背面设置有两个凸块，其中一个凸块设置在木材背面一端，另一个凸块设置在靠近木材背面另一端位置。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明所述的传感器制备方法，在真空环境下对木材表面进行激光诱导标刻，无需对木材进行阻燃处理，激光诱导形成的碳材料作为应变栅，标刻形成的应变栅图案形貌可控，制造周期短，成本低，激光制备的碳材料为三维多孔碳材料，在受到压力与温度作用时可快速响应，电阻迅速发生变化，因制备得到的传感器在不影响正常使用的前提下，能够被降解，有利于环境的保护。
本发明所述的传感器制备装置，光纤激光器设置在顶部透明的密闭真空腔上方，能够采用激光对真空腔内的木材进行激光诱导加工，真空泵将真空腔抽真空，使木材不会燃烧，无需对木材进行阻燃处理，真空计对真空腔内的真空度进行监测，通过本装置能够对木材进行激光诱导加工。
本发明所述的传感器，将木材作为基体，使用三维多孔碳材料作为应变栅，三维多孔碳材料在受到压力与温度作用时可快速响应，电阻迅速发生变化，并且木材和三维多孔碳材料都具有可降解性，因此该传感器在不影响正常使用的前提下，能够被降解，有利于环境的保护。
进一步，在木材正反两面分别设置温度传感器和压力传感器，数字信号处理器上用于区分压力信号与温度信号，能够实现温度和压力传感器的集成，简化了器件结构，适用于需同时进行压力与温度传感的场合。
进一步，木材背面的两个凸块，一个设置在木材背面端部，另一个不设置在木材背面另一端部，能够避免受到压力的影响，干扰对温度信号的检测。
附图说明
图1为本发明的集成压力、温度传感器的立体图；
图2为本发明的集成压力、温度传感器的俯视图；
图3为本发明的集成压力、温度传感器的仰视图；
图4为本发明的制备装置结构示意图；
图5为本发明的激光标刻的温度应变栅图案；
图6为本发明的激光标刻的压力应变栅图案；
图7为本发明的将未加载、加载2Kg、4Kg、6Kg和8Kg砝码分别放在传感器压力传感区域，电阻值随质量变化图；
图8为本发明的压力传感器重复施加2Kg砝码，压力传感器电阻变化图；
图9为本发明的对压力传感器重复加载与卸载2Kg砝码过程，共重复300次，压力传感器电阻变化图；
图10为本发明的将未加载、加载2Kg、4Kg、6Kg和8Kg砝码分别放在传感器上置于温控箱中，电阻值随温度变化图。
其中：1-光纤激光器；2-真空腔；3-真空计；4-木材；5-真空阀门；6-真空泵；7-施压位置；8-数字信号处理器；9-模数转换器；10-电极；11-温度应变栅；12-导线；13-压力应变栅；14-凸块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明所述的传感器，包括基体、模数转换器9、电极10和应变栅。
基体采用木材4，整个木材4作为绝缘区域，模数转换器9、电极10和应变栅均设置在木材4表面、模数转换器9输入端连接两个电极10，应变栅位于两个电极10之间，应变栅两端分别与两个电极10连接，应变栅采用三维多孔碳材料制成。
本实施例的木材4采用松木，两个电极10之间为矩形，面积小于等于15mm2，应变栅的栅长为18±1mm，栅宽为13±1.1mm，栅间距为1.5±0.1mm，栅丝直径为0.5±0.1mm。
应变栅可以采用温度应变栅11、压力应变栅13或气体应变栅。
温度应变栅11的图案如图5所示，压力应变栅13的图案如图6所示。
并且如图1所示，可以将温度和压力传感器集成，木材4正反两面均设置有一组模数转换器9、电极10和应变栅，木材4上设置有数字信号处理器8，两个模数转换器9输出端均与数字信号处理器8输入端连接。模数转换器9用于将模拟信号转换为数字信号，数字信号处理器8用于区分压力信号与温度信号。
如图2所示，木材4正面的应变栅采用温度应变栅11，作为温度传感器，温度应变栅11位于木材4端部，木材4正面的偏中心位置作为施压位置7。
如图3所示，木材4背面的应变栅采用压力应变栅13，作为压力传感器，木材4背面设置有两个凸块14，其中一个凸块14设置在木材4背面一端，另一个凸块14设置在靠近木材4背面另一端位置，两个凸块14对称分布在施压位置7两侧。
木材4同一面的两个电极10的长宽为5mm和3mm，两个电极10的间距为9.5mm，栅格总宽度为10.5mm，单个栅格的宽度为0.5mm，压力应变栅13中，每节的应变栅的长度为3mm。
如图4所示，所述传感器应变栅的制备装置包括光纤激光器1、真空腔2、真空计3、真空阀门5和真空泵6。
真空腔2为密闭腔体，顶部为透明玻璃，光纤激光器1设置在真空腔2顶部，光纤激光器1输出端朝向真空腔2内部，真空计3与真空腔2内部连通，真空泵6通过管道与真空腔2内部连通，管道上设置有真空阀门5。
本发明所述的传感器的制备过程为：
将准备好的木材4加工成所需尺寸的矩形形状，置于干燥箱中1-2小时50-60℃干燥。
用无水乙醇在木材4所需加工位置擦拭，确保清洁。
将处理好的木材4放入真空腔2中，打开真空泵6与真空阀门5，通过与真空腔2所连接的真空计3的读数，控制真空腔2内真空度。控制真空计3读数至100-200pa时关闭真空阀门5与真空泵6。
使用光纤激光器1，打开激光器，控制五轴运动激光加工平台中Z轴变化，使真空腔2中所需加工木材4表面位于激光焦点Z轴距离4mm处，利用软件控制激光振镜移动，在木材4上制备应变栅的电子图案。
使用导电银胶铺设传感器的电极10部分，引出导线12，两个电极10分别连接应变栅两端。
在木材4上安装模数转换器9，导线12与模数转换器9连接，将模拟信号转换为数字信号。
若将将温度和压力传感器集成，则在木材4正反两面均标刻、安装和铺设应变栅、模数转换器9、电极10和与电极10连接的导线12，木材4正面的应变栅标刻为温度应变栅11，木材4背面的应变栅标刻为压力应变栅13，在木材4上安装数字信号处理器8，将两个模数转换器9输出端均与数字信号处理器8输入端连接。
激光诱导加工过程中，采用波长1070nm、10KHz脉冲的激光，激光功率为9.5w-10.5w，离焦距离为3.8-4.2mm，扫描速度为95-105mm/s，标刻次数为11-14次。
实施例1：
将准备好的松木加工成所需尺寸的矩形形状，置于干燥箱中1.5小时55℃干燥。
用无水乙醇在松木所需加工位置擦拭，确保清洁。
将处理好的松木放入真空腔2中，打开真空泵6与真空阀门5，通过与真空腔2所连接的真空计3的读数，控制真空腔2内真空度。控制真空计3读数至150pa时关闭真空阀门5与真空泵6。
使用光纤激光器1，打开激光器，采用波长1070nm、10KHz脉冲的激光，设置激光功率为9.5w，扫描速度为95mm/s，标刻次数为11次，控制五轴运动激光加工平台中Z轴变化，使真空腔2中所需加工松木表面位于激光焦点Z轴距离3.8mm处，利用软件控制激光振镜移动，在松木正反面上分别制备温度应变栅11和压力应变栅13的电子图案。
使用导电银胶铺设松木正反面的电极10部分，引出导线12，松木正面两个电极10分别连接温度应变栅11两端，松木背面两个电极10分别连接压力应变栅13两端。
在松木上安装数字信号处理器8，在松木正反面上分别安装模数转换器9和，松木正面的导线12与正面的模数转换器9连接，松木背面的导线12与背面的模数转换器9连接，将两个模数转换器9输出端均与数字信号处理器8输入端连接。
实施例2：
将准备好的松木加工成所需尺寸的矩形形状，置于干燥箱中2小时60℃干燥。
用无水乙醇在松木所需加工位置擦拭，确保清洁。
将处理好的松木放入真空腔2中，打开真空泵6与真空阀门5，通过与真空腔2所连接的真空计3的读数，控制真空腔2内真空度。控制真空计3读数至200pa时关闭真空阀门5与真空泵6。
使用光纤激光器1，打开激光器，采用波长1070nm、10KHz脉冲的激光，设置激光功率为10.5w，扫描速度为105mm/s，标刻次数为13次，控制五轴运动激光加工平台中Z轴变化，使真空腔2中所需加工松木表面位于激光焦点Z轴距离4.2mm处，利用软件控制激光振镜移动，在松木正反面上分别制备温度应变栅11和压力应变栅13的电子图案。
使用导电银胶铺设松木正反面的电极10部分，引出导线12，松木正面两个电极10分别连接温度应变栅11两端，松木背面两个电极10分别连接压力应变栅13两端。
在松木上安装数字信号处理器8，在松木正反面上分别安装模数转换器9和，松木正面的导线12与正面的模数转换器9连接，松木背面的导线12与背面的模数转换器9连接，将两个模数转换器9输出端均与数字信号处理器8输入端连接。
实施例3：
将准备好的松木加工成所需尺寸的矩形形状，置于干燥箱中1小时50℃干燥。
用无水乙醇在松木所需加工位置擦拭，确保清洁。
将处理好的松木放入真空腔2中，打开真空泵6与真空阀门5，通过与真空腔2所连接的真空计3的读数，控制真空腔2内真空度。控制真空计3读数至100pa时关闭真空阀门5与真空泵6。
使用光纤激光器1，打开激光器，设置激光功率为10w，扫描速度为100mm/s，标刻次数为14次，控制五轴运动激光加工平台中Z轴变化，使真空腔2中所需加工松木表面位于激光焦点Z轴距离4mm处，利用软件控制激光振镜移动，在松木正反面上分别制备温度应变栅11和压力应变栅13的电子图案。
使用导电银胶铺设松木正反面的电极10部分，引出导线12，松木正面两个电极10分别连接温度应变栅11两端，松木背面两个电极10分别连接压力应变栅13两端。
在松木上安装数字信号处理器8，在松木正反面上分别安装模数转换器9和，松木正面的导线12与正面的模数转换器9连接，松木背面的导线12与背面的模数转换器9连接，将两个模数转换器9输出端均与数字信号处理器8输入端连接。
在激光标刻的区域多次标刻后，原有的松木被加工成为三维多孔碳材料，三维多孔碳材料为导电碳材料。
将未加载、加载2Kg、4Kg、6Kg和8Kg砝码分别放在传感器压力传感区域，为压力传感器加压，测试其电阻变化，共测试7次，得到如图7电阻随加压变化，根据公式
计算得压力传感器得灵敏度系数k＝21.8。
将两个激光诱导木材4碳材料电子图案组成半桥形式，连接在动态测试分析仪上，对压力传感器重复施加2Kg砝码，此时动态测试分析系统将信号传入电脑中，得到图8，且根据图8得到压力传感器响应时间为1s，循环加载300次得到图9，说明此压力传感器具有一定的使用寿命。
利用温控箱控制环境温度，具体实验如下：1.记录温度传感器在室温下的电阻值；2.分别将未加载、加载2Kg，4Kg，6Kg，8Kg砝码温度传感器置于温控箱中，控制温控箱中温度，待温度传感器电阻值稳定后，记录电阻。如图10所示，根据如下公式计算：
αT＝(R2-R1)/R1(T2-T1)
得到电阻温度系数为αT＝-1.01×10-3。
基于激光诱导木材4制备碳材料的集成压力、温度传感器工作原理为：
我们可以基本确定，我们所制备的敏感区域其中起导电作用的主要是石墨微晶与石墨烯。激光标刻后的松木呈现疏松的多孔碳结构，由于存在大量接触点导电，由大量的接触点形成导电回路，在受到压力作用时，其中的部分接触点会分离，这导致了电阻增大。压力越大，被拉伸开的接触点越多，电阻就会越大，而在压力撤销之后，接触点又重新相互接触，压力传感器电阻值又恢复至初始状态。
石墨微晶为杂乱排列的晶体，这些晶体在温度增大后体积增大，对于微晶而言电阻升高了，但石墨微晶之间的接触由于体积增大变得越来越好。而一般石墨晶体在500°以下接触质量对它的电阻起关键作用，所以在升温后其电阻显著减小。
将负责温度传感的电子图案制备在无压力区域，而将负责压力传感的部分制备在应变最大区域，负责压力传感的部分在接受压力信号的同时也接受温度信号，利用模数转换器9同时接收压力传感器信号与温度传感器信号，将数字信号同时传入数字信号处理器8中，数字信号处理器8对采集到的信号进行求解计算，将温度信号与压力信号分离，输出单一的温度与压力信号。
本实施例所制备的压力传感器灵敏度高，响应快，温度传感也具有一定的灵敏性，传感器压力灵敏度系数为21.8，电阻温度系数为-1.01×10-3。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将木材(4)放置在真空环境中，采用激光诱导的方法，在木材(4)表面标刻生成应变栅；
在木材(4)上安装模数转换器(9)；
采用导电材料在木材(4)上铺设两个电极(10)和与电极(10)连接的导线(12)，两个电极(10)分别连接应变栅两端，导线(12)与模数转换器(9)连接。
2.根据权利要求1所述的传感器的制备方法，其特征在于，在木材(4)正反两面均标刻、安装和铺设应变栅、模数转换器(9)、电极(10)和与电极(10)连接的导线(12)，木材(4)正面的应变栅标刻为温度应变栅(11)，木材(4)背面的应变栅标刻为压力应变栅(13)，在木材(4)上安装数字信号处理器(8)，将两个模数转换器(9)输出端均与数字信号处理器(8)输入端连接。
3.根据权利要求1所述的传感器的制备方法，其特征在于，激光诱导加工过程中，采用波长1070nm、10KHz脉冲的激光，激光功率为9.5～10.5w，离焦距离为3.8～4.2mm，扫描速度为95～105mm/s，标刻次数为11-14次。
4.一种基于权利要求1至3任意一项所述制备方法的传感器应变栅的制备装置，其特征在于，包括光纤激光器(1)、真空腔(2)、真空计(3)和真空泵(6)，真空腔(2)为密闭腔体，顶部为透明玻璃，光纤激光器(1)设置在真空腔(2)顶部，光纤激光器(1)输出端朝向真空腔(2)内部，真空计(3)和真空泵(6)均与真空腔(2)内部连通。
5.一种传感器，其特征在于，包括基体、模数转换器(9)、电极(10)和应变栅；
基体采用木材(4)，模数转换器(9)、电极(10)和应变栅均设置在木材(4)表面、模数转换器(9)输入端连接两个电极(10)，应变栅位于两个电极(10)之间，应变栅两端分别与两个电极(10)连接，应变栅采用三维多孔碳材料制成。
6.根据权利要求5所述的传感器，其特征在于，应变栅采用温度应变栅(11)。
7.根据权利要求5所述的传感器，其特征在于，应变栅采用压力应变栅(13)。
8.根据权利要求5所述的传感器，其特征在于，应变栅采用气体应变栅。
9.根据权利要求5所述的传感器，其特征在于，木材(4)正反两面均设置有一组模数转换器(9)、电极(10)和应变栅，木材(4)正面的应变栅采用温度应变栅(11)，木材(4)背面的应变栅采用压力应变栅(13)，木材(4)上设置有数字信号处理器(8)，两个模数转换器(9)输出端均与数字信号处理器(8)输入端连接。
10.根据权利要求9所述的传感器，其特征在于，木材(4)背面设置有两个凸块(14)，其中一个凸块(14)设置在木材(4)背面一端，另一个凸块(14)设置在靠近木材(4)背面另一端位置。
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