CN112857468B

CN112857468B - 一种测量应变和磁场的双模态传感器及其制备方法

Info

Publication number: CN112857468B
Application number: CN202110259978.XA
Authority: CN
Inventors: 巫远招; 李晟斌; 刘宜伟; 李润伟
Original assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Current assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Priority date: 2021-03-10
Filing date: 2021-03-10
Publication date: 2023-02-03
Anticipated expiration: 2041-03-10
Also published as: CN112857468A

Abstract

本发明提供了一种双模态传感器，包括：弹性基体，导电材料和磁性敏感材料；所述弹性基体不导电；所述导电材料附着在弹性基体表面；所述磁性敏感材料插入弹性基体内。本发明还提供了一种双模传感器的制备方法，包括：弹性基体表面涂覆、沉积导电材料，在磁性敏感材料表面涂覆未固化弹性高分子材料，将涂覆后的磁性敏感材料插入弹性基体内，固化弹性高分子材料，使得磁性敏感材料固定在弹性基体中，得到双模态传感器。本发明还提供了一种双模传感器的使用方法。本发明提供的双模态传感器能够同时测量应变和磁场强度，且互不干扰，所述双模传感器的制备和使用方法简单、高效。

Description

一种测量应变和磁场的双模态传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及磁场、应变探测技术，具体涉及一种测量应变和磁场的双模态传感器及其制备方法。

背景技术

随着物联网与可穿戴技术的发展，人们需要身上的电子设备能够舒适的贴附在身上，因此对电子器件的小型化、集成化提出了更高的要求。为了在同样的尺度下集成尽可能多的传感器件，多模态，能够同时对多种不同外界信息响应的传感器变成为了当下人们关注的焦点之一。

应力应变作为我们身边最常见的物理量之一，与我们的生活密切相关，是我们人类感知外界环境的一个重要窗口。其一般是将应力应变转变为电容、电阻、电感等电学量的变化，通过电学仪器设备进行测量。

专利号为CN106885508A的中国专利，公开了一种现场可视化的应变传感器，具体涉及一种现场可视化的应变传感器，其包括弹性元件、应变片、电路板和现场预警装置，弹性元件固定在被测结构中，应变片设置在所述弹性元件的表面，应变片与电路板相连接，将应变片的形变转化为电信号传输到电路板中，电路板还与现场预警装置连接，电路板中包括平衡电桥、精密放大电路、信号处理模块、STM32单片机和数传模块。

磁传感器是传感器中的一个重要组成部分，经过近一个世纪的发展，磁场传感器在人类社会生活的各个方面发挥着越来越来重要的作用，每年，全世界有数十亿的磁传感器投入使用。在我们的身边充满了磁场，小到地磁场、电气设备运行时电流产生的磁场，大到某些医疗仪器如核磁共振设备的磁场。伴随着磁传感器的日臻完善，各行各业对其提出了越来越高的要求，尤其是要求如何将磁学量按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出则是磁传感器的研究核心之一。

而为了能够实现传感器设备的高度集成化，赋予单一传感器尽可能多的功能以期实现多模态变成为了当前传感器研究的一个重要方向。而其中如何在单一传感器中，同时测得磁场变化与应变大小变成为了一个重要的难点。

发明内容

本发明提供了一种能够同时检测磁场和应变，且互不干扰的双模态传感器，所述双模态传感器制备和使用方法简单、高效。

一种双模态传感器，包括：弹性基体、导电材料和磁性敏感材料；

所述的弹性基体为柱体，柱中心穿有磁性敏感材料；

所述弹性基体不导电；

所述导电材料附着在弹性基体表面。

当外界磁场作用于所述双模态传感器时，内部磁性敏感材料的磁导率发生变化，从而使得传感器表面导电材料的电感发生变化；当拉伸传感器时，传感器表面的导电材料的电阻随着应变发生变化，综上所述传感器能够同时检测电感和电阻，通过检测到的电感变化率和电阻变化率，从而得到相应的磁场和应变，且互不干扰。

所述的弹性基体包括脂肪族芳香族无规共聚酯、聚二甲基硅氧烷、硅胶、橡胶、树脂、水凝胶、聚氨酯、苯乙烯嵌段共聚物、聚氯乙烯、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸类塑料、聚乙烯辛烯共弹性体中的一种或者几种。

作为优选，弹性基体为热塑性聚氨酯弹性体(TPU)导管。

所述的导电材料使用涂覆法或沉积法方法呈螺旋绕行状附着在弹性基体表面。

所述的导电材料与参考轴的夹角为α，所述参考轴平行于螺旋绕行的中轴线，30°≤α≤150°，作为优选，60°≤α≤120°。

角度越接近90°，电阻随应变的变化越大，同时也会拥有更大的电感，使得电感随磁场的变化量增大。

所述的导电材料包括导电金属薄膜、导电高分子、石墨烯、碳纳米管或液态金属。

所述的液态金属为汞、镓、镓铟合金、镓铟锡合金，作为优选，液态金属为掺杂过渡族金属、固态非金属元素的一种或几种的镓、镓铟合金、镓铟锡合金。

进一步优选，导电材料为镓铟锡合金液态金属。

所述的导电材料为柔性材料附着在弹性基体上，相比于固定长度的导线，所述导电材料的长度和横截面积的能够随着弹性基体的拉伸、扭转形变的变化，做出相应的变化，从而所述导电材料的电阻能够敏感、准确的体现弹性基体的应力应变。

所述的磁性敏感材料为Co、Fe或Ni基磁性材料，作为优选，采用Co基非晶丝。

本发明还提供一种制备上述的双模态传感器的制备方法，包括：在弹性基体表面涂覆、沉积导电材料，在磁性敏感材料表面涂覆弹性高分子材料，将涂覆后的磁性敏感材料穿过涂覆、沉积导电材料的弹性基体，然后加热固化弹性高分子材料，使得磁性敏感材料固定在弹性基体中，制得双模态传感器。

所述的弹性高分子材料包括聚二甲基硅氧烷、有机硅橡胶、硅胶、橡胶、树脂的一种或几种。

本发明还提供了一种使用双模态传感器的使用方法，包括：

(1)对所述的双模态传感器施加固定的外加磁场，并输入交流电流，测试双模传感器的电感，改变外加磁场大小，得到一系列在不同外加磁场下的电感变化率，并拟合得到磁场与电感变化率关系曲线；

(2)对双模传感器施加固定的应变，测试该传感器导电材料的电阻，改变应变大小，得到一系列在不同应变下的电阻变化率，并拟合得到应变与电阻变化率关系曲线；

(3)与步骤(1)、(2)中的测试条件相同，测试该双模态传感器的实际电感变化率、电阻值变化率，将其分别代入所述磁场与电感变化率关系曲线和应变与电阻变化率关系曲线，得到实际的磁场值、应变值。

本发明与现有技术相比，主要优点包括：

(1)本发明利用附着在弹性基体的导电线圈电阻随拉伸应变产生变化以及其电感由于内部磁性敏感材料的存在能够随外界磁场而变化实现应变磁场双模态测量。

(2)该磁传感器结构简单，能够同时实现应变和磁场的探测，并且互不干扰，制备方法简单，高效。

附图说明

图1为本发明实施例1中的双模态传感器的结构示意图，其中，附图标记为：弹性基体1、磁性敏感材料2、导电材料3；

图2为本发明实施例1中制得的双模态传感器电感随磁场变化的关系曲线图；

图3为本发明实施例1中制得的双模态传感器电阻随应变变化的关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例，进一步阐明本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明，而不用于限制本发明的范围。

本实施例中，双模态传感器的结构如图1所示，由弹性基体1、磁性敏感材料2、导电材料3组成，导电材料与参考轴的夹角为α为92°。

其中，弹性基体1为TPU热塑性橡胶管，磁性敏感材料2为Co基非晶丝，导电材料3为镓铟锡合金。

该双模态传感器的制备方法包括如下步骤：

在TPU热塑性橡胶管表面涂覆镓铟锡合金。Co基非晶丝表面涂覆有机硅橡胶，将涂覆后的非晶丝插入橡胶管内。加热固化硅橡胶使非晶丝固定在橡胶管中。

对该双模态传感器进行如下测试：

(1)对双模态传感器通入100k-10MHz交流电流，施加不同大小的外加磁场(0，1Oe，2Oe，3Oe，4Oe，5Oe，6Oe，7Oe，8Oe，9Oe，10Oe)，测试该传感器导电材料的电感变化率大小(0，-0.485％，-0.704％，-0.824％，-0.848％，-0.858％，-0.860％，-0.861％，-0.863％，-0.864％，-0.866％)，由此得到一系列所述变化外加磁场下的参考电感变化率，其拟合曲线如图2所示；

(2)对双模态传感器施加不同的应变(0，5％，10％，15％，20％，25％，30％，35％，40％，45％，50％)，测试该传感器导电材料的电阻变化率大小(0，-1.8％，-3％，-4.3％，-4.9％，-5.6％，-6.7％，-8％，-8.9％，-10.1％，-10.2％)，由此得到一系列在不同应变下的参考电阻变化率，其拟合曲线如图3所示；

(3)在实际应用中，与步骤(1)、(2)中的测试条件相同，测试该双模态传感器的实际电感、电阻变化率，将其分别代入磁场与电感变化率关系曲线和应变与电阻变化率关系曲线，得到实际的磁场值、应变值。将传感器分别在2.5Oe磁场，18％拉伸量、2.5Oe磁场，38％拉伸量、3.5Oe磁场，18％拉伸量以及3.5Oe磁场，38％拉伸量下测试得到传感器的电感电阻变化率分别为-0.761％，-4.6％、-0.766％，-8.7％、-0.833％，-4.6％以及-0.836％，-8.7％。通过图2、图3拟合曲线得到的磁场、拉伸量分别为2.48Oe，17.5％拉伸、2.52Oe，37.7％拉伸、3.47Oe，17.5％拉伸以及3.54Oe，37.7％拉伸，误差小于3％。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种双模态传感器，其特征在于，包括弹性基体、导电材料和磁性敏感材料；

所述的弹性基体为柱体，柱中心穿有磁性敏感材料；

所述弹性基体不导电；

所述导电材料附着在弹性基体表面；

所述的导电材料包括导电金属薄膜、导电高分子、石墨烯、碳纳米管或液态金属；

所述的导电材料使用涂覆法或沉积法呈螺旋绕行状附着在弹性基体表面；弹性基体为热塑性聚氨酯弹性体（TPU）导管；

所述的导电材料与参考轴的夹角为α，所述参考轴平行于螺旋绕行的中轴线，30°≤α≤150°。

2.根据权利要求1所述的双模态传感器，其特征在于，所述的液态金属为汞、镓、镓铟合金或镓铟锡合金。

3.根据权利要求1所述的双模态传感器，其特征在于，所述的磁性敏感材料为Co、Fe或Ni基磁性材料。

4.根据权利要求1-3任一项所述的双模态传感器的制备方法，包括：在弹性基体表面涂覆、沉积导电材料，在磁性敏感材料表面涂覆弹性高分子材料，将涂覆后的磁性敏感材料穿过涂覆、沉积导电材料的弹性基体，然后加热固化弹性高分子材料，使得磁性敏感材料固定在弹性基体中心，制得双模态传感器。

5.根据权利要求4所述的双模态传感器的制备方法，其特征在于，所述的弹性高分子材料包括聚二甲基硅氧烷、硅胶、橡胶、树脂中的一种或多种。