CN113447062B - 正多边形多通道多孔柔性传感器及其制法和多通道故障监测方法 - Google Patents

Abstract

一种正多边形多通道多孔柔性传感器及其制法和多通道故障监测方法，属于结构健康检测和航空用多孔柔性传感器技术领域。该正多边形多通道多孔柔性传感器，包括一个正多边形多孔柔性传感器单元、导线和信号采集系统，该正多边形多孔柔性传感器单元的每个角连接一根导线，每个导线引出两个支路，信号采集系统设置有N对正负极匹配的信号采集电极，N≥正多边形边的个数，其中，一个支路连接一个信号采集电极的正极，相邻角的一个支路连接该信号采集电极的负极，保证正多边形的每条边形成一个闭合通道。采用该布局方式可以实现多通道连接，有效提高了排故效率，能够及时识别飞机运行中产生的故障，转化成电信号，以便及时对故障进行维修。

Description

正多边形多通道多孔柔性传感器及其制法和多通道故障监测 方法

技术领域

本发明具体涉及一种正多边形多通道多孔柔性传感器及其制法和多通道故障监测方法，属于结构健康检测和航空用多孔柔性传感器技术领域。

背景技术

飞机作为重要的运输工具，构造精密，变化复杂且频繁，使用过程中难免会受到极端因素的影响，比如鸟群撞击、冰雹大风等，极易造成机体结构的腐蚀、裂纹和冲击损伤等，对飞机正常飞行有很大安全隐患，甚至对整机安全都会造成威胁。通常情况下，通过采取适航监督，使用设计阶段进行预试验可靠性测试，并对航空器进行持续的健康检测，以检验是否符合要求。然而，在飞机的实际运行中，对于部分异常，只有在故障明显发生出现时才能进行诊断，而传感器本身参数的偶发跳变故障的捕捉难度极大。飞机的部分位置监测难度很大，需要消耗大量的人力物力，拆卸过程中极易引起额外的损伤。普通的人工观察三用表的方式诊断，效率低、说服力有限、结果不充分。有鉴于此，应当对现有技术进行改进，以解决航空器传感器的故障测量和捕捉难度较大的技术问题。

目前，在航空航天领域，故障检测的准确性主要依赖于传感器的使用，柔性传感器可以裁成各种需要的尺寸形状，布置在航空器的表面和内部，实时对结构的状态进行感知，能够及时的对故障的发生做出明确的感应，对数据进行识别处理，监控航空器的健康。随着技术的成熟，对柔性传感器在灵敏度的指标要求越来越高。现有的方法大部分是对弹性体表面进行结构化设计，增加了工艺的复杂性，制备成本，倒模过程中很难保证表面微结构的一致性。而且通过这种操作手段，无法保证生产出大面积均匀的传感器。现有的应用传感器进行故障监测大都方法单一，一般只有一个感应通道或感应单元，数据记录单一，不能实现对裂纹的定量监测，数据采集慢，方便性差。

而阵列式传感器是一种多种传感器按照一定的排列顺序构成具有一定功能和作用的整体，通过传感器的集成可以实现区域内数据采集和提取，从而为后续分析提供便利，目前阵列式传感器的排列方式有，圆周环形布局或矩形排列布局等，这些布局，如果用于航空器健康检测，布局方式十分复杂，每一个点阵块都需要连接导线，线路复杂，操作难度高，矩阵的排布必须精准无误。无法完全覆盖整个监测环境，当未覆盖传感器的间隙出现故障时，无法及时发现，故障检测效率低。因此，需要寻找适用于飞机的多通道传感器布局方式。

发明内容

本发明提出了一种正多边形多通道多孔柔性传感器及其制法和多通道故障监测方法，是一种基于石墨烯PDMS正多边形多通道多孔柔性传感器及其制备及其在航空器健康监测中的应用，正多边形多通道多孔柔性传感器的多孔结构具有检测数据准确，捕捉信号灵敏的特点，其是薄膜结构，厚度≤1mm，并且区分了压力敏感层和保护层，使用灵活，大小形状可以任意裁剪，既可以适用于结构表面的裂纹监测，也可以适用于结构内部的裂纹监测，同时还可以扩大监测范围，提高裂纹的定量监测效果，进一步提高结构健康监控的技术水平。并且，正多边形多通道多孔柔性传感器的布局方式采用整体为正多边形，每个角连接一个导线，每个导线引出两个支路，从而保证正多边形的每条边形成一个闭合通道，采用该布局方式可以实现多通道连接，有效提高了排故效率，能够及时识别飞机运行中产生的故障，转化成电信号，以便及时对故障进行维修。

本发明的一种正多边形多通道多孔柔性传感器，包括一个正多边形多孔柔性传感器单元、导线和信号采集系统，该正多边形多孔柔性传感器单元的每个角连接一根导线，每个导线引出两个支路，信号采集系统设置有N对正负极匹配的信号采集电极，N≥正多边形边的个数，其中，一个支路连接一个信号采集电极的正极，相邻角的一个支路连接该信号采集电极的负极，保证正多边形的每条边形成一个闭合通道。

所述的信号采集系统连接计算机，计算机上设置有电阻波动变化监测软件。

进一步的，所述的正多边形多孔柔性传感器单元分为压力敏感层和保护层，压力敏感层中孔隙率为50％～60％，孔径为100μm±10μm，保护层的孔隙率为10％～20％，孔径为100μm±10μm。

进一步的，正多边形多孔柔性传感器单元的厚度≤1mm，其中，压力敏感层厚度为0.5～0.7mm，保护层厚度为0.3～0.5mm。

本发明的一种正多边形多通道多孔柔性传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：制备多孔柔性传感器单元

(1)以正己烷为溶剂，将膨胀石墨烯和柔性基底混合，超声分散，得到混合物A；

(2)将混合物A和微米级NaCl颗粒混合，得到混合液B；

(3)将混合液B加入固化剂，充分搅拌，倒在不粘板上，进行涂膜。此时，NaCl大部分沉降，分层，置于干燥箱内烘干固化，得到柔性传感器薄膜，其厚度≤1mm；

(4)将柔性传感器薄膜置于超声机中，以水为溶剂，进行超声，使得NaCl充分析出，得到多孔柔性传感器；其中，多孔柔性传感器分为压力敏感层和保护层；

(5)将多孔柔性传感器，根据环境形状和尺寸要求，切割成正多边形多孔柔性传感器单元；

步骤2：正多边形多通道多孔柔性传感器

将正多边形多孔柔性传感器单元中的每个角连接一根导线，每个导线引出两条支路，保证正多边形的每一条边都可以连接成一个闭合的回路；将一个回路连接一个信号采集系统的正负极，得到正多边形多通道多孔柔性传感器监测的基本结构；正多边形多孔柔性传感器单元平分成N等份，其中，N为正多边形的边的个数，对应各个信号采集电极，通过电阻波动变化，来具体判断故障发生的位置。

在步骤1的(1)中，按质量比，膨胀石墨烯：柔性基底＝1：(15～30)；

在步骤1的(1)中，超声频率为40KHZ，超声温度控制在30℃～40℃，超声时间为4～5h。

在步骤1的(2)中，微米级NaCl采用高能行星球磨机低温球磨制得，球磨温度为室温，球磨时间为30～45min，转速为3000～4000r/min，料球体积比1：(1～1.5)。

在步骤1的(2)中，按质量比，混合物A中柔性基底：微米级NaCl颗粒＝(2～1)：1。

在步骤1的(2)中，微米级NaCl的粒径200～250目。

在步骤1的(3)中，不粘板优选为聚四氟乙烯不粘板，涂膜厚度优选为1.4～1.6mm。

本发明的一种正多边形多通道多孔柔性传感器的多通道故障监测方法，包括以下步骤：

将该正多边形多通道多孔柔性传感器的压力敏感层贴合在待故障监测材料上，等待检测，多个信号采集电极对应正多边形的每一条边；不施加任何外力作用时，电阻波动非常小，在1～5Ω之间小范围波动；施加微小单元的力时，所有通道都会发生电阻波动，但是距离最近的通道电阻波动最明显，当电阻波动大于50Ω，其余依次递减，根据电阻的波动，可以大致判断出故障发生的位置。

本发明的一种正多边形多通道多孔柔性传感器及其制法和多通道故障监测方法，其有益效果为：

1、本发明通过多组导线与薄膜结构连接构成多个通道，多个通道分别放在航空器模拟环境比如碳纤维板上，与信号采集系统连接。通过通道采集到信号的剧烈程度可以判断出故障发生的大致位置。向薄膜传感器施加微小的压力，模拟故障，高频率采样检测，对现有技术中难以捕捉的偶发参数跳变现象进行反应，该传感器可以及时发现隐患，为排故和改进提供更加有说服力和准确的数据，其排故效率高，采集信号方便快捷，能够实时有效的航空器的健康状态进行精准的监测。

2、本发明的正多边形多通道多孔柔性传感器，作为一种的无损监测传感器，具有灵敏度高、安装方便、成本低等优势，在结构健康监控技术领域具有广泛的应用前景，突破了常规的传感器进行裂纹检测时，灵敏性低，与材料接触不严密、通道单一的缺点。

3、基于石墨烯/PDMS的柔性多孔压力传感器，用盐颗粒制造多孔，操作简单，成本低，无毒无害。得到的多孔柔性传感器柔韧性好、稳定性好，灵敏度高。现有研究很难大规模生产面积较大的柔性压力传感器，本发明不仅解决了面积问题，还加入了多孔结构，大大提升了传感器最重要的性能，灵敏性。当施加压力时，电信号响应十分灵敏。在故障发生时，可以达到及时发现，及时排查的目的，减少航空器运行产生的安全隐患。大小形状可以任意裁剪，可以灵活的根据航空器环境进行吸附，减小了信号采集可能出现的误差。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍：

图1为多通道连接方式示意图，将每一边都连接到信号采集系统的正负极匹配的信号采集电极。

图2为具体实施示例中七通道信号采集系统的监测数据结果，在各个通达对用的区域施加微小的压力，可以看见对应的通道电阻波动最为明显，大于50Ω，相邻相对通道也会有波动，但幅度明显较小。

具体实施方式

下面对本发明实施例的基于石墨烯/PDMS多通道柔性多孔传感器制备和航空器故障监测办法进行具体说明。

以下实施例中，采用的信号采集系统Fluke全能型数据采集器。

(1)柔性多孔传感器的制备：

将柔性基底、正己烷和经处理的膨胀石墨烯按照一定比例混合，使柔性基底可以充分分散开，放在超声机中超声3h，石墨烯颗粒均匀的分散。用高能行星球磨机对分析纯NaCl颗粒进行低温球磨，得到的颗粒再用筛子进一步细分直径。将第一步得到的混合物A与NaCl颗粒按一定比例混合均匀，玻璃棒搅拌均匀，得到混合液B。将混合液B加入固化剂混合均匀后，倒在聚四氟乙烯不粘板上，用涂膜机调节1.5mm的高度铺开。放入到烘箱，烘干后揭下后即可得到厚度小于1mm的传感器。将得到的薄膜放到超声机中，以水为溶剂进行超声，可以看见NaCl颗粒析出，得到多孔结构的多孔柔性传感器。其中，在涂膜阶段，NaCl颗粒沉降，使得多孔柔性传感器分为压力敏感层和保护层，压力敏感层的孔隙率为50％～60％，厚度为0.5～0.7mm，保护层的孔隙率为10％～20％，厚度为0.3～0.5mm。

(2)多通道健康监测装置制备：

用激光切割将多孔柔性传感器切成模拟环境适应的正多边形形状和尺寸，将正多边形的每个角均连接导线，以设置多个间隔设置的电极，导线通过导电银浆固定在多孔柔性传感器上。

其中，所述柔性基底优选为PDMS，具有无毒无害，断裂伸长率高、弹性好、柔软灵活、价格便宜等优点；其中，压力敏感层为掺杂石墨烯的多孔弹性体复合薄膜。

进一步地，在较佳的实施例中，压力敏感层的厚度为0.5mm，整个多孔柔性传感器的厚度小于或等于1mm。产品具有良好的柔性，能够弯曲变形，可以灵活的贴附在航空器的表面和内部，对故障信号进行及时的监测。

优选地，所述环境模拟连接到碳纤维复合材料版上，该材料在航空器的应用十分广泛，可以清晰的模拟飞机在实际使用中所处的环境。

又优选地，对于电信号的监测，采用高频率信号采集系统，对信号的捕捉可以达到每秒钟一万次，对信号的收集十分精准。

实施例1

将PDMS以原液：正己烷分散液按5：4的质量比例混合，加入10g PDMS,8g正己烷。加入0.55g的膨胀石墨烯，充分搅拌，超声3h。将球磨后的5g 150-200目的NaCl颗粒5g加入混合液中，再加入1g的固化剂，玻璃棒搅拌5min，快速甩涂到聚四氟乙烯不粘板上，涂膜机调节1.5mm的涂膜厚度，铺开，放入到40℃烘箱，1h，揭下后即可得到厚度为0.8mm的传感器。其中，压力敏感层厚度为0.5mm，将得到的薄膜放到超声机中，以水为溶剂进行超声，可以看见NaCl颗粒析出，得到多孔结构的多孔柔性传感器。用激光切割将多孔柔性传感器切成七边形，在七个角连接导线，将导线用导电银浆连接在薄膜上，并在每根线尾端引出两条支路。确保七边形的每一条边都可以形成一个闭合的通道，其连接方式示意图见图1。将薄膜传感器固定到碳纤维复合材料板上。14跟导线对应7个间隔设置的电极，连接到信号采集系统上设置的对应的正负极上。对薄膜施加微小的压力，通过电阻波动剧烈程度，可以大致判断受压区域，其通道信号采集系统的监测数据结果见图2，在各个通达对用的区域施加微小的压力，可以看见对应的通道电阻波动最为明显，大于50Ω，相邻相对通道也会有波动，但幅度明显较小。其中，图中1号对应1通道，2号对应2通道，依次类推。

实施例2

将PDMS以原液：正己烷分散液按5：4的质量比例混合，加入10g PDMS,8g正己烷。加入0.55g的膨胀石墨烯，充分搅拌，超声3h。将球磨后的5g 150-200目的NaCl颗粒5g加入混合液中，再加入1g的固化剂，玻璃棒搅拌5min，快速甩涂到聚四氟乙烯不粘板上，涂膜机调节1.5mm的涂膜厚度，铺开。放入到40℃烘箱，1h，揭下后即可得到厚度为0.8mm的传感器。其中，压力敏感层厚度为0.5mm，将得到的薄膜放到超声机中，以水为溶剂进行超声，可以看见NaCl颗粒析出，得到多孔结构的多孔柔性传感器。用激光切割将多孔柔性传感器切成八边形，在八个角连接导线，将导线用导电银浆连接在薄膜上，并在每根线尾端引出两条导线。确保八边形的每一条边都可以形成一个闭合的通道。将薄膜传感器固定到碳纤维复合材料板上。16跟导线对应8个间隔设置的电极，连接到信号采集端口对应的正负极上，将信号采集系统连接计算机。对薄膜施加微小的压力，通过电阻波动剧烈程度，可以大致判断受压区域，当对应的信号采集电极中显示电阻波动超过50Ω，则说明该信号采集电极对应的这个边内面积处受到压力。

实施例3

将PDMS以原液：正己烷分散液按5：3的质量比例混合，加入10g PDMS,6g正己烷。加入0.55g的膨胀石墨烯，充分搅拌，超声3h。将球磨后的5g 150-200目的NaCl颗粒5g加入混合液中，再加入1g的固化剂，玻璃棒搅拌5min，快速甩涂到聚四氟乙烯不粘板上，涂膜机调节1.5mm的涂膜厚度，铺开。放入到40℃烘箱，1h，揭下后即可得到厚度为0.8mm的传感器。其中，压力敏感层厚度为0.5mm，将得到的薄膜放到超声机中，以水为溶剂进行超声，可以看见NaCl颗粒析出，得到多孔结构的多孔柔性传感器。用激光切割将多孔柔性传感器切成七边形，在七个角连接导线，并在每根线引出两根支路，将导线用导电银浆连接在薄膜上。确保七边形的每一条边都可以形成一个闭合的通道。将薄膜传感器固定到碳纤维复合材料板上。14跟导线对应7个间隔设置的电极，连接到信号采集端口对应的正负极上。对薄膜施加微小的压力，通过电阻波动剧烈程度，可以大致判断受压区域。

对比例1

一种多通道多孔柔性传感器，同实施例1，不同之处在于，其为非正多边形，对该非正多边形多通道多孔柔性传感器进行监测，发现因为其无法均匀的划分成均匀的等份，定位故障位置的时候存在困难，无法按照故障点导致的多个通道电阻波动状况判断出故障发生的位置。

对比例2

一种正多边形多通道多孔柔性传感器，同实施例1，不同之处在于，其为形成均匀的多孔结构，与无孔状态对比，灵敏度高。在受到微小单元的力时，电阻波动大，分辨率小于100MPa，响应时间小于0.1s。但是和本发明中实施例得到的不均匀分布孔相比，其灵敏度低，抗拉性差，这是因为本发明中得到上下分层的不均匀分不开从而形成的压力敏感层和保护层，压力敏感层可以敏锐的感知到微小单元的力，灵敏度高，将压力敏感层一侧固定在碳纤维复合材料板上，保护层朝外，在酸碱盐和高温等状态下，可以保护压敏层不受腐蚀，延长使用寿命。

Claims (3)

1.一种正多边形多通道多孔柔性传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：制备多孔柔性传感器单元

(1)以正己烷为溶剂，将膨胀石墨烯和柔性基底混合，超声分散，得到混合物A；

(2)将混合物A和微米级NaCl颗粒混合，得到混合液B；

(3)将混合液B加入固化剂，充分搅拌，倒在不粘板上，进行涂膜；此时，NaCl大部分沉降，分层，置于干燥箱内烘干固化，得到柔性传感器薄膜，其厚度≤1mm；

(4)将柔性传感器薄膜置于超声机中，以水为溶剂，进行超声，使得NaCl充分析出，得到多孔柔性传感器；其中，多孔柔性传感器分为压力敏感层和保护层；

(5)将多孔柔性传感器，根据环境形状和尺寸要求，切割成正多边形多孔柔性传感器单元；

步骤2：正多边形多通道多孔柔性传感器

将正多边形多孔柔性传感器单元中的每个角连接一根导线，每个导线引出两条支路，保证正多边形的每一条边都连接成一个闭合的回路；将一个回路连接一个信号采集系统的正负极，得到正多边形多通道多孔柔性传感器监测的基本结构；正多边形多孔柔性传感器单元平分成N等份，其中，N为正多边形的边的个数，对应各个信号采集电极，通过电阻波动变化，来具体判断故障发生的位置；在步骤1的(1)中，按质量比，膨胀石墨烯：柔性基底＝1：(15～30)；

在步骤1的(2)中，按质量比，混合物A中柔性基底：微米级NaCl颗粒＝(2～1)：1；

所述正多边形多通道多孔柔性传感器包括一个正多边形多孔柔性传感器单元、导线和信号采集系统，所述的正多边形多孔柔性传感器单元的每个角连接一根导线，每个导线引出两个支路，信号采集系统设置有N对正负极匹配的信号采集电极，N≥正多边形边的个数；其中，一个支路连接一个信号采集电极的正极，相邻角的一个支路连接该信号采集电极的负极，保证正多边形的每条边形成一个闭合通道；

所述的正多边形多孔柔性传感器单元分为压力敏感层和保护层，压力敏感层中孔隙率为50％～60％，孔径为100μm±10μm，保护层的孔隙率为10％～20％，孔径为100μm±10μm；

正多边形多孔柔性传感器单元的厚度≤1mm，其中，压力敏感层厚度为0.5～0.7mm，保护层厚度为0.3～0.5mm。

2.根据权利要求1所述的正多边形多通道多孔柔性传感器的制备方法，其特征在于，在步骤1的(1)中，超声频率为40kHz，超声温度控制在30℃～40℃，超声时间为4～5h。

3.根据权利要求1所述的正多边形多通道多孔柔性传感器的制备方法，其特征在于，在步骤1的(2)中，微米级NaCl采用高能行星球磨机低温球磨制得，球磨温度为室温，球磨时间为30～45min，转速为3000～4000r/min，料球体积比1：(1～1.5)。