CN113701653A - 一种用于桥梁大应变测量的掺纳米颗粒pdms柔性传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于桥梁大应变测量的掺纳米颗粒PDMS柔性传感器，整个装置由激光器、隔离器、光多路开关1、掺纳米颗粒PDMS柔性传感器、光多路开关2、中控单元构成；当桥梁受到外界压力发生形变时，贴合在梁体表面的掺纳米颗粒PDMS柔性传感器被拉伸，其输出光强由于拉伸而产生衰减，通过中控单元监测输出光强的衰减大小可以反推出桥梁受到应变的情况；本发明的优点在于：充分结合并利用了PDMS柔性材料拉伸性强的优点及光学传感器的高精度特点，克服了传统应变片等应变测量范围小，抗电磁干扰弱等缺点，且可方便的实现分布式测量。
Description
技术领域
本发明属于光学传感领域和桥梁应变检测领域，具体涉及到一种用于桥梁大应变测量的掺纳米颗粒PDMS柔性传感器。
背景技术
中国的基建日新月异，飞速发展，在全世界有目共睹。基建意味着大量材料等的运输，而桥梁作为运输过程中必不可少的一种途径，正在遭受前所未有的考验。大量的工程车，甚至超载运输车导致的桥梁事故新闻屡有报道。在目前国内桥梁事故多发的现状下，少部分是由于超载和单位时间段的通车量较多引起，而大部分则是由于桥梁随着使用时间的变长，其结构健康性下降，加上传统的监测设备对桥梁指标测量的精度以及范围不够，导致数据无法实现实时的监控，使得工作人员对桥梁的健康状态无法有一个整体的掌控，无法提前防范一些潜在的安全隐患。
传统的桥梁应变大多是采用千分表、杠杆引申仪、电阻应变仪、振弦式应变计等测量方式，这些设备存在测量精度较低、抗电磁干扰弱，测量范围较小等缺陷。具有高拉伸性和透光率的柔性传感器的出现，解决了上述的潜在问题而得到高度关注。本发明提出的一种用于桥梁大应变测量的掺纳米颗粒PDMS柔性传感器，充分利用了PDMS材料的柔韧性和拉伸性，以及纳米颗粒对入射光的散射衰减性，实现桥梁的大应变高精度测量，整个装置结构简单，操作方便，可以通过光开关实现多点的同步监控。
发明内容
本发明的目的是提供一种操作简单、测量精度高的掺纳米颗粒PDMS柔性传感器用于桥梁大应变测量，利用PDMS材料的柔韧性和拉伸性，结合纳米颗粒对入射光的散射衰减性，通过监测柔性传感器输出光强随自身长度的变化而快速响应的特征，实现桥梁大应变的精确测量。
本发明采用的技术方案为：
一种用于桥梁大应变测量的掺纳米颗粒PDMS柔性传感器，其特征是包括激光器(1)、隔离器(2)、光多路开关1(3)、掺纳米颗粒PDMS柔性传感器(4)、光多路开关2(5)、中控单元(6)；激光器(1)的输出端与隔离器(2)的输入端相连，隔离器(2)的输出端与光多路开关1(3)的输入端相连，光多路开关1(3)的各输出端与多个掺纳米颗粒PDMS柔性传感器(4)的输入端相连，掺纳米颗粒PDMS柔性传感器(4)的输出端与光多路开关2(5)的各输入端分别相连，光多路开关2(5)的输出端与中控单元(6)的输入端相连。
所述的一种用于桥梁大应变测量的掺纳米颗粒PDMS柔性传感器，其特征在于：掺纳米颗粒PDMS柔性传感器(4)中掺杂的纳米颗粒对入射的可见光具有吸收作用，不同的纳米颗粒对可见光波段的吸收程度不同，掺杂的纳米颗粒材质和浓度可以根据测量需求进行选配。
所述的掺纳米颗粒PDMS柔性传感器(4)的制备方法，包括以下步骤：
(1)将纳米颗粒与有机溶液充分混合搅拌，并进行不少于5小时的超声处理。
(2)在步骤(1)的混合溶液中加入PDMS溶液，并在超过92℃的温度下搅拌10小时以上，实现有机溶液的完全蒸发，温度和时间根据有机溶液的不同可做调整。
(3)在步骤(2)的混合溶液中加入固化剂并均匀搅拌，PDMS和固化剂的重量比为8：2，比例越大，掺纳米颗粒PDMS柔性传感器的光衰越大。
(4)将步骤(3)的混合溶液放在真空箱中充分脱气，将脱气后的溶液用注射器注入内径为0.5mm的圆柱形硅胶毛细管模具中进行真空干燥，脱模后得掺纳米颗粒PDMS柔性传感器。
本发明的工作原理是：
当激光通过光纤进入掺纳米颗粒PDMS柔性传感器时，纳米颗粒散射吸光导致激光强度发生衰减，光强度的变化符合比尔—朗伯定律：
式中：A表示吸光度，Iin表示输入光强，Iout表示输出光强，k表示摩尔吸光系数，c表示纳米颗粒的浓度，l表示柔性传感器拉伸后的长度，l0表示柔性传感器自由状态下的长度，ε表示应变量。
当单位体积内的纳米颗粒浓度保持不变，即c恒定时，输出光强Iout与应变ε的关系可用公式(1)表示，也就是当桥梁由于负重而产生应变时，贴附于其表面的掺纳米颗粒柔性传感器会相应的拉伸，通过监测掺纳米颗粒柔性传感器的输出光强的改变量和公式(1)，可以反推出桥梁应变的大小。
本发明的有益效果在于：
本发明将掺纳米颗粒PDMS柔性纤维作为传感器来感知桥梁的应变变化，充分利用PDMS材料的柔性拉伸性来同步高灵敏的感知桥梁的形变，转变成柔性传感器输出光强的变化，并利用光多路开关实现多个柔性传感器的分时复用获得桥梁应力的二维状态，最终通过中控单元循环监测各输出光强的变化反推出桥梁应变情况。整个装置结构简单，操作方便，精度高，可进行准分布式测量，克服了传统测量的解调复杂、精度低、抗电磁干扰能力弱等缺点。
附图说明
图1是一种用于桥梁大应变测量的掺纳米颗粒PDMS柔性传感器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步描述。
如图1所示，一种用于桥梁大应变测量的掺纳米颗粒PDMS柔性传感器，其特征是包括激光器(1)、隔离器(2)、光多路开关1(3)、掺纳米颗粒PDMS柔性传感器(4)、光多路开关2(5)、中控单元(6)；激光器(1)的输出端与隔离器(2)的输入端相连，隔离器(2)的输出端与光多路开关1(3)的输入端相连，光多路开关1(3)的各输出端分别与多个掺纳米颗粒PDMS柔性传感器(4)的输入端相连，掺纳米颗粒PDMS柔性传感器(4)的输出端与光多路开关2(5)的各输入端分别相连，光多路开关2(5)的输出端与中控单元(6)的输入端相连。上述的一种用于桥梁大应变测量的掺纳米颗粒PDMS柔性传感器，其特征在于：掺纳米颗粒PDMS柔性传感器(4)中掺杂的纳米颗粒对入射的可见光具有吸收作用，不同的纳米颗粒对可见光波段的吸收程度不同，掺杂的纳米颗粒材质和浓度可以根据测量需求进行选配。上述的掺纳米颗粒PDMS柔性传感器(4)的制备方法，包括以下步骤：(1)将纳米颗粒与有机溶液充分混合搅拌，并进行不少于5小时的超声处理。(2)在步骤(1)的混合溶液中加入PDMS溶液，并在超过92℃的温度下搅拌10小时以上，实现有机溶液的完全蒸发，温度和时间根据有机溶液的不同可做调整。(3)在步骤(2)的混合溶液中加入固化剂并均匀搅拌，PDMS和固化剂的重量比为8：2，比例越大，掺纳米颗粒PDMS柔性传感器的光衰越大。(4)将步骤(3)的混合溶液放在真空箱中充分脱气，将脱气后的溶液用注射器注入内径为0.5mm的圆柱形硅胶毛细管模具中进行真空干燥，脱模后得掺纳米颗粒PDMS柔性传感器。
当激光器(1)发出的光通过隔离器(2)进入光多路开关(1)后，光多路开关1的N个输出端接有N个掺纳米颗粒PDMS柔性传感器(4)，每个掺纳米颗粒PDMS柔性传感器输出分别接入光多路开关的N个输入端。利用中控单元(6)同步控制光多路开关1和光多路开关2同步多路切换，可以获得N个桥梁面的应力变化情况，通过布线N个掺纳米颗粒PDMS柔性传感器，可以获取桥梁应变的二维分布，实现应变的准分布测量。
Claims (3)
1.一种用于桥梁大应变测量的掺纳米颗粒PDMS柔性传感器，其特征是包括激光器(1)、隔离器(2)、光多路开关1(3)、掺纳米颗粒PDMS柔性传感器(4)、光多路开关2(5)、中控单元(6)；激光器(1)的输出端与隔离器(2)的输入端相连，隔离器(2)的输出端与光多路开关1(3)的输入端相连，光多路开关1(3)的各输出端分别与多个掺纳米颗粒PDMS柔性传感器(4)的输入端相连，掺纳米颗粒PDMS柔性传感器(4)的输出端与光多路开关2(5)的各输入端分别相连，光多路开关2(5)的输出端与中控单元(6)的输入端相连。
2.根据权利要求1所述的一种用于桥梁大应变测量的掺纳米颗粒PDMS柔性传感器，其特征在于：掺纳米颗粒PDMS柔性传感器(4)中掺杂的纳米颗粒对入射的可见光具有吸收作用，不同的纳米颗粒对可见光波段的吸收程度不同，掺杂的纳米颗粒材质和浓度可以根据测量需求进行选配。
3.根据权利要求1所述的掺纳米颗粒PDMS柔性传感器(4)的制备方法，包括以下步骤：
(1)将纳米颗粒与有机溶液充分混合搅拌，并进行不少于5小时的超声处理。
(2)在步骤(1)的混合溶液中加入PDMS溶液，并在超过92℃的温度下搅拌10小时以上，实现有机溶液的完全蒸发，温度和时间根据有机溶液的不同可做调整。
(3)在步骤(2)的混合溶液中加入固化剂并均匀搅拌，PDMS和固化剂的重量比为8：2，比例越大，掺纳米颗粒PDMS柔性传感器的光衰越大。
(4)将步骤(3)的混合溶液放在真空箱中充分脱气，将脱气后的溶液用注射器注入内径为0.5mm的圆柱形硅胶毛细管模具中进行真空干燥，脱模后得掺纳米颗粒PDMS柔性传感器。
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