CN114235901A - 橡胶密封材料密封性的实时在线监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种橡胶密封材料密封性的实时在线监测系统及方法，通过微纳米传感器采集表征结合面弹力变化值的阻值信息，并经过解调模块A、信号发射天线、信号接收天线、解调模块B完成阻值数据‑数字数据‑阻值数据的转换，通过数据解算模块计算结合面处密封橡胶弹性压力分布状态，推断出密封橡胶的密封状态，并由数据存储模块以及数据显示模块进行存储和显示；本发明具备实时监测、集成传输的特点，可以对橡胶密封结构结合面处密封橡胶密封状态进行实时监测，并可以通过有线或无线的方式将监测信息进行远距离传输，实现了橡胶密封材料密封性实时在线监测的目标。
Description
技术领域
本发明属于碳纳米管应用技术领域，具体涉及一种橡胶密封材料密封性的实时在线监测系统及方法。
背景技术
密封装置自产生以来，在国防、工业、农业等各个领域得到了广泛的应用，而橡胶凭借高弹性的性质，成为密封器件中最常见的密封材料，主要是以自身的材料弹性，结合其实际使用中受压力影响，自身结构形态发生变化，当压缩率大于一定值时，密封橡胶在力的作用下将接触面上的微观缝隙填充，使得密封界面没有可以供液体或气体流动的连续通道，从而实现对密封结构的有效密封，进而起到阻隔气液泄露、防止异物进入系统的作用。然而在使用过程中，由于受到热、氧、臭氧、机械、变价金属离子、紫外线高能辐射以及其他化学物质的作用，会逐渐变硬发脆或龟裂，物理机械性能降低，主要表现为硬度变大、失去弹性能力、断裂伸长率减小等。
橡胶材料的老化会导致密封结构的失效，造成材料浪费、环境污染甚至人员伤亡。每年由于密封不良和密封失效所导致的漏油、跑水、设备损坏等造成的经济损失高达上百亿元，而由此造成的环境污染所带来的经济和社会影响更是无法估计。因此，在实际应用中，为了保证整个系统的安全，橡胶密封件通常在剩余一定寿命情况下定期加以更换，这样虽保证了系统的安全性，但增加了采购资金，浪费了很多人力资源，更不利于设备的长周期运转。
尽管近年来已经开始针对不同的应用领域展开各种特种橡胶的研究，但密封橡胶的老化是一个十分复杂的过程，橡胶的老化仍然是一个不可避免的问题，如何避免密封橡胶老化仍是一个十分漫长的过程。评估橡胶密封件是否失效，必须通过一些判断准则来对其进行测试，最简单最直接的判断准则即测量密封件是否发生泄露或泄露速率。但实际应用中，测量不同密封系统的泄露速率非常困难，并且需要比较精密设备和较长时间进行测试，成本相对高昂。介于对橡胶密封材料密封性进行状态监测的迫切需求，急需一种便捷高效的监测方法解决这一问题。
密封橡胶在工作时受到一定的压力，自身结构产生变形，从而起到较好的密封效果，本发明中，通过将碳纳米管结合柔性印刷电路制成检测电路，随同密封橡胶一起安装在密封结构中，碳纳米管之间存在接触电阻和隧穿效应，当碳纳米管受到压力的作用时，碳纳米管之间的距离减小，导致隧穿效应增强和碳纳米管之间形成的导电通路增加，电阻随之减小，随着橡胶弹性应力的降低，碳纳米管收到的压力减小，导致隧穿效应减弱以及导电通路减少，随时电阻上升，利用碳纳米管的压阻特性可以间接反应橡胶密封材料的密封性状态，随着密封橡胶服役时间的增加，老化程度越来越严重，压缩永久变形即应变越来越大，而橡胶的弹性越来越小，微纳米传感器的阻值随之增大，从而利用微纳米传感器的阻值变化可以推断出密封橡胶所产生压缩永久变形的大小，进而推断出其密封状态。
发明内容
基于上述问题，本发明提出一种橡胶密封材料密封性的实时在线监测系统，包括：微纳米传感器、柔性印刷电路板、移动台系统、基站系统；所述微纳米传感器安装在柔性印刷电路板上，根据需要在柔性印刷电路板上焊接n个微纳米传感器，根据待检测的橡胶密封结构的形状均匀布置微纳米传感器在柔性印刷电路板上的位置，柔性印刷电路板安装在密封橡胶的密封结合面上，柔性印刷电路板与移动台系统电连接，移动台系统与基站系统无线连接；
所述微纳米传感器用于采集密封结合面处的阻值信息；通过阻值信息表征密封橡胶的弹性应力、压缩永久变形；
所述柔性印刷电路板用于形成柔性印刷电路，将微纳米传感器用导电银浆粘贴在柔性印刷电路板上，构成柔性印刷电路；
所述移动台系统用于将采集到的阻值信息转换为数字信息，并无线传输给基站系统；
所述基站系统用于将接收到的数字信息转换为密封橡胶的弹性变化值，并进行实时显示。
所述移动台系统包括电阻采集模块、解调模块A、发射天线；所述柔性印刷电路板的控制信号输出端与电阻采集模块电连接，电阻采集模块与解调模块A电连接，解调模块A通过发射天线将无线信号传输给基站系统；
所述电阻采集模块用于将接收到的阻值信息传输至解调模块A；
所述解调模块A用于将阻值信息转换为数字信息；
所述发射天线用于将数字信息发射出去。
所述基站系统包括接收天线、解调模块B、数据存储模块、数据解算模块、数据显示模块；
所述接收天线用于接收数字信息；
所述解调模块B用于将数字信息转换为阻值信息；
所述数据解算模块用于将接收到的阻值信息解算为密封橡胶的弹性变化值；
所述数据存储模块用于存储计算得到的实时弹性变化值；
所述数据显示模块用于将密封橡胶的弹性变化进行实时显示。
所述弹性变换值的计算公式为：
式中，ε为弹性变化值，K为微纳米传感器的应变系数，R为微纳米传感器的初始电阻值，R0为微纳米传感器采集的实时电阻值。
一种采用所述的橡胶密封材料密封性的实时在线监测系统的监测方法，包括：
步骤1：根据待检测橡胶密封结构的尺寸、形状，裁剪微纳米传感器，将其采用导电银浆粘接在柔性印刷电路板上构成柔性印刷电路，然后将柔性印刷电路固定在橡胶密封结构的结合面；
步骤2：通过微纳米传感器感知橡胶密封结构结合面处的密封橡胶弹性压力状态分布情况，微纳米传感器将采集到的阻值信息传输至电阻采集模块；
步骤3：通过电阻采集模块将阻值信息传输给解调模块A；
步骤4：通过解调模块A将阻值信息转换为数字信息经由发射天线传输至基站；
步骤5：接收天线接收数字信息并传输给解调模块B，解调模块B将数字信息转换为阻值信息传递给数据解算模块；
步骤6：数据解算模块计算出微纳米传感器电阻变化率进而推断出密封橡胶的弹性变化值，通过计算得到的弹性变化值表征橡胶密封性状态，经由数据存储模块以及数据显示模块进行存储和显示。
本发明的有益效果是：
本发明提出了一种橡胶密封材料密封性的实时在线监测系统及方法，通过微纳米传感器，实现了对橡胶密封材料密封状态进行远距离实时在线监测，解决了对服役过程中密封橡胶结构密封性难以监测的问题，具有较强的实用性。
附图说明
图1为本发明中橡胶密封材料密封性的实时在线监测系统的示意图；
图2为本发明中橡胶密封材料密封性的实时在线监测系统框图；
图3为本发明中微纳米传感器的安装示意图；
图4为本发明中橡胶密封材料密封性的实时在线监测系统的接线原理图；
图5为本发明中采用所述橡胶密封材料密封性的实时在线监测系统的监测方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施实例对发明做进一步说明。本发明针对橡胶密封材料服役过程中密封状态进行实时监测，提出一种新的监测手段，以解决难以对服役中橡胶密封材料密封性进行监测的问题。
如图1～2所示，一种橡胶密封材料密封性的实时在线监测系统，包括微纳米传感器、柔性印刷电路板、移动台系统、基站系统；所述微纳米传感器安装在(即将纳米传感器用导电银浆粘贴在柔性印刷电路板上)柔性印刷电路板上，根据需要在柔性印刷电路板上焊接n个微纳米传感器，根据待检测的橡胶密封结构的形状均匀布置微纳米传感器在柔性印刷电路板上的位置，柔性印刷电路板安装在密封橡胶的密封结合面上，柔性印刷电路板与移动台系统电连接，移动台系统与基站系统无线连接；
所述微纳米传感器用于采集密封结合面处的阻值信息；通过阻值信息表征密封橡胶的弹性应力、压缩永久变形(压缩永久变形越小其自身弹性越好，密封效果越优异；在密封橡胶服役过程中，橡胶会因为老化而造成压缩永久变形增大，进而导致密封效果降低)；
所述柔性印刷电路板用于形成柔性印刷电路，将微纳米传感器用导电银浆粘贴在柔性印刷电路板上，构成柔性印刷电路；
所述移动台系统用于将采集到的阻值信息转换为数字信息，并无线传输给基站系统；
所述基站系统用于将接收到的数字信息转换为密封橡胶的弹性变化值，并进行实时显示。
所述移动台系统包括电阻采集模块、解调模块A、发射天线；所述柔性印刷电路板的控制信号输出端与电阻采集模块电连接，电阻采集模块与解调模块A电连接，解调模块A通过发射天线将无线信号传输给基站系统；
所述电阻采集模块用于将接收到的阻值信息传输至解调模块A；
所述解调模块A用于将阻值信息转换为数字信息；
所述发射天线用于将数字信息发射出去。
所述基站系统包括接收天线、解调模块B、数据存储模块、数据解算模块、数据显示模块；
所述接收天线用于接收数字信息；
所述解调模块B用于将数字信息转换为阻值信息；
所述数据解算模块用于将接收到的阻值信息解算为密封橡胶的弹性变化值；
所述数据存储模块用于存储计算得到的实时弹性变化值；
所述数据显示模块用于将密封橡胶的弹性变化进行实时显示。
所述弹性变换值的计算公式为：
式中，ε为弹性变化值，K为微纳米传感器的应变系数，R为微纳米传感器的初始电阻值，R0为微纳米传感器采集的实时电阻值(即阻值信息)，(R-R0)/R0为微纳米传感器的电阻变化率。
微纳米传感器布置在橡胶密封结构结合面上，如图3所示，微纳米传感器用于监测结合面处的密封橡胶弹性应力分布，得到结合面处对应微纳米传感器阻值信息，为了实现远距离信息传输，设置电阻采集模块、解调模块A，用于采集所有微纳米传感器的阻值信息，并将其阻值信息转换为数字信息通过有线或无线方式进行传输；
信号接收天线以及解调模块B用于接收移动台发出的数字信息并将其转化为阻值信息，之后将其传输至数据解算模块，根据所述阻值信息解算得到密封结构处结合面的橡胶弹性状况，推断出其密封状态，生成能表示其密封状态的云图，并由数据存储模块和数据显示模块进行存储和显示。
分布阵列的微纳米传感器由柔性印刷电路进行集成。柔性印刷电路形状及尺寸可根据实际应用情况进行设计印刷，这里设计的微纳米传感器及柔性印刷传感电路总厚度为0.3mm。微纳米传感器可以根据橡胶密封结构结合面的形状和尺寸进行裁剪布控，橡胶密封结构的密封性在对结构起到密封作用的同时又能对微纳米传感器起到保护作用。
微纳米传感器根据橡胶密封结构结合面的尺寸形状安装在结合面上，通过柔性印刷电路将不同监测位置集成阵列，通过微纳米传感器感知结合面由密封导致的结合面弹性压力分布状态，微纳米传感器的阻值信息通过柔性印刷电路将数据传输至电阻采集模块。本实施例通过柔性印刷电路将四个微纳米传感器的阻值信息进行集成，电阻采集模块可以对更多的数据通道进行数据集成。
所述微纳米传感器的制作方法为：将500mg多壁碳纳米管加入1000ml浓度为1％的曲拉通TX-100去离子水溶液中，超声分散形成稳定的碳纳米管分散液，利用真空抽滤的方法得到碳纳米纸，将抽滤后的碳纳米纸放入烘箱烘干即可。
本实施例中涉及到的元器件型号为：电阻采集模块的型号为YW20；解调模块A/B的型号为OEMI2100-1；另需配置12V的供电电源；其中数据解算模块、数据显示模块、数据存储模块用计算机替代，在计算机上利用YW20自带的编程软件实现上述解算、存储、显示的功能，本实施例的电气接线原理图如图4所示。
如图5所示，一种采用所述的橡胶密封材料密封性的实时在线监测系统的监测方法，包括：
步骤1：根据待检测橡胶密封结构的尺寸、形状，裁剪微纳米传感器，将其采用导电银浆粘接在柔性印刷电路板上构成柔性印刷电路，然后将柔性印刷电路固定在橡胶密封结构的结合面；
步骤2：通过微纳米传感器感知橡胶密封结构结合面处的密封橡胶弹性压力状态分布情况，微纳米传感器将采集到的阻值信息传输至电阻采集模块；
步骤3：通过电阻采集模块将阻值信息传输给解调模块A；
步骤4：通过解调模块A将阻值信息转换为数字信息经由发射天线传输至基站；
步骤5：接收天线接收数字信息并传输给解调模块B，解调模块B将数字信息转换为阻值信息传递给数据解算模块；
步骤6：数据解算模块计算出微纳米传感器电阻变化率进而推断出密封橡胶的弹性变化值，通过计算得到的弹性变化值表征橡胶密封性状态，经由数据存储模块以及数据显示模块进行存储和显示。
以微纳米传感器通过柔性印刷电路进行4通道数据监测为例，电阻采集模块接收4个通道的微纳米传感器阻值信息，并经过解调模块A、信号发射天线、信号接收天线、解调模块B完成阻值数据-数字数据-阻值数据的转换并将数据信息远距离传输给基站。因为阻值信息不能用来传输，故通过该系统内解调模块的设定，将阻值信息转换为数字信息进行传输，传输后再转换成阻值信息传给数据解算模块，通过数据解算模块计算结合面处密封橡胶弹性压力分布状态，推断出密封橡胶的密封状态，并由数据存储模块以及数据显示模块进行存储和显示。
综上，本发明具备实时监测、集成传输的特点，可以对橡胶密封结构结合面处密封橡胶密封状态进行实时监测，并可以通过有线或无线的方式将监测信息进行远距离传输，实现了橡胶密封材料密封性实时在线监测的目标。另外，结合微纳米传感器的布控位置，可以准确全面的获取密封橡胶不同位置的密封性状态。
Claims (5)
1.一种橡胶密封材料密封性的实时在线监测系统，其特征在于，包括：微纳米传感器、柔性印刷电路板、移动台系统、基站系统；所述微纳米传感器安装在柔性印刷电路板上，根据需要在柔性印刷电路板上焊接n个微纳米传感器，根据待检测的橡胶密封结构的形状均匀布置微纳米传感器在柔性印刷电路板上的位置，柔性印刷电路板安装在密封橡胶的密封结合面上，柔性印刷电路板与移动台系统电连接，移动台系统与基站系统无线连接；
所述微纳米传感器用于采集密封结合面处的阻值信息；通过阻值信息表征密封橡胶的弹性应力、压缩永久变形；
所述柔性印刷电路板用于形成柔性印刷电路，将微纳米传感器用导电银浆粘贴在柔性印刷电路板上，构成柔性印刷电路；
所述移动台系统用于将采集到的阻值信息转换为数字信息，并无线传输给基站系统；
所述基站系统用于将接收到的数字信息转换为密封橡胶的弹性变化值，并进行实时显示。
2.根据权利要求1所述的一种橡胶密封材料密封性的实时在线监测系统，其特征在于，所述移动台系统包括电阻采集模块、解调模块A、发射天线；所述柔性印刷电路板的控制信号输出端与电阻采集模块电连接，电阻采集模块与解调模块A电连接，解调模块A通过发射天线将无线信号传输给基站系统；
所述电阻采集模块用于将接收到的阻值信息传输至解调模块A；
所述解调模块A用于将阻值信息转换为数字信息；
所述发射天线用于将数字信息发射出去。
3.根据权利要求1所述的一种橡胶密封材料密封性的实时在线监测系统，其特征在于，所述基站系统包括接收天线、解调模块B、数据存储模块、数据解算模块、数据显示模块；
所述接收天线用于接收数字信息；
所述解调模块B用于将数字信息转换为阻值信息；
所述数据解算模块用于将接收到的阻值信息解算为密封橡胶的弹性变化值；
所述数据存储模块用于存储计算得到的实时弹性变化值；
所述数据显示模块用于将密封橡胶的弹性变化进行实时显示。
4.根据权利要求3所述的一种橡胶密封材料密封性的实时在线监测系统，其特征在于，所述弹性变换值的计算公式为：
式中，ε为弹性变化值，K为微纳米传感器的应变系数，R为微纳米传感器的初始电阻值，R0为微纳米传感器采集的实时电阻值。
5.一种采用权利要求1～4任意一项所述的橡胶密封材料密封性的实时在线监测系统的监测方法，其特征在于，包括：
步骤1：根据待检测橡胶密封结构的尺寸、形状，裁剪微纳米传感器，将其采用导电银浆粘接在柔性印刷电路板上构成柔性印刷电路，然后将柔性印刷电路固定在橡胶密封结构的结合面；
步骤2：通过微纳米传感器感知橡胶密封结构结合面处的密封橡胶弹性压力状态分布情况，微纳米传感器将采集到的阻值信息传输至电阻采集模块；
步骤3：通过电阻采集模块将阻值信息传输给解调模块A；
步骤4：通过解调模块A将阻值信息转换为数字信息经由发射天线传输至基站；
步骤5：接收天线接收数字信息并传输给解调模块B，解调模块B将数字信息转换为阻值信息传递给数据解算模块；
步骤6：数据解算模块计算出微纳米传感器电阻变化率进而推断出密封橡胶的弹性变化值，通过计算得到的弹性变化值表征橡胶密封性状态，经由数据存储模块以及数据显示模块进行存储和显示。
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