CN114543655B - 一种自组装法应变监测传感器及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自组装法应变监测传感器及制作方法，包括能够导电的应变体，应变体能通过应变改变自身电阻值，应变体包括由自组装微球材料通过自组装形成的多层薄膜，多层薄膜依次层叠，以形成三维结构，相邻薄膜之间均布填充有导电填料及固化材料，相邻导电填料之间搭接，以实现导电。本发明能有效实现应变传感器在高温、高荷载下的使用，并能提供较高的监测精度。

Description

一种自组装法应变监测传感器及制作方法

技术领域

本发明属于应变监测技术领域，具体涉及一种自组装法应变监测传感器及制作方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

近年来，导电材料为智能监测提供了新的思路，将导电材料应用于道路、桥梁、航空航天等工程领域具有的广阔的前景。发明人了解到，在道路、土木、桥梁、隧道等工程监测领域，导电材料制成的应变监测传感器具有下述缺点。

(1)工程建设中，所埋设的应变传感器需经受压路机等超重施工工具的碾压和击实，且道路用沥青混合料在施工时温度高达160-180℃，应变传感器的应变结构在此环境下难以单独成活。其中一些应变结构外部套接钢管或硅橡胶皮作为保护，钢管的模量远大于沥青混合料的模量，沥青混合料的变形不能有效传递至应变结构，降低了传感器精度；硅橡胶皮的模量小于沥青混合料的模量，其不能对应变结构起到有效保护，易造成传感器损坏。

同时，应变结构与钢管或硅橡胶皮的耦合性差，影响监测精度的提高。

(2)在一些工程应用场景中，导电材料制成的应变传感器监应有效监测200个微应变以内的微小应变，监测精度要求极高。

发明内容

本发明的目的是提供一种应变监测传感器及制作方法，能够至少解决上述技术问题之一。

为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供一种自组装法应变监测传感器，包括能够导电的应变体，应变体能通过应变改变自身电阻值，应变体包括由自组装微球材料通过自组装形成的多层薄膜，多层薄膜依次层叠，以形成三维结构，相邻薄膜之间均布填充有导电填料及固化材料，相邻导电填料之间搭接，以实现导电。

作为进一步的改进，所述应变体的外部包覆有环氧树脂材质的封装体。

本发明的一个或多个实施例还提供一种上述自组装法应变监测传感器的制作方法，包括以下步骤：

配置第一浇注模具及液态的封装材料，通过浇注的方式使封装材料固化成表面具有凹槽的第一基体。

向凹槽注入自组装微球材料与导电填料的混合溶液及固化材料，固化后形成应变体。

配置具有腔体的第二浇注模具，将第一基体置入腔体，向腔体注入液态的封装材料，固化形成第二基体，第一基体与第二基体组合成能包覆应变体的封装体。

作为进一步的改进，第一浇注模具与第二浇注模具共用成型管，成型管两端开口均设有可拆卸的密封塞。

成型管用作第一浇注模具时，成型管内安装填充体，成型管内除填充体外的空间形成用于浇注第一基体的第一腔体。成型管用作第二浇注模具时，成型管内安装第一基体，成型管内除第一基体外的空间形成用于浇注第二基体的第二腔体。

作为进一步的改进，所述填充体正对于第一腔体的侧面具有凸起，凸起用于在第一基体浇注时形成凹槽。

以上一个或多个技术方案的有益效果：

(1)本发明中利用自组装微球材料，自组装特性能够使得微球材料自发形成有序的多层薄膜结构并均分凹槽中的空间，相邻薄膜之间填充的导电填料之间能够相互搭接，进而使得应变体带电；即自组装微球材料与导电填料的配合能够实现导电填料在应变体中的均匀分布，通过搭建的自组装三维导电体系，使得导电填料之间形成良好的隧道导电效应，能够有效满足道路变形监测(200个微应变以内)的精度要求。

同时，自组装微球材料作为导电填料均匀分布的基础，其自组装的特性便于提高制造效率。

(2)采用环氧树脂保护应变体，环氧树脂与沥青混合料的模量相近，凝固后的环氧树脂能够充分与应变体接触，在提供保护作用的同时有效传递沥青混合料的应变，使得封装体不影响应变体的监测精度。使得传感器刚度需与沥青混凝土路面结构层、水稳层等的刚度匹配；使用寿命与道路寿命相匹配；可有效解决湿度等复杂环境对导电机敏材料产生的影响。

(3)本发明应变监测传感器的制作方法中，通过分别浇注第一基体及第二基体的方式，便于在第一基体中开设凹槽，进而利用自组装微球材料与导电填料的混合溶液进行应变体的成型，第一基体本身结构能够作为应变体成型的模具，能够减少制造过程中的模具数量，且有效实现应变体封装体成型时的有效定位。

(4)本发明中采用一个成型管作为第一基体和第二基体浇注时的共用结构，通过分别在成型管内放置填充体及第一基体的方式，减少了浇注时模具的零部件数量，提高了成型管的利用率。

(5)采用在填充体侧面设置凸起的方式，利用凸起能够形成凹槽，相对于在第一基体浇注完成后利用机加工形成凹槽的方式来说，能够简化制造流程，提高制造效率。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的限定。

图1为本发明一个或多个实施例中第一浇注模具的结构示意图；

图2为本发明一个或多个实施例中自组装导电材料示意图；

图3为本发明一个或多个实施例中第一基体的结构示意图；

图4为本发明一个或多个实施例中第二浇注模具的结构示意图；

图5为本发明一个或多个实施例中传感器的整体结构示意图；

图中：1、注入管；2、流出管；3、填充体；4、成型管；5、第一基体；6、第一导线；7、凹槽；8、第二导线；9、应变体；10、封装体；31、凸起；41、第一腔体；42.第二腔体。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

本实施例中应变体指的是：在发生应变时能够改变自身电阻的导电结构。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种应变监测传感器，包括能够导电的应变体9，应变体9能通过应变改变自身电阻值，应变体9包括由自组装微球材料通过自组装形成的多层薄膜，多层薄膜依次层叠，以形成三维结构，相邻薄膜之间均布填充有导电填料及固化材料，相邻导电填料之间搭接，以实现导电。

具体的，在本实施例中自组装微球材料包括为聚苯乙烯或二氧化硅或甲基丙烯酸环氧中的一种或多种。导电填料为乙炔碳黑、石墨碳黑、支链碳黑、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、石墨烯、镀镍碳纳米管等中的一种或多种。

在满足使用要求的情况下，也可以采用其他材质的自组装微球材料及导电填料。

为了实现在保护应变体的同时，不影响应变片的精度，本方案中在应变体9的外部包覆有环氧树脂材质的封装体10。

在一些实施例中，环氧树脂指的是市面上常用的各种类型环氧树脂，配合使用的固化剂指脂肪胺、脂环胺、芳香胺、聚酰胺、酸酐、树脂类、叔胺类固化剂等。

需要指出，在桥梁、道路工程中，沥青混合料的模量一般为1200MPa-1500MPa,而环氧树脂的模量一般为1000MPa-1500MPa,二者的模量接近，能够有效的传递应变，减少保护结构对于应变体监测精度的影响。并且环氧树脂在凝固前为液体状态，便于通过浇注的方式使得环氧树脂与应变体形成整体结构，有效保证二者的耦合性，提高监测精度。

可以理解的，应变体作为一个导电体应与外部设备连接以传递电信号，在本实施例中，所述应变体9的两端分别连接导线，导线背离应变体9的一端外伸出封装体10，即图1及图3中所示出的第一导线6和第二导线8。

实施例2

如图2-图4所示，本实施例提供一种如实施例1中应变监测传感器的制作方法，包括以下步骤：

步骤1，配置第一浇注模具及液态的封装材料，通过向第一浇筑模具的内腔浇注的方式使封装材料固化成表面具有凹槽7的第一基体2。固化后拆卸第一模具取出第一基体。

步骤2，通过物理共混的方法制作自组装微球材料与导电填料的混合溶液，保证二者的混合均匀，清洗凹槽内区域，保证该凹槽的干净、整洁。在凹槽7两端分别放置导线，导线的一端伸入凹槽7，另一端置于凹槽7外部。将导线位于凹槽的两端的部分裸露出铜网。

向凹槽7注入混合溶液及固化材料，固化后形成应变体9。物理共混方法包括搅拌，和/或剪切，和/或超声。此处的固化材料为40℃-80℃范围内的环氧树脂及其固化剂体系，待固化后，即所得导电的应变体。

本实施例中，液态封装材料采用实施例1中所述的环氧树脂。在不考虑利用环氧树脂解决实施例1中提及问题的情况下，也可以采用其他模量的封装材料。

步骤3，配置具有腔体的第二浇注模具，将第一基体2置入腔体中，导线外伸出腔体，向腔体注入液态的封装材料，固化后形成第二基体，第一基体2与第二基体组合成能够包覆应变体9的封装体10。

拆除第二浇注模具，得到所要制作的应变传感器。

以下描述本实施例中第一浇注模具及第二浇注模具的结构：

第一浇注模具与第二浇注模具共用成型管2，成型管2两端开口均设有可拆卸的密封塞。在安装密封塞的情况下，即使得成型管内形成能够实现浇注的腔体。

其中，成型管为硅胶管、橡胶管或有机玻璃材质，其尺寸、形状均可根据传感器设计尺寸进行调整。

成型管2用作第一浇注模具时，成型管2内安装填充体1，成型管2内除填充体1外的空间形成用于浇注第一基体2的第一腔体41。所述填充体1正对于第一腔体41的侧面具有凸起31，凸起31用于在第一基体2浇注时形成凹槽7。凸起的尺寸即决定了所要利用自组装法形成应变体的尺寸。

本实施例中，成型管的内腔为圆柱形，为了适配该形状，填充体以及第一基体皆采用半圆柱形，在去除密封塞的情况下，填充体、第一基体以及组合形成的填充体能够从成型管两端的开口推出，就能够完成第一基体、封装体的脱模。

填充体的材质为聚乙烯、环氧板、聚四氟乙烯、硅橡胶中的一种材质，其尺寸、形状均可根据传感器设计尺寸进行调整。

成型管2用作第二浇注模具时，成型管2内安装第一基体2，成型管2内除第一基体2外的空间形成用于浇注第二基体的第二腔体42。

为了向第一浇注模具及第二浇注模具注入及排出多余液态的封装材料，成型管2在两端侧壁处或两端密封塞处设有用于连通成型管2内外的通孔。两个通孔一个用于注入，另一个用于排出封装材料。本实施例在通孔处分别安装注入管和流出管。流出管与抽真空装置或外部环境直接连通。

为了引出导线，所述成型管2在两端侧壁或两端密封塞上设有用于导线穿出的导线孔，在导线穿出导线孔后，应对导线孔做密封处理。

在传感器制造方面，本实施例提供的自组装法应变监测传感器制备方法，在进行传感器制造时，传感器制造过程简单、制造材料易得，且可以有效的实现传感器核心元件、导电线路及封装材料的简易制备。在保证监测精度和工程应用的前提下极大的降低了传感器的单价。具有显著的经济效益和社会效益。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种自组装法应变监测传感器的制作方法，其特征在于，包括能够在应变时改变自身电阻值的应变体，应变体包括由自组装微球材料通过自组装自发形成的多层薄膜，多层薄膜依次层叠设置，相邻薄膜之间均布填充有导电填料及固化材料，相邻导电填料之间搭接以实现应变体的导电，导电填料之间形成隧道导电效应；

所述应变体的外部包覆有环氧树脂材质的封装体，环氧树脂材质与工程沥青混合料模量接近；

所述应变体的两端分别连接有导线，导线背离应变体的一端外伸出封装体；

制作方法，包括以下步骤：

配置第一浇注模具及液态的封装材料，通过浇注的方式使封装材料固化成表面具有凹槽的第一基体；

向凹槽注入自组装微球材料与导电填料的混合溶液及固化材料，固化形成应变体；

配置具有腔体的第二浇注模具，将第一基体置入腔体，向腔体注入液态的封装材料，固化形成第二基体，第一基体与第二基体组合成能包覆应变体的封装体；

第一浇注模具与第二浇注模具共用成型管，成型管用作第一浇注模具时，成型管内安装填充体，成型管内除填充体外的空间形成用于浇注第一基体的第一腔体，所述填充体正对于第一腔体的侧面具有凸起，凸起用于在第一基体浇注时形成凹槽，凸起的尺寸决定自组装法形成应变体的尺寸。

2.根据权利要求1所述的自组装法应变监测传感器的制作方法，其特征在于，注入混合溶液前，通过搅拌，和/或剪切，和/或超声来实现自组装微球材料与导电填料的物理共混。

3.根据权利要求1所述的自组装法应变监测传感器的制作方法，其特征在于，注入混合溶液前，凹槽两端分别放置导线，导线一端伸入凹槽，另一端外伸出腔体。

4.根据权利要求1所述的自组装法应变监测传感器的制作方法，其特征在于，第一浇注模具与第二浇注模具共用成型管，成型管两端开口均设有可拆卸的密封塞；

用作第一浇注模具时，成型管内安装填充体，成型管内除填充体外的空间形成用于浇注第一基体的第一腔体；

用作第二浇注模具时，成型管内安装第一基体，成型管内除第一基体外的空间形成用于浇注第二基体的第二腔体。

5.根据权利要求4所述的自组装法应变监测传感器的制作方法，其特征在于，所述成型管在两端的侧壁处或密封塞处设有连通成型管内外的通孔。

6.根据权利要求4所述的自组装法应变监测传感器的制作方法，其特征在于，所述填充体正对于第一腔体的侧面具有凸起，用于在第一基体浇注时形成凹槽。

7.根据权利要求4所述的自组装法应变监测传感器的制作方法，其特征在于，所述成型管在两端的侧壁或密封塞处设有导线孔。

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