CN114596694B - 用于感知隧道渗水的双模式压力传感监测报警装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于感知隧道渗水的双模式压力传感监测报警装置，包括水分感知传感器、信号处理装置、无线信号发射装置；水分感知传感器包括依次设置的渗水膜布层、吸水材料层、压力传感层；压力传感层包括设置于吸水材料层上方的压阻传感层、设置于压阻传感层上的压电传感层；吸水材料层吸收渗水膜布层的水膨胀将信号传递给压阻传感层及压电传感层；压电传感层与压阻传感层分别与信号处理装置连接，信号处理装置与无线信号发射装置连接。本发明通过采用独特的PDMS封装方式使吸水材料层吸收水后产生的膨胀形变限制在一定区域内，从而放大渗漏水分的信号，并且通过传输的两种不同电信号分析判断渗水问题，从而对渗水做出迅速响应进行报警。
Description
技术领域
本发明涉及一种渗水监测报警装置，具体涉及一种用于感知隧道渗水的双模式压力传感监测报警装置。
背景技术
海底隧道是交通运输工程中重要一环，但海底隧道的建设过程因复杂的海底地质构造和严酷的海洋环境将面临诸多问题，如高烈度地震区穿越密集断层破碎带、海域高水压、海洋环境侵蚀等等，这些问题将会给海底隧道的耐久性上带来诸多负面影响，渗水问题就是其中之一。除此之外，地下隧道、管道工程、地下换热站等基础设施也可能存在工艺上的渗水漏洞，或是在长期使用过程中建筑材料产生了形变、裂缝，使渗水问题无法避免。若无法及时检测到渗水病害的发生，设施不仅会加速劣化、缩短使用年限，严重时还会导致危害性极大的灾害。
目前在漏水监测报警领域，管网检漏系统大多通过传感器感知泄露的振动或声音信号对供水管网进行监测，例如专利CN 113432805 A公开的一种供水管道泄漏的无线监测装置及方法，通过压电加速度传感器固定在被监测供水管道外壁获取电信号，但因振动信号微弱，且外界干扰大，这类检漏系统的精准仪器造价较为昂贵；专利CN 215361766 U公开的一种无人船漏水检测装置，利用浮球推动触片接合电路，进行报警，但因结构限制，实际应用效果有待考究；专利CN 210666045 U公开了一种具有检测报警功能的水浸传感器，利用水的导电性，当水浸传感探头浸入水中，检测电路形成通路或是发生电流变化，发出报警，但要求一定浸水高度，故更适用于积水报警。
所以研发一种能在混凝土高碱性环境下耐久性好、界面结合良好、不影响混凝土结构强度的、成本低的水分渗漏检测报警装置，对于海底隧道工程和其他基础工程的建设具有重要的理论研究意义和工程应用价值。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种能在混凝土高碱性环境下耐久性好、界面结合良好的用于感知隧道渗水的双模式压力传感监测报警装置。
技术方案：本发明的用于感知隧道渗水的双模式压力传感监测报警装置，包括水分感知传感器、信号处理装置、无线信号发射装置；所述水分感知传感器包括依次设置的渗水膜布层、吸水材料层、压力传感层；所述压力传感层包括设置于吸水材料层上方的压阻传感层、设置于压阻传感层上的压电传感层；所述吸水材料层吸收渗水膜布层的水膨胀将信号传递给压阻传感层及压电传感层；所述压电传感层与压阻传感层分别与信号处理装置连接，所述信号处理装置与无线信号发射装置连接。
其中，所述压力传感层的上方和下方均设有第一疏水封装材料层，所述吸水材料层的上方设有第二疏水封装材料层；所述吸水材料层与压力传感层通过第一疏水封装材料层、第二疏水封装材料层粘结固定。
其中，渗水膜布层、吸水材料层与压力传感层利用PDMS高温固化进行粘结组装，其中吸水材料层同样由PDMS固定吸水材料，将膨胀形变限制在一定区域内。吸水材料层可以有效放大水分渗漏的信号，将不容易区分的微弱信号转换为可以直接被压力传感层检测到的信号。
其中，所述第一疏水封装材料层与第二疏水封装材料层的疏水材料相同；所述第一疏水封装材料层与第二疏水封装材料层的材料均为PDMS。
使用PDMS固定吸水材料层，既可以将膨胀形变限制在一定区域内，更多地向易形变的压力传感层方向膨胀，形变程度的提升使信号加强，也因本身的高柔性进一步保证了形变的自由度不受额外的影响。另外，PDMS作为疏水材料，将吸水树脂和渗水膜布层与压力传感层隔离，防止材料遇水影响使用效果，提高了该类装置的适用范围和使用寿命。PDMS作为粘结固定封装使用，可以无需额外复杂操作就能使压力传感层和吸水材料层紧密粘结，近乎成为一体，不会因遇水导致胶粘失效。
其中，所述的水分感知传感器设有两个电信号输出端，通过导线分别与信号处理模块连接，进行信号的转换处理。
其中，所述压电传感层与压阻传感层接触的一面沉积有不连续的电极材料，不连续的电机材料上分别设有压阻信号输出端；所述压电传感层远离压阻传感层的一面设有叉指电极，所述叉指电极的两个端口分别设有压电信号输出端；所述压阻信号输出端、压电信号输出端分别与信号处理装置连接。
其中，所述水分感知传感器由以下步骤制得：将压电传感层与压阻传感层使用PDMS封装；将吸水材料层放置于吸水膜布层上，并在吸水材料层表面刮涂PDMS，经加热进行半固化后，与封装后的压力传感层接触，继续加热固化，制得。
其中，所述压电传感层为压电聚合物薄膜，压电聚合物薄膜同时为压阻传感层双面结构的另一面基底；压电聚合物薄膜材料为PVDF和/或P(DVF-TrFE)或其他具有压电性的聚合物材料；所述压电聚合物薄膜制备方法包括刮涂法、旋涂法，可以使用商用砂纸作为微结构模板，制备有一定微观结构的压电聚合物薄膜。
其中，所述压阻传感层包括基体、喷涂于基体上的碳纳米管薄膜；所述基体为以砂纸为模板的PDMS薄膜；所述砂纸为180目、240目或400目的商用砂纸；压阻导电材料为碳纳米管薄膜；
压阻传感层制备碳纳米管薄膜的具体过程为：采用异丙醇和去离子水的混合溶液，将碳纳米管经超声和高速均质分散搅拌处理后获得分散液，将PDMS薄膜及其放置基板在加热板上加热至约80℃，喷涂1-2s，重复此步骤直至喷涂完所需的量。
其中，所述的吸水材料层所使用的吸水材料为高吸水树脂，具有较优的吸水膨胀倍率，并采用PDMS进行固定和组装，起到限制形变区域、隔离水分的作用；高吸水树脂优选为微小颗粒状的高吸水树脂。
上述的水分感知传感器的制备方法，包括以下步骤：
(A)在压电传感层与压阻传感层接触的一面沉积有间断的电极材料，并在两侧以导线引出；
(B)在压电传感层的另一面溅射叉指电极，并在叉指电极两端口连接导线；
(C)将压阻传感层与压电传感层进行封装，得到压阻/压电双模式的压力传感层；
(D)将吸水材料层置于渗水膜布上，刮涂PDMS，加热，半固化后与步骤(C)的压力传感层粘结，继续加热固化，直至PDMS与压力传感层上的PDMS合为一体则组装完成，制得所述水分感知传感器。
步骤(A)中的压电传感层为压电聚合物薄膜，步骤(D)中的吸水材料为高吸水树脂。
所述的电极材料包括真空镀膜仪溅射的Pt、Au、Ag等金属颗粒的图案化电极或使用喷涂法、旋涂法、滴涂法制备的碳纳米管薄膜。在采用金属颗粒作为电极材料时，压电聚合物薄膜材料的微结构模板限制在400目以及更光滑的表面，以获得连续的导电通路。采用微结构基底上的碳纳米管薄膜为电极材料时，导线由上下两面碳纳米管薄膜不同的两端引出。
其中，所述信号处理装置、无线信号发射装置固定于疏水柔性衬底上。
工作原理：本发明的水分感知传感器中压阻/压电双模式压力传感层可以应对复杂的渗水状况。少量缓慢渗水时，吸水材料层的膨胀形变速度较慢，且形变结束会保持，压阻传感层可以对这种准静态地变化做出响应。当高频率漏水时，吸水材料层形变快、且水分渗漏本身可能会产生一定振动，这时压阻传感层可能无法对实际情况做出迅速响应，而压电传感层则适合测量脉冲信号，此时压电传感层则能弥补这样的缺陷。压阻/压电双模式压力传感层可以同时感知动态和静态两种情况的力学信息，从而帮助分析判断渗水问题的实际情况。
有益效果：本发明与现有技术相比，取得如下显著效果：1、双模式的压力传感可以应对复杂的渗水状况；少量缓慢渗水时，压阻传感层可以对这种准静态地变化做出响应，高频率漏水时，压电传感层则能做出迅速响应，本发明可以同时感知动态和静态两种情况的力学信息，从而帮助分析判断渗水问题的实际情况。2、柔性传感器件可以作为外置传感器在此和建筑界面良好结合，有检测灵敏度高的优点，且在能保持较长的工作寿命，能够对渗水做出迅速响应，在参数超过阈值时，进行报警，避免进一步扩大渗水病害带来的损失。3、该装置是一种相对成本较低的监测隧道渗水报警装置。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的水分感知传感器结构示意图；
图3为本发明的水分感知传感器工作原理示意图；
图4为以商用砂纸为模板的微结构压阻器件的应力响应情况；
图5为压力传感层为压电聚合物薄膜时在有无吸水材料层两种情况下对1ml水分的四次响应信号。
具体实施方式
下面对本发明作进一步详细描述。
如图1-3所示，本发明提供了一种用于感知隧道渗水的双模式压力传感监测报警装置，包括水分感知传感器1、疏水柔性衬底2、信号处理模块3、无线信号发射装置4，其中水分感知传感器1包括由上至下依次设置的压力传感层6、吸水材料层11、渗水膜布层5。压力传感层6包括基于微结构的压阻传感层10以及压电传感层8。
压电传感层8包括压电聚合物薄膜，压电聚合物薄膜上设有电极材料9，本实施例的电极材料9为溅射的间断的Pt金属电极材料，并在两侧以导线引出，为压阻信号输出端12；压电聚合物薄膜的另一面表面溅射有叉指电极7，叉指电极两端口连接有导线，为压电信号输出端13。压阻信号输出端12、压电信号输出端13分别与信号处理模块3连接，信号处理模块3与无线信号发射装置4连接。信号处理模块3与无线信号发射装置4粘结于疏水柔性衬底2上。
压阻传感层10包括以商用砂纸为模板制备的微结构PDMS基体，喷涂于微结构PDMS基体上的碳纳米管薄膜。
按结构顺序，渗水膜布层5、吸水材料层11、压力传感层6利用PDMS高温固化进行粘结组装：在压电传感层的上表面刮涂有PDMS、压阻传感层的下表面刮涂有PDMS，从而将压力传感层利用PDMS封装固定。吸水材料层11放置于渗水膜布层5中间区域，吸水材料层11的表面刮涂一层PDMS，经加热半固化后，将经过PDMS固化后的压力传感层放置于半固化的吸水材料层表面，继续加热固化，组装完成后，制得水分感知传感器1。具体的，上述水分感知传感器1的制备方法，包括以下步骤：
(1)按比例混合异丙醇和去离子水，将碳纳米管一定比例分散到混合溶剂中，使用高速均质分散机和超声分散制备出保持悬浮状态、不团聚沉淀的碳纳米管分散液。将PDMS和固化剂按5：1～10：1的重量比机械搅拌均匀，通过超声去除气泡后，使用匀胶机在商业砂纸上旋涂一层薄膜，高温固化后获得有砂纸表面形貌的PDMS柔性基底。将合适量的碳纳米管分散液喷涂于所需尺寸的PDMS表面上获得复合MWCNTs/PDMS压阻薄膜材料。喷涂法具体过程为：将PDMS薄膜及其放置的基板在加热板上加热至约80℃，喷涂1-2s，重复此步骤直至喷涂完所需的量，保证溶剂的迅速挥发以获得薄膜的均匀性。
(2)将P(VDF-TrFE)粉末溶于溶剂中，通过匀胶机旋涂出厚度可控的薄膜，通过改变溶质含量和匀胶机旋涂参数，获得最佳制备参数，从而获得压电聚合物薄膜。在压电聚合物薄膜与压阻传感层接触的一面沉积一层有间断的Pt金属电极材料9，并在两侧以导线引出，为压阻信号输出端12；压电聚合物薄膜材料的另一面表面溅射叉指电极7，并在叉指电极两端口连接导线，为压电信号输出端13；
(3)将压阻传感层10与压电聚合物薄膜进行封装，得到压阻/压电双模式压力传感层；
(4)将高吸水树脂均匀置于渗水膜布5的中间部分区域上，薄薄刮涂一层PDMS，80℃加热板上加热5min,半固化后与压力传感层粘结，继续在加热板上高温固化后即获得吸水材料层11，组装完成后制得所述水分感知传感器1。
其中，步骤(3)中所采用的封装方法为PDMS封装，具体方法为：在玻璃片上刮涂一层PDMS，使用加热板80℃加热5min-6.5min后使其半固化，压电聚合物薄膜外侧置于其上，继续加热45-60min与PDMS粘合后揭下；再于另一玻璃片上刮涂一层PDMS，直接放置压阻传感层，半固化后将粘有压电聚合物薄膜的PDMS层面对面放置，继续加热直至彻底固化，适当剪裁后完成封装。
(5)将上述的水分感知传感器1的压阻信号输出端12和压电信号输出端13通过导线与信号处理模块3连接，进行信号的转换处理，并连接无线信号发射装置4。
将本发明装置按照合理的排布贴附于建筑表面，若出现渗水现象时，水分透过渗水膜布层5接触到吸水树脂，吸水树脂会因PDMS的限制，在固定区域内向柔性更高的压力传感层方向产生膨胀形变，并会与不同的水分渗漏的量和渗漏的频率相对应，而水分会被疏水的PDMS隔离在压力传感层之外，图2、3分别为本发明的水分感知传感器吸水前、后的结构示意图。压力传感层将因吸水材料的不同形变速率、形变程度等产生不同的电信号。
图4为采用此方法制备出的压阻传感层的应力响应情况，可以看出以商业砂纸为模版构筑的微结构能有效提升压阻传感层的性能，对压强变化表现出较为规律的响应，在小于800Pa的压强范围内灵敏度约为18.9kPa-1，最小响应阈值为37.5Pa。
图5为压力传感层为压电聚合物薄膜时，有无吸水材料层两种情况下，对1ml渗漏水分做出的压电响应电压信号，此信号为反映动态的信号，可看出当没有吸水材料层帮助放大信号时，压电传感层对于渗漏的水分基本没有响应，但能够检测出吸水树脂四次的遇水膨胀形变。当使用压阻/压电双模式压力传感层5时，除了出现压电响应电压外，压阻效应会导致响应电流的变化，此响应信号反映静态力学信息，从而更为准确地反映出吸水材料的形变状况。两种信号通过信号处理模块3，经过调节后通过无线信号发射装置4传输信号，并且在响应参数超过设定阈值时发送报警信号，从而实现对于海底隧道等建筑渗水病害的监测报警，并且结合分析两种信号也能够帮助分析判断渗水问题的实际情况，便于后续处理。
对比例：水分感知传感器1的具体制备方法中，与实施例的不同之处在于，在步骤(3)所采用的封装方法为胶带封装，即使用Kapton胶带将压电聚合物薄膜和压阻层薄膜的四周粘合，完成封装。
若采用对比例中的封装方法时，因胶带相较于压力传感层使用的薄膜材料柔性较差，且与PDMS粘合不紧密，限制了压力传感层本身的形变，影响实验结果一致性，出现异常信号增多。
Claims (10)
1.一种用于感知隧道渗水的双模式压力传感监测报警装置，其特征在于，包括水分感知传感器(1)、信号处理装置(3)、无线信号发射装置(4)；所述水分感知传感器(1)包括依次设置的渗水膜布层(5)、吸水材料层(11)、压力传感层(6)；所述压力传感层(6)包括设置于吸水材料层上方的压阻传感层(10)、设置于压阻传感层上的压电传感层(8)；所述吸水材料层吸收渗水膜布层的水膨胀将信号传递给压阻传感层及压电传感层；所述压电传感层与压阻传感层分别与信号处理装置连接，所述信号处理装置与无线信号发射装置连接。
2.根据权利要求1所述的用于感知隧道渗水的双模式压力传感监测报警装置，其特征在于，所述压力传感层(6)的上方和下方均设有第一疏水封装材料层，所述吸水材料层(11)的上方设有第二疏水封装材料层；所述吸水材料层(11)与压力传感层(6)通过第一疏水封装材料层、第二疏水封装材料层粘结固定。
3.根据权利要求2所述的用于感知隧道渗水的双模式压力传感监测报警装置，其特征在于，所述第一疏水封装材料层与第二疏水封装材料层的疏水材料相同。
4.根据权利要求2所述的用于感知隧道渗水的双模式压力传感监测报警装置，其特征在于，所述第一疏水封装材料层与第二疏水封装材料层的材料均为PDMS。
5.根据权利要求1所述的用于感知隧道渗水的双模式压力传感监测报警装置，其特征在于，所述压电传感层(8)与压阻传感层(10)接触的一面沉积有不连续的电极材料(9)，不连续的电机材料(9)上分别设有压阻信号输出端(12)；所述压电传感层(8)远离压阻传感层(10)的一面设有叉指电极(7)，所述叉指电极(7)的两个端口分别设有压电信号输出端(13)；所述压阻信号输出端(12)、压电信号输出端(13)分别与信号处理装置连接。
6.根据权利要求1所述的用于感知隧道渗水的双模式压力传感监测报警装置，其特征在于，所述水分感知传感器由以下步骤制得：将压电传感层(8)与压阻传感层(10)使用PDMS封装；将吸水材料层(11)放置于吸水膜布层(5)上，并在吸水材料层(11)表面刮涂PDMS，经加热进行半固化后，与封装后的压力传感层(6)接触，继续加热固化，制得。
7.根据权利要求1所述的用于感知隧道渗水的双模式压力传感监测报警装置，其特征在于，所述压电传感层(8)使用的压电材料为压电聚合物薄膜。
8.根据权利要求1所述的用于感知隧道渗水的双模式压力传感监测报警装置，其特征在于，所述压阻传感层(10)包括以砂纸为模板的PDMS薄膜、喷涂于PDMS薄膜上的碳纳米管薄膜。
9.根据权利要求1所述的用于感知隧道渗水的双模式压力传感监测报警装置，其特征在于，所述信号处理装置(3)、无线信号发射装置(4)固定于疏水柔性衬底(2)上。
10.根据权利要求1所述的用于感知隧道渗水的双模式压力传感监测报警装置，其特征在于，所述吸水材料层(11)使用的吸水材料为高吸水树脂。
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