CN114660127A - 一种材料识别传感器及利用其识别材料属性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种材料识别传感器及利用其识别材料属性的方法，所述的材料识别传感器自上而下包括依次连接的封装层、测温层和基底层，所述的测温层包括圆环形热源和圆环形温度传感器，所述的圆环形热源设置在圆环形温度传感器内部。本发明的材料识别传感器以中心环热源和外圈测温的特定结构，可以对热属性接近的材料进行有效的区分；本发明的方法将固定体积待测材料放置在材料识别传感器上，热源产生恒定功率，测试圆环形温度传感器电阻变化，具有不同密度和比热容的材料会表现出不同的电阻‑时间曲线，同时两者满足对数关系，通过电阻‑时间曲线进行拟合得到特征值，根据特征值进行材料属性的识别。

Description

一种材料识别传感器及利用其识别材料属性的方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种材料识别传感器及利用其识别材料属性的方法。

背景技术

随着物联网和5G的快速发展，对具有能够感知环境中声、光、电、热和磁等传感技术的器件需求越来越大，近些年来研究者们在温度、压力和湿度等传感方面进行了大量的研究，在器件小型化，柔性化中取得了良好的进展。但是针对物体材质识别方面器件的研究较少。到目前为止，文献中报道的材质识别器件绝大部分是基于瞬态平面热源法器件简化而来的用于测试材料热导率原理：使用一种薄层圆盘环结构金属同时作为平面热源和温度传感器，测试时将待测物体放置在传感器之上，对金属热敏电阻施加电压进行升温，通过测试电阻的变化情况来热导率的表征，从而进行不同材质的辨别。如：(Adv.Mater.2017,29,1606151；Sci.Robot.2020,5,eabc8134)。

CN108548844 A公开了一种使用圆环加热激励中心点测温的热物性传感器，通过加热器与温度传感器的分置，避免接触热阻的影响，实现了热导率与热扩散系数的快速高效测量。该传感器可以对材质的热属性进行准确快速的测量，从而实现材质的区分；然而对于热属性接近的材料这类探测技术则无法进行有效的区分。因此迫切需要发展基于其他属性进行识别的传感器与方法。

鉴于以上原因，特突出本发明。

发明内容

为了解决现有技术存在的以上问题，本发明提供了一种材料识别传感器及利用其识别材料属性的方法，本发明的传感器基于待测物体的密度和比热容进行属性的识别，本发明的方法通过不同属性的材料的电阻和时间变化曲线，通过拟合对应的特征值进行材料的区分和识别。

本发明的第一目的，提供了一种材料识别传感器，所述的传感器自上而下包括依次连接的封装层、测温层和基底层，所述的测温层包括圆环形热源和圆环形温度传感器，所述的圆环形热源设置在圆环形温度传感器内部。

进一步的，所述的圆环形热源为激光照射基底层得到的激光致石墨烯，所述的圆环形温度传感器为热敏电阻，所述的圆环形温度传感器通过热蒸发或磁控溅射固定在基底层上。

进一步的，所述的圆环形热源两端分别连接有第一电极和第二电极，所述的第一电极和第二电极与电源连接，所述的圆环形温度传感器两端分别连接有第三电极和第四电极，所述的第三电极和第四电极与电阻测试仪连接。

进一步的，所述的第一电极、第二电极、第三电极和第四电极均在同一个平面上。

进一步的，所述的封装层为电绝缘材料制成。

优选的，所述的电绝缘材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，PDMS旋涂在测温层和基底层上，经热处理固化而成。

进一步的，所述的基底层为聚酰亚胺制成。

本发明的第二目的，提供了一种利用所述的传感器识别材料属性的方法，所述的方法包括如下步骤：

(1)将多个不同已知属性材料放置在封装层上面，记录圆环形温度传感器连接的电阻测试仪上电阻随时间的变化情况，得到多个电阻-时间变化曲线；

(2)截取每个已知属性材料在10-60s时间内的电阻-时间变化曲线，将截取的电阻-时间变化曲线按照公式y＝A₁ е^(-x/t₁)+y₀进行拟合，不同的材料得到不同的特征值t₁，建立已知属性材料与特征值t₁的数据库；

(3)将未知属性材料放置在所述的传感器的封装层上面，按照步骤(1)和(2)的方法计算未知属性材料的特征值t₂，

(4)将未知属性材料的特征值t₂与步骤(2)建立的数据库中特征值t₁进行比较，进而确定未知属性材料的材质。

本发明的按照公式y＝A₁ е^(-x/t₁)+y₀进行拟合采用orgin软件。

进一步的，步骤(1)中所述的多个不同已知属性材料包括硅橡胶、玻璃、不锈钢、氮化铝、黄铜、铜和塑料。

进一步的，步骤(1)中多个电阻-时间变化曲线中时间为0-70s，多个不同已知属性材料和未知属性材料的体积相同。

进一步的，步骤(4)中若特征值t₂＝0.95t₁～1.05t₁则确定未知属性材料为t₁值相对应的已知属性材料。

进一步的，所述的未知属性材料为所述的多个不同已知属性材料中的一种。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明的材料识别传感器以中心环热源和外圈测温的特定结构，可以对热属性接近的材料进行有效的区分，所述的材料识别传感器基于待测物体的密封和比热容进行材料的识别；

(2)本发明的方法将固定体积待测材料放置在材料识别传感器上，热源产生恒定功率，测试圆环形温度传感器电阻变化，具有不同密度和比热容的材料会表现出不同的电阻-时间曲线，同时两者满足对数关系，通过电阻-时间曲线进行拟合得到特征值，根据特征值进行材料属性的识别。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种材料识别传感器的结构示意图；

图2是本发明一种材料识别传感器的结构示意图；

图3是本发明中热导率对探针处温度-时间曲线影响的仿真结果；

图4是本发明中密度对探针处温度-时间曲线影响的仿真结果；

图5是本发明中比热容对探针处温度-时间曲线影响的仿真结果；

图6是本发明所述的材料识别传感器不同电压下圆环形热源温度变化图；

图7是本发明所述的材料识别传感器中圆环形温度传感器不同温度下电阻变化图；

图8是硅橡胶的实际测试曲线与拟合曲线图；

图9是玻璃的实际测试曲线与拟合曲线图；

图10是不锈钢的实际测试曲线与拟合曲线图；

图11是氮化铝的实际测试曲线与拟合曲线图；

图12是黄铜的实际测试曲线与拟合曲线图；

图13是铜的实际测试曲线与拟合曲线图；

图14是塑料的实际测试曲线与拟合曲线图。

附图标记

1-封装层、2-圆环形热源、21-第三电极、22-第四电极、3-圆环形温度传感器、31-第一电极、32-第二电极、4-基底层、5-待测材料。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

实施例1

如图1和2所示，本实施例的一种材料识别传感器，所述的传感器自上而下包括依次连接的封装层1、测温层和基底层4，所述的测温层包括圆环形热源2和圆环形温度传感器3，所述的圆环形热源2设置在圆环形温度传感器3内部，所述的封装层1为聚二甲基硅氧烷材料制成，所述的基底层2为聚酰亚胺制成。

进一步的的方案，所述的圆环形热源2为激光照射基底层4得到的激光致石墨烯，所述的圆环形温度传感器2为热敏电阻，所述的圆环温度传感器3通过磁控溅射固定在基底层4上。所述的圆环形热源2两端分别连接有第一电极21和第二电极22，所述的第一电极21和第二电极22与直流可调节电源连接，所述的圆环形温度传感器3两端分别连接有第三电极31和第四电极32，所述的第三电极31和第四电极32与电阻测试仪连接。其中，所述的第一电极21、第二电极22、第三电极31和第四电极32均在同一个平面上。

本实施例中圆环形热源2外半径尺寸为3-8mm，宽度为1-5mm，厚度小于10μm，圆环形温度传感器3外半径为10-20mm，宽度为40-100μm。待测材料5放在所述的材料识别传感器的封装层1上进行测试。

实施例2

本实施例为利用实施例1制备的材料识别传感器识别材料属性方法，所述的方法基于如下理论：

仿真与物理模型建立：

按照实施例1所述的传感器的结构、尺寸和材料，在Comsol中构建模型进行仿真，设定环境温度为20℃，给定热源功率。在温度传感器处放置探针，模拟放置材料的属性(热导率、密度和比热容)对探针处“温度-时间”曲线变化的影响。仿真结果如图3-5所示，从图3可以看出，随着材料热导率从0.0381W/(mk)变化到38100W/(m k)，探针处的“温度-时间”曲线几乎没有变化，这表明材质的热导率变化并不影响测试结果；而从图4和5中可以看出，当材质的密度和比热容改变时，“温度-时间”会发生相应的变化。本发明所述的材料识别传感器不同电压下圆环形热源温度变化如图6所示，本发明所述的材料识别传感器中圆环形温度传感器不同温度下电阻变化如图7所示。

经过上述的仿真模型可知密度和比热容是影响曲线形状的两个因素，通过模拟结果可知，吸热过程导了探针处的温度变化，而材料吸收的热量(E)等于石墨烯的发热功率(W)减去空气中的散热。可得下列公式：

其中α为对流热交换系数，ρ为测试材料密度，C为材料比热容，V为材料体积，T为材料的温度，T_A为环境温度，t为时间。经过转化可得到公式：

从上面公式可以看出在固定测试材料的体积情况下，探针处温度与时间呈对数关系，同时t的系数(α/Cρ)则影响了该曲线的形状，拥有不同密度和比热容的材料具有不同的系数，并可以由此来进行不同材料的标定以及识别。由于使用的圆环形温度传感器的温度与电阻呈线性关系如图7，因此电阻的变化与时间也呈对数关系。因此，本发明中采用y＝A₁е^(-x/t₁)+y₀公式进行拟合。

本实施例的识别材料属性方法，具体如下：

(1)分别将氮化铝、不锈钢、黄铜、铜、玻璃、塑料、硅橡胶放置在所述的传感器的封装层1上面，记录圆环形温度传感器连接的电阻测试仪上电阻随时间的变化情况，得到多个电阻-时间变化曲线，测试时间为0-70s；(2)截取每个已知属性材料在10-60s时间内的电阻-时间变化曲线，将截取的电阻-时间变化曲线在origin软件中按照公式y＝A₁ е^(-x/t₁)+y₀进行拟合，不同的材料得到不同的特征值t₁，建立已知属性材料与特征值t₁的数据库；其中，图8是硅橡胶的实际测试曲线与拟合曲线图，图9是玻璃的实际测试曲线与拟合曲线图，图10是不锈钢的实际测试曲线与拟合曲线图，图11是氮化铝的实际测试曲线与拟合曲线图，图12是黄铜的实际测试曲线与拟合曲线图，图13是铜的实际测试曲线与拟合曲线图，图14是塑料的实际测试曲线与拟合曲线图，经过公式拟合得到不同材料的t₁值如表1所示。

表1

材料	氮化铝	不锈钢	黄铜	铜	玻璃	塑料	硅橡胶
								t<sub>1</sub>	36.6	67.7	54.1	53.6	-88.9	-50.6	-42.6

(3)将未知属性材料放置在所述的传感器的封装层上面，按照步骤(1)和(2)的方法计算未知属性材料的特征值t₂，

(4)将未知属性材料的特征值t₂与步骤(2)建立的数据库中特征值t₁进行比较，若特征值t₂＝0.95t₁～1.05t₁则确定未知属性材料为t₁值相对应的已知属性材料，否则，不能确定未知属性材料类型。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种材料识别传感器，其特征在于，所述的传感器自上而下包括依次连接的封装层、测温层和基底层，所述的测温层包括圆环形热源和圆环形温度传感器，所述的圆环形热源设置在圆环形温度传感器内部。

2.根据权利要求1所述的一种材料识别传感器，其特征在于，所述的圆环形热源为激光照射基底层得到的激光致石墨烯，所述的圆环形温度传感器为热敏电阻，所述的圆环形温度传感器通过热蒸发或磁控溅射固定在基底层上。

3.根据权利要求1或2所述的一种材料识别传感器，其特征在于，所述的圆环形热源两端分别连接有第一电极和第二电极，所述的第一电极和第二电极与电源连接，所述的圆环形温度传感器两端分别连接有第三电极和第四电极，所述的第三电极和第四电极与电阻测试仪连接。

4.根据权利要求3所述的一种材料识别传感器，其特征在于，所述的第一电极、第二电极、第三电极和第四电极均在同一个平面上。

5.根据权利要求1所述的一种材料识别传感器，其特征在于，所述的封装层为电绝缘材料制成。

6.根据权利要求1所述的一种材料识别传感器，其特征在于，所述的基底层为聚酰亚胺制成。

7.一种利用权利要求1-6任一所述的传感器识别材料属性的方法，其特征在于，所述的方法包括如下步骤：

(1)将多个不同已知属性材料放置在封装层上面，记录圆环形温度传感器连接的电阻测试仪上电阻随时间的变化情况，得到多个电阻-时间变化曲线；

(2)截取每个已知属性材料在10-60s时间内的电阻-时间变化曲线，将截取的电阻-时间变化曲线按照公式y＝A₁ е^(-x/t₁)+y₀进行拟合，不同的材料得到不同的特征值t₁，建立已知属性材料与特征值t₁的数据库；

(3)将未知属性材料放置在所述的传感器的封装层上面，按照步骤(1)和(2)的方法计算未知属性材料的特征值t₂，

(4)将未知属性材料的特征值t₂与步骤(2)建立的数据库中特征值t₁进行比较，进而确定未知属性材料的材质。

8.根据权利要求7所述的识别材料属性的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的多个不同已知属性材料包括硅橡胶、玻璃、不锈钢、氮化铝、黄铜、铜和塑料，多个电阻-时间变化曲线中时间为0-70s。

9.根据权利要求7所述的识别材料属性的方法，其特征在于，步骤(4)中若特征值t₂＝0.95t₁～1.05t₁则确定未知属性材料为t₁值相对应的已知属性材料，否则，不能确定未知属性材料类型。

10.根据权利要求7所述的识别材料属性的方法，其特征在于，未知属性材料为所述的多个不同已知属性材料中的一种，多个不同已知属性材料和未知属性材料的体积相同。

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