CN114894244B - 一种柔性应力与温度双模传感器及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种柔性应力与温度双模传感器及其制备方法和应用，所述柔性应力与温度双模传感器为多级杨氏模量结构，包括高杨氏模量段和设置于所述高杨氏模量段两端的低杨氏模量段，所述低杨氏模量段包括掺杂磁性颗粒的第一中空弹性管，所述高杨氏模量段包括未掺杂磁性颗粒的第二中空弹性管、加强管、非晶丝和电感线圈，所述加强管设置于所述第二中空弹性管内，所述非晶丝设置于所述加强管内，所述加强管的杨氏模量大于所述第一中空弹性管，所述电感线圈绕设于所述第二中空弹性管的外部，所述电感线圈的材料为热电偶丝。本发明柔性应力与温度双模传感器实现了单一传感单元对应变和温度的检测和区分，其使用方法简单高效，具有很高的检测精度。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体而言，涉及一种柔性应力与温度双模传感器及其制备方法和应用。
背景技术
人体皮肤包含许多的受体可以用来感知和区分多种外界刺激，是人体最重要的体感系统。在健康监测、人机交互和机器人领域能够实现类人体皮肤的功能一直是人们追求和探索的方向之一。对于人体皮肤而言，应力和温度的感知是两个至关重要的参数，因此，实现电子皮肤的应力、温度等实时多模感知和区分具有重要的意义。
现有技术为了实现电子皮肤的多模感知，通过集成各种单功能传感器是最直接的策略，例如2018年Zhonglin Wang通过多层传感单元垂直叠加实现了包括温度、应变、湿度、光、磁场等在内的七种刺激检测，但是这需要电子皮肤具有复杂的配置或算法，不利于电子皮肤小型化。
公开号为CN110455445A的中国专利公开了一种基于激光还原后的具有棱形网状结构的氧化还原石墨烯的柔性应力传感器，公开号为CN109387307A的中国专利公开了一种基于二维材料溶液中加入导电纳米线溶液制成混合溶液的三明治结构的柔性应力传感器，公开号为CN109781291A的中国专利公开了一种基于感温导电纤维和用金属材料的柔性温度传感器，公开号为CN106017718A的中国专利公开了一种碳粉材料加工得到感温材料的柔性温度传感器，这些传感器对于单一的柔性应变或者温度感知都具有良好的性能，但无法实现应变和温度的多模感知。
公开号为CN207395792U的专利公开了一种新型轨温应力检测装置，在数据采集箱上设有一个轨温应力集成在一块的传感器，能够实现温度和应变的采集和传输；公开号为CN113720386A的专利公开了一种测量温度和应变的双模态柔性传感器，该双模态柔性传感器利用应变敏感材料的电阻随应变发生变化及介电材料的介电常数ε和厚度d随温度发生变化实现温度和应变双模态测量。以上两种双模传感器的制备都是通过将多个单功能传感器进行简单集成，需要多个输出电极，不利于传感器小型化。
因此，对于传感器的小型化与集成化发展趋势，开发在单一传感单元中实现多模感知并减少输出电极的柔性多模传感器具有重要意义。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供了一种由单一传感单元对应变和温度进行检测和区分的双模传感器。
本发明的第一方面提供一种柔性应力与温度双模传感器，其为多级杨氏模量结构，包括高杨氏模量段和设置于所述高杨氏模量段两端的低杨氏模量段，所述低杨氏模量段包括掺杂磁性颗粒的第一中空弹性管，所述高杨氏模量段包括未掺杂磁性颗粒的第二中空弹性管、加强管、非晶丝和电感线圈，所述加强管设置于所述第二中空弹性管内，所述非晶丝设置于所述加强管内，所述加强管的杨氏模量大于所述第一中空弹性管，所述电感线圈绕设于所述第二中空弹性管的外部，所述电感线圈的材料为热电偶丝。
优选地，所述第一中空弹性管的外径为0.5-2mm，壁厚为0.1-0.5mm，管长为6-30mm，所述第二中空弹性管的外径和内径与所述第一中空弹性管相同，所述加强管的外径与所述第二中空弹性管的内径相同。
优选地，所述非晶丝直径为20-200μm，长度为10-20mm，所述电感线圈的匝数为100-800匝。
优选地，所述第一中空弹性管由柔性材料掺杂磁性颗粒制成，所述柔性材料选自聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯(PU/TPU)、Ecoflex、天然橡胶(NR)、聚烯烃弹性体(POE)、苯乙烯弹性体(SEBS)、聚偏氟乙烯(PVDF)的一种或多种，所述磁性颗粒选自NdFeB粉、SmCo粉、AlNiCo粉、FeCrCo粉、BaFe12O19粉、SrFe12O19粉和Fe3O4粉中的一种或多种。
优选地，所述第二中空弹性管的材料选自聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯(PU/TPU)、Ecoflex、天然橡胶(NR)、聚烯烃弹性体(POE)、苯乙烯弹性体(SEBS)、聚偏氟乙烯(PVDF)中的一种或多种。
优选地，所述加强管选自PVC管、聚四氟乙烯管、聚碳酸酯管、聚甲醛树脂管和聚丙烯管中的一种或多种。
优选地，所述非晶丝选自Fe基非晶丝、Co基非晶丝、FeCo基非晶丝、FeNi基非晶丝和CoNi基非晶丝中的一种或多种。
优选地，所述电感线圈的材料选自PtRh@10-Pt、PtRh@13-Pt、PtRh@13-PtRh@6、NiCr-NiSi、NiCrSi-NiSi、NiCr-CuNi、Fe-CuNi和Cu-CuNi中的一种或多种。
本发明柔性应力与温度双模传感器具有多级杨氏模量结构，低杨氏模量段的掺杂磁性颗粒的第一中空弹性管在受到应变时提供变化的磁场，基于非晶丝的巨磁阻抗效应(GMI)和第一中空弹性管的磁弹效应，利用非晶丝阻抗随应变导致的磁场变化来检测应变，利用热电偶丝的热电效应探测温度，电感线圈不仅用于测试阻抗输出，也用于温度探测输出，实现了单一传感单元对应变和温度的检测和区分。柔性应力与温度双模传感器的使用方法简单高效，可以实现0-30％的应变测量、0-100℃的温度测量，并且具有很高的检测精度，可以实现0.05％的应变和0.1℃的温度检测，信号不会相互干扰。
本发明的第二方面提供一种上述柔性应力与温度双模传感器的制备方法，包括以下步骤：
S1、将磁性颗粒与柔性材料混合搅拌，通过静置或者抽真空除去气泡；
S2、利用含型芯的模具中在50-100℃下分别固化得到掺杂磁性颗粒的第一中空弹性管和未掺杂磁性颗粒的第二中空弹性管；
S3、将非晶丝内置于加强管中，再将加强管内置于第二中空弹性管中；
S4、二次固化将两段第一中空弹性管连接在第二中空弹性管的两端；
S5、将热电偶丝以螺线管形式缠绕在第二中空弹性管的外部制成电感线圈。
该柔性应力与温度双模传感器的制备方法简单，可以进行小型化设计，利于实现工业化生产。
本发明的第三方面提供一种上述柔性应力与温度双模传感器的应用，将所述柔性应力与温度双模传感器应用于电子皮肤、智能织物或机器人领域。
附图说明
图1为本发明实施例中柔性应力和温度双模传感器的结构示意图；
图2为实施例1和实施例2的柔性应力和温度双模传感器的阻抗随应变变化图；
图3为实施例1的柔性应力和温度双模传感器在800kHz，0.05％应变下的阻抗变化图；
图4为实施例1和实施例3的柔性应力和温度双模传感器的输出电压随温度变化图；
图5为实施例2和实施例4的柔性应力和温度双模传感器的输出电压随温度变化图。
图6为实施例3和实施例4的柔性应力和温度双模传感器的阻抗随应变变化图。
附图标记说明：
1-第一中空弹性管，2-第二中空弹性管，3-加强管，4-非晶丝，5-电感线圈。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。需要说明的是，以下各实施例仅用于说明本发明的实施方法和典型参数，而不用于限定本发明所述的参数范围，由此引申出的合理变化，仍处于本发明权利要求的保护范围内。
需要说明的是，在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
结合图1所示，本发明的实施例提供一种柔性应力与温度双模传感器，其为多级杨氏模量结构，包括高杨氏模量段和设置于高杨氏模量段两端的低杨氏模量段，低杨氏模量段包括掺杂磁性颗粒的第一中空弹性管1，高杨氏模量段包括未掺杂磁性颗粒的第二中空弹性管2、加强管3、非晶丝4和电感线圈5，加强管3设置于第二中空弹性管2内，非晶丝4设置于加强管3内，加强管3的杨氏模量大于第一中空弹性管1，电感线圈5绕设于第二中空弹性管2的外部，电感线圈5的材料为热电偶丝。低杨氏模量段的掺杂磁性颗粒的第一中空弹性管1在受到应变时提供变化的磁场，基于非晶丝4的巨磁阻抗效应和第一中空弹性管1的磁弹效应，利用非晶丝4阻抗随应变导致的磁场变化来检测应变，利用热电偶丝的热电效应探测温度，电感线圈5不仅用于测试阻抗输出，也用于温度探测输出，实现了单一传感单元对应变和温度的检测和区分。
柔性应力与温度双模传感器的制备方法包括以下步骤：
S1、将粒径为1-100μm的磁性颗粒与柔性材料混合，利用机械搅拌器搅拌0.5-1.5h使其混合均匀，后续通过静置或者抽真空除去气泡；柔性材料选自聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、Ecoflex、天然橡胶、聚烯烃弹性体、苯乙烯弹性体和聚偏氟乙烯中的一种或多种，磁性颗粒选自NdFeB粉、SmCo粉、AlNiCo粉、FeCrCo粉、BaFe12O19粉、SrFe12O19粉和Fe3O4粉中的一种或多种。
S2、利用含型芯的模具中在50-100℃的鼓风干燥箱中分别固化2-4h，得到掺杂磁性颗粒的第一中空弹性管1和未掺杂磁性颗粒的第二中空弹性管2，第一中空弹性管1的外径为0.5-2mm，壁厚为0.1-0.5mm，管长为6-30mm，第二中空弹性管2的外径和内径与第一中空弹性管1相同。
S3、将直径为20-200μm，长度为10-20mm非晶丝4内置于加强管3中，加强管3选自PVC管、聚四氟乙烯管、聚碳酸酯管、聚甲醛树脂管和聚丙烯管中的一种或多种；再将加强管3内置于第二中空弹性管2中，加强管3的外径和长度与第二中空弹性管2的内径相同。
S4、利用带型芯的模具进行二次固化，将两段第一中空弹性管1连接在第二中空弹性管2的两端，在连接处注入PDMS并在60℃鼓风干燥箱中干燥3h。
S5、将热电偶丝通过绕线机以螺线管形式缠绕在第二中空弹性管2的外部，匝数为100-800匝。
该柔性应力与温度双模传感器的非晶丝4的阻抗采用LC谐振电路测试，测试频率为1kHz-5 MHz，LC谐振电路中电感线圈5不仅用于测试阻抗输出，也用于温度探测输出。传感器制备和使用方法简单高效，可以实现0-30％的应变测量、0-100℃的温度测量，并且具有高的检测精度，可以实现0.05％的应变和0.1℃的温度检测，信号不会相互干扰，在电子皮肤、智能织物、机器人等领域具有很好的应该前景。
以下通过具体实施例对本发明进行详细描述。
实施例1
本实施例中的柔性应力与温度双模传感器为多级杨氏模量结构：
低杨氏模量段为器件的两端为低杨氏模量段，由掺杂磁性颗粒的第一中空弹性管1构成；
高杨氏模量段在两段第一中空弹性管1中间，包括未掺杂磁性颗粒的第二中空弹性管2以及内置其中的包含非晶丝4的杨氏模量较大的加强管3，在第二中空弹性管2外部绕制电感线圈5探测应力和温度的输出。
本实施例中，柔性应力和温度双模传感器的制备方法如下：
S1、称取粒径为5μm的NdFeB磁粉与PDMS质量比1：2，置于烧杯中通过机械搅拌器充分搅拌1h使二者混合均匀，后续放置于密闭空间内通过机械泵抽真空以消除搅拌所带进去的气泡。
S2、将除去气泡的混合物浇注到含型芯的模具中，其中模具由两个内径为1.6mm的半圆组成，型芯直径为1mm，浇注完成之后仍通过抽真空处理消除气泡，将浇注了掺杂磁粉和未掺杂磁粉的PDMS的模具放入鼓风干燥箱中，在60℃的温度下固化3h，分别得到掺杂NdFeB磁粉的第一中空弹性管1和未掺杂磁粉的第二中空弹性管2，两种中空弹性管的外径为1.6mm，壁厚为0.3mm。
S3、将直径为100μm，长度为14mm的Co基非晶丝4内置于外径为1mm的PVC管中，再将含有非晶丝4的PVC管内置于相同长度的第二中空弹性管2中。
S4、利用带型芯的模具进行二次固化，将两段长度为18mm的第一中空弹性管1连接在第二中空弹性管2的两端，在连接处涂敷PDMS并在60℃鼓风干燥箱中固化3h成型。
S5、将NiCr-CuNi热电偶丝通过绕线机以螺线管形式缠绕在第二中空弹性管2外部，即非晶丝4所在区域，缠绕匝数为300匝。
对柔性应力和温度双模传感器的应变特性和温度特性进行测试，测试方法为：使用Instron5943材料试验机以10mm/min的拉伸速率对器件施加应力，使用IM3570阻抗分析仪对器件进行阻抗随应变造成的磁场变化，测试频率为300kHz；利用Keithley34420A纳伏表测试热电偶随温度变化的电压输出，在测试的过程中保证测量端的温度保持稳定。测试结果如下：
(1)柔性应力和温度双模传感器的应变特性
当对传感器施加0-30％的连续应变时，如图2所示，传感器的低杨氏模量段被拉伸，非晶丝区域的磁场减小，由于非晶丝具有显著的GMI效应，阻抗随着减小，阻抗的相对变化率随着应变增加而增加，在30％的应变约为24％的相对变化。此外，如图3所示，该传感器可以检测到0.05％的应变变化，精测精度高。
(2)柔性应力和温度双模传感器的温度特性
当对传感器施加连续变化的温度时，如图4所示，缠绕的热电偶由于塞贝克效应有电压输出，当温度从室温上升至100℃，电压的变化呈现为近似线性变化，最大输出电压变化为3.22mV，灵敏度为47μV/℃，灵敏度优于现有技术中大部分温度传感器。
实施例2
本实施例中的柔性应力与温度双模传感器结构与实施例1相同，不同之处在于电感线圈的材料为Cu-CuNi热电偶丝。
对柔性应力和温度双模传感器的应变特性和温度特性进行测试，测试方法与实施例1相同，测试结果如下：
(1)柔性应力和温度双模传感器的应变特性
当对传感器施加0-30％的连续应变时，如图2所示，传感器的低杨氏模量段被拉伸，非晶丝区域的磁场减小，由于非晶丝具有显著的GMI效应，阻抗随着减小，阻抗的相对变化率随着应变增加而增加，在30％的应变约为24％的相对变化。
(2)柔性应力和温度双模传感器的温度特性
当对传感器施加连续变化的温度时，如图5所示，缠绕的热电偶由于塞贝克效应有电压输出，当温度从室温上升至100℃，电压的变化呈现为近似线性变化，最大输出电压变化为3.08mV，灵敏度为44μV/℃。
实施例3
本实施例中的柔性应力与温度双模传感器结构与实施例1相同，不同之处在于第一中空弹性管由PDMS掺杂NdFeB磁粉制成，NdFeB磁粉与PDMS质量比1：1。
对柔性应力和温度双模传感器的应变特性和温度特性进行测试，测试方法与实施例1相同，测试结果如下：
(1)柔性应力和温度双模传感器的应变特性
当对传感器施加0-30％的连续应变时，如图6所示，传感器的低杨氏模量段被拉伸，非晶丝区域的磁场减小，由于非晶丝具有显著的GMI效应，阻抗随着减小，阻抗的相对变化率随着应变增加而增加，在30％的应变约为53％的相对变化。
(2)柔性应力和温度双模传感器的温度特性
当对传感器施加连续变化的温度时，如图4所示，缠绕的热电偶由于塞贝克效应有电压输出，当温度从室温上升至100℃，电压的变化呈现为近似线性变化，最大输出电压变化为3.22mV，灵敏度为47μV/℃。
实施例4
本实施例中的柔性应力与温度双模传感器结构与实施例1相同，不同之处在于第一中空弹性管由PDMS掺杂NdFeB磁粉制成，NdFeB磁粉与PDMS质量比1：1，电感线圈的材料为Cu-CuNi热电偶丝。
对柔性应力和温度双模传感器的应变特性和温度特性进行测试，测试方法与实施例1相同，测试结果如下：
(1)柔性应力和温度双模传感器的应变特性
当对传感器施加0-30％的连续应变时，如图6所示，传感器的低杨氏模量段被拉伸，非晶丝区域的磁场减小，由于非晶丝具有显著的GMI效应，阻抗随着减小，阻抗的相对变化率随着应变增加而增加，在30％的应变约为53％的相对变化。
(2)柔性应力和温度双模传感器的温度特性
当对传感器施加连续变化的温度时，如图5所示，缠绕的热电偶由于塞贝克效应有电压输出，当温度从室温上升至100℃，电压的变化呈现为近似线性变化，最大输出电压变化为3.08mV，灵敏度为44μV/℃。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (9)
1.一种柔性应力与温度双模传感器，其特征在于，所述柔性应力与温度双模传感器为多级杨氏模量结构，包括高杨氏模量段和设置于所述高杨氏模量段两端的低杨氏模量段，所述低杨氏模量段包括掺杂磁性颗粒的第一中空弹性管，所述高杨氏模量段包括未掺杂磁性颗粒的第二中空弹性管、加强管、非晶丝和电感线圈，所述加强管设置于所述第二中空弹性管内，所述非晶丝设置于所述加强管内，所述加强管的杨氏模量大于所述第一中空弹性管，所述电感线圈绕设于所述第二中空弹性管的外部，所述电感线圈的材料为热电偶丝，所述第一中空弹性管的外径为0.5-2 mm，壁厚为0.1-0.5 mm，管长为6-30 mm，所述第二中空弹性管的外径和内径与所述第一中空弹性管相同，所述加强管的外径与所述第二中空弹性管的内径相同。
2.根据权利要求1所述的柔性应力与温度双模传感器，其特征在于，所述非晶丝直径为20-200 μm，长度为10-20 mm，所述电感线圈的匝数为100-800匝。
3.根据权利要求1或2所述的柔性应力与温度双模传感器，其特征在于，所述第一中空弹性管由柔性材料掺杂磁性颗粒制成，所述柔性材料选自聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、Ecoflex、天然橡胶、聚烯烃弹性体、苯乙烯弹性体和聚偏氟乙烯中的一种或多种，所述磁性颗粒选自NdFeB粉、SmCo粉、AlNiCo粉、FeCrCo粉、BaFe12O19粉、SrFe12O19粉和Fe3O4粉中的一种或多种。
4.根据权利要求1或2所述的柔性应力与温度双模传感器，其特征在于，所述第二中空弹性管的材料选自聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、Ecoflex、天然橡胶、聚烯烃弹性体、苯乙烯弹性体和聚偏氟乙烯中的一种或多种。
5.根据权利要求1或2所述的柔性应力与温度双模传感器，其特征在于，所述加强管选自PVC管、聚四氟乙烯管、聚碳酸酯管、聚甲醛树脂管和聚丙烯管中的一种或多种。
6.根据权利要求1或2所述的柔性应力与温度双模传感器，其特征在于，所述非晶丝选自Fe基非晶丝、Co基非晶丝、FeCo基非晶丝、FeNi基非晶丝和CoNi基非晶丝中的一种或多种。
7.根据权利要求1或2所述的柔性应力与温度双模传感器，其特征在于，所述电感线圈的材料选自PtRh@10-Pt、PtRh@13-Pt、PtRh@13-PtRh@6、NiCr-NiSi、NiCrSi-NiSi、NiCr-CuNi、Fe-CuNi和Cu-CuNi中的一种或多种。
8.一种如权利要求1-7任一所述的柔性应力与温度双模传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将磁性颗粒与柔性材料混合搅拌，通过静置或者抽真空除去气泡；
S2、利用含型芯的模具中在50-100 ℃下分别固化得到掺杂磁性颗粒的第一中空弹性管和未掺杂磁性颗粒的第二中空弹性管；
S3、将非晶丝内置于加强管中，再将加强管内置于第二中空弹性管中；
S4、二次固化将两段第一中空弹性管连接在第二中空弹性管的两端；
S5、将热电偶丝以螺线管形式缠绕在第二中空弹性管的外部制成电感线圈。
9.一种如权利要求1-7任一所述的柔性应力与温度双模传感器的应用，其特征在于，将所述柔性应力与温度双模传感器应用于电子皮肤、智能织物或机器人领域。
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