CN115235661A - 一种柔性光伏式应力发光薄膜传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性光伏式应力发光薄膜传感器及其制备方法，包括底部的柔性应力发光薄膜层、中间部的光伏传感薄膜层和顶部的不透光薄膜保护层，利用应力发光材料与薄膜光伏组件复合制备的柔性应力发光薄膜传感器具有安全结实、柔弹性能佳、弱光效应好等特点，且集面源荧光信号感知与光电转换功能于一体，可以实现结构应力应变的实时、在线、原位监测，其中，通过光伏传感薄膜层垂直吸收应力发光层所释放的不同强弱程度的面源荧光信号，最大程度实现应力发光面源荧光信号的收集和光电转换，且结构制备成本低，操作简单，对环境友好，且机械性能优越，可应用于结构健康监测领域。
Description
技术领域
本发明涉及应力发光材料与传感器技术领域，具体为一种柔性光伏式应力发光薄膜传感器及其制备方法。
背景技术
随着应力发光材料研究的不断深入，结构工程界积极探索将基于应力发光现象设计和研发的应力/应变传感器应用于基础设施的结构健康监测。应力发光现象是一种材料遭受外部机械刺激时产生的力致发光现象，如摩擦、压力、冲击、断裂等。按照应力激励形式的不同，应力发光现象又可以分为摩擦应力发光、断裂应力发光、弹性应力发光及塑性应力发光四大类。其中，基于弹性应力发光现象研发的传感器，具有发光稳定、可恢复且发光强度与激励载荷呈良好线性关系的特点，可以原位、实时地形成结构应力载荷分布可视化图像，在结构变形、疲劳损伤、断裂破损监测方面具有广阔的应用潜力。
现有技术中一种通过将应力发光材料与弹性基体直接复合形成应力发光薄膜传感器，利用CCD/COMS工业相机或者光纤光谱仪对机械应力激励后的应力发光薄膜传感器所释放的荧光进行感知探测，但收集分散、弱荧光信号效果较差，集成化程度低，易受环境光干扰，且无法实时传输应力发光信号，不利于现场复杂环境下的远程在线监测，另一种将应力发光材料涂敷或沉积在裸光纤表面形成柔性应力发光光纤传感器，应力发光材料受激产生的荧光信号经光纤纤芯收集并传导，实现了应力发光光纤传感器的荧光信号感知与传输一体功能，但应力发光材料与光纤复合传感器结构设计制备难度大，且很难保证应力发光涂层释放的荧光信号最大程度地沿着光纤纤芯轴向传导。针对上述问题，理想的柔性应力发光薄膜传感器既需要合理的结构设计以准确感知结构应力应变变化，也需要稳定、高效的应力发光荧光信号传输方式以满足实时在线监测的需求。
光伏传感器，尤其是柔性薄膜光伏传感器，具有可拉伸弯曲，弱光接收效率高，自集成光电模块等特点，且集感知与传输功能于一体，可作为应力发光荧光信号的高效收集及传输方式。因此，研制一种柔性光伏式应力发光薄膜传感器以解决上述现有应力发光传感技术中存在的问题是十分有价值的。
发明内容
本发明提供一种柔性光伏式应力发光薄膜传感器及其制备方法，能有效融合应力发光效应和光伏效应，通过应力发光材料感知结构应力应变信息的同时，利用柔性光伏组件实现应力发光信号的收集处理，来解决上述现有技术中存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种柔性光伏式应力发光薄膜传感器，包括：
柔性应力发光薄膜层，位于底部，用于感知结构应力变化所释放的应力发光荧光信号；
光伏传感薄膜层，位于中间部，垂直吸收应力发光层所释放的不同强弱程度的面源荧光信号，并使其转换成电流信号，并通过导线传递电流信号；
不透光薄膜保护层，位于光伏传感层顶部。
优选的，所述应力发光层、光伏传感层和不透光保护层之间均通过高透光性能的高强粘结剂进行粘合固化封装。
一种柔性光伏式应力发光薄膜传感器的制备方法，包括如下步骤：
S1、将弹性应力发光材料、聚二甲基硅氧烷溶液与固化剂溶液进行混合，使用磁力搅拌器充分搅拌均，并进行真空脱泡，直至弹性应力发光材料均匀分布在聚二甲基硅氧烷溶液中；
S2、对混合溶液进行薄膜制备，在60-70℃温度条件下对溶液进行固化2-3小时，获得固化成型后的柔性应力发光薄膜；
S3、在柔性应力发光薄膜上利用高透光性高强粘合剂粘贴碲化镉柔性薄膜光伏组件，形成光伏传感薄膜层；
S4、在光伏传感薄膜层上粘接不透光薄膜。
优选的，在步骤S1中，弹性应力发光材料包括过渡金属离子或稀土离子掺杂的硫化物或硫氧化物或铝酸盐或钛酸盐或硅酸盐。
优选的，在步骤S1中，聚二甲基硅氧烷与弹性应力发光材料的质量比为1：10至1：1，聚二甲基硅氧烷与固化剂的质量比为10：1至5：1。
优选的，在步骤S2中，采用流延法或刮刀法或制模法对混合溶液进行薄膜制备。
优选的，在步骤S3中，所述碲化镉柔性薄膜光伏组件内封装光电信号转换、放大及分析模块。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明利用应力发光材料与薄膜光伏组件复合制备的柔性应力发光薄膜传感器具有安全结实、柔弹性能佳、弱光效应好等特点，且集面源荧光信号感知与光电转换功能于一体，可以实现结构应力应变的实时、在线、原位监测，其中，本发明中通过光伏传感薄膜层，垂直吸收应力发光层所释放的不同强弱程度的面源荧光信号，最大程度实现应力发光面源荧光信号的收集和光电转换，且结构制备成本低，操作简单，对环境友好，且机械性能优越，可应用于结构健康监测领域。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
在附图中：
图1是本发明柔性光伏式应力发光薄膜传感器的结构示意图；
图2是本发明传感器贴到狗骨形低碳钢试件的结构示意图；
图3是本发明电流信号与试件应力大小的线性关系图；
图中标号：1、柔性应力发光薄膜层；2、光伏传感薄膜层；3、导线；4、不透光薄膜保护层；5、试件；6、信号处理单元。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例：如图1所示，一种柔性光伏式应力发光薄膜传感器，包括底部的柔性应力发光薄膜层1、中间部的光伏传感薄膜层2和顶部的不透光薄膜保护层4；其中：
柔性应力发光薄膜层1，用于感知结构应力变化所释放的应力发光荧光信号；
光伏传感薄膜层2，垂直吸收应力发光层所释放的不同强弱程度的面源荧光信号，并使其转换成电流信号，并通过导线3传递电流信号至信号处理单元6，信号处理单元6对接收的信号进行处理和分析；
不透光薄膜保护层4，用于消除环境杂散光对光伏传感薄膜层2收集的荧光信号的干扰，并对传感器起到机械保护的作用。
其中，应力发光层、光伏传感层和不透光保护层之间均通过高透光性能的高强粘结剂进行粘合固化封装。
一种柔性光伏式应力发光薄膜传感器的制备方法，包括如下步骤：
S1、将弹性应力发光材料、聚二甲基硅氧烷溶液与固化剂溶液进行混合，使用磁力搅拌器充分搅拌均，并进行真空脱泡，直至弹性应力发光材料均匀分布在聚二甲基硅氧烷溶液中；
其中，弹性应力发光材料作为应力发光物质，主要包括过渡金属离子或稀土离子掺杂的硫化物或硫氧化物或铝酸盐或钛酸盐或硅酸盐等，聚二甲基硅氧烷作为应力发光材料弹性基体；
其中，聚二甲基硅氧烷与弹性应力发光材料的质量比为1：10至1：1，聚二甲基硅氧烷与固化剂的质量比为10：1至5：1；
S2、对混合溶液进行薄膜制备，在60-70℃温度条件下对溶液进行固化2-3小时，获得固化成型后的柔性应力发光薄膜；
其中，采用流延法或刮刀法或制模法对混合溶液进行薄膜制备；
S3、在柔性应力发光薄膜上利用高透光性高强粘合剂粘贴碲化镉柔性薄膜光伏组件，形成光伏传感薄膜层2；其中，碲化镉柔性薄膜光伏组件内封装光电信号转换、放大及分析模块，有助于光伏传感器自动吸收转换应力发光衬底层受激释放的面源荧光信号；
S4、在光伏传感薄膜层2上粘接不透光薄膜，形成传感器的环境光隔绝机械保护层。
在一具体实施例中，选用的弹性应力发光材料为ZnS:Cu2+，弹性基体为聚二甲基硅氧烷溶剂，其中聚二甲基硅氧烷弹性基体与弹性应力发光荧光粉体的质量比为1：5，聚二甲基硅氧烷溶剂与固化剂的质量比为9：1；
分别称取所需质量的应力发光材料、聚二甲基硅氧烷溶剂与固化剂通过磁力搅拌器充分混合均匀，并置于真空环境下脱泡处理；
将混合溶液装入小型流延机中，采用流延法在60℃条件下加热3小时，制得柔性应力发光弹性薄膜；
在制备好的柔性应力发光薄膜衬底上利用高透光性高强AB胶粘贴碲化镉(CdTe)柔性薄膜光伏组件，形成本发明所述传感器的中间层；
在光伏传感薄膜层2上粘贴非透明PVC塑料薄膜形成传感器的环境光隔绝机械保护层，参考图2所示，将制得的柔性光伏式应力发光薄膜传感器粘贴到狗骨形低碳钢试件5试验区表面，进行标准轴向拉伸试验，参考图3所示，检测到的电流信号与试件5应力大小呈线良好的线性关系。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种柔性光伏式应力发光薄膜传感器，其特征在于，包括：
柔性应力发光薄膜层，位于底部，用于感知结构应力变化所释放的应力发光荧光信号；
光伏传感薄膜层，位于中间部，垂直吸收应力发光层所释放的不同强弱程度的面源荧光信号，并使其转换成电流信号，并通过导线传递电流信号；
不透光薄膜保护层，位于光伏传感层顶部。
2.根据权利要求1所述的一种柔性光伏式应力发光薄膜传感器及其制备方法，其特征在于：所述应力发光层、光伏传感层和不透光保护层之间均通过高透光性能的高强粘结剂进行粘合固化封装。
3.一种根据权利要求1或2所述的柔性光伏式应力发光薄膜传感器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、将弹性应力发光材料、聚二甲基硅氧烷溶液与固化剂溶液进行混合，使用磁力搅拌器充分搅拌均，并进行真空脱泡，直至弹性应力发光材料均匀分布在聚二甲基硅氧烷溶液中；
S2、对混合溶液进行薄膜制备，在60-70℃温度条件下对溶液进行固化2-3小时，获得固化成型后的柔性应力发光薄膜；
S3、在柔性应力发光薄膜上利用高透光性高强粘合剂粘贴碲化镉柔性薄膜光伏组件，形成光伏传感薄膜层；
S4、在光伏传感薄膜层上粘接不透光薄膜。
4.根据权利要求3所述的一种柔性光伏式应力发光薄膜传感器的制备方法，其特征在于：在步骤S1中，弹性应力发光材料包括过渡金属离子或稀土离子掺杂的硫化物或硫氧化物或铝酸盐或钛酸盐或硅酸盐。
5.根据权利要求3所述的一种柔性光伏式应力发光薄膜传感器的制备方法，其特征在于：在步骤S1中，聚二甲基硅氧烷与弹性应力发光材料的质量比为1：10至1：1，聚二甲基硅氧烷与固化剂的质量比为10：1至5：1。
6.根据权利要求3所述的一种柔性光伏式应力发光薄膜传感器的制备方法，其特征在于：在步骤S2中，采用流延法或刮刀法或制模法对混合溶液进行应力发光薄膜制备。
7.根据权利要求3所述的一种柔性光伏式应力发光薄膜传感器的制备方法，其特征在于：在步骤S3中，所述碲化镉柔性薄膜光伏组件内封装光电信号转换、放大及分析模块。
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2022
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