CN115808569A - 一种基于多谐振荡器测量纳米复合材料压阻式传感器电阻的方法 - Google Patents

一种基于多谐振荡器测量纳米复合材料压阻式传感器电阻的方法 Download PDF

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CN115808569A CN202211705561.2A CN202211705561A CN115808569A CN 115808569 A CN115808569 A CN 115808569A CN 202211705561 A CN202211705561 A CN 202211705561A CN 115808569 A CN115808569 A CN 115808569A
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徐超
李鹏飞
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Taicang Yangtze River Delta Research Institute of Northwestern Polytechnical University
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Abstract

本发明公开了一种基于多谐振荡器测量纳米复合材料压阻式传感器电阻的方法，包括以下步骤：步骤1：将纳米复合材料压阻式传感器连接到时基集成电路构成多谐振荡器；步骤2：利用数据采集装置测量多谐振荡器输出的方波信号；步骤3：在上位机对多谐振荡器输出的方波信号进行时频分析得到频率，并根据频率计算纳米复合材料压阻式传感器的电阻。本发明将纳米复合材料压阻式传感器与时基集成电路相连构成多谐振荡器，当纳米复合材料压阻式传感器的电阻变化时多谐振荡器输出的方波信号的频率相应地改变，利用数据采集装置测量多谐振荡器输出的方波信号，在上位机对方波信号进行时频分析获得其频率并进一步将频率转换为纳米复合材料压阻式传感器的电阻。

Description

一种基于多谐振荡器测量纳米复合材料压阻式传感器电阻的 方法
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种基于多谐振荡器测量纳米复合材料压阻式传感器电阻的方法。
背景技术
纳米复合材料传感器是通过在聚合物材料中掺杂纳米尺度的导电颗粒、纤维或薄片改性制成的。这种传感器不仅具有高灵敏度和宽测量范围，而且重量轻、柔性好，在多种领域有广阔的应用前景。如在对传感器的柔性有极高要求的可穿戴设备领域，纳米复合材料是电子皮肤的候选材料，可以利用由纳米复合材料制成的各种传感器监测人体的生理信号，从而实现对人体运动状态或健康状况的诊断。在航空航天领域，轻质的纳米复合材料传感器可以大面积、高密度布置在飞行器结构表面，或与复合材料结构直接一体化集成，从而实现航空航天飞行器结构状态的原位监测。
根据工作机理，纳米复合材料传感器被划分为电容式、压电式和压阻式，其中纳米复合材料压阻式传感器结构简单，制造方便，应用最广泛。纳米复合材料压阻式传感器可以感应压力、应变等被测量并将其转化为电阻变化，即压阻效应，在目前的相关研究中主要是利用各种高精度的台式数字万用表测量纳米复合材料压阻式传感器的电阻。台式数字万用表一般有两种电阻测量模式，分别是二线法和四线法。两种测量模式均需要利用一个电流源产生恒定电流，再利用具有高输入阻抗的电压表测量传感器两端的电压，最后基于欧姆定律计算得到传感器的电阻。二线法的电流回路和电压测量回路合二为一，测量结果受导线电阻的影响，传感器的电阻越小影响越大，因此当传感器的电阻较低时不适合采用二线法。四线法是在二线法的基础上，在传感器的两端各引出两条线使电流回路和电压测量回路分离开，电压表的高输入阻抗使流经电压测量回路的电流非常小，因此降低了导线电阻的影响，测量精度很高。由于四线法耗线，尤其是在测量传感器阵列时会使线路非常复杂，因此四线法一般只用于测量电阻较低的传感器。还有一种测量传感器电阻的方法是电桥法，即将传感器接入电桥，将电桥的一对相对接头连接至电压源，并在另一对相对接头之间连接测量仪表。电桥分为平衡电桥和不平衡电桥，前者使用的仪表是电流表，通过调整桥臂电阻使电流表的示数为0，利用桥臂电阻的变化可推导出传感器的电阻；后者使用的仪表是具有高输入阻抗的电压表，利用电压表的示数可计算出传感器的电阻。平衡电桥只能用于测量相对稳定的电阻，非平衡电桥可用于测量连续变化的电阻。
上述方法对比，二线法和四线法均需要使用电流源，电桥法需要使用电压源，而电流源是通过电压源转换得到的，电流源的结构更加复杂，价格也更高；三种方法均需要使用具有高输入阻抗的电压表，电压表和常规的数据采集装置的输入阻抗一般分别是10MΩ和1MΩ，而纳米复合材料压阻式传感器的电阻一般达到了kΩ或MΩ，利用常规的数据采集装置进行测量时会存在较大的误差。
发明内容
本发明提出一种基于多谐振荡器测量纳米复合材料压阻式传感器电阻的方法，将纳米复合材料压阻式传感器与时基集成电路相连构成多谐振荡器，当纳米复合材料压阻式传感器的电阻变化时多谐振荡器输出的方波信号的频率相应地改变，利用数据采集装置测量多谐振荡器输出的方波信号，在上位机对方波信号进行时频分析获得其频率并进一步将频率转换为纳米复合材料压阻式传感器的电阻。
本申请实施例公开了一种基于多谐振荡器测量纳米复合材料压阻式传感器电阻的方法，包括以下步骤：
步骤1：将纳米复合材料压阻式传感器连接到时基集成电路构成多谐振荡器；
步骤2：利用数据采集装置测量多谐振荡器输出的方波信号；
步骤3：在上位机对多谐振荡器输出的方波信号进行时频分析得到频率，并根据频率计算纳米复合材料压阻式传感器的电阻。
优选地，在上述基于多谐振荡器测量纳米复合材料压阻式传感器电阻的方法中，所述时基集成电路为NE555，NE555与电阻R1、R2和电容C相连，利用电压源为NE555提供恒定电压后，NE555将输出方波信号，方波信号的频率为：
Figure BDA0004026310530000031
输出的方波信号的频率对电阻R1变化的灵敏度为：
Figure BDA0004026310530000032
若已获得输出的方波信号的频率，计算电阻R1的公式为：
Figure BDA0004026310530000033
输出的方波信号的频率对电阻R2变化的灵敏度为：
Figure BDA0004026310530000034
若已获得输出的方波信号的频率，计算电阻R2的公式为：
Figure BDA0004026310530000035
将纳米复合材料压阻式传感器代替电阻R1或R2构建多谐振荡器，测得频率后根据已知的R2或R1和C以及式(3)或式(5)即可得到电阻值。
优选地，在上述基于多谐振荡器测量纳米复合材料压阻式传感器电阻的方法中，纳米复合材料压阻式传感器优选代替电阻R2。
优选地，在上述基于多谐振荡器测量纳米复合材料压阻式传感器电阻的方法中，步骤1中的纳米复合材料压阻式传感器是通过在聚合物材料中掺杂纳米尺度的导电颗粒、纤维和薄片改性制成的，可用于测量压力、应变参数。
优选地，在上述基于多谐振荡器测量纳米复合材料压阻式传感器电阻的方法中，步骤1中的多谐振荡器输出的方波信号的频率随纳米复合材料压阻式传感器电阻的变化而相应改变。
优选地，在上述基于多谐振荡器测量纳米复合材料压阻式传感器电阻的方法中，步骤1中的时基集成电路由电压源供电。
优选地，在上述基于多谐振荡器测量纳米复合材料压阻式传感器电阻的方法中，步骤2中的数据采集装置在测量多谐振荡器输出的方波信号时输入阻抗是1MΩ。
与现有技术相比，本发明将纳米复合材料压阻式传感器与时基集成电路连接构成多谐振荡器，利用电压源为时基集成电路提供恒定电压并使其输出方波信号，当纳米复合材料压阻式传感器的电阻变化时，多谐振荡器输出的方波信号的频率相应地改变，利用数据采集装置采集多谐振荡器输出的方波信号，在上位机上对方波信号进行时频分析得到其频率并进一步根据频率计算出纳米复合材料压阻式传感器的电阻。基于本发明提出的方法，无需使用结构复杂且价格昂贵的电流源以及具有高输入阻抗的电压表便可精确测得纳米复合材料压阻式传感器的电阻。
附图说明
为了更清楚地说明本申请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申请中记载的一些实施例，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所示为本发明实施例中基于多谐振荡器测量纳米复合材料压阻式传感器电阻的流程图；
图2所示为本发明实施例中基于时基集成电路NE555构建的多谐振荡器；
图3所示为本发明实施例中不同压力下多谐振荡器输出的方波信号图；
图4所示为本发明实施例中不同压力下多谐振荡器输出的方波信号的频率图；
图5所示为本发明实施例中不同压力下纳米复合材料压阻式传感器的电阻值图；
图6所示为本发明实施例中不同应变下多谐振荡器输出的方波信号图；
图7所示为本发明实施例中不同应变下多谐振荡器输出的方波信号的频率图；
图8所示为本发明实施例中不同应变下纳米复合材料压阻式传感器的电阻值图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
基于多谐振荡器测量纳米复合材料压阻式传感器的电阻，如图1所示，将纳米复合材料压阻式传感器连接到时基集成电路构建多谐振荡器，当纳米复合材料压阻式传感器的电阻变化时，多谐振荡器输出的方波信号的频率相应地改变，多谐振荡器输出的方波信号被数据采集装置测量后发送至上位机，在上位机对方波信号进行时频分析以获得其频率。
图2所示为基于时基集成电路NE555构建的多谐振荡器。NE555与电阻R1、R2和电容C相连，利用电压源为NE555提供10V的恒定电压后，NE555将输出方波信号，方波信号的频率为：
Figure BDA0004026310530000051
输出的方波信号的频率对电阻R1变化的灵敏度为：
Figure BDA0004026310530000052
若已获得输出的方波信号的频率，计算电阻R1的公式为：
Figure BDA0004026310530000053
输出的方波信号的频率对电阻R2变化的灵敏度为：
Figure BDA0004026310530000054
若已获得输出的方波信号的频率，计算电阻R2的公式为：
Figure BDA0004026310530000055
可以利用纳米复合材料压阻式传感器代替电阻R1或R2构建多谐振荡器，无论选择代替电阻R1或R2，多谐振荡器输出的方波信号的频率均随纳米复合材料压阻式传感器电阻的增大而减小，但当选择代替电阻R2时，多谐振荡器输出的方波信号的频率对纳米复合材料压阻式传感器电阻的变化灵敏度更高。
不同压力下多谐振荡器输出的方波信号的频率和纳米复合材料压阻式传感器的电阻。
按照图2所示构建多谐振荡器。首先，分别选择炭黑(CB)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作为纳米填充剂和聚合物基体制备CB/PVP纳米复合材料压阻式传感器代替电阻R2，CB和PVP的质量比为2：8；其次，取电阻R1和电容C的值分别为15kΩ和0.1nF，利用电压源为多谐振荡器提供10V的恒定电压；接着，利用TBS2000数字示波器测量多谐振荡器输出的方波信号；最后，在上位机对方波信号通过连续小波变换进行时频分析获得多谐振荡器输出的方波信号的频率，再根据公式(5)计算纳米复合材料传感器的电阻。
对纳米复合材料压阻式传感器依次施加0、50kPa和100kPa的压力，图3所示为不同压力下多谐振荡器输出的方波信号的部分时域波形，图4所示为在上位机对多谐振荡器输出的方波信号进行时频分析后得到的频率，图5所示为计算得到的纳米复合材料压阻式传感器的电阻。将图4和图5结合分析，可知压力增大使纳米复合材料压阻式传感器的电阻增大，这导致多谐振荡器输出的方波信号的频率减小。
不同应变下多谐振荡器输出的方波信号的频率和纳米复合材料压阻式传感器的电阻。
将CB/PVP纳米复合材料压阻式传感器粘贴在聚乙烯拉伸试件上，利用万能试验机对拉伸试件进行单轴拉伸，在加载过程中利用粘贴在聚乙烯拉伸试件另一表面的120Ω电阻应变片监测拉伸试件的表面应变，当应变分别为0、1％和2％时进行测量，测量方法与压力测试时相同。图6所示为不同应变下多谐振荡器输出的方波信号的部分时域波形，图7所示为在上位机对多谐振荡器输出的方波信号进行时频分析后得到的频率，图8所示为计算得到的纳米复合材料压阻式传感器的电阻。将图7和图8结合分析，可知应变增大使纳米复合材料压阻式传感器的电阻增大，这导致多谐振荡器输出的方波信号的频率减小。
本实施方式只是对本专利的示例性说明，而并不限定它的保护范围，本领域人员还可以对其进行局部改变，只要没有超出本专利的精神实质，都视为对本专利的等同替换，都在本专利的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于多谐振荡器测量纳米复合材料压阻式传感器电阻的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将纳米复合材料压阻式传感器连接到时基集成电路构成多谐振荡器；
步骤2：利用数据采集装置测量多谐振荡器输出的方波信号；
步骤3：在上位机对多谐振荡器输出的方波信号进行时频分析得到频率，并根据频率计算纳米复合材料压阻式传感器的电阻。
2.根据权利要求1所述的基于多谐振荡器测量纳米复合材料压阻式传感器电阻的方法，其特征在于，所述时基集成电路为NE555，NE555与电阻R1、R2和电容C相连，利用电压源为NE555提供恒定电压后，NE555将输出方波信号，方波信号的频率为：
Figure FDA0004026310520000011
输出的方波信号的频率对电阻R1变化的灵敏度为：
Figure FDA0004026310520000012
若已获得输出的方波信号的频率，计算电阻R1的公式为：
Figure FDA0004026310520000013
输出的方波信号的频率对电阻R2变化的灵敏度为：
Figure FDA0004026310520000014
若已获得输出的方波信号的频率，计算电阻R2的公式为：
Figure FDA0004026310520000015
将纳米复合材料压阻式传感器代替电阻R1或R2构建多谐振荡器，测得频率后根据已知的R2或R1和C以及式(3)或式(5)即可得到电阻值。
3.根据权利要求2所述的基于多谐振荡器测量纳米复合材料压阻式传感器电阻的方法，其特征在于，纳米复合材料压阻式传感器优选代替电阻R2。
4.根据权利要求1所述的基于多谐振荡器测量纳米复合材料压阻式传感器电阻的方法，其特征在于，步骤1中的纳米复合材料压阻式传感器是通过在聚合物材料中掺杂纳米尺度的导电颗粒、纤维和薄片改性制成的，可用于测量压力、应变参数。
5.根据权利要求1所述的基于多谐振荡器测量纳米复合材料压阻式传感器电阻的方法，其特征在于，步骤1中的多谐振荡器输出的方波信号的频率随纳米复合材料压阻式传感器电阻的变化而相应改变。
6.根据权利要求1所述的基于多谐振荡器测量纳米复合材料压阻式传感器电阻的方法，其特征在于，步骤1中的时基集成电路由电压源供电。
7.根据权利要求1所述的基于多谐振荡器测量纳米复合材料压阻式传感器电阻的方法，其特征在于，步骤2中的数据采集装置在测量多谐振荡器输出的方波信号时输入阻抗是1MΩ。
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