CN214200423U - 一种传感器和应变栅制备装置 - Google Patents
一种传感器和应变栅制备装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN214200423U CN214200423U CN202120401203.7U CN202120401203U CN214200423U CN 214200423 U CN214200423 U CN 214200423U CN 202120401203 U CN202120401203 U CN 202120401203U CN 214200423 U CN214200423 U CN 214200423U
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- strain
- sensor
- vacuum
- wood
- analog
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Landscapes
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Abstract
本实用新型公开了一种传感器和应变栅制备装置，传感器包括基体、模数转换器、电极和应变栅；基体采用木材，模数转换器、电极和应变栅均设置在木材表面、模数转换器输入端连接两个电极，应变栅位于两个电极之间，应变栅两端分别与两个电极连接，应变栅采用三维多孔碳材料制成。应变栅制备装置，包括光纤激光器、真空腔、真空计和真空泵，真空腔为密闭腔体，顶部为透明玻璃，光纤激光器设置在真空腔顶部，光纤激光器输出端朝向真空腔内部，真空计和真空泵均与真空腔内部连通。传感器能够被降解，有利于环境的保护。
Description
技术领域
本实用新型属于传感器领域，涉及一种传感器和应变栅制备装置。
背景技术
传统的传感器多以金属以及半导体为原材料制作。如压力传感器，压阻式压力传感器现主要以康铜作为敏感材料，半导体压力传感器以硅片作为基片，而温度传感器如双金属片式传感器、热电偶传感，均需要金属作为敏感器件，在满足使用要求的同时，废弃的传感器由于难以降解，带来了巨大的环境污染。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种传感器和应变栅制备装置，传感器能够被降解，有利于环境的保护。
为达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案予以实现：
一种传感器，包括基体、模数转换器、电极和应变栅；
基体采用木材，模数转换器、电极和应变栅均设置在木材表面、模数转换器输入端连接两个电极，应变栅位于两个电极之间，应变栅两端分别与两个电极连接，应变栅采用三维多孔碳材料制成。
优选的，应变栅采用温度应变栅。
优选的，应变栅采用压力应变栅。
优选的，应变栅采用气体应变栅。
优选的，木材正反两面均设置有一组模数转换器、电极和应变栅，木材正面的应变栅采用温度应变栅，木材背面的应变栅采用压力应变栅，木材上设置有数字信号处理器，两个模数转换器输出端均与数字信号处理器输入端连接。
进一步，木材背面设置有两个凸块，其中一个凸块设置在木材背面一端，另一个凸块设置在靠近木材背面另一端位置。
一种基于上述任意一项所述传感器的应变栅制备装置，包括光纤激光器、真空腔、真空计和真空泵，真空腔为密闭腔体，顶部为透明玻璃，光纤激光器设置在真空腔顶部，光纤激光器输出端朝向真空腔内部，真空计和真空泵均与真空腔内部连通。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
本实用新型所述的传感器，将木材作为基体，使用三维多孔碳材料作为应变栅，三维多孔碳材料在受到压力与温度作用时可快速响应，电阻迅速发生变化，并且木材和三维多孔碳材料都具有可降解性，因此该传感器在不影响正常使用的前提下，能够被降解，有利于环境的保护。
进一步，在木材正反两面分别设置温度传感器和压力传感器，数字信号处理器上用于区分压力信号与温度信号，能够实现温度和压力传感器的集成，简化了器件结构，适用于需同时进行压力与温度传感的场合。
进一步，木材背面的两个凸块，一个设置在木材背面端部，另一个不设置在木材背面另一端部，能够避免受到压力的影响，干扰对温度信号的检测。
本实用新型所述的传感器制备装置，光纤激光器设置在顶部透明的密闭真空腔上方，能够采用激光对真空腔内的木材进行激光诱导加工，真空泵将真空腔抽真空，使木材不会燃烧，无需对木材进行阻燃处理，真空计对真空腔内的真空度进行监测，通过本装置能够对木材进行激光诱导加工。
附图说明
图1为本实用新型的集成压力、温度传感器的立体图；
图2为本实用新型的集成压力、温度传感器的俯视图；
图3为本实用新型的集成压力、温度传感器的仰视图；
图4为本实用新型的制备装置结构示意图；
图5为本实用新型的激光标刻的温度应变栅图案；
图6为本实用新型的激光标刻的压力应变栅图案；
图7为本实用新型的将未加载、加载2Kg、4Kg、6Kg和8Kg砝码分别放在传感器压力传感区域，电阻值随质量变化图；
图8为本实用新型的压力传感器重复施加2Kg砝码，压力传感器电阻变化图；
图9为本实用新型的对压力传感器重复加载与卸载2Kg砝码过程，共重复300次，压力传感器电阻变化图；
图10为本实用新型的将未加载、加载2Kg、4Kg、6Kg和8Kg砝码分别放在传感器上置于温控箱中，电阻值随温度变化图。
其中：1-光纤激光器；2-真空腔；3-真空计；4-木材；5-真空阀门；6-真空泵；7-施压位置；8-数字信号处理器；9-模数转换器；10-电极；11-温度应变栅；12-导线；13-压力应变栅；14-凸块。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述：
本实用新型所述的传感器，包括基体、模数转换器9、电极10和应变栅。
基体采用木材4，整个木材4作为绝缘区域，模数转换器9、电极10和应变栅均设置在木材4表面、模数转换器9输入端连接两个电极10，应变栅位于两个电极10之间，应变栅两端分别与两个电极10连接，应变栅采用三维多孔碳材料制成。
本实施例的木材4采用松木，两个电极10之间为矩形，面积小于等于15mm2，应变栅的栅长为18±1mm，栅宽为13±1.1mm，栅间距为1.5±0.1mm，栅丝直径为0.5±0.1mm。
应变栅可以采用温度应变栅11、压力应变栅13或气体应变栅。
温度应变栅11的图案如图5所示，压力应变栅13的图案如图6所示。
并且如图1所示，可以将温度和压力传感器集成，木材4正反两面均设置有一组模数转换器9、电极10和应变栅，木材4上设置有数字信号处理器8，两个模数转换器9输出端均与数字信号处理器8输入端连接。模数转换器9用于将模拟信号转换为数字信号，数字信号处理器8用于区分压力信号与温度信号。
如图2所示，木材4正面的应变栅采用温度应变栅11，作为温度传感器，温度应变栅11位于木材4端部，木材4正面的偏中心位置作为施压位置7。
如图3所示，木材4背面的应变栅采用压力应变栅13，作为压力传感器，木材4背面设置有两个凸块14，其中一个凸块14设置在木材4背面一端，另一个凸块14设置在靠近木材4背面另一端位置，两个凸块14对称分布在施压位置7两侧。
木材4同一面的两个电极10的长宽为5mm和3mm，两个电极10的间距为9.5mm，栅格总宽度为10.5mm，单个栅格的宽度为0.5mm，压力应变栅13中，每节的应变栅的长度为3mm。
如图4所示，所述传感器应变栅的制备装置包括光纤激光器1、真空腔2、真空计3、真空阀门5和真空泵6。
真空腔2为密闭腔体，顶部为透明玻璃，光纤激光器1设置在真空腔2顶部，光纤激光器1输出端朝向真空腔2内部，真空计3与真空腔2内部连通，真空泵6通过管道与真空腔2内部连通，管道上设置有真空阀门5。
在激光标刻的区域多次标刻后，原有的松木被加工成为三维多孔碳材料，三维多孔碳材料为导电碳材料。
将未加载、加载2Kg、4Kg、6Kg和8Kg砝码分别放在传感器压力传感区域，为压力传感器加压，测试其电阻变化，共测试7次，得到如图7电阻随加压变化，根据公式
计算得压力传感器得灵敏度系数k＝21.8。
将两个激光诱导木材4碳材料电子图案组成半桥形式，连接在动态测试分析仪上，对压力传感器重复施加2Kg砝码，此时动态测试分析系统将信号传入电脑中，得到图8，且根据图8得到压力传感器响应时间为1s，循环加载300次得到图9，说明此压力传感器具有一定的使用寿命。
利用温控箱控制环境温度，具体实验如下：1.记录温度传感器在室温下的电阻值；2.分别将未加载、加载2Kg，4Kg，6Kg，8Kg砝码温度传感器置于温控箱中，控制温控箱中温度，待温度传感器电阻值稳定后，记录电阻。如图10所示，根据如下公式计算：
αT＝(R2-R1)/R1(T2-T1)
得到电阻温度系数为αT＝-1.01×10-3。
集成压力、温度传感器工作原理为：
我们可以基本确定，敏感区域其中起导电作用的主要是石墨微晶与石墨烯。激光标刻后的松木呈现疏松的多孔碳结构，由于存在大量接触点导电，由大量的接触点形成导电回路，在受到压力作用时，其中的部分接触点会分离，这导致了电阻增大。压力越大，被拉伸开的接触点越多，电阻就会越大，而在压力撤销之后，接触点又重新相互接触，压力传感器电阻值又恢复至初始状态。
石墨微晶为杂乱排列的晶体，这些晶体在温度增大后体积增大，对于微晶而言电阻升高了，但石墨微晶之间的接触由于体积增大变得越来越好。而一般石墨晶体在500°以下接触质量对它的电阻起关键作用，所以在升温后其电阻显著减小。
将负责温度传感的电子图案设置在无压力区域，而将负责压力传感的部分设置在应变最大区域，负责压力传感的部分在接受压力信号的同时也接受温度信号，利用模数转换器9同时接收压力传感器信号与温度传感器信号，将数字信号同时传入数字信号处理器8中，数字信号处理器8对采集到的信号进行求解计算，将温度信号与压力信号分离，输出单一的温度与压力信号。
本实施例所述的压力传感器灵敏度高，响应快，温度传感也具有一定的灵敏性，传感器压力灵敏度系数为21.8，电阻温度系数为-1.01×10-3。
以上内容仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型权利要求书的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种传感器，其特征在于，包括基体、模数转换器(9)、电极(10)和应变栅；
基体采用木材(4)，模数转换器(9)、电极(10)和应变栅均设置在木材(4)表面、模数转换器(9)输入端连接两个电极(10)，应变栅位于两个电极(10)之间，应变栅两端分别与两个电极(10)连接，应变栅采用三维多孔碳材料制成。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，应变栅采用温度应变栅(11)。
3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，应变栅采用压力应变栅(13)。
4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，应变栅采用气体应变栅。
5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，木材(4)正反两面均设置有一组模数转换器(9)、电极(10)和应变栅，木材(4)正面的应变栅采用温度应变栅(11)，木材(4)背面的应变栅采用压力应变栅(13)，木材(4)上设置有数字信号处理器(8)，两个模数转换器(9)输出端均与数字信号处理器(8)输入端连接。
6.根据权利要求5所述的传感器，其特征在于，木材(4)背面设置有两个凸块(14)，其中一个凸块(14)设置在木材(4)背面一端，另一个凸块(14)设置在靠近木材(4)背面另一端位置。
7.一种基于权利要求1至6任意一项所述传感器的应变栅制备装置，其特征在于，包括光纤激光器(1)、真空腔(2)、真空计(3)和真空泵(6)，真空腔(2)为密闭腔体，顶部为透明玻璃，光纤激光器(1)设置在真空腔(2)顶部，光纤激光器(1)输出端朝向真空腔(2)内部，真空计(3)和真空泵(6)均与真空腔(2)内部连通。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202120401203.7U CN214200423U (zh) | 2021-02-23 | 2021-02-23 | 一种传感器和应变栅制备装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202120401203.7U CN214200423U (zh) | 2021-02-23 | 2021-02-23 | 一种传感器和应变栅制备装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN214200423U true CN214200423U (zh) | 2021-09-14 |
Family
ID=77639396
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202120401203.7U Active CN214200423U (zh) | 2021-02-23 | 2021-02-23 | 一种传感器和应变栅制备装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN214200423U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112816090A (zh) * | 2021-02-23 | 2021-05-18 | 陕西科技大学 | 一种传感器的制备方法、应变栅制备装置和传感器 |
-
2021
- 2021-02-23 CN CN202120401203.7U patent/CN214200423U/zh active Active
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112816090A (zh) * | 2021-02-23 | 2021-05-18 | 陕西科技大学 | 一种传感器的制备方法、应变栅制备装置和传感器 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Li et al. | Engineered microstructure derived hierarchical deformation of flexible pressure sensor induces a supersensitive piezoresistive property in broad pressure range | |
| Shen et al. | Cutaneous ionogel mechanoreceptors for soft machines, physiological sensing, and amputee prostheses | |
| Liu et al. | Piezoresistive pressure sensor based on synergistical innerconnect polyvinyl alcohol nanowires/wrinkled graphene film | |
| Wang et al. | Polypyrrole (PPy) attached on porous conductive sponge derived from carbonized graphene oxide coated polyurethane (PU) and its application in pressure sensor | |
| Zhang et al. | A highly sensitive and cost‐effective flexible pressure sensor with micropillar arrays fabricated by novel metal‐assisted chemical etching for wearable electronics | |
| US9453774B2 (en) | Surface area-based pressure sensing | |
| CN214200423U (zh) | 一种传感器和应变栅制备装置 | |
| Fu et al. | Fabrication of large‐area bimodal sensors by all‐inkjet‐printing | |
| Lee et al. | Microfabrication and characterization of spray-coated single-wall carbon nanotube film strain gauges | |
| Liao et al. | Ultrasensitive flexible temperature-mechanical dual-parameter sensor based on vanadium dioxide films | |
| Ali et al. | Pressure sensitive sensors based on carbon nanotubes, graphene, and its composites | |
| Gao et al. | Highly conductive and stretching-insensitive films for wearable accurate pressure perception | |
| Fu et al. | Plasmene nanosheets as optical skin strain sensors | |
| Zhang et al. | Structural engineering of graphite network for ultra-sensitive and durable strain sensors and strain-controlled switches | |
| Zhao et al. | Highly responsive screen-printed asymmetric pressure sensor based on laser-induced graphene | |
| CN112816090A (zh) | 一种传感器的制备方法、应变栅制备装置和传感器 | |
| Huang et al. | Highly stretchable ionotronic pressure sensors with broad response range enabled by microstructured ionogel electrodes | |
| Hou et al. | Porous fiber paper and 3D patterned electrodes composed high-sensitivity flexible piezoresistive sensor for physiological signal monitoring | |
| CN108458906A (zh) | 一种测试石墨烯粉体电导率的方法 | |
| Miao et al. | Flexible Broad‐Range Pressure Sensors Enabled by Deformation‐Induced Conductive Channels in 3D Graphene Foam@ Polydimethylsiloxane Composite for Precise Vibrational Signal Detection | |
| Yuan et al. | Bending and Stretching‐Insensitive, Crosstalk‐Free, Flexible Pressure Sensor Arrays for Human‐Machine Interactions | |
| He et al. | Soft-template synthesis of hierarchically porous structured polydimethylsiloxane toward flexible capacitive pressure sensor | |
| Nikel et al. | Effect of uni-axial loading on the nanostructure of silica aerogels | |
| Greenstreet et al. | The mechanical behavior of artificial graphites as portrayed by uniaxial tests | |
| WO2022209026A1 (ja) | 静電容量式感圧センサ |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20220808 Address after: Room 202, Building A, No. 15 Shanglinyuan 1st Road, High-tech Zone, Xi'an City, Shaanxi Province 710199 Patentee after: Xi'an zhongkeyingweite Photoelectric Technology Co.,Ltd. Address before: 710021 Shaanxi province Xi'an Weiyang University Park Patentee before: SHAANXI University OF SCIENCE & TECHNOLOGY |