CN108519173A - 一种柔性应力和湿度传感器、其制备方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性应力和湿度传感器、其制备方法及应用，该方法包括以下步骤：(1)将具有链状结构的弹性导电胶体和柔性高分子聚合物混合；(2)对混合后的混合物塑形；(3)混合物在成型之后，加热至50～120℃反应1～12小时，使混合物固化，得到柔性应力和湿度传感器。本发明制备方法简单，能够同时实现应力和湿度的检测，且检测结果精确度高。

Description

一种柔性应力和湿度传感器、其制备方法及应用

技术领域

本发明属于传感器领域，尤其涉及一种柔性应力和湿度传感器、其制备方法及应用。

背景技术

在土木工程、建筑、机械工程、矿业工程、材料科学等领域中，应力都扮演着重要的角色。例如，在建筑物施工过程中，如钢结构安装、卸载、改造、加固，混凝土浇筑等过程，需对应力的变化进行监测，并在监测值接近控制值时发出报警，用来保证施工的安全性，也可用于检查施工过程是否合理。在材料在制备和加工过程中，应力的存在降低了工件的强度，使工件在制备和应用过程中产生变形和开裂等工艺缺陷。构件断裂、疲劳破坏、应力腐蚀等原因导致材料力学性能下降。因此，应力的测量具有重要意义。

应力的测量往往需要通过力传感器间接完成，力传感器是将各种力学信号换为电信号的器件。目前常见的力学传感器有以下几种：

1、应变式力学传感器

电阻应变式传感器的工作原理是在一定形状的弹性元件上粘贴或用其他方法安装电阻应变敏感元件。当接触力作用在弹性元件上时，弹性元件产生变形，电阻应变敏感元件的阻值随之发生变化。通过变换电路将阻值的变化变成电压(或电流)的变化，并将其信号输出到测量电路，根据电压(或电流)变化量，通过模拟计算得到接触力的大小与作用位置。温度影响较大(有时需进行温度补偿)，工艺较复杂，造价高。

2、电感式压力传感器

电感式压力传感器的原理是通过电感线圈电感量变化测量压力。常见的有气隙式和差动变压器式两种结构形式。气隙式的工作原理是被测压力作用在膜片上使之产生位移，引起电感线圈的磁路磁阻发生变化，膜片距磁心的气隙一边增加一边减少，电感量则一边减少一边增加，由此构成的电感差动变化，通过电杆组成的电桥输出一个与被测压力相互对应的交流电压。差动变压式的工作原理是被测压力作用在弹簧管，使之产生与压力成正比的位移，同时带动连接在弹簧管末端的铁芯移动，使差动变压器的两个对称和番向串接的次级绕组失去平衡，输出一个与被测压力成正比的电压，用以获得相关力学信息。但该传感器本身的频率响应不高，不适于快速动态测量，对激磁电源的频率和幅度的稳定度要求较高。

3、电容式力学传感器

电容式压力传感器一般采用圆形金属薄膜或镀金属薄膜作为电容器的一个电极，当薄膜受到压力而变形时，薄膜与固定电极之间形成的电容量发生变化，通过测量电路即可输出与电压形成一定关系的电信号。电容式压力传感器属于极距变化型电容式传感器，可分为单电容式压力传感器和差动电容性压力传感器。实际中输出阻抗高，负载能力差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象，寄生电容影响大。

4、压电式力学传感器

压电式力学传感器的主要原理是压电效应。某些材料在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生改变时，其表面上会产生电荷。若将外力去掉时，其表面又重新回到不带电状态。压电式力学传感器利用电气元件和其他机械将待测的力转换为电量，模拟计算后得到力的相关信息。不可以用于静态测量中，受到外力作用后的电荷，当回路有无限大的输入阻抗的时候才可被保存下来，因此压电传感器只可用于动态测量。

5、压磁式力学传感器

由硅钢片叠替而成的压磁元件在不受力时，铁心的磁阻在各个方向上是一致的。初级线圈的磁力线对称地分布，不予次级线圈发生交链，因而不会在次级线圈中产生感应电动势。当传感器受压力时，在平行于作用力方向上磁导率减小，磁阻增大。在垂直于作用力方向上磁导率增大，磁阻减小。初级线圈产生的磁力线将重新分布，此时一部分磁力线与次级绕组交链而产生感应电动势。压力越大，交链的磁力线越多，感应电动势也越大。感应电动势通过模拟计算后克表示被测力的大小。

除了应力之外，湿度对器件、材料也有很大的影响。湿度传感器是一种能感受气体中水蒸气含量，并转换成可用输出信号的传感器，主要应用于机械工程、传感器、气体及湿度传感器等方面。湿敏元件是最简单的湿度传感器，主要有电阻式、电容式两大类。

湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。湿敏电阻的优点是灵敏度高，但是线性度和产品的互换性差。

湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。湿敏电容的精度一般比湿敏电阻要低。

此外，湿度传感器需根据需要选择低湿段、中湿段、高湿段传感器提高检测精度。

目前，大多数传感器无法同时实现应力(压力、拉力)和湿度传感，需要根据不同使用环境选择不同类型传感器。如若以点阵方式安装多种传感器，则无法获得欲测试表面连续完整的全域欲传感信息；如若将多种传感器整合进单个器件，涉及、制备及整合过程均十分复杂，且若需获得连续完整的全域欲传感信息，需安装大量传感器，导致传感器件僵硬，无法监测不规则表面；这些方法安装、监测过程较复杂。

发明内容

本发明为了解决现有技术的不足，提供了一种柔性应力和湿度传感器及其制备方法，能够同时实现应力和湿度的检测，方法简单，精确度高。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种柔性应力和湿度传感器，包括以下原料：具有链状结构的弹性导电胶体和柔性高分子聚合物。

本发明的弹性导电材料在分子结构上具有链状结构，可与柔性高分子聚合物中的分子链相互缠绕，形成一种物理缠绕的结构，能够非常灵敏的感受外界的应力和湿度变化，可对20微升的液体进行湿度传感、对0.1％量级的形变进行传感。

本发明的原理是：在施加电压一定的情况下，传感器的相应电流与传感器的截面积S以及长度L有关。当传感器受到应力影响时，传感器的S以及L会发生变化，导致响应电流I发生改变。根据响应电流的变化，同时结合传感器的压缩模量及弹性模量，即可计算出传感器所受应力的大小。此外，传感器中离子的运动情况直接影响传感器的导电性能，且传感器中的含水量对传感器中的离子运动有明显影响，而环境湿度决定了传感器的含水量，因此传感器可根据响应电流的大小判断含水量，继而判断环境湿度。

作为优选，所述的弹性导电材料是根据公告号为CN 104558699 A、发明名称为“一种弹性导电胶体、制备方法及其应用”的中国专利申请制备的弹性导电胶体。

作为优选，所述的柔性高分子聚合物为聚二甲基硅氧烷，或聚烯烃弹性体，或乙烯-乙酸乙烯酯共聚物，或三元乙丙橡胶。

作为优选，所述的弹性导电材料与聚二甲基硅氧烷之间的体积比为1:3～4:1，效果最优的体积比为3:1，按照该比例制备得到的传感器断裂伸长率最高，可达到600％，更适合在复杂使用环境中的应用。

一种柔性应力和湿度传感器的制备方法，包括以下步骤：

(1)将弹性导电材料与柔性高分子聚合物混合；

(2)对混合物塑形；

(3)使成型后的混合物固化，即可得到柔性应力和湿度传感器。

本发明的柔性应力和湿度传感器是一种通过弹性导电材料改性的柔性高分子聚合物，在柔性高分子聚合物固化前相互混合，混合物具有注射性，固化前可对其任意塑形，固化后可同时对应力和湿度进行传感。

优选地，步骤(3)中，固化温度为50～120℃，固化时间为1～12h。

本发明还提供了柔性应力和湿度传感器的应用，该柔性应力和湿度传感器可以用于制备应力检测装置或湿度检测装置。

所述的柔性应力和湿度传感器在应力检测和/或湿度检测上的应用。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明传感器为柔性传感器，可用于任意曲率表面；

2、本发明传感器可同时或单独对应力(包括压力，拉力)和湿度进行传感，且精确度高；

3、本发明传感器可获得欲测试表面全域连续完整的欲传感信息；传感范围广：压缩传感

范围为0～80％，拉伸传感范围为0～600％，湿度传感范围为0～100％；

4、制备方法简单，所需时间短，成本低。

附图说明

图1为实施例1的压缩强度和形变量的曲线图(压力检测)。

图2为实施例1的形变量和响应电流的曲线图(压力检测)。

图3为实施例1的拉伸强度和形变量的曲线图(拉力检测)。

图4为实施例1的形变量和响应电流的曲线图(拉力检测)。

图5为实施例1的湿度和响应电流的曲线图(湿度检测)。

图6为本发明在不同压力下的响应电流。

图7为本发明在不同食指弯曲程度(拉力)时的响应电流。

图8为本发明在不同湿度下的响应电流。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细介绍。

实施例1

一种柔性应力和湿度传感器，包括以下原料：具有链状结构的弹性导电材料和柔性高分子聚合物，所述的柔性高分子聚合物为聚二甲基硅氧烷。

其制备方法包括以下步骤：按体积比3:1量取弹性导电胶体和聚二甲基硅氧烷，在聚二甲基硅氧烷未固化前，将弹性导电胶体与聚二甲基硅氧烷在室温条件下以体积比3:1进行混合，塑形后置于60℃温度下固化12小时，获得柔性应力和湿度传感器。

所述的弹性导电胶体是根据公告号为CN 104558699A、发明名称为“一种弹性导电胶体、制备方法及其应用”的中国专利申请制备的弹性导电胶体，具体制备方法如下：按质量百分比50％，将硝酸钾溶解于去离子水中，得到电解质溶液；按质量比分比10％，将木薯淀粉加入电解质溶液中，在50℃条件下充分搅拌，直至淀粉完全糊化，得到粘稠液体；将粘稠液体在50℃条件下静置2h，得到具有链状结构的弹性导电胶体。

实施例2

一种柔性应力和湿度传感器，包括以下原料：具有链状结构的弹性导电材料和柔性高分子聚合物，所述的柔性高分子聚合物为三元乙丙橡胶。

其制备方法包括以下步骤：

(1)将弹性导电胶体与三元乙丙橡胶按照体积比1:3混合；

(2)对混合后的混合物塑形；

(3)混合物在成型之后，加热至50℃反应6小时，使混合物固化，得到柔性应力和湿度传感器。

所述的弹性导电胶体具体制备方法如下：按质量百分比40％，将氯化铝溶解于去离子水中，得到电解质溶液；按质量比分比10％，将糯米淀粉加入电解质溶液中，在70℃条件下充分搅拌，直至淀粉完全糊化，得到粘稠液体；将粘稠液体在70℃条件下静置1h，得到具有链状结构的弹性导电胶体。

实施例3

一种柔性应力和湿度传感器，包括以下原料：具有链状结构的弹性导电材料和柔性高分子聚合物，所述的柔性高分子聚合物为聚烯烃弹性体。

其制备方法包括以下步骤：

(1)将通过硝酸钕制备的弹性导电胶体与聚烯烃弹性体按照体积比4:1混合；

(2)对混合后的混合物塑形；

(3)混合物在成型之后，加热至120℃反应1小时，使混合物固化，得到柔性应力和湿度传感器。

所述的弹性导电胶体具体制备方法如下：按质量百分比20％，将硝酸钕溶解于去离子水中，得到电解质溶液；按质量比分比30％，将玉米淀粉加入电解质溶液中，在60℃条件下充分搅拌，直至淀粉完全糊化，得到粘稠液体；将粘稠液体在60℃条件下静置3h，得到具有链状结构的弹性导电胶体。

实施例4

一种柔性应力和湿度传感器，包括以下原料：具有链状结构的弹性导电材料和柔性高分子聚合物，所述的柔性高分子聚合物为乙烯-乙酸乙烯酯共聚物。

其制备方法包括以下步骤：

(1)将通过氯化钠制备的弹性导电胶体与乙烯-乙酸乙烯酯共聚物按照体积比2:1混合；

(2)对混合后的混合物塑形；

(3)混合物在成型之后，加热至100℃反应3小时，使混合物固化，得到柔性应力和湿度传感器。

所述的弹性导电胶体具体制备方法如下：按质量百分比25％，将氯化钠溶解于去离子水中，得到电解质溶液；按质量比分比10％，将马铃薯淀粉加入电解质溶液中，在80℃条件下充分搅拌，直至淀粉完全糊化，得到粘稠液体；将粘稠液体在80℃条件下静置0.5h，得到具有链状结构的弹性导电胶体。

实施例5

一种柔性应力和湿度传感器，包括以下原料：具有链状结构的弹性导电材料和柔性高分子聚合物，所述的柔性高分子聚合物为聚二甲基硅氧烷。

其制备方法包括以下步骤：

(1)将通过氯化钙制备的弹性导电胶体与聚二甲基硅氧烷按照体积比1:2混合；

(2)对混合后的混合物塑形；

(3)混合物在成型之后，加热至80℃反应8小时，使混合物固化，得到柔性应力和湿度传感器。

所述的弹性导电胶体具体制备方法如下：按质量百分比40％，将氯化钙溶解于去离子水中，得到电解质溶液；按质量比分比10％，将山芋淀粉加入电解质溶液中，在35℃条件下充分搅拌，直至淀粉完全糊化，得到粘稠液体；将粘稠液体在35℃条件下静置6h，得到具有链状结构的弹性导电胶体。

实施例6

对实施例1制得的柔性应力和湿度传感器进行压力检测、拉力检测和湿度检测。

工作原理：

根据电阻率公式：

其中，

可以得到：

其中，U是施加在传感器两端的电压，S是传感器截面积，L是传感器长度，ρ是传感器电阻率。可以发现，在施加电压一定的情况下，传感器的相应电流与传感器的S以及L有关。当传感器受到应力影响时，传感器的S以及L会发生变化，导致响应电流I发生改变。根据响应电流的变化，同时结合传感器的压缩模量及弹性模量，即可计算出传感器所受应力的大小。

本发明中，传感器中离子的运动情况直接影响传感器的导电性能，且传感器中的含水量对传感器中的离子运动有明显影响，而环境湿度决定了传感器的含水量，因此传感器可根据响应电流的大小判断含水量，继而判断环境湿度。

压力检测：图1和图2分别是传感器的压缩强度和形变量、响应电流和形变量的关系图，通过检测到的响应电流，可以得到传感器的形变量参数，而通过得到的形变量参数，参照传感器的压缩强度，则可判断传感器所受压力大小。例如，传感器受压力变形，响应电流为4mA，则可知传感器形变量为50％，根据50％的形变量，可知此时传感器所受压缩强度为2.3MPa，根据传感器尺寸，即可判断传感器所受压力大小。

拉力检测：图3和图4分别是本实施例传感器的拉伸强度和形变量、响应电流和形变量的关系图，通过检测到的响应电流，可以得到传感器的形变量参数，而通过得到的形变量参数，参照传感器的拉伸强度，则可判断传感器所受拉力大小。例如，传感器受拉力变形，响应电流为120μA，则可知传感器形变量为130％，根据130％的形变量，可知此时传感器所受拉伸强度为60kPa，根据传感器尺寸，即可判断传感器所受拉力大小。本发明中弹性导电胶体和聚二甲基硅氧烷的体积比为3:1，制备得到的传感器断裂伸长率最高，如图3所示，可达到600％，更适合在复杂使用环境中的应用。

湿度检测：图5为本实施例传感器在不同湿度时的响应电流，通过检测到的响应电流，可判断传感器所处环境的湿度。由图5可知，传感器响应电流为18mA时，可知传感器所处环境湿度为50％。

经多次试验，本发明的压缩传感范围为0～80％，拉伸传感范围为0～400％，湿度传感范围为0～100％。本发明可对20微升的液体进行湿度传感；可对0.1％量级的形变进行传感，精度高。

实施例7

利用实施例1制得的传感器检测压力、拉力和湿度的变化。

如图6所示，在承受不同压力时，产生不同形变(0％与50％形变量交替变化)，响应电流发生变化(响应电流在形变量为0％时为～9毫安，50％时为～13毫安，与形变量变化一致发生交替变化)。

将传感器固定在食指上，分别检测手指伸直和弯曲时传感器的变化，如图7所示，当手指伸直时，响应电流为42-43微安，手指弯曲时，传感器发生形变，使响应电流变化，变小为39-40微安，图7为手指循环伸直-弯曲时的响应电流变化，因此本发明可应用于监测肢体活动或其他相关应用。

将传感器置于不同湿度条件下，收集响应电流值，如图8所示，叉线为人工控制的湿度变化曲线，点线为响应电流的变化曲线，可发现响应电流随湿度变化而变化，通过检测到的响应电流，从而判断传感器所处环境的湿度。

以上实验表明，本发明可以直接通过形变量来检测湿度、压力或拉力，具有较高的精确度和较广的检测范围，也可以应用在检测湿度、压力或拉力的装置上。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方案，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种柔性应力和湿度传感器，其特征在于，包括以下原料：具有链状结构的弹性导电胶体和柔性高分子聚合物。

2.根据权利要求1所述的柔性应力和湿度传感器，其特征在于，所述的弹性导电胶体是根据公告号为CN 104558699A、发明名称为“一种弹性导电胶体、制备方法及其应用”的中国专利申请制备的弹性导电胶体。

3.根据权利要求1或2所述的柔性应力和湿度传感器，其特征在于，所述的柔性高分子聚合物为聚二甲基硅氧烷，或聚烯烃弹性体，或乙烯-乙酸乙烯酯共聚物，或三元乙丙橡胶。

4.根据权利要求1或2所述的柔性应力和湿度传感器，其特征在于，所述的弹性导电胶体与柔性高分子聚合物之间的体积比为1:3～4:1。

5.根据权利要求4所述的柔性应力和湿度传感器，其特征在于，所述的弹性导电胶体与柔性高分子聚合物之间的体积比为3:1。

6.基于权利要求1所述的柔性应力和湿度传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将弹性导电胶体与柔性高分子聚合物混合；

(2)对混合物塑形；

(3)使成型后的混合物固化，即可得到柔性应力和湿度传感器。

7.根据权利要求6所述的柔性应力和湿度传感器的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，固化温度为50～120℃，固化时间为1～12h。

8.权利要求1所述的柔性应力和湿度传感器在应力检测和/或湿度检测上的应用。