[发明专利]一种基于压致变色效应的振动可视化传感器

说明书

本发明属于传感器领域，特别是一种基于压致变色效应的振动可视化传感器。包括柔性衬底、压电传感器、整流器和电致变色器件；所述压电传感器、整流器和电致变色器件均设置在柔性衬底上，且压电传感器与整流器的交流输入端连接，整流器的直流输出端与电致变色器件连接，从而把振动信号转化为颜色响应。本发明制备的振动可视化传感器柔性耐弯折，且在弯曲情况下产生的压电信号和电致变色信号接近于平整状态时的数值，可以完全的贴合在振动物体的表面。

技术领域

本发明属于传感器领域，特别是一种基于压致变色效应的振动可视化传感器。

背景技术

在我们的日常生活中，振动无处不在，给道路、桥梁和机器的结构健康以及人们的生命安全带来了很多危害，但是对于压力的实时监测仍然具有很大的挑战。近年来随着传感器技术的迅猛发展，基于各种监测技术的实时结构健康监测系统诸如在桥梁、高层建筑等工程领域都得到了广泛的应用。其中常见的基于振动的结构健康监测器件有压电加速度计，但是压电加速度计操作繁琐耗时，并且具有高功耗的数据采集系统，所以压电加速度计成本昂贵、操作不方便。另外一个主要挑战是它们需要高空间分辨率的关键曲线形元件的实时多点监控。如果能将结构物断裂或机器振动所产生的机械能实时地通过压电器件转换为电能，然后把电能转换为直观的可读信号，可以实现压力振动的可视化，从而及时发现安全隐患。

目前主要应用的压电传感器包括刚性锆钛酸铅传感器、刚性铌镁酸铅传感器、聚偏氟乙烯传感器等。对于前两种压电器件，压电系数高，能够产生较大的压电信号，但是柔性很差，不能良好的附着在建筑物和机器的表面；聚偏氟乙烯压电传感器具有优异的柔性，可以较大角度的弯曲从而贴合在物体表面，但是它的压电系数低，产生的压电信号小，因此当前的压电传感器存在精而不柔、柔而不精的缺点。

由于常用的结构健康监测传感器需要高功耗的数据采集系统，操作不方便，因此需要一个能耗低的、直观的、实时的反映压力变化的器件。电致变色传感器在低电压下可以产生明显的颜色变化，变色速度快且能耗低，把压电传感器和电致变色器件结合，可以通过颜色的变化来监测外界振动的历史。国内外一些课题组针对压电-电致变色效应做了很多创新性地工作，例如“A novel approach to electrochromism in WO₃thin film usingpiezoelectric ceramics for power supply”，C.N.Xu,M.Akiyama,P.Sun,andT.Watanabe，Applied Physics Letters，70(13):1639-1640，1997年1月。利用锰掺杂的锆钛酸铅陶瓷作为能源供应驱动WO₃薄膜变蓝，用一个虎钳往PZT薄片上应用一个30MPa的机械压力，产生压电电压并施加到WO₃薄膜上面，WO₃薄膜变蓝。该工作只是在实验上证明了压电和电致变色效应结合可以实现压力的可视化，由于是在液态电解质环境下进行的，容易发生电解质的泄漏污染，并且所需的外界压力比较大，因此不能应用于结构健康监测。为了克服液态电解质的渗漏问题，“A chameleon-inspired stretchable electronic skinwith interactive colour changing controlled by tactile sensing”，Chou,H.H.,etal，Nat Communications，6:8011，2015年8月。鲍哲南课题组采用涂覆单壁碳纳米管的聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为柔性导电基底，组装成压阻式传感器Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)作为电致变色层与柔性导电基底组装成可拉伸的电致变色器件，两者相结合构成触觉感应变色器件。电阻式压力传感器将外加压力信号转换为电阻值，并通过改变驱动电压的大小和方向调节器件的颜色。但是该技术存在一些问题，器件需要外加电压，没有实现无源压力可视化，能耗比较高，并且采用的有机电致变色材料没有无机电致变色的变色效率高、变色速度。

因此，对于振动可视化传感器，既要克服器件刚性的缺点，又要解决所需振动压力大、颜色对比度小、外加电源能耗高等问题。

发明内容