[发明专利]一种用于裂隙监测的压阻传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种用于裂隙监测的压阻传感器及其制备方法，所述压阻传感器包括压敏单元、弹簧单元及将整个器件进行封装的封装层，所述的压敏单元由压敏材料层及设于压敏材料层两侧的电极层构成的三明治结构，所述弹簧单元为由若干弹簧构成的弹簧阵列，弹簧阵列的一端与压敏单元接触，另一端与封装层接触；所述的压敏材料层由导电水凝胶制得，且表面具有微结构。本发明的压阻传感器，利用弹簧阵列结合压敏单元不仅保证监测的灵敏度且实现了在不同裂隙尺寸上的监测范围能力，不仅质轻、可灵活组装、无损安装并可以同时进行同步实现动态监测，为文物缝隙的健康监测提供一种新的解决思路，具有重大的历史意义和应用前景。

技术领域

本发明属于裂隙监测技术领域，涉及一种用于裂隙监测的压阻传感器及其制备方法，具有量程扩展性好、高灵敏度，适宜用于小尺寸裂隙监测的特点。

背景技术

目前，国内外已经提出了许多技术来检测不同场景的裂隙，大致上可以分为嵌入式与外置式两种，其中嵌入式包括塞尺、分布式光纤等。其中塞尺的精度有限，并且测试单元硬度较高，不可避免地在测量过程中造成更多无法恢复的损坏。分布式光纤传感技术虽然可以实现高精度和高速检测，但是传感器以及供电模块需预埋于被测对象中，也明显地不适用于文物监测。对于外置式的，包括激光位移传感器或者图像处理方法，不但难以实现实时监测、价格昂贵而且数据来源依赖于外部体积较大笨重的激光光源或光学显微镜等相应的探测设备。这样在一些博物馆或景区，不但影响文物的景观而且也会带来安全隐患。可见目前已经广泛研究和应用的手段都无法直接应用于文物裂隙监测。近来质轻柔软的传感器显示出了极大的优势，比如柔软不会对文物造成创伤，可以实现无损安装，也不会影响观瞻。近来，国内外的发展均倾向于无损轻便实时探测，柔性压阻或者电容应变传感器的研究正在逐年增加。然而目前也存在面积过大且需要固定于表面的问题，不但影响观瞻而且对固定方法仍然提出了较高要求。因此综上，如果有一种质轻、高灵敏度、无损安装并可以同时进行同步实现动态监测的传感器必将受到文物监测领域的青睐，可以为文物缝隙的健康监测并评估是否需要及时修复提供新的解决思路，具有重大的历史意义。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用于裂隙监测的压阻传感器及其制备方法，该压阻传感器质轻、灵敏度高且量程扩展性好，尤其适用于古建筑裂隙的实时监测。

本发明的技术方案如下：

用于裂隙监测的压阻传感器，包括压敏单元、弹簧单元及将整个器件进行封装的封装层，所述的压敏单元由压敏材料层及设于压敏材料层两侧的电极层构成的三明治结构，所述弹簧单元为由若干弹簧构成的弹簧阵列，弹簧阵列的一端与压敏单元接触，另一端与封装层接触；所述的压敏材料层由导电水凝胶制得，且表面具有微结构。

上述方案中，具有微结构的压敏材料层是将导电水凝胶在特制模具中固化脱模形成，所述特制模具是采用针阵列在机械压力的作用，在130℃条件下，通过10-50KPa的压力作用于聚碳酸酯板，得到模板，在该模板上分布有凹坑阵列，凹坑形状为半椭球形状。

进一步的，所述半椭球形状的凹坑的离心率e范围为0.80-0.98，高度为7-20μm。

进一步的，在所述压阻传感器预载50g载荷力时，其器件厚度范围为1-2mm。其中弹簧阵列中弹簧劲度系数、压敏单元及封装材料应配合实现上述条件，可实现压敏层在小位移范围内保持高弹性的同时器件量程得到很好的扩展。

进一步的，所述的导电水凝胶的制备方法如下：

将丙烯酰胺单体、丙烯酸单体和氯化镍溶解在去离子水中，然后加入化学交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺，再滴入催化剂四甲基乙二胺溶液，全部溶解后得到溶液a，放入真空干燥箱进行排气泡；

将羧甲基羟乙基纤维素溶解于去离子水中，得到溶液b；

将溶液a和溶液b混合，最后加入引发剂过硫酸钾，得到溶液c，将溶液c放入真空干燥箱中排气泡，导入模具中，用波长为365nm的紫外光进行引发聚合，时间为1h-3h。