[发明专利]基于导电水凝胶双塔型弹簧结构压阻传感器、制备方法及用途

说明书

本发明公开了一种基于导电水凝胶双塔型弹簧结构压阻传感器、制备方法及用途；该传感器包括中凹双塔型弹簧，所述中凹双塔型弹簧为两个塔状弹簧的小径端相连形成的一体弹簧结构，在中凹双塔型弹簧表面具有导电水凝胶层，在中凹双塔型弹簧的两个大径端分别固定有一个导电极板；所述传感器利用中凹双塔型弹簧中各圈弹簧劲度系数的差异，在不同压力的作用下，由于存在线圈接触极板面积不同而呈现出不同的有效电阻从而实现传感作用。本发明的传感器由于弹簧内外线圈劲度系数的不同，在逐渐加载力的情况下，塔型弹簧的线圈不断与极板接触，造成通过器件的电流发生变化。可以为文物缝隙的健康监测提供一种新的解决思路，具有重大的应用前景。

技术领域

本发明属于传感器技术领域，涉及一种基于导电水凝胶双塔型弹簧结构压阻传感器、制备方法及用途，该传感器制备方法简单、量程高、扩展性好；可用于小尺寸裂隙的监测。

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展示出了极大的优势，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，不但需要有损安装、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、量程扩展性好、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缺陷，提供一种基于导电水凝胶双塔型弹簧结构压阻传感器、制备方法及用途；该传感器具有质轻、易制作且量程扩展性好等特点，尤其适用于古建筑裂隙的实时监测。

一种基于导电水凝胶双塔型弹簧结构压阻传感器，包括中凹双塔型弹簧，所述中凹双塔型弹簧为两个塔状弹簧的小径端相连形成的一体弹簧结构，在中凹双塔型弹簧表面具有导电水凝胶层，在中凹双塔型弹簧的两个大径端分别固定有一个导电极板；所述传感器利用中凹双塔型弹簧中各圈弹簧劲度系数的差异，在不同压力的作用下，由于存在线圈接触极板面积不同而呈现出不同的有效电阻从而实现传感作用。其中所述的中凹双塔型弹簧结构的弹簧本体为螺旋状双塔形结构，是由一根弹簧丝螺旋而成的一体结构，弹簧本体的线径、小外径、大外径、径向节距、轴向节距和线圈数等参数配合所需要的弹簧劲度系数而决定。

进一步的，所述的导电水凝胶层采用如下方法制备：

首先在中凹双塔型弹簧上沿弹簧走向套设硅胶毛细管模具，然后将其一端浸入呈溶胶状态的导电水凝胶中，利用毛细作用将导电水凝胶吸入模具中，固化后脱模，即在中凹双塔型弹簧表面形成导电水凝胶层。采用该方法制得的导电水凝胶层均匀且厚度可控，相对于浸渍等方法而言更为可靠，若直接将中凹双塔型弹簧浸入水凝胶溶胶中，除了无法精细控制其涂层厚度外，其均匀性也很难保证，此外，还极有可能将弹簧圈(尤其是小径端的弹簧圈)堵塞，影响后续性能。

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；