【摘 要】
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在岩土工程中,基于压力传感器的应力监测对于结构安全评价十分重要。然而,传统压力传感器的敏感元件通常由刚性材料制成,在长期循环荷载作用下存在疲劳损伤和机械破坏问题。对此,液态金属柔性传感器概念被引入解决该问题,但是由于制作材料及制造工艺限制,柔性传感器在实际应用过程中存在弹性体破损及液态金属泄漏等问题。为解决以上问题,本文提出了一种基于毛细软管的液态金属压力传感器。传感器的敏感元件是一种基于毛细软管
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在岩土工程中,基于压力传感器的应力监测对于结构安全评价十分重要。然而,传统压力传感器的敏感元件通常由刚性材料制成,在长期循环荷载作用下存在疲劳损伤和机械破坏问题。对此,液态金属柔性传感器概念被引入解决该问题,但是由于制作材料及制造工艺限制,柔性传感器在实际应用过程中存在弹性体破损及液态金属泄漏等问题。为解决以上问题,本文提出了一种基于毛细软管的液态金属压力传感器。传感器的敏感元件是一种基于毛细软管的柔性传感器芯片,将导电性能良好的液态金属Galinstan填充于高弹性的硅橡胶毛细软管中,并用机械性能优异的弹性材料包裹毛细软管制作而成。该芯片既保留了柔性传感器应变性能良好的优点,也增强了芯片的实际受压性能。通过理论推导深入研究了传感器的工作原理,在此基础上对影响传感器性能的外壳及芯片进行具体选材和设计。外壳作为主要的承力构件,选用高强度的50Cr VA弹簧钢制作,可以扩大传感器的量程,具体尺寸考虑匹配误差问题及量程要求进行设计;芯片作为敏感元件,可以感知外壳在压力作用下产生的变形,并转化为电信号进行输出,通过算例分析了影响芯片电信号输出的主要设计因素,包括芯片弹性模量、毛细软管尺寸以及芯片厚度,并以芯片弹性模量为主要研究对象,选用PDMS、60硬度聚氨酯和90硬度聚氨酯三种不同弹性模量的材料制作芯片;根据芯片结构特点,采用浇注法和复制模塑法两种方法制作芯片,并对两种制作方法的优缺点进行总结。通过实验研究芯片及压力传感器的真实性能,得到如下结论:芯片实验中,研究了PDMS芯片、60硬度聚氨酯芯片和90硬度聚氨酯芯片的受压性能,对基于毛细软管的柔性传感器芯片的压力—电阻变化趋势进行了总结;通过对比三种芯片的实验结果,得到了芯片弹性模量对压力量程、线性度、灵敏度及稳定性的影响;结合传感器设计要求选取60硬度聚氨酯芯片作为传感器的敏感元件,通过循环加载实验可知芯片量程约为1900k Pa,满量程输出值为1644mΩ,重复性2.77%,迟滞性5.26%,测量性能较好;将芯片实验结果与理论分析进行了对比,两者变化趋势高度一致,说明芯片理论推导可用于指导设计。对于压力传感器,通过循环加载实验可知传感器量程为20MPa,满量程输出值1046mΩ,曲线符合度2.20%,重复性2.35%,迟滞性4.53%,传感器测量性能比芯片更加稳定;将实验结果与理论分析进行对比,在0～10MPa范围内两者符合良好,在10～20MPa范围内变化趋势高度一致,说明传感器外壳计算理论可用于指导外壳设计;研究了加载速率、漂移及温度对传感器稳定性的影响,实验结果表明传感器在0.3mm/min～0.7mm/min的加载速率范围内测量稳定,在20k N～80k N的加载范围内输出量随时间变化较小,在10℃～40℃范围内不同温度下的测量结果差异可以忽略不计,认为本文研制的基于毛细软管的液态金属压力传感器在正常使用温度下具有良好的静态测试性能。
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