一種柔軟壓敏電渦流線圈及其研制方法
【專利摘要】本發明涉及一種柔軟壓敏電渦流線圈及其研制方法，屬于傳感器【技術領域】。該線圈的外層為柔軟的高分子材料，中間層為柔軟的螺旋線型導電高分子復合材料和高分子復合材料，其中，導電高分子復合材料是利用溶液混合法將導電粉末分散到高分子基體中制備而成。該線圈利用螺旋線型導電高分子復合材料的提離特性完成非接觸式的位移測量，利用導電高分子復合材料壓力阻抗特性完成壓力測量。采用本發明提出的方法所研制的柔軟壓敏電渦流線圈不含金屬材料，因而可低成本實現高柔軟性，且兼具壓力與非接觸式位移測量能力，適于大型工業設備的狹小曲面層間壓力與非接觸式的位移測量，并可應用于電子皮膚的研制與機器人指端觸覺的實現等領域。
【專利說明】一種柔軟壓敏電渦流線圈及其研制方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于傳感器【技術領域】，特別涉及到柔軟傳感器和非接觸式位移測量。
【背景技術】
[0002]隨著科技的發展，在很多工程應用中需要傳感器具有纖薄柔軟的特點。比如，人工電子皮膚研制和機器人指端觸覺的實現。又如，在某些軍事和民用工業設備中存在間隙狹小的曲面層間結構，間隙兩側的曲面在運行中會產生相對移動，為確保系統安全，需要測量層間壓力和位移，但由于曲面層間間隙狹小，傳統的剛性傳感器已經不能滿足上述應用要求，因而需要纖薄的柔軟傳感器，能夠柔順地貼附在不規則表面之上，完成狹小曲面層間壓力與位移的測量任務。有些科研機構采用平面結構的金屬電渦流線圈來完成非接觸式的位移測量，但金屬電渦流線圈本身仍然具有剛性，敏感單元的柔性是依靠外層高分子基體的柔韌性來實現的，其制備工藝較復雜，成本較高、且較易損壞，難以貼附于彎曲程度很大的曲面上。此外，金屬電渦流線圈不具備壓力測量的功能，雖然有些研究機構利用導電高分子復合材料壓阻效應來來實現壓力與位移的測量，但是這種方法僅能完成接觸式測量，無法滿足非接觸式位移測量的應用要求。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是為克服已有技術的不足之處，提出一種柔軟壓敏電渦流線圈及其研制方法。與傳統的金屬電渦流線圈相比，本發明的壓敏電渦流線圈僅由柔軟的高分子材料和導電高分子復合材料構成，制備工藝簡單、成本低，柔軟性高、且兼具非接觸式位移測量和壓力測量的能力，適合應用于人工電子皮膚研制、狹小曲面層間非接觸式位移測量與壓力測量等領域。
[0004]本發明提出的柔軟壓敏電渦流線圈的研制方法，包括以下步驟:
[0005](I)、將高分子材料、有機溶劑和交聯劑按一定比例混合，通過機械攪拌使有機溶劑揮發形成高分子膠狀物，將其涂覆在固定于微機控制升降臺下平臺的有機玻璃上，通過微機控制使固定于升降臺上平臺的有機玻璃向下移動，將所述的高分子膠狀物擠壓為所需厚度的薄膜，硫化成型后，將其中心位置的薄膜去除，形成中心位置開有窗口的柔軟高分子絕緣薄膜；
[0006](2)、將刻有螺旋線型通透溝槽的剛性平板放置在光滑底板上備用(螺旋線的形狀、圈數、線寬和線距等參數可根據實際應用需要靈活調整)，對導電粉末進行干燥處理，并將其與高分子材料和有機溶劑按一定比例混合，通過大功率機械攪拌和超聲振蕩使導電粉末在混合溶液中分散，形成導電高分子復合材料膠狀物，將其灌入所述的螺旋線型通透溝槽中；
[0007](3)、將步驟(I)中所制備的中心位置開有窗口的柔軟高分子絕緣薄膜貼附在步驟(2)中所制備的灌有導電高分子復合材料膠狀物的刻有螺旋線型通透溝槽的剛性平板上，使位于柔軟高分子絕緣薄膜中心位置的窗口與螺旋線型通透溝槽的中心正對，再將刻有直線型通透溝槽的剛性平板放在中心位置開有窗口的柔軟高分子絕緣薄膜之上，并保證直線型通透溝槽的頂端與柔軟高分子絕緣薄膜中心位置的窗口正對，將步驟(2)中制備的導電高分子復合材料膠狀物灌入直線型通透溝槽中，在室溫下硫化80小時成型，分別取下刻有螺旋線型通透溝槽的剛性平板和刻有直線型通透溝槽的剛性平板，形成螺旋線型導電高分子復合材料；
[0008](4)、用步驟(I)所述方法制備高分子膠狀物，并將其涂覆在固定于微機控制升降臺下平臺的有機玻璃上，將步驟(3)制備的螺旋線型導電高分子復合材料放置在這層高分子膠狀物之上，再將剩余的高分子膠狀物涂覆在螺旋線型導電高分子復合材料之上，形成三明治結構，通過微機控制使固定于升降臺上平臺的有機玻璃向下移動，將所述的三明治結構擠壓為所需厚度的薄膜，待高分子材料硫化成型后，將邊緣部分裁剪掉，即得到柔軟壓敏電渦流線圈。
[0009]采用本發明所提出的方法研制的柔軟壓敏電渦流線圈的工作方式及原理說明如下:
[0010]導電粉末在復合材料中形成導電網絡，當對螺旋線型導電高分子復合材料通以交流激勵時，交變電流沿著螺旋線型導電高分子復合材料的導電網絡流動，從而在其周圍產生交變的磁場，進而使位于該磁場中的導電目標物產生感應電流，該感應電流又產生新的交變磁場，其作用反抗原磁場，這就導致螺旋線型導電高分子復合材料的等效阻抗發生變化。螺旋線型導電高分子復合材料的等效阻抗與目標物材質、螺旋線型導電高分子復合材料和目標物的尺寸、激勵信號頻率和提離等因素有關。如果只改變提離，保持其他參數不變，則螺旋線型導電高分子復合材料等效阻抗就只與提離有關，通過檢測螺旋線型導電高分子復合材料等效阻抗的變化，就可得到提離，進而完成非接觸式位移的測量。當目標物與螺旋線型導電高分子復合材料發生擠壓時，復合材料發生形變，導致其內部導電網絡發生變化，進而使復合材料阻抗也發生變化，因而通過檢測復合材料的阻抗，可獲知壓力信息。[0011 ] 本發明的特點及效果:
[0012]1、本發明將導電高分子復合材料制備為平面螺旋形，通以交流電后，利用其電渦流效應完成曲面層間非接觸式位移測量，這種思路在國際上尚屬首次；
[0013]2、本發明研制的柔軟壓敏電渦流線圈僅由柔軟的高分子材料和導電高分子復合材料構成，沒有金屬成分，具有優秀的柔軟性，而以往傳統基于金屬線圈的柔性電渦流傳感器是靠柔性封裝材料保持其柔性，但金屬制成的螺旋線圈其本身仍然具有剛性。因而，本發明研制的柔性非接觸式位移敏感單元可應用于對柔韌性要求更大的場合，比如曲率很小的曲面層間間隙測量、人工電子皮膚等場合；
[0014]3、本發明研制的非接觸式位移敏感單元不但具有壓阻效應測壓力，而且進行非接觸式的位移測量，克服了以往基于金屬線圈的非接觸式位移傳感器不具備壓力測量能力和基于平面型導電高分子復合材料壓阻效應的壓力傳感器不具備非接觸式位移測量能力的缺點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1為中心位置開有窗口的柔軟高分子絕緣薄膜的示意圖。
[0016]圖2為刻有螺旋線型通透溝槽的剛性平板的示意圖。[0017]圖3為刻有直線型通透溝槽的剛性平板的示意圖。
[0018]圖4為柔軟壓敏電渦流線圈制備流程的示意圖。
[0019]圖5為柔軟壓敏電渦流線圈的示意圖。
[0020]圖1-圖5中，a代表中心位置開有窗口的柔軟高分子絕緣薄膜，b代表位于柔軟高分子絕緣薄膜中心位置的窗口，c代表刻有螺旋線型通透溝槽的剛性平板，d代表螺旋線型通透溝槽，e代表直線型通透溝槽的剛性平板，f代表直線型通透溝槽，g代表光滑底板，h代表導電高分子復合材料膠狀物，i代表已硫化的導電高分子復合材料，j代表已硫化的高分子材料。
【具體實施方式】
[0021](I)、將高分子材料、有機溶劑和交聯劑按一定比例混合，通過機械攪拌使有機溶劑揮發形成高分子膠狀物，將其涂覆在固定于微機控制升降臺下平臺的有機玻璃上，通過微機控制使固定于升降臺上平臺的有機玻璃向下移動，將所述的高分子膠狀物擠壓為所需厚度的薄膜，硫化成型后，將其中心位置的薄膜去除，形成中心位置開有窗口的柔軟高分子絕緣薄膜，如圖1所示；
[0022](2)、將刻有螺旋線型通透溝槽的剛性平板c放置在光滑底板g上備用(螺旋線的形狀、圈數、線寬和線距等參數可根據實際應用需要靈活調整)，如圖4(A)所示，對導電粉末進行干燥處理，并將其與高分子材料和有機溶劑按一定比例混合，通過大功率機械攪拌和超聲振蕩使導電粉末在混合溶液中分散，形成導電高分子復合材料膠狀物，將其灌入所述的螺旋線型通透溝槽中d中，如圖4(B)所示；
[0023](3)、將步驟(I)中所制備的中心位置開有窗口的柔軟高分子絕緣薄膜a貼附在步驟(2)中所制備的灌有導電高分子復合材料膠狀物的刻有螺旋線型通透溝槽的剛性平板c上，使位于柔軟高分子絕緣薄膜中心位置的窗口 b與螺旋線型通透溝槽的中心正對，如圖4(C)所示，再將刻有直線型通透溝槽的剛性平板e放在中心位置開有窗口的柔軟高分子絕緣薄膜a之上，并保證直線型通透溝槽的頂端與柔軟高分子絕緣薄膜中心位置的窗口 b正對，將步驟(2)中制備的導電高分子復合材料膠狀物h灌入直線型通透溝槽中，在室溫下硫化80小時成型，分別取下刻有螺旋線型通透溝槽的剛性平板c和刻有直線型通透溝槽的剛性平板e，形成螺旋線型導電高分子復合材料；
[0024](4)、用步驟(I)所述方法制備高分子膠狀物，并將其涂覆在固定于微機控制升降臺下平臺的有機玻璃上，將步驟(3)制備的螺旋線型導電高分子復合材料放置在這層高分子膠狀物之上，再將剩余的高分子膠狀物涂覆在螺旋線型導電高分子復合材料之上，形成三明治結構，通過微機控制使固定于升降臺上平臺的有機玻璃向下移動，將所述的三明治結構擠壓為所需厚度的薄膜，待高分子材料硫化成型后，將邊緣部分裁剪掉，即得到柔軟壓敏電渦流線圈，如圖4(D)所示。
[0025]實施例1
[0026](I)、將室溫硫化硅橡膠、正己烷和正硅酸乙酯按50: 300: I的體積比混合，通過機械攪拌使正己烷揮發形成硅橡膠膠狀物，將其涂覆在固定于微機控制升降臺下平臺的有機玻璃上，通過微機控制使固定于升降臺上平臺的有機玻璃向下移動，將所述的硅橡膠膠狀物擠壓為厚度為300微米的薄膜，硫化成型后，將其中心位置的薄膜去除，形成中心位置開有窗口的柔軟硅橡膠絕緣薄膜；
[0027](2)、將刻有螺旋線型通透溝槽的剛性平板放置在光滑底板上備用(螺旋線為圓形、圈數為20、線寬和線距均為I毫米)，對平均粒徑為20納米的導電炭黑進行干燥處理，并將其與室溫硫化硅橡膠和正己烷按0.08: I: 30的質量比混合，通過大功率機械攪拌和超聲振蕩使導電炭黑在混合溶液中分散，形成炭黑填充硅橡膠復合材料膠狀物，將其灌入所述的螺旋線型通透溝槽中；
[0028](3)、將步驟(I)中所制備的中心位置開有窗口的柔軟硅橡膠絕緣薄膜貼附在步驟(2)中所制備的灌有炭黑填充硅橡膠復合材料膠狀物的刻有螺旋線型通透溝槽的剛性平板上，使位于柔軟硅橡膠絕緣薄膜中心位置的窗口與螺旋線型通透溝槽的中心正對，再將刻有直線型通透溝槽的剛性平板放在中心位置開有窗口的柔軟硅橡膠絕緣薄膜之上，并保證直線型通透溝槽的頂端與柔軟硅橡膠絕緣薄膜中心位置的窗口正對，將步驟(2)中制備的炭黑填充硅橡膠復合材料膠狀物灌入直線型通透溝槽中，在室溫下硫化80小時成型，分別取下刻有螺旋線型通透溝槽的剛性平板和刻有直線型通透溝槽的剛性平板，形成螺旋線型炭黑填充硅橡膠復合材料；
[0029](4)、用步驟(I)所述方法制備硅橡膠膠狀物，并將其涂覆在固定于微機控制升降臺下平臺的有機玻璃上，將步驟(3)制備的螺旋線型炭黑填充硅橡膠復合材料放置在這層硅橡膠膠狀物之上，再將剩余的硅橡膠膠狀物涂覆在螺旋線型炭黑填充硅橡膠復合材料之上，形成三明治結構，通過微機控制使固定于升降臺上平臺的有機玻璃向下移動，將所述的三明治結構擠壓為厚度為800微米的薄膜，待硅橡膠硫化成型后，將邊緣部分裁剪掉，即得到柔軟壓敏電渦流線圈。
[0030]實施例2
[0031](I)、將室溫硫化硅橡膠、正己烷和正硅酸乙酯按50: 300: I的體積比混合，通過機械攪拌使正己烷揮發形成硅橡膠膠狀物，將其涂覆在固定于微機控制升降臺下平臺的有機玻璃上，通過微機控制使固定于升降臺上平臺的有機玻璃向下移動，將所述的硅橡膠膠狀物擠壓為厚度為200微米的薄膜，硫化成型后，將其中心位置的薄膜去除，形成中心位置開有窗口的柔軟硅橡膠絕緣薄膜；
[0032](2)、將刻有螺旋線型通透溝槽的剛性平板放置在光滑底板上備用(螺旋線為方形、圈數為30、線寬和線距均為I毫米)，對長徑比為100的多壁碳納米管進行干燥處理，并將其與室溫硫化硅橡膠和正己烷按0.06: I: 50的質量比混合，通過大功率機械攪拌和超聲振蕩使多壁碳納米管在混合溶液中分散，形成多壁碳納米管填充硅橡膠復合材料膠狀物，將其灌入所述的螺旋線型通透溝槽中；
[0033](3)、將步驟(I)中所制備的中心位置開有窗口的柔軟硅橡膠絕緣薄膜貼附在步驟(2)中所制備的灌有多壁碳納米管填充硅橡膠復合材料膠狀物的刻有螺旋線型通透溝槽的剛性平板上，使位于柔軟硅橡膠絕緣薄膜中心位置的窗口與螺旋線型通透溝槽的中心正對，再將刻有直線型通透溝槽的剛性平板放在中心位置開有窗口的柔軟硅橡膠絕緣薄膜之上，并保證直線型通透溝槽的頂端與柔軟硅橡膠絕緣薄膜中心位置的窗口正對，將步驟
(2)中制備的多壁碳納米管填充硅橡膠復合材料膠狀物灌入直線型通透溝槽中，在室溫下硫化60小時成型，分別取下刻有螺旋線型通透溝槽的剛性平板和刻有直線型通透溝槽的剛性平板，形成螺旋線型多壁碳納米管填充硅橡膠復合材料；[0034](4)、用步驟(I)所述方法制備硅橡膠膠狀物，并將其涂覆在固定于微機控制升降臺下平臺的有機玻璃上，將步驟(3)制備的螺旋線型多壁碳納米管填充硅橡膠復合材料放置在這層硅橡膠膠狀物之上，再將剩余的硅橡膠膠狀物涂覆在螺旋線型多壁碳納米管填充硅橡膠復合材料之上，形成三明治結構，通過微機控制使固定于升降臺上平臺的有機玻璃向下移動，將所述的三明治結構擠壓為厚度為600微米的薄膜，待硅橡膠硫化成型后，將邊緣部分裁剪掉，即得到柔軟壓敏電渦流線圈。
[0035]實施例3
[0036](I)、將室溫硫化硅橡膠、正己烷和正硅酸乙酯按50: 300: I的體積比混合，通過機械攪拌使正己烷揮發形成硅橡膠膠狀物，將其涂覆在固定于微機控制升降臺下平臺的有機玻璃上，通過微機控制使固定于升降臺上平臺的有機玻璃向下移動，將所述的硅橡膠膠狀物擠壓為厚度為100微米的薄膜，硫化成型后，將其中心位置的薄膜去除，形成中心位置開有窗口的柔軟硅橡膠絕緣薄膜；
[0037](2)、將刻有螺旋線型通透溝槽的剛性平板放置在光滑底板上備用(螺旋線為圓形、圈數為30、線寬和線距均為1.5毫米)，對長徑比為330的多壁碳納米管進行干燥處理，并將其與室溫硫化硅橡膠和正己烷按0.04: I: 50的質量比混合，通過大功率機械攪拌和超聲振蕩使多壁碳納米管在混合溶液中分散，形成多壁碳納米管填充硅橡膠復合材料膠狀物，將其灌入所述的螺旋線型通透溝槽中；
[0038](3)、將步驟(I)中所制備的中心位置開有窗口的柔軟硅橡膠絕緣薄膜貼附在步驟(2)中所制備的灌有多壁碳納米管填充硅橡膠復合材料膠狀物的刻有螺旋線型通透溝槽的剛性平板上，使位于柔軟硅橡膠絕緣薄膜中心位置的窗口與螺旋線型通透溝槽的中心正對，再將刻有直線型通透溝槽的剛性平板放在中心位置開有窗口的柔軟硅橡膠絕緣薄膜之上，并保證直線型通透溝槽的頂端與柔軟硅橡膠絕緣薄膜中心位置的窗口正對，將步驟
(2)中制備的多壁碳納米管填充硅橡膠復合材料膠狀物灌入直線型通透溝槽中，在室溫下硫化50小時成型，分別取下刻有螺旋線型通透溝槽的剛性平板和刻有直線型通透溝槽的剛性平板，形成螺旋線型多壁碳納米管填充硅橡膠復合材料；
[0039](4)、用步驟(I)所述方法制備硅橡膠膠狀物，并將其涂覆在固定于微機控制升降臺下平臺的有機玻璃上，將步驟(3)制備的螺旋線型多壁碳納米管填充硅橡膠復合材料放置在這層硅橡膠膠狀物之上，再將剩余的硅橡膠膠狀物涂覆在螺旋線型多壁碳納米管填充硅橡膠復合材料之上，形成三明治結構，通過微機控制使固定于升降臺上平臺的有機玻璃向下移動，將所述的三明治結構擠壓為厚度為500微米的薄膜，待硅橡膠硫化成型后，將邊緣部分裁剪掉，即得到柔軟壓敏電渦流線圈。
【權利要求】
1.一種柔軟壓敏電渦流線圈，其特征在于，該線圈不含金屬材料，僅包含柔軟的高分子材料和螺旋線型導電高分子復合材料。
2.制備如權利要求1所述的柔軟壓敏電渦流線圈的研制方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: (1)、將高分子材料、有機溶劑和交聯劑按一定比例混合，通過機械攪拌使有機溶劑揮發形成高分子膠狀物，將其涂覆在固定于微機控制升降臺下平臺的有機玻璃上，通過微機控制使固定于升降臺上平臺的有機玻璃向下移動，將所述的高分子膠狀物擠壓為所需厚度的薄膜，硫化成型后，將其中心位置的薄膜去除，形成中心位置開有窗口的柔軟高分子絕緣薄膜； (2)、將刻有螺旋線型通透溝槽的剛性平板放置在光滑底板上備用(螺旋線的形狀、圈數、線寬和線距等參數可根據實際應用需要靈活調整)，對導電粉末進行干燥處理，并將其與高分子材料和有機溶劑按一定比例混合，通過大功率機械攪拌和超聲振蕩使導電粉末在混合溶液中分散，形成導電高分子復合材料膠狀物，將其灌入所述的螺旋線型通透溝槽中； (3)、將步驟(I)中所制備的中心位置開有窗口的柔軟高分子絕緣薄膜貼附在步驟(2)中所制備的灌有導電高分子復合材料膠狀物的刻有螺旋線型通透溝槽的剛性平板上，使位于柔軟高分子絕緣薄膜中心位置的窗口與螺旋線型通透溝槽的中心正對，再將刻有直線型通透溝槽的剛性平板放在中心位置開有窗口的柔軟高分子絕緣薄膜之上，并保證直線型通透溝槽的頂端與柔軟高分子絕緣薄膜中心位置的窗口正對，將步驟(2)中制備的導電高分子復合材料膠狀物灌入直線型通透溝槽中，在室溫下硫化80小時成型，分別取下刻有螺旋線型通透溝槽的剛性平板和刻有直線型通透溝槽的剛性平板，形成螺旋線型導電高分子復合材料； (4)、用步驟(I)所述方法制備高分子膠狀物，并將其涂覆在固定于微機控制升降臺下平臺的有機玻璃上，將步驟(3)制備的螺旋線型導電高分子復合材料放置在這層高分子膠狀物之上，再將剩余的高分子膠狀物涂覆在螺旋線型導電高分子復合材料之上，形成三明治結構，通過微機控制使固定于升降臺上平臺的有機玻璃向下移動，將所述的三明治結構擠壓為所需厚度的薄膜，待高分子材料硫化成型后，將邊緣部分裁剪掉，即得到柔軟壓敏電渦流線圈。
3.如權利要求1所述的柔軟壓敏電渦流線圈，其特征在于，該線圈既具有非接觸式位移測量能力，同時也具有壓力測量能力。
【文檔編號】G01L1/18GK103515045SQ201310470947
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年9月30日 優先權日:2013年9月30日
【發明者】王璐珩 申請人:東北大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
