一种柔软压敏电涡流线圈及其研制方法
【专利摘要】本发明涉及一种柔软压敏电涡流线圈及其研制方法，属于传感器【技术领域】。该线圈的外层为柔软的高分子材料，中间层为柔软的螺旋线型导电高分子复合材料和高分子复合材料，其中，导电高分子复合材料是利用溶液混合法将导电粉末分散到高分子基体中制备而成。该线圈利用螺旋线型导电高分子复合材料的提离特性完成非接触式的位移测量，利用导电高分子复合材料压力阻抗特性完成压力测量。采用本发明提出的方法所研制的柔软压敏电涡流线圈不含金属材料，因而可低成本实现高柔软性，且兼具压力与非接触式位移测量能力，适于大型工业设备的狭小曲面层间压力与非接触式的位移测量，并可应用于电子皮肤的研制与机器人指端触觉的实现等领域。
【专利说明】一种柔软压敏电涡流线圈及其研制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于传感器【技术领域】，特别涉及到柔软传感器和非接触式位移测量。
【背景技术】
[0002]随着科技的发展，在很多工程应用中需要传感器具有纤薄柔软的特点。比如，人工电子皮肤研制和机器人指端触觉的实现。又如，在某些军事和民用工业设备中存在间隙狭小的曲面层间结构，间隙两侧的曲面在运行中会产生相对移动，为确保系统安全，需要测量层间压力和位移，但由于曲面层间间隙狭小，传统的刚性传感器已经不能满足上述应用要求，因而需要纤薄的柔软传感器，能够柔顺地贴附在不规则表面之上，完成狭小曲面层间压力与位移的测量任务。有些科研机构采用平面结构的金属电涡流线圈来完成非接触式的位移测量，但金属电涡流线圈本身仍然具有刚性，敏感单元的柔性是依靠外层高分子基体的柔韧性来实现的，其制备工艺较复杂，成本较高、且较易损坏，难以贴附于弯曲程度很大的曲面上。此外，金属电涡流线圈不具备压力测量的功能，虽然有些研究机构利用导电高分子复合材料压阻效应来来实现压力与位移的测量，但是这种方法仅能完成接触式测量，无法满足非接触式位移测量的应用要求。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种柔软压敏电涡流线圈及其研制方法。与传统的金属电涡流线圈相比，本发明的压敏电涡流线圈仅由柔软的高分子材料和导电高分子复合材料构成，制备工艺简单、成本低，柔软性高、且兼具非接触式位移测量和压力测量的能力，适合应用于人工电子皮肤研制、狭小曲面层间非接触式位移测量与压力测量等领域。
[0004]本发明提出的柔软压敏电涡流线圈的研制方法，包括以下步骤:
[0005](I)、将高分子材料、有机溶剂和交联剂按一定比例混合，通过机械搅拌使有机溶剂挥发形成高分子胶状物，将其涂覆在固定于微机控制升降台下平台的有机玻璃上，通过微机控制使固定于升降台上平台的有机玻璃向下移动，将所述的高分子胶状物挤压为所需厚度的薄膜，硫化成型后，将其中心位置的薄膜去除，形成中心位置开有窗口的柔软高分子绝缘薄膜；
[0006](2)、将刻有螺旋线型通透沟槽的刚性平板放置在光滑底板上备用(螺旋线的形状、圈数、线宽和线距等参数可根据实际应用需要灵活调整)，对导电粉末进行干燥处理，并将其与高分子材料和有机溶剂按一定比例混合，通过大功率机械搅拌和超声振荡使导电粉末在混合溶液中分散，形成导电高分子复合材料胶状物，将其灌入所述的螺旋线型通透沟槽中；
[0007](3)、将步骤(I)中所制备的中心位置开有窗口的柔软高分子绝缘薄膜贴附在步骤(2)中所制备的灌有导电高分子复合材料胶状物的刻有螺旋线型通透沟槽的刚性平板上，使位于柔软高分子绝缘薄膜中心位置的窗口与螺旋线型通透沟槽的中心正对，再将刻有直线型通透沟槽的刚性平板放在中心位置开有窗口的柔软高分子绝缘薄膜之上，并保证直线型通透沟槽的顶端与柔软高分子绝缘薄膜中心位置的窗口正对，将步骤(2)中制备的导电高分子复合材料胶状物灌入直线型通透沟槽中，在室温下硫化80小时成型，分别取下刻有螺旋线型通透沟槽的刚性平板和刻有直线型通透沟槽的刚性平板，形成螺旋线型导电高分子复合材料；
[0008](4)、用步骤(I)所述方法制备高分子胶状物，并将其涂覆在固定于微机控制升降台下平台的有机玻璃上，将步骤(3)制备的螺旋线型导电高分子复合材料放置在这层高分子胶状物之上，再将剩余的高分子胶状物涂覆在螺旋线型导电高分子复合材料之上，形成三明治结构，通过微机控制使固定于升降台上平台的有机玻璃向下移动，将所述的三明治结构挤压为所需厚度的薄膜，待高分子材料硫化成型后，将边缘部分裁剪掉，即得到柔软压敏电涡流线圈。
[0009]采用本发明所提出的方法研制的柔软压敏电涡流线圈的工作方式及原理说明如下:
[0010]导电粉末在复合材料中形成导电网络，当对螺旋线型导电高分子复合材料通以交流激励时，交变电流沿着螺旋线型导电高分子复合材料的导电网络流动，从而在其周围产生交变的磁场，进而使位于该磁场中的导电目标物产生感应电流，该感应电流又产生新的交变磁场，其作用反抗原磁场，这就导致螺旋线型导电高分子复合材料的等效阻抗发生变化。螺旋线型导电高分子复合材料的等效阻抗与目标物材质、螺旋线型导电高分子复合材料和目标物的尺寸、激励信号频率和提离等因素有关。如果只改变提离，保持其他参数不变，则螺旋线型导电高分子复合材料等效阻抗就只与提离有关，通过检测螺旋线型导电高分子复合材料等效阻抗的变化，就可得到提离，进而完成非接触式位移的测量。当目标物与螺旋线型导电高分子复合材料发生挤压时，复合材料发生形变，导致其内部导电网络发生变化，进而使复合材料阻抗也发生变化，因而通过检测复合材料的阻抗，可获知压力信息。[0011 ] 本发明的特点及效果:
[0012]1、本发明将导电高分子复合材料制备为平面螺旋形，通以交流电后，利用其电涡流效应完成曲面层间非接触式位移测量，这种思路在国际上尚属首次；
[0013]2、本发明研制的柔软压敏电涡流线圈仅由柔软的高分子材料和导电高分子复合材料构成，没有金属成分，具有优秀的柔软性，而以往传统基于金属线圈的柔性电涡流传感器是靠柔性封装材料保持其柔性，但金属制成的螺旋线圈其本身仍然具有刚性。因而，本发明研制的柔性非接触式位移敏感单元可应用于对柔韧性要求更大的场合，比如曲率很小的曲面层间间隙测量、人工电子皮肤等场合；
[0014]3、本发明研制的非接触式位移敏感单元不但具有压阻效应测压力，而且进行非接触式的位移测量，克服了以往基于金属线圈的非接触式位移传感器不具备压力测量能力和基于平面型导电高分子复合材料压阻效应的压力传感器不具备非接触式位移测量能力的缺点。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为中心位置开有窗口的柔软高分子绝缘薄膜的示意图。
[0016]图2为刻有螺旋线型通透沟槽的刚性平板的示意图。[0017]图3为刻有直线型通透沟槽的刚性平板的示意图。
[0018]图4为柔软压敏电涡流线圈制备流程的示意图。
[0019]图5为柔软压敏电涡流线圈的示意图。
[0020]图1-图5中，a代表中心位置开有窗口的柔软高分子绝缘薄膜，b代表位于柔软高分子绝缘薄膜中心位置的窗口，c代表刻有螺旋线型通透沟槽的刚性平板，d代表螺旋线型通透沟槽，e代表直线型通透沟槽的刚性平板，f代表直线型通透沟槽，g代表光滑底板，h代表导电高分子复合材料胶状物，i代表已硫化的导电高分子复合材料，j代表已硫化的高分子材料。
【具体实施方式】
[0021](I)、将高分子材料、有机溶剂和交联剂按一定比例混合，通过机械搅拌使有机溶剂挥发形成高分子胶状物，将其涂覆在固定于微机控制升降台下平台的有机玻璃上，通过微机控制使固定于升降台上平台的有机玻璃向下移动，将所述的高分子胶状物挤压为所需厚度的薄膜，硫化成型后，将其中心位置的薄膜去除，形成中心位置开有窗口的柔软高分子绝缘薄膜，如图1所示；
[0022](2)、将刻有螺旋线型通透沟槽的刚性平板c放置在光滑底板g上备用(螺旋线的形状、圈数、线宽和线距等参数可根据实际应用需要灵活调整)，如图4(A)所示，对导电粉末进行干燥处理，并将其与高分子材料和有机溶剂按一定比例混合，通过大功率机械搅拌和超声振荡使导电粉末在混合溶液中分散，形成导电高分子复合材料胶状物，将其灌入所述的螺旋线型通透沟槽中d中，如图4(B)所示；
[0023](3)、将步骤(I)中所制备的中心位置开有窗口的柔软高分子绝缘薄膜a贴附在步骤(2)中所制备的灌有导电高分子复合材料胶状物的刻有螺旋线型通透沟槽的刚性平板c上，使位于柔软高分子绝缘薄膜中心位置的窗口 b与螺旋线型通透沟槽的中心正对，如图4(C)所示，再将刻有直线型通透沟槽的刚性平板e放在中心位置开有窗口的柔软高分子绝缘薄膜a之上，并保证直线型通透沟槽的顶端与柔软高分子绝缘薄膜中心位置的窗口 b正对，将步骤(2)中制备的导电高分子复合材料胶状物h灌入直线型通透沟槽中，在室温下硫化80小时成型，分别取下刻有螺旋线型通透沟槽的刚性平板c和刻有直线型通透沟槽的刚性平板e，形成螺旋线型导电高分子复合材料；
[0024](4)、用步骤(I)所述方法制备高分子胶状物，并将其涂覆在固定于微机控制升降台下平台的有机玻璃上，将步骤(3)制备的螺旋线型导电高分子复合材料放置在这层高分子胶状物之上，再将剩余的高分子胶状物涂覆在螺旋线型导电高分子复合材料之上，形成三明治结构，通过微机控制使固定于升降台上平台的有机玻璃向下移动，将所述的三明治结构挤压为所需厚度的薄膜，待高分子材料硫化成型后，将边缘部分裁剪掉，即得到柔软压敏电涡流线圈，如图4(D)所示。
[0025]实施例1
[0026](I)、将室温硫化硅橡胶、正己烷和正硅酸乙酯按50: 300: I的体积比混合，通过机械搅拌使正己烷挥发形成硅橡胶胶状物，将其涂覆在固定于微机控制升降台下平台的有机玻璃上，通过微机控制使固定于升降台上平台的有机玻璃向下移动，将所述的硅橡胶胶状物挤压为厚度为300微米的薄膜，硫化成型后，将其中心位置的薄膜去除，形成中心位置开有窗口的柔软硅橡胶绝缘薄膜；
[0027](2)、将刻有螺旋线型通透沟槽的刚性平板放置在光滑底板上备用(螺旋线为圆形、圈数为20、线宽和线距均为I毫米)，对平均粒径为20纳米的导电炭黑进行干燥处理，并将其与室温硫化硅橡胶和正己烷按0.08: I: 30的质量比混合，通过大功率机械搅拌和超声振荡使导电炭黑在混合溶液中分散，形成炭黑填充硅橡胶复合材料胶状物，将其灌入所述的螺旋线型通透沟槽中；
[0028](3)、将步骤(I)中所制备的中心位置开有窗口的柔软硅橡胶绝缘薄膜贴附在步骤(2)中所制备的灌有炭黑填充硅橡胶复合材料胶状物的刻有螺旋线型通透沟槽的刚性平板上，使位于柔软硅橡胶绝缘薄膜中心位置的窗口与螺旋线型通透沟槽的中心正对，再将刻有直线型通透沟槽的刚性平板放在中心位置开有窗口的柔软硅橡胶绝缘薄膜之上，并保证直线型通透沟槽的顶端与柔软硅橡胶绝缘薄膜中心位置的窗口正对，将步骤(2)中制备的炭黑填充硅橡胶复合材料胶状物灌入直线型通透沟槽中，在室温下硫化80小时成型，分别取下刻有螺旋线型通透沟槽的刚性平板和刻有直线型通透沟槽的刚性平板，形成螺旋线型炭黑填充硅橡胶复合材料；
[0029](4)、用步骤(I)所述方法制备硅橡胶胶状物，并将其涂覆在固定于微机控制升降台下平台的有机玻璃上，将步骤(3)制备的螺旋线型炭黑填充硅橡胶复合材料放置在这层硅橡胶胶状物之上，再将剩余的硅橡胶胶状物涂覆在螺旋线型炭黑填充硅橡胶复合材料之上，形成三明治结构，通过微机控制使固定于升降台上平台的有机玻璃向下移动，将所述的三明治结构挤压为厚度为800微米的薄膜，待硅橡胶硫化成型后，将边缘部分裁剪掉，即得到柔软压敏电涡流线圈。
[0030]实施例2
[0031](I)、将室温硫化硅橡胶、正己烷和正硅酸乙酯按50: 300: I的体积比混合，通过机械搅拌使正己烷挥发形成硅橡胶胶状物，将其涂覆在固定于微机控制升降台下平台的有机玻璃上，通过微机控制使固定于升降台上平台的有机玻璃向下移动，将所述的硅橡胶胶状物挤压为厚度为200微米的薄膜，硫化成型后，将其中心位置的薄膜去除，形成中心位置开有窗口的柔软硅橡胶绝缘薄膜；
[0032](2)、将刻有螺旋线型通透沟槽的刚性平板放置在光滑底板上备用(螺旋线为方形、圈数为30、线宽和线距均为I毫米)，对长径比为100的多壁碳纳米管进行干燥处理，并将其与室温硫化硅橡胶和正己烷按0.06: I: 50的质量比混合，通过大功率机械搅拌和超声振荡使多壁碳纳米管在混合溶液中分散，形成多壁碳纳米管填充硅橡胶复合材料胶状物，将其灌入所述的螺旋线型通透沟槽中；
[0033](3)、将步骤(I)中所制备的中心位置开有窗口的柔软硅橡胶绝缘薄膜贴附在步骤(2)中所制备的灌有多壁碳纳米管填充硅橡胶复合材料胶状物的刻有螺旋线型通透沟槽的刚性平板上，使位于柔软硅橡胶绝缘薄膜中心位置的窗口与螺旋线型通透沟槽的中心正对，再将刻有直线型通透沟槽的刚性平板放在中心位置开有窗口的柔软硅橡胶绝缘薄膜之上，并保证直线型通透沟槽的顶端与柔软硅橡胶绝缘薄膜中心位置的窗口正对，将步骤
(2)中制备的多壁碳纳米管填充硅橡胶复合材料胶状物灌入直线型通透沟槽中，在室温下硫化60小时成型，分别取下刻有螺旋线型通透沟槽的刚性平板和刻有直线型通透沟槽的刚性平板，形成螺旋线型多壁碳纳米管填充硅橡胶复合材料；[0034](4)、用步骤(I)所述方法制备硅橡胶胶状物，并将其涂覆在固定于微机控制升降台下平台的有机玻璃上，将步骤(3)制备的螺旋线型多壁碳纳米管填充硅橡胶复合材料放置在这层硅橡胶胶状物之上，再将剩余的硅橡胶胶状物涂覆在螺旋线型多壁碳纳米管填充硅橡胶复合材料之上，形成三明治结构，通过微机控制使固定于升降台上平台的有机玻璃向下移动，将所述的三明治结构挤压为厚度为600微米的薄膜，待硅橡胶硫化成型后，将边缘部分裁剪掉，即得到柔软压敏电涡流线圈。
[0035]实施例3
[0036](I)、将室温硫化硅橡胶、正己烷和正硅酸乙酯按50: 300: I的体积比混合，通过机械搅拌使正己烷挥发形成硅橡胶胶状物，将其涂覆在固定于微机控制升降台下平台的有机玻璃上，通过微机控制使固定于升降台上平台的有机玻璃向下移动，将所述的硅橡胶胶状物挤压为厚度为100微米的薄膜，硫化成型后，将其中心位置的薄膜去除，形成中心位置开有窗口的柔软硅橡胶绝缘薄膜；
[0037](2)、将刻有螺旋线型通透沟槽的刚性平板放置在光滑底板上备用(螺旋线为圆形、圈数为30、线宽和线距均为1.5毫米)，对长径比为330的多壁碳纳米管进行干燥处理，并将其与室温硫化硅橡胶和正己烷按0.04: I: 50的质量比混合，通过大功率机械搅拌和超声振荡使多壁碳纳米管在混合溶液中分散，形成多壁碳纳米管填充硅橡胶复合材料胶状物，将其灌入所述的螺旋线型通透沟槽中；
[0038](3)、将步骤(I)中所制备的中心位置开有窗口的柔软硅橡胶绝缘薄膜贴附在步骤(2)中所制备的灌有多壁碳纳米管填充硅橡胶复合材料胶状物的刻有螺旋线型通透沟槽的刚性平板上，使位于柔软硅橡胶绝缘薄膜中心位置的窗口与螺旋线型通透沟槽的中心正对，再将刻有直线型通透沟槽的刚性平板放在中心位置开有窗口的柔软硅橡胶绝缘薄膜之上，并保证直线型通透沟槽的顶端与柔软硅橡胶绝缘薄膜中心位置的窗口正对，将步骤
(2)中制备的多壁碳纳米管填充硅橡胶复合材料胶状物灌入直线型通透沟槽中，在室温下硫化50小时成型，分别取下刻有螺旋线型通透沟槽的刚性平板和刻有直线型通透沟槽的刚性平板，形成螺旋线型多壁碳纳米管填充硅橡胶复合材料；
[0039](4)、用步骤(I)所述方法制备硅橡胶胶状物，并将其涂覆在固定于微机控制升降台下平台的有机玻璃上，将步骤(3)制备的螺旋线型多壁碳纳米管填充硅橡胶复合材料放置在这层硅橡胶胶状物之上，再将剩余的硅橡胶胶状物涂覆在螺旋线型多壁碳纳米管填充硅橡胶复合材料之上，形成三明治结构，通过微机控制使固定于升降台上平台的有机玻璃向下移动，将所述的三明治结构挤压为厚度为500微米的薄膜，待硅橡胶硫化成型后，将边缘部分裁剪掉，即得到柔软压敏电涡流线圈。
【权利要求】
1.一种柔软压敏电涡流线圈，其特征在于，该线圈不含金属材料，仅包含柔软的高分子材料和螺旋线型导电高分子复合材料。
2.制备如权利要求1所述的柔软压敏电涡流线圈的研制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤: (1)、将高分子材料、有机溶剂和交联剂按一定比例混合，通过机械搅拌使有机溶剂挥发形成高分子胶状物，将其涂覆在固定于微机控制升降台下平台的有机玻璃上，通过微机控制使固定于升降台上平台的有机玻璃向下移动，将所述的高分子胶状物挤压为所需厚度的薄膜，硫化成型后，将其中心位置的薄膜去除，形成中心位置开有窗口的柔软高分子绝缘薄膜； (2)、将刻有螺旋线型通透沟槽的刚性平板放置在光滑底板上备用(螺旋线的形状、圈数、线宽和线距等参数可根据实际应用需要灵活调整)，对导电粉末进行干燥处理，并将其与高分子材料和有机溶剂按一定比例混合，通过大功率机械搅拌和超声振荡使导电粉末在混合溶液中分散，形成导电高分子复合材料胶状物，将其灌入所述的螺旋线型通透沟槽中； (3)、将步骤(I)中所制备的中心位置开有窗口的柔软高分子绝缘薄膜贴附在步骤(2)中所制备的灌有导电高分子复合材料胶状物的刻有螺旋线型通透沟槽的刚性平板上，使位于柔软高分子绝缘薄膜中心位置的窗口与螺旋线型通透沟槽的中心正对，再将刻有直线型通透沟槽的刚性平板放在中心位置开有窗口的柔软高分子绝缘薄膜之上，并保证直线型通透沟槽的顶端与柔软高分子绝缘薄膜中心位置的窗口正对，将步骤(2)中制备的导电高分子复合材料胶状物灌入直线型通透沟槽中，在室温下硫化80小时成型，分别取下刻有螺旋线型通透沟槽的刚性平板和刻有直线型通透沟槽的刚性平板，形成螺旋线型导电高分子复合材料； (4)、用步骤(I)所述方法制备高分子胶状物，并将其涂覆在固定于微机控制升降台下平台的有机玻璃上，将步骤(3)制备的螺旋线型导电高分子复合材料放置在这层高分子胶状物之上，再将剩余的高分子胶状物涂覆在螺旋线型导电高分子复合材料之上，形成三明治结构，通过微机控制使固定于升降台上平台的有机玻璃向下移动，将所述的三明治结构挤压为所需厚度的薄膜，待高分子材料硫化成型后，将边缘部分裁剪掉，即得到柔软压敏电涡流线圈。
3.如权利要求1所述的柔软压敏电涡流线圈，其特征在于，该线圈既具有非接触式位移测量能力，同时也具有压力测量能力。
【文档编号】G01L1/18GK103515045SQ201310470947
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年9月30日 优先权日:2013年9月30日
【发明者】王璐珩 申请人:东北大学