一种可监测有机溶剂流体流速及加速度的柔性纤维结构传感器的制作方法

1.本发明涉及传感器领域，特别涉及一种可监测有机溶剂流体流速及加速度的柔性纤维结构传感器。


背景技术：

2.常见的一些化工过程管道中，都存在流动的各种液体。而这些管道大都比较复杂，要想对复杂管道中流体的泄漏或堵塞等情况进行实时监测，往往比较困难。传统的流体传感器灵敏度较低，成本高昂，而且由于其本身体积笨重，不能适应管道的各种复杂曲面，极大增加了复杂管道中流场监测的困难。此外，微流体与宏观流体的流动特性也可能不同，所以其在微流体的流体特性测量中存在一定的局限性。因此研究需要制备一种柔性的纤维结构液体传感器，其不仅能很好地浸入各种液体，很好地与复杂管道内壁等弯曲界面贴合，而且需要能采集能量供应信号分析，可以自供电监测流场情况。


技术实现要素：

3.针对现有技术问题，本发明目的在于提供一种可监测有机溶剂流体流速和加速度的传感器，可以灵敏监测复杂管道中流场状态变化，适用于任意复杂工作平面。
4.为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种可监测有机溶剂流体流速及加速度的柔性纤维结构传感器，其特征在于：包括两根纤维电极，两根纤维电极均包括具有纤维结构的导体，在该纤维结构的导体上制备有分形结构，其中一根纤维电极的具有纤维结构的导体外包覆有亲电高分子材料，具有亲电性，另一根纤维电极的亲电性不同于包覆有亲电高分子材料的纤维电极。
5.上述方案中：两根纤维电极通过并排、缠绕、交织等方式组装在一起，或两根纤维电极同时作为纬线或经线织入织物中。
6.上述方案中：：所述纤维结构的导体为镍丝、铜丝、锌丝、银丝、铁丝、钛丝、锰丝、镁丝、铝丝、铬丝及其复合纤维中的一种，或所述纤维结构的导体为不导电纤维上包裹一层导电材料而成，单根直径为1μm-5mm，其长径比大于10:1。
7.上述方案中：所述亲电性高分子材料为聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚碳酸双酚、腈氯纶、聚丙烯腈、氯丁橡胶、聚酯、聚氨酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯中的一种。
8.上述方案中：所述亲电高分子材料的包覆厚度为0.1μm-2mm。
9.上述方案中：所述具有分形结构的纤维结构的导体的分形维数范围为1-2。分形结构指的是一种具有大比表面积的破碎结构。当放大到不同尺度上，结构具有自相似性。其结构结构可用分形维数表示，一般用分数或小数表示。
10.上述方案中：所述分形结构采用无模板水溶液电沉积法制备。亲电高分子材料采
用常温浸泡工艺、高温喷涂工艺、常温悬涂工艺进行包覆。
11.上述方案中：两根纤维电极按照如下步骤进行组装：将其他普通棉线连接到自制织机装置上作为经线，再将分形结构的纤维电极和包覆有亲电性高分子材料的分形结构纤维电极作为纬线，以平行方式分别织入或者交错织入，通过调节综框上下形成梭口，进而组装成为纤维结构的液体传感器。
12.上述方案中：所述两根纤维结构电极并排、缠绕、交织等方式过程中，电极与其他普通棉线的界面压强为0.1kpa-1mpa，拉力范围为0.001n-10n。
13.上述方案中：所述具有纤维结构的导体为镍丝，所述亲电高分子材料为聚四氟乙烯；
14.或所述具有纤维结构的导体为铜丝，所述亲电高分子材料为聚氯乙烯；
15.或所述具有纤维结构的导体为锌丝，所述亲电高分子材料为聚偏氟乙烯；
16.或所述具有纤维结构的导体为铁丝，所述亲电高分子材料为聚偏二氯乙烯。
17.将本发明的纤维结构液体传感器应用于不同有机溶剂液体中时，各种流场条件包括流体速度、流体加速度、流体化学成分等对所述纤维结构液体传感器的摩擦电输出产生不同影响。本发明制备的纤维结构液体传感器具有高灵敏度、高浸入性、自供电等优点，其可以与许多复杂弯曲管道内壁贴合，在复杂的工业管道体系中对于检测管道泄漏和堵塞具有很好的应用前景。
18.工作时所述纤维结构的导体作为摩擦层和导电层。所述包覆有亲电性高分子材料的分形结构纤维电极作为摩擦层和导电层。
19.传统的流体传感器灵敏度较低，成本高昂，而且由于其本身体积笨重，不能适应管道的各种复杂曲面，难以实时监测复杂管道中流场的状态变化。本发明通过以下技术方案解决上述技术问题，并保证其具有足够的灵敏度，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
20.1、本发明通过制备具有分形结构的纤维电极和包覆有亲电性高分子材料的分形结构纤维电极，并将两者组装成柔性的纤维结构液体传感器，利用纤维较优的可弯曲、可任意变形以及纤维间隙等结构特点，可以与许多复杂弯曲管道内壁贴合，解决了传统平板结构液体传感器的硬质笨重、灵活性低和不适形等问题，在复杂的工业管道体系中对于检测管道泄漏和堵塞具有很好的应用前景。
21.2、本发明通过在纤维结构的导体上生长一层分形结构，其较大的比表面积，增大了流场与传感器之间的接触面积，进而极大提高了该纤维结构液体传感器的灵敏度。
22.3、本发明利用两个纤维结构电极可以自发电的特点，使组装的纤维结构液体传感器在管道流场监测过程中，可以将传感器的信号分成两部分，一部分用于给自身能量供应，另一部分则应用于流体成分、速度、以及加速度的检测。因此在电信号的采集及最终转化成化学成分、流速、加速度等参数信息的过程中不再需要外界提供能源。通过自供电分析电信号的直流部分可以测试出流速，交流部分可以测试出加速度，最终实现一个自供电无线传感系统。
23.3、固定其他条件不变，由于输出与界面接触及摩擦状态紧密相关，当应用于混合溶液时，由于不同溶剂，固-液界面摩擦电效应的不同，由此还可分析出流体成分的含量。
附图说明
24.图1为本发明的实施例1的制作过程展示图。
具体实施方式
25.下面将结合实施例和附图，对本发明做进一步的描述。
26.实施例一
27.选取镍丝作为纤维电极基底，首先采用无模板水溶液电沉积法制备出两根具有分形结构的镍基纤维电极。分形维数范围为1-2，单根直径为1μm，其长径比大于10:1，
28.无模板水溶液电沉积法制备分形结构纤维电极的方法为：
29.电解质溶液：分别取200g硫酸镍、30g氯化镍、30g硼酸溶解在800ml蒸馏水中，混合均匀再加入10ml浓盐酸，再转移至1000ml容量瓶中定容。首先需要将溶液加热到75℃，恒温备用。然后用1200目的砂纸将作为阴极的镍丝打磨光亮，并用无水乙醇冲洗干净备用，将环形四元合金阳极内部打磨光亮备用。搭好反应器后，将直流稳定电源的电流挡调到最大并且电压挡调到指定电压。加入反应液过程，注意不要接触到通电夹，调节电解液高度与环形阳极的高度。此时闭合电源开关，开始通电反应。用电吹风控制镍丝的温度，确保其不因温度过高而熔断。反应完后，取出生长好的镍基分形结构纤维电极，用蒸馏水一直冲洗，直至表面无杂物，再用吹风将其吹干，放置于干燥器中保存备用。实验所用直流稳定电源为hb17601sl-5a(hossoni)。
30.再通过常温浸泡工艺在其中一根具有分形结构的镍纤维电极上沉积亲电性高分子材料聚四氟乙烯制备出包覆有亲电性高分子材料的分形结构纤维电极，包覆厚度为0.1μm。将其他普通棉线连接到自制织机装置上作为经线，再将分形结构的纤维电极和包覆有亲电性高分子材料的分形结构纤维电极作为纬线，以平行方式织入，通过调节综框上下形成梭口，进而组装成为纤维结构的液体传感器。其中，电极与其他普通棉线的界面压强为0.9kpa，拉力范围为0.5n。
31.上述传感器连接好测试装置后进行测试，采用直线电机带动其在乙醇液体中来回运动(模拟乙醇液体流动)，模拟流场与纤维结构传感器的界面接触过程。实验测得随着流速增大，直流电信号线性增大，在流速为8m/s的时候，开路电位为0.84v，短路电流为0.24na。织物的交流电信号与流体的加速度有关，随着加速度增大，交流电信号线性增大，在流速为12m/s2的时候，开路峰值电位为1.03v，短路峰值电流为8.09na。
32.我们还设计了以不同体积分数的乙醇-水混合溶液作为流体进行实验，在流速为6m/s的时候，随着乙醇体积分数从0％增加到100％，开路电位从0.071v下降到-0.016v，而短路电流会从80na变到-3.03na。因此，在其他条件不变的情况下，通过分析电信号，就可以对乙醇水混合溶液中的乙醇含量进行检测。
33.实施例二
34.选取铜丝作为纤维电极基底，首先采用无模板水溶液电沉积法制备出两根具有分形结构的铜基纤维电极。分形维数范围为1-2,单根直径为2μm，其长径比大于10:1。
35.无模板水溶液电沉积法制备分形结构纤维电极的方法为：
36.电解质溶液：分别取200g硫酸铜、30g氯化铜、30g硼酸溶解在800ml蒸馏水中，混合均匀再加入10ml浓盐酸，再转移至1000ml容量瓶中定容。首先需要将溶液加热到75℃，恒温
备用。然后用1200目的砂纸将作为阴极的铜丝打磨光亮，并用无水乙醇冲洗干净备用，将环形四元合金阳极内部打磨光亮备用。搭好反应器后，将直流稳定电源的电流挡调到最大并且电压挡调到指定电压。加入反应液过程，注意不要接触到通电夹，调节电解液高度与环形阳极的高度。此时闭合电源开关，开始通电反应。用电吹风控制铜丝的温度，确保其不因温度过高而熔断。反应完后，取出生长好的铜基分形结构纤维电极，用蒸馏水一直冲洗，直至表面无杂物，再用吹风将其吹干，放置于干燥器中保存备用。实验所用直流稳定电源为hb17601sl-5a(hossoni)。
37.再通过高温喷涂工艺在其中一根具有分形结构的铜纤维电极上沉积亲电性高分子材料聚氯乙烯制备出包覆有亲电性高分子材料的分形结构纤维电极，包覆厚度为0.5μm。将其他普通棉线连接到自制织机装置上作为经线，再将分形结构的纤维电极和包覆有亲电性高分子材料的分形结构纤维电极作为纬线，以平行方式织入，通过调节综框上下形成梭口，进而组装成为纤维结构的液体传感器。其中，电极与其他普通棉线的界面压强为1.2kpa，拉力范围为0.8n。
38.上述传感器连接好测试装置后进行测试，采用直线电机带动其在丙酮液体中来回运动，模拟流场与纤维结构传感器的界面接触过程。实验测得随着流速增大，直流电信号线性增大，在流速为5m/s的时候，开路电位为0.78v，短路电流为0.16na。织物的交流电信号与流体的加速度有关，随着加速度增大，交流电信号线性增大，在流速为9m/s2的时候，开路峰值电位为0.92v，短路峰值电流为6.52na。
39.实施例三
40.选取锌丝作为纤维电极基底，首先采用无模板水溶液电沉积法制备出两根具有分形结构的锌基纤维电极。分形维数范围为1-2,单根直径为10μm，其长径比大于10:1。
41.无模板水溶液电沉积法制备分形结构纤维电极的方法为：
42.电解质溶液：分别取200g硫酸锌、30g氯化锌、30g硼酸溶解在800ml蒸馏水中，混合均匀再加入10ml浓盐酸，再转移至1000ml容量瓶中定容。首先需要将溶液加热到75℃，恒温备用。然后用1200目的砂纸将作为阴极的锌丝打磨光亮，并用无水乙醇冲洗干净备用，将环形四元合金阳极内部打磨光亮备用。搭好反应器后，将直流稳定电源的电流挡调到最大并且电压挡调到指定电压。加入反应液过程，注意不要接触到通电夹，调节电解液高度与环形阳极的高度。此时闭合电源开关，开始通电反应。用电吹风控制锌丝的温度，确保其不因温度过高而熔断。反应完后，取出生长好的锌基分形结构纤维电极，用蒸馏水一直冲洗，直至表面无杂物，再用吹风将其吹干，放置于干燥器中保存备用。实验所用直流稳定电源为hb17601sl-5a(hossoni)。
43.再通过常温悬涂工艺在其中一根具有分形结构的锌纤维电极上沉积亲电性高分子材料聚偏氟乙烯制备出包覆有亲电性高分子材料的分形结构纤维电极,包覆厚度为10μm。将其他普通棉线连接到自制织机装置上作为经线，再将分形结构的纤维电极和包覆有亲电性高分子材料的分形结构纤维电极作为纬线，以平行方式织入，通过调节综框上下形成梭口，进而组装成为纤维结构的液体传感器。其中，电极与其他普通棉线的界面压强为1.5kpa，拉力范围为1.2n。
44.上述传感器连接好测试装置后进行测试，采用直线电机带动其在油液体中来回运动，模拟流场与纤维结构传感器的界面接触过程。实验测得随着流速增大，直流电信号线性
增大，在流速为2m/s的时候，开路电位为0.41v，短路电流为0.10na。织物的交流电信号与流体的加速度有关，随着加速度增大，交流电信号线性增大，在流速为6m/s2的时候，开路峰值电位为0.63v，短路峰值电流为4.75na。
45.实施例四
46.选取铁丝作为纤维电极基底，首先采用无模板水溶液电沉积法制备出两根具有分形结构的铁基纤维电极。分形维数范围为1-2,单根直径为5μm，其长径比大于10:1。
47.无模板水溶液电沉积法制备分形结构纤维电极的方法为：
48.电解质溶液：分别取200g硫酸铁、30g氯化铁、30g硼酸溶解在800ml蒸馏水中，混合均匀再加入10ml浓盐酸，再转移至1000ml容量瓶中定容。首先需要将溶液加热到75℃，恒温备用。然后用1200目的砂纸将作为阴极的铁丝打磨光亮，并用无水乙醇冲洗干净备用，将环形四元合金阳极内部打磨光亮备用。搭好反应器后，将直流稳定电源的电流挡调到最大并且电压挡调到指定电压。加入反应液过程，注意不要接触到通电夹，调节电解液高度与环形阳极的高度。此时闭合电源开关，开始通电反应。用电吹风控制铁丝的温度，确保其不因温度过高而熔断。反应完后，取出生长好的铁基分形结构纤维电极，用蒸馏水一直冲洗，直至表面无杂物，再用吹风将其吹干，放置于干燥器中保存备用。实验所用直流稳定电源为hb17601sl-5a(hossoni)。
49.再通过常温悬涂工艺在其中一根具有分形结构的铁纤维电极上沉积亲电性高分子材料聚偏二氯乙烯制备出包覆有亲电性高分子材料的分形结构纤维电极,包覆厚度为0.5μm。将其他普通棉线连接到自制织机装置上作为经线，再将分形结构的纤维电极和包覆有亲电性高分子材料的分形结构纤维电极作为纬线，以平行方式织入，通过调节综框上下形成梭口，进而组装成为纤维结构的液体传感器。其中，电极与其他普通棉线的界面压强为10kpa，拉力范围为2.4n。
50.上述传感器连接好测试装置后进行测试，采用直线电机带动其在乙醚液体中来回运动，模拟流场与纤维结构传感器的界面接触过程。实验测得随着流速增大，直流电信号线性增大，在流速为5m/s的时候，开路电位为0.72v，短路电流为0.18na。织物的交流电信号与流体的加速度有关，随着加速度增大，交流电信号线性增大，在流速为8m/s2的时候，开路峰值电位为0.82v，短路峰值电流为7.39na。
51.上述实施例虽然在列举的时候，只列举了应用于其中一种溶剂，但是由于输出与界面接触及摩擦状态紧密相关，当应用于混合溶液时，由于不同溶剂，固-液界面摩擦电效应的不同，因此，实施例的每个传感器也可以用于其它溶剂。
52.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。