一种高温差阻式石墨烯位移、压力一体化传感器的制作方法

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种实现耐高温位移、压力一体化监测的差动电阻式传感器，具体来说就是一种差动电阻式石墨烯位移、压力一体化传感器。

背景技术：

为提升建筑结构抗火性能，增加结构安全可靠程度，对楼板、梁、柱等建筑构件的位移和压力监测显得尤为重要。通常情况下，实验中选用差阻式位移传感器测量构件位移变化，压力传感器测量其压力变化。二者传感原理均利用电阻丝变形与电阻变化率之间的正比关系，且具有长期稳定性好，使用寿命长，安装方便等特点。

差动电阻式传感器是由两根相同材质，相同截面积的钢丝配对组成，两根钢丝初始长度相等，在感知外界作用力的时候，其中一根钢丝产生拉伸变形，另一个钢丝产生压缩变形。然而，由于输出信号为电阻，因此在长距离测量时的测量值受接长电缆电阻影响显著，导致测量精度下降。针对该问题，目前，国内解决的办法通常是采用五芯测量法并结合相应的测量仪表和自动化系统。其优点是克服了差阻式传感器电缆的芯线电阻以及芯线电阻之间的差异对于测量电阻比和电阻值的影响。但其缺点是，当环境温度过高时，测得的数据往往包含较多的误差，从测值过程线的跳动和不正常变化来看，其中电阻比的跳动更甚于电阻。同样的问题，日本共和电业利用电阻应变片制成敏感元件取代了传统差阻式位移传感器的两根钢丝，通过提高传感器电阻从而降低了电缆电阻对测量数据的影响。其优点是原理直观，设计简便，但其缺点同样在于不耐高温。目前市场上流行的位移传感器由于传感器外壳和电阻敏感元件材料限制，最高承受温度仅为100℃左右，例如，现今最常用的LVDT传感器，最高承受温度仅为120℃。由此看来，由于传统差阻式传感器采用采用材料不耐高温的限制，现今火灾试验中，国内外学者很少对混凝土构件位移和压力进行精确测量，这一现状不利于建筑结构防火研究的进一步推进。

近年来，石墨烯材料因其优异的电学性能以及边界电学特性有望运用于压力传感器和应变传感器中，为土木工程构件位移和压力测量提供新思路。石墨烯是典型的零带隙的半导体，通过 sp2 杂化形成平面六元环结构，π电子在同一平面上形成离域大π键，具有很高的表面体积比、优良的力学化学性能、导热性能、电子学特性。与传统的电阻敏感元件相比，基于石墨烯薄膜的电阻传感元件有着更小的体积，更高的灵敏度和更快的检测速度。同时，基于石墨烯材料优良的热学性能，其制成的电阻敏感元件可在800℃左右正常工作。然而，一般火灾情况下，楼板温度达到800℃时即被认定为破坏失效。因此，其制成的高温差阻式石墨烯位移、压力一体化传感器装置有望取代现有传统位移传感器实现高温火灾实验数据测量，且实现成本最小化，数据精确化，检测灵敏化。

就目前传感器领域而言，位移传感器和压力传感器的研究与应用已成为各种结构物包括建筑结构的智能监测的主流技术。在结构中应用位移传感器和压力传感器可连续地或者周期性地提供结构内部的位移变化和压力分布等信息。为满足实验测量要求，结构实验室通常贮备一定数量的位移传感器和压力传感器，然而不同实验中位移、压力监测布置点的数量是不同的，这就不可避免地会造成实验仪器的闲置或者短缺。基于位移传感器和压力传感器设计原理相似的特点，位移、压力一体化传感器既可以监测位移变化又可以实现压力传感，这一优点在一定程度上协调了实验室传感仪器的使用频率，充分利用了已有资源并且降低了仪器购置成本。因此，为达到上述目的，一种差动电阻式石墨烯位移、压力一体化传感器的研制是非常有必要和有应用前景的。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的问题，发明的目的在于提供一种能在高温情况下工作性能良好的，测量精度较高的差阻式位移、压力传感器，以解决上述问题。同时达到方便、经济、实用的特性。

为了实现上述目的，一种差阻式石墨烯位移、压力一体化传感器装置，包括外壳、位于外壳内部的电阻部件、引出电缆密封室和后接座四部分，所述引出电缆密封室包括接线座，接线套筒，位于其内的电缆和转换开关。

作为本发明的进一步改进方案，该装置选用石墨烯薄膜材料作为壳内电阻部件，通过在金属薄片或者LCP基底上贴附一层石墨烯薄膜，将其预拉张紧后代替传统差阻式位移传感器的两根钢丝，当被测构件发生物理形变产生位移时，石墨烯薄膜会随着被测构件一起发生形变（拉伸或者压缩），此时石墨烯薄膜的电阻值也会发生改变，这种改变通过电桥电路变换成电压输出由此得出构件的位移和关联构件受压情况。

作为本发明的进一步改进方案，该装置在某些特殊情况下，可固定其外壳1，配合使用转换开关8可实现位移、压力同时测量。

作为本发明的进一步改进方案，该装置的外壳材料采用高铝质材料或304不锈钢，外壳的两段分别与接线座和后接座相连接。

作为本发明的进一步改进方案，该装置的引出电缆密封室包括接线座、接线套筒，位于接线套筒内的电缆和转换开关，其中接线座和接线套筒均采用高铝质材料，接线套筒内电缆采用五芯GN500-04耐火线，导体为绞合纯镍线，外部包裹绝缘材料由耐高温纱、玻璃纤维编织、氟金云母带组成，转换开关采用SS-23D09全铜立式拨动开关，分别连接控制位移和压力检测线路板。

作为本发明的进一步改进方案，该装置石墨烯电阻部件采用耐高温银粉导电胶或超声波微振焊接固定于导电感应组件的方杆上。

作为本发明的进一步改进方案，外壳与接线座和后接敏感元件均采用激光焊接，石墨烯电阻感应组件与后接敏感元件采用螺纹形式连接。

附图说明

图1是发明石墨烯电阻感应组件原理图。

图2是本发明石墨烯电阻感应组件结构示意图。

图3是本发明的基本结构示意图。

图中：R1、R2石墨烯薄膜电阻，1、外壳，2、石墨烯电阻感应组件，3、后接座，4、引出电缆封闭室，5、接线座，6、接线套筒，7、电缆，8、转换开关。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将以附图及详细叙述清楚说明本发明所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本发明内容的实施例后，当可由本发明内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明内容的精神与范围。

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图3所示，一种差动电阻式石墨烯位移、压力一体化传感器，包括外壳1、石墨烯电阻感应组件2、后接座3和引出电缆密封室4四部分组成，引出电缆封闭室4包括接线座5，接线套筒6，电缆7和位于其表面的转换开关8，其中外壳1和接线座5，后接座3的连接均采用激光焊接，电阻感应组件2的方杆与引出电缆封闭室4采用螺纹的形式固定。

优选的，如图2所示，该装置内部的电阻部件R1和R2使用经过预拉张紧的石墨烯薄膜替代原有钢丝，两片电阻材质、大小完全相同，分别交叉固定在导电方干的两侧，紧张固定在支架上，支架一端固定，一端可动，如图1所示，外部构件的变形通过导电感应方杆传递给两片交叉布置的石墨烯薄膜，当构件发生形变∆L时，R1受拉，电阻增大，R2受压，电阻减小，从而将构件形变变化转化为电阻变化，利用电桥电路转换成电压输出。

优选的，上述的石墨烯薄膜是采用真空蒸发或溅射方式制作在金属薄片基片或者LCP材料基片上，然后再粘贴到电阻感应组件方杆上上。现简要介绍其制作顺序：

（1）清洗基片 将金属基板用丙酮、酒精、去离子水结合超声波清洗，并在烘箱中烘烤，去除薄膜表面的污染物质，使表面保持清洁；

（2）第一次掩膜 将步骤（1）得到的样品，利用专用夹具夹持固定掩膜和基片，并确保掩膜片与基片紧密贴合，放入真空溅射设备中；

（3）溅射沉积石墨烯薄膜 采用射频磁控溅射的方法，沉积制备石墨烯薄膜；

（4）第二次掩膜更换电极部分掩膜，重复步骤（2），将电极部分掩膜与第一次溅射形成的图形精确对准，紧密贴合，放入溅射腔体；

（5）溅射沉积石墨烯薄膜重复步骤（3），但沉积时间增加为 1.5h，以减小链接部分和电极的电阻；

（6）真空热处理将步骤（5）得到的样品置于真空石英管式炉中，升温并保温 4 h。在热处理的整个过程中，要保证管式炉的真空度，以避免杂质气体对石墨烯薄膜造成影响。

优选的，如图2所示，R1与R2石墨烯薄膜电阻通过耐高温银粉导电胶粘结或超声波微振焊接在电阻感应组件方杆上，其中耐高温银粉导电胶为双组份，现简要介绍其固化程序：

（1）按固液比（3~3.5g：1ml）称取两组份，混合均匀；

（2）将混合好后的胶涂到待粘接的部位进行粘接；

（3）粘好后先在室温下放置12小时；

（4）然后加热到80℃，恒温保持2小时；

（5）接着再加热到150℃，再恒温保持2小时；

（6）最后缓慢冷却。

优选的，如图3所示，接线套筒6内的电缆7采用五芯GA500-04耐火线，导体为绞合纯镍线，外部包裹绝缘材料由耐高温纱、玻璃纤维编织、氟金云母带组成

优选的，如图3所示，该装置使用的外壳是由高铝质材料或304不锈钢制成，其外直径和长度的比值控制在1:3到1:4之间。