一种液态金属压力传感器及其压力值标定方法

1.本发明属于岩土应力监测领域，具体涉及一种液态金属压力传感器及其压力值标定方法。


背景技术：

2.在岩土工程中，例如边坡工程、基础工程、隧道工程等，岩土强度和位移指标对岩土体局部和整体稳定性起着至关重要的作用，因此必须采用相应的监测手段来判别工程的安全性，为实际工程设计提供可靠依据。压力传感器是应用最为广泛的一种监测元件，为了保证其在不同工程环境的适用性，监测使用的压力传感器也在持续创新发展。
3.一直以来，温度因素对工程安全的影响重大。尤其是在低温条件下，对材料的保护、运输造成影响，也给工程监测带来困难。我国高原及东北部寒冷地区，如内蒙古、黑龙江等区域冬季漫长，寒冷而干燥，霜冻时间长，最冷月平均气温为零下12.4℃。在这类寒冷地区的施工，质量风险较大，易引发安全事故，而且会造成流体材料冻胀、裂缝(纹)、结构疏散、表面泛霜等质量问题。所以对于寒冷低温地区的工程监测技术和仪器性能也提出新的要求及挑战。
4.中国专利文献cn105675174a于2016年6月15日公开的一种基于液态金属天线的单向应力传感器和该传感器制备方法，它包括有盒体，盒体内有两个可压缩的有机聚合物圆柱体，圆柱体设有微流道，微流道内填充液态金属并与同轴馈线连接，馈线从封装盒体中引出。该专利的传感器对工程应力监测提供了一种新型的技术手段，但在实际工程中受复杂多变的环境因素干扰，具体存在以下问题：
5.1、该传感器通过检测液态金属天线频率变化，进而推测受压作用和无压力的液态金属长度差
△
l，再依据盒体外壳受力f与变形量
△
l成正比的关系，得到盒体上的土体压力，由于天线频率受环境温度、湿度、磁场影响大，导致测量的准确性和稳定性较差。
6.2、该传感器主要适用于室温环境，寒冷低温对液态金属的流动性造成巨大影响，应力监测结果不能用于实际工程。


技术实现要素：

7.针对现有液态金属压力传感器存在的问题，本发明所要解决的技术问题就是提供一种液态金属压力传感器，它能够避免检测天线频率受环境因素的干扰，直接测量液态金属的电阻值获得所测的压力值，能提高传感器的准确性和稳定性。本发明还提供一种该传感器的压力值标定方法。
8.为了解决上述技术问题，本发明提供的液态金属压力传感器，包括有盒体，盒体内部设有上、下两层，上层填充液态缓冲材料，下层为弹性有机聚合物芯片，弹性有机聚合物芯片内部刻蚀有微流道，微流道内注入液态金属。
9.优选地，微流道为平面螺旋状，能显著增长微流道的长度。
10.优选地，微流道内的液态金属用导线连接，导线从盒体中引出。
11.所述液态金属选用镓铟锡合金galinstan；液态缓冲材料选用酒精；镓铟锡合金galinstan和液体缓冲层流体均具备低熔点的物理特性。所述弹性有机聚合物选用pdms(聚二甲基硅氧烷)。
12.本发明的液态金属压力传感器工作原理是：
13.将本发明埋设在待测的岩土体中，盒体表面受到土压力，通过液体缓冲层均匀地传递到弹性有机聚合物芯片层，导致弹性有机聚合物芯片内部的微流道截面发生变化，从而引起低熔点液态金属电阻值的改变，最终，建立起压应力—电阻值变化的函数关系，实现对实际工程中岩土体的应力监测。
14.《断裂力学》，程靳，赵树山，第13～21页，科学出版社，2006年9月记载了基于裂隙应力分析理论和接触力学的理论模型，将弹性有机聚合物芯片内部微流道近似为裂缝模型。
15.裂缝受到均布垂直应力p会引起裂纹面之间的高度变化，即δh＝2(1
‑
ν2)pw/e，则：受力变形后微流道的截面积为a＝w[h
‑
2(1
‑
ν2)p/e]
[0016]
式中，ν是弹性有机聚合物的泊松比，w是微流道的宽度，h是微流道的高度，p是弹性有机聚合物芯片上表面受到的均布垂直应力，e是弹性有机聚合物的杨氏弹性模量。
[0017]
再根据欧姆定律：r＝ρl/a，压力传感器在受压后液态金属电阻可确定，从而建立起压应力—电阻之间的函数关系，具体公式表示如下：
[0018][0019]
微流道采用平面螺旋状的布置形式，显著增加了微流道总体长度，则微流道变化长度δl相对于微流道总长度l很小，可忽略微流道长度改变对液态金属电阻值的影响，电阻值改变主要源于微流道截面积的变化。
[0020]
为了方便后续实验数据处理，需推导电阻变化量与应力间的关系，这样做的好处是，当把初始电阻调整为“0”时，后续电阻测量的每一个电阻值，实际上就是pdms芯片的电阻变化量δr，有利于对整个传感器进行标定，将所得到的电阻减去初始电阻r0，即δr＝r
‑
r0[0021]
则电阻变化量的表达式为：
[0022][0023]
可以发现ρl/wh即为液态金属的初始电阻r0，且泊松比v、弹性模量e、孔道截面尺寸w和h均为常数，于是将电阻变化量公式化简，得到本发明的传感器标定理论公式，即：
[0024][0025]
式中，δr为传感器受压后的电阻变化量；k为标定系数，r0为液态金属初始电阻(即传感器未受压时的电阻值)；p为传感器所受单位面积上的压应力。
[0026]
低温对高弹性有机聚合物pdms(聚二甲基硅氧烷)的稳定性和弹性模量影响很小，其内部填充液态金属本身的流动性和导电率是温度影响传感器性能的关键因素。在通常的温度范围内，液态金属的电阻率随温度是线性变化的，即ρ＝ρ0(1+αt)；式中，ρ与ρ0分别是t
℃和0℃时的电阻率，α为电阻率的温度系数，与材料有关。
[0027]
取电阻率的相对温度系数c
t
＝(1+αt2)/(1+αt1)对理论公式修正，即使本发明传感器的标定结果更为准确；其中，t1为传感器未受压力时的液态金属温度；t2为传感器在受到压力后的液态金属温度。
[0028]
本发明还提供上述传感器的压力值标定方法，包括以下步骤：
[0029]
步骤1、测量传感器在受到压力后的液态金属电阻r，并依据传感器未受压力的液态金属电阻r0，计算受压前后的液态金属电阻之差δr；
[0030]
步骤2、确定标定系数k为：
[0031][0032]
v为弹性有机聚合物的泊松比、e为弹性有机聚合物弹性模量，w和h分别为微流道的宽度和高度；
[0033]
步骤3、使用压力值标定公式：
[0034][0035]
标定传感器所受单位面积上的压力p。
[0036]
进一步，将压力值标定公式的计算值与实际测量结果进行对比，再对液态金属压力传感器进行标定。
[0037]
进一步，用电阻率的相对温度系数c
t
对步骤3的压力值标定公式修正为：
[0038][0039]
式中，c
t
为液态金属电阻率的相对温度系数，c
t
＝(1+αt2)/(1+αt1)α为液态金属电阻率的温度系数，t1为传感器未受压力时的液态金属温度；t2为传感器在受到压力后的液态金属温度。
[0040]
本发明的技术效果是：
[0041]
1、由于本发明的弹性有机聚合物芯片的微流道采用了显著加长的流道，能构建电阻式液态金属压力传感器的测量公式，并引入相对温度系数对公式进行修正，直接通过测量液态金属电阻值，获取所测的压力值，避免了环境因素的干扰，提高了传感器的准确性和稳定性。
[0042]
2、选用了液态金属镓铟锡合金galinstan和液体缓冲层流体均具备低熔点的物理特性，保证传感器柔性部分在寒冷低温(
‑
20℃)环境下具有良好流动性，在寒冷低温环境在有效监测应力指标，能用于实际工程中。
附图说明
[0043]
本发明的附图说明如下：
[0044]
图1为实施例的外形结构示意图；
[0045]
图2为实施例的内部结构示意图；
[0046]
图3为弹性有机聚合物芯片的结构示意图；
[0047]
图4为实施例的微流道布置示意图；
[0048]
图5为实施例在低温条件下填充不同液态金属材料的压应力—电阻变化图。
[0049]
图中：1、导线；2、盒体；3、盒体底盖；4、液体缓冲材料；6、隔片；7、弹性有机聚合物芯片；8、镓铟锡合金(galinstan)；9、微流道；10、注液口。
具体实施方式
[0050]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
[0051]
如图1和图2所示，本实施例包括有盒体2，盒体2内部设有上、下两层，上层填充液态缓冲材料4如酒精并用橡胶塞密封安装，下层为弹性有机聚合物芯片7，两层中间用隔片6分隔，隔片6与盒体内侧壁密封连接，薄片材料与盒体相同，盒体底部用带凹槽的底盖3旋拧封闭。
[0052]
盒体2采用高强度弹簧钢材料(50crva)，液体缓冲材料酒精使得传递至内部pdms芯片上的压力均匀分布，利于内部微流孔道均匀变形，输出稳定电阻信号；底盖起到密封盒体作用。
[0053]
如图3所示，弹性有机聚合物芯片7内部设有微流道9，微流道内填充低熔点的液态金属镓铟锡合金gal instan8，液态金属与导线1连接，导线从盒体中引出。弹性有机聚合物为pdms(聚二甲基硅氧烷)。
[0054]
弹性有机聚合物芯片的制作：采用微流控软光刻技术制作模具，将弹性有机聚合物预凝体倾倒在模具上，待固化剥离后形成带有微流道9的底层基片和不带微流道的弹性盖片。微流道9布局如图4所示，微流道9为平面螺旋状，微流道两端头有扩展的注射口10，两注射口对称地布设在圆形基片两边缘。
[0055]
将固化后制作的基片和盖片对齐，在两固化片的层间旋转涂甲醇液体以粘合，形成带微流道9的弹性有机聚合物芯片体。利用针孔注射器将液态金属8注入微流道的注射口，直至液态金属填满微流道，然后在注液口10两端连接导线1并采用高粘
‑
热稳定性粘接剂(如环氧树脂ab胶)对连接位置进行密封。
[0056]
外接电路通过导线接入由液态金属构成的可变形电阻。当盒体受到外部压力时，外力通过液体缓冲层后可均匀传递到内部弹性有机聚合物芯片表面，使得微流道内的液态金属受压变形，导致电阻值的变化。此时，通过外接电路装置测量的电阻变化量，就可以反向建立电阻变化与压力关系，进而实现工程应力监测。
[0057]
本实施例传感器的压力值标定方法，包括以下步骤：
[0058]
步骤1、测量传感器未受压力的液态金属初始电阻r0，将初始电阻调零，则后续测量的电阻值实际上就是pdms芯片的电阻变化量δr；
[0059]
步骤2、确定标定系数k和液态金属电阻率的相对温度系数c
t
；
[0060][0061]
v为pdms的泊松比、e为pdms弹性模量，w和h分别为微流道的宽度和高度。
[0062]
步骤3、使用压力值标定公式：
[0063]
[0064]
标定传感器所受单位面积上的压力p。
[0065]
将压力—电阻变化的关系式(即压力值标定公式)计算值与实际测量结果进行对比，对液态金属压力传感器进行标定，有利于传感器长期、可靠地监测使用，特别适用于低温环境下。
[0066]
如图5所示，本实施例在寒冷低温(
‑
20℃)下填充低熔点的液态金属镓铟锡合金galinstan后工作性能正常，且输出曲线呈现与理论关系一致的变化。与之相比较：填充液态金属镓铟合金egain后，由于液态金属已冻结呈固体，输出曲线变化无规律，无法对传感器进行标定使用。可见，本发明的传感器能够在寒冷低温环境下准确监测。