电容式变送器

在过去十年中，离电器件（Ionotronics or Iontronics，离子-电子混合器件，即基于离子与电子协同作用的器件）因其固有的柔韧性，可拉伸性，光学透明性和生物相容性等优势引起了越来越多的关注。然而，现有的离电传感器由于器件结构简单、成分易泄漏，导致器件稳定性差，传感功能单一，极大地限制了实际应用。因此，设计制造性能稳定且具有多模式传感能力的离电传感器具有重要的工程应用价值。南方科技大学力学与航空航天工程系杨灿辉团队与机械与能源工程系葛锜团队，报道了通过多材料光固化3D打印技术一体化设计制造基于聚电解质弹性体的多模式传感离子电容传感器，解决了传统离电传感器稳定性差和功能性单一的问题，为可拉伸离电传感器的设计、智造与应用提供了新的解决方案。相关研究成果以“Polyelectrolyte elastomer-based ionotronic sensors with multi-mode sensing capabilities via multi-material 3D printing”为题发表在《Nature Communication》期刊。南方科技大学科研助理李财聪、博士生程健翔和何耘丰为论文共同第一作者，杨灿辉助理教授与葛锜教授为论文共同通讯作者。本研究得到了深圳市软材料力学与智造重点实验室和广东省自然科学基金等项目支持。如图1所示，受人体皮肤对于拉、压、扭及其组合等外力的多模态感知能力的启发，研究人员利用多材料光固化3D打印技术制备了具有多模式传感能力的离电传感器。传感器采用了聚电解质弹性体（PEE），其高分子网络中含有固定的阴离子或阳离子，以及可移动的反离子，具备抗离子泄漏的特性。在打印过程中，PEE材料与传感器上的介电弹性体（DE）材料之间通过共价和拓扑互连形成了牢固的界面粘接。图1. 皮肤启发的多模式传感离电传感器。(a) 人体皮肤内多种力感受器示意图。(b) 人体皮肤可以感知单一的力学信号如压拉、压、压+剪、压+扭。(c) 基于多材料数字光固化3D打印技术制备具有多模式传感能力的离电传感器。研究人员首先合成了一种名为1-丁基-3-甲基咪唑134-3-磺丙基丙烯酸酯（BS）的单体，作为聚电解质材料的组成成分之一，并与另一种名为MEA的疏水单体一起进行共聚。然后通过优化BS和MEA的比例，平衡聚电解质材料的力学性能和电学性能，从而优化传感器的性能，如图2所示。图2. 聚电解质弹性体的设计、制备与光学、力学、电学性能以及热、溶剂稳定性。如图3所示，研究人员进行光流变测试验证了所开发的PEE材料的可打印性。然后通过180°剥离测试，分别测量了3D打印和手动组装的PEE/DE双层结构的界面粘接强度。结果表明，3D打印的双层结构由于PEE和DE之间形成的共价键和拓扑缠结而具有强韧的界面，剥离过程发生了PEE材料的本体断裂, 粘接能达339.3 J/m2；相比之下，手动组装的PEE/DE双层结构界面弱，剥离过程发生了界面断裂，粘接能只有4.1 J/m2。在耐久度测试中，基于PEE的电容式传感器由于无离子泄漏可以长时间保持稳定的信号，而基于传统的LiTFSI掺杂离子的弹性体的传感器由于离子泄漏，信号持续发生漂移，直至发生短路。图3. 离电传感器的可打印性与性能。(a) PEE存储模量和损耗模量随光固化时间的变化曲线。(b) 固化时间与能量密度随层厚的变化关系。(c) 打印的PEE阵列展示。(d) 3D打印和手动组装的PEE/DE双层结构的180°剥离曲线。(e) 3D打印的PEE/DE双层结构本体断裂示意图。(f) 手动组装的PEE/DE双层结构界面断裂示意图。(g) 基于PEE和基于LiTFSI掺杂离子的弹性体的电容式传感器的ΔC/C0随时间变化曲线。(h) 基于PEE的电容式传感器无离子泄漏。(i) 基于LiTFSI掺杂离子的弹性体的电容式传感器离子泄漏示意图。3D打印技术为器件的结构设计提供了极高的灵活性。如图4所示，研究人员分别设计并一体化打印了拉伸、压缩、剪切、扭转四种不同的离电传感器，器件均具有良好的性能和稳定性。特别地，通过器件的结构设计，即可以实现传感器灵敏度的大幅度优化，例如通过在压缩传感器的介电弹性体层引入微结构可以将灵敏度提高两个数量级，又可以实现传感器灵敏度的按需调控，例如通过设计剪切传感器前端的轮廓线或扭转传感器的扇形区域数量可以分别实现不同相应的剪切传感器和扭转传感器。图4. 拉伸、压缩、剪切、扭转离电传感器。(a) 拉伸传感器原理示意图。(b) 电容-拉伸应变曲线。(c) 压缩传感器原理示意图。(d) 有/无微结构的压力传感器的电容-压力曲线。(e) 剪切传感器原理示意图。(f) 一种剪切传感器实物图。(g) 不同灵敏度的剪切传感器的电容-剪切应变曲线。(h) 剪切传感器的疲劳测试曲线。(i) 扭转传感器原理示意图。(j) 一种扭转传感器实物图。(k) 不同灵敏度的扭转传感器的电容-扭转角曲线。(l) 扭转传感器的疲劳测试曲线。如图5所示，研究人员进一步设计并一体化打印了拉压、压剪、压扭三种组合式离电传感器。组合式传感器最大的挑战之一在于不同传感通路之间相互的信号串扰，例如，当器件拉伸时，由于材料的泊松效应会导致垂直方向上的器件几何尺寸缩小，等效于压缩变形，导致拉伸激励引起压缩通道的信号变化。研究人员结合有限元模拟分析，通过合理的器件结构设计，有效地避免了不同通道之间的信号串扰。图5. 组合式离电传感器。(a) 拉压组合传感器示意图。(b) 器件实物图。(c) 拉压组合传感器等效电路图。(d) 单一传感模式下的器件信号。(e) 压缩激励下的电容-圈数变化曲线。(f) 拉伸激励下的电容-圈数变化曲线。(g) 拉压组合变形下的信号谱。(h) 压剪组合传感器示意图。(i) 器件实物图。(j) 压剪组合传感器等效电路图。(k) 单一传感模式下的器件信号。(l) 压扭组合传感器示意图。(m) 器件实物图。(n) 压扭组合传感器等效电路图。(o) 单一传感模式下的器件信号。最后，研究人员展示了一个由四个剪切传感器和一个压缩传感器组成的可穿戴遥控单元，并将其连接到一个远程控制系统，用于远程无线控制无人机的飞行，如图6所示。这个可穿戴遥控单元中的四个剪切传感器负责感知手部的手指运动，用于控制无人机的方向。而压缩传感器则用于感知手指的压力，控制无人机的翻滚。这种可穿戴遥控单元的设计可以实现人机交互，提供更加灵活的控制方式。图6. 组合式离电传感器用于无人机的远程无线操控。(a) 无人机控制系统示意图。(b) 组合式离电传感器中剪切传感模块工作模式示意图。(c) 剪切传感模块工作原理。(d) 传感器五个通道电容信号测试。(e) 指令编译逻辑。(f) 组合式离电传感器实时电容信号。(g) 不同时刻的无人机飞行状态。文章来源：高分子科技023-40583-5MultiMatter C1基于高精度数字光处理3D打印技术和独家离心式多材料切换技术，MultiMatter C1多材料3D打印装备可实现任意复杂异质结构快速成型，在力学超材料、生物医学、柔性电子、软体机器人等领域具有重要应用潜力。离心式多材料切换技术：独家开发的离心式多材料切换技术可实现高效材料切换和残液去除。离心转速可调，最高达8000转/分钟，60秒内即可完成多材料切换，单次打印多材料切换最大次数高达2000次，处于业内领先水平。可打印材料范围广：该设备支持粘度在50-5000 cps范围内的硬性树脂、弹性体、水凝胶、形状记忆高分子和导电弹性体等材料及这些材料组合结构的多材料3D打印，为不同行业和应用领域，提供了材料选择的灵活性。多功能多材料耦合结构实现：该设备可打印高复杂度、高精度、多功能、多材料耦合结构，支持同时打印2种材料，可打印层内多材料和层间多材料，且多材料层内过渡区尺寸在200μm以内，为复杂多材料结构制造提供高精度解决方案。

11月21日下午16点，历时6天的第十一届中国国际高新技术成果交易会（简称高交会）在深圳圆满闭幕。在这场科学发展、全面推进创新的盛会上，建筑科研单位首度亮相，其中一座节能建筑的模型在高交会馆八号馆展出，吸引了众多参观者的目光。 这栋名叫建科大厦的建筑不仅是深圳市可再生能源利用城市级示范工程，而且是国家第一批可再生能源示范工程。这座建筑外形普通，甚至毫不起眼，但却使用了诸多节能科技成果。　比如，建科大厦采用了自然通风节能设计，经过精确计算，建筑采用了&ldquo 吕&rdquo 字形体形和平面，为室内通风创造了良好条件 设计中根据房间使用功能和时间上的差异，对不同的楼层区域采用了不同的空调方式。据测算，通过这些能源利用措施，建科大厦比普通大厦可节能65%。&ldquo 它是&lsquo 能够呼吸&rsquo 的建筑。&rdquo 深圳市建筑科学院院长叶青介绍。 在这栋&ldquo 有生命的建筑&rdquo 里，监控建筑的&ldquo 呼吸&rdquo 也是很重要的一环。只有充分掌握建筑环境里的温度、湿度、风速等诸多环境参数，这栋建筑才能根据办公区域人员的多和少，自动调节水平带窗，在窗墙比、自然采光、隔热防晒间找到最佳平衡点。在这里，德图的在线温湿度变送器大展身手，全面监测建筑环境中温度、湿度、风速等诸多环境参数，提供优异精度的数据，让管理人员全方位实时掌握建筑 &ldquo 呼吸&rdquo 状态成为可能。 多年来，德图的温湿度变送器一直是干燥处理及其他关键环境的策略首选。高品质温湿度变送器的核心在于高品质的传感器。从1996至2001，testo的湿度传感器历时5年，走过世界9大国家权威实验室，接受不同的方式的检测，精度都优于1%RH。如此强有力的保证，也是深圳建科大厦选择德图温湿度变送器的原因。&ldquo 深圳建科大厦一共用了150多台testo变送器，涵盖风速、温湿度、温度的测量，德图能以如此大的力度参与中国绿色节能第一楼的建设和维护，我作为产品经理，是非常骄傲的！&rdquo 德图产品经理吴保东高兴的表示。

压力是工业生产中的重要参数，如高压容器的压力超过额定值时便是不安全的，必须进行测量和控制。在某些工业生产过程中，压力还直接影响产品的质量和生产效率，如生产合成氨时，氮和氢不仅须在一定的压力下合成，而且压力的大小直接影响产量高低。此外，在一定的条件下，测量压力还可间接得出温度、流量和液位等参数。伴随经济、技术的进步，压力测试在实际的生产工作中发挥着至关重要的左右，为生产活动提供了大量有价值的参考信息，使生产和科研活动的质量和效率都得到了实质性的提升。而压力测量仪表是用来测量气体或液体压力的工业自动化仪表，又称压力表或压力计。压力测量仪表按工作原理分为液柱式、弹性式、负荷式和电测式等类型。类别原理仪器种类液柱式根据流体静力学原理，将检测压力转换成液柱高度进行测量U形管压力计、单管压力计、斜管压力汁等弹性式利用各种形式的弹性元件，在被测介质的作用下,使弹性元件受压后产生弹性形变的原理弹簧管压力计、波纹管压力计及膜片式压力计等电测式将压力转换成电信号进行传输及显示电阻式压力计、电容式压力计、压电式压力计和压磁式压力计等负荷式直接按照压力的定义制作。这类压力计误差很小，主要作为基准仪表使用常见的有活塞式压力计、浮球式压力计和钟罩式压力计仪器信息网特盘点各类常见压力检测仪器，以供读者参考。液柱式压力计 液柱式压力计是利用液柱所产生的压力与被测压力平衡,并根据液柱高度来确定被测压力大小的压力计。所用的液体叫封液——水,酒精,水银等. 液柱式压力计结构简单，灵敏度和精确度都高，常用于校正其他类型压力计，应用比较广泛。液柱式压力计按照结构形式可大致分为U形管压力计、单管压力计、斜管压力汁等。U形管压力计是根据流体静力学原理用一定高度的液柱所产生的静压力平衡被测压力的方法来测量正压、差压和负压既真空度的。由于其结构简单、坚固耐用、价格低廉、使用寿命长若无外力破坏几乎可永久使用、读取方便、数据可靠、无需外接电力既无需消耗任何能源。故在工业生产各科研过程中得到非常广泛的应用，广泛用于测量风机和鼓风机的压力、过滤器阻力、风速、炉压、孔压差、气泡水位、液体放大器或液压系统压力等，也可用于燃烧过程中的气比控制和自动阀门控制，以及医疗保健设备中的血压和呼吸压力监测。斜管压力计 在测量微小压差时，由于h值较小，用U形管或单管液柱式压力计测量时的相对误差极大，此时可休用斜管式压力计，斜管式压力计分墙挂式和台式两种。　　在许多实验中往往需要同时测量多点的压力，例如压力分布实验。这时就要采用多管式压力计，多管式压力计的工作原理与斜管压力计相同，实际就是多根斜管压力计，由于多管压力计各测压管的内径不可能一样，因此，由毛细现象所造成的各测压管的初读数也不一致，测量前必须读出每根测压管的初读数，并作适当的修正。弹簧管压力计 弹簧管压力计又称波登管压力计。它是一种常见的也是应用最广泛的工程仪表，主要组成部分为一弯成圆弧形的弹簧管，管的横切面为椭圆形，作为测量元件的弹簧管一端固定起来，通过接头与被测介质相连，另一端封闭，为自由端，自由端借连杆与扇形齿轮相连，扇形齿轮又和机心齿轮咬合组成传动放大装置。当被测压的流体引入弹簧管时，弹簧管壁受压力作用而使弹簧管伸张，使自由端移动，其移动距离与压力大小成正比，或者带动指针指示出被测压力数值，适用于对铜合金不起腐蚀作用的气体和液体。波纹管压力计 波纹管压力计的波纹管由金属片折皱成手风琴风箱状，当波纹管轴向受压时，由于伸缩变形产生较大的位移，故一般可在其自由端安装传动机构，带动指针直接读数，从而测量出介质压力。波纹管压力计可广泛应用于石油、化工、矿山、机械、电力及食 品行业，直接测量不结晶体，有腐蚀性的气体、液体的压力。波纹管压力计的特点是低压区灵敏度高，常用于低压测量，但迟滞误差大，压力位移线性度差，精度一般只能达到1.5级，常在其管内安装线性度较好的螺旋弹簧。膜片式压力计 膜片压力计适用于测量无爆炸危险、不结晶、不凝固、有较高粘度，但对铜和铜合金无腐蚀作用的液体、气体或蒸汽的压力。 膜片压力计耐腐蚀性能取决于膜片材料。不锈钢耐腐膜片压力计的导压系统和外壳等均为不锈钢，具有较强的耐腐蚀性能。主要用于化学、石油、纺织工业对气体、液体微小压力的测量，尤其适用于腐蚀性强、粘稠介质（非凝固非结晶）的微小压力测量。 膜片压力计的工作原理是基于弹性元件(测量系统上的膜片)变形。在被测介质的压力作用下，迫使膜片产生相应的弹性变形——位移，借助连杆组经传动机构的传动并予放大，由固定于齿轮上的指针将被测值在度盘上指示出来。压阻式压力计 压阻式压力计是基于单晶硅的压阻效应而制成。采用单晶硅片为弹性元件，在单晶硅膜片上利用集成电路的工艺，在单晶硅的特定方向扩散一组等值电阻，并将电阻接成桥路，单晶硅片置于腔内。当压力发生变化时，单晶硅产生应变，使直接扩散在上面的应变电阻产生与被测压力成正比的变化，再由桥式电路获相应的电压输出信号。 具体来讲，当力作用于硅晶体时，晶体的晶格产生变形，使载流子从一个能谷向另一个能谷散射，引起载流子的迁移率发生变化，扰动了载流子纵向和横向的平均量，从而使硅的电阻率发生变化。这种变化随晶体的取向不同而异，因此硅的压阻效应与晶体的取向有关。硅的压阻效应不同于金属应变计，前者电阻随压力的变化主要取决于电阻率的变化，后者电阻的变化则主要取决于几何尺寸的变化，而且前者的灵敏度比后者大50～100倍 压阻式压力计是电阻式压力计的一种。采用金属电阻应变片也可制成压力计，测量原理以金属的应变效应为主。电容式压力传感器 电容式压力传感器，是一种利用电容敏感元件将被测压力转换成与之成一定关系的电量输出的压力计。特点是，输入能量低，高动态响应，自然效应小，环境适应性好。 电容式压力传感器一般采用圆形金属薄膜或镀金属薄膜作为电容器的一个电极，当薄膜感受压力而变形时，薄膜与固定电极之间形成的电容量发生变化，通过测量电路即可输出与电压成一定关系的电信号。电容式压力传感器属于极距变化型电容式传感器，可分为单电容式压力传感器和差动电容式压力传感器。压电式压力传感器 压电式压力传感器是基于压电效应的压力传感器。它的种类和型号繁多，按弹性敏感元件和受力机构的形式可分为膜片式和活塞式两类。膜片式主要由本体、膜片和压电元件组成。压电元件支撑于本体上，由膜片将被测压力传递给压电元件，再由压电元件输出与被测压力成一定关系的电信号。 这种传感器的特点是体积小、动态特性好、耐高温等。现代测量技术对传感器的性能出越来越高的要求。例如用压力传感器测量绘制内燃机示功图，在测量中不允许用水冷却，并要求传感器能耐高温和体积小。压电材料最适合于研制这种压力传感器。目前比较有效的办法是选择适合高温条件的石英晶体切割方法。而LiNbO3单晶的居里点高达1210℃，是制造高温传感器的理想压电材料。压磁式压力传感器 压磁式压力传感器是利用铁磁材料的压磁效应制成的，即利用其将压力的变化转化成导磁体的导磁率变化并输出电信号。压磁式的优点很多，如输出功率大、信号强、结构简单、牢固可靠、抗干扰性能好、过载能力强、便于制造、经济实用，可用在给定参数的自动控制电路中，但测量精度一般，频响较低。 所谓压磁效应就是在外力作用下，铁磁材料内部发生应变，产生应力，使各磁畴之间的界限发生移动，从而使磁畴磁化强度矢量转动，因而铁磁材料的磁化强度也发生相应的变化，这种由于应力使铁磁材料磁化强度变化的现象，称为压磁效应。 若某一铁磁材料上绕有线圈，在外力的作用下，铁磁材料的导磁率发生变化，则会引起线圈的电感和阻抗变化。当铁磁材料上同时绕有激磁绕组和测量绕组时，导磁率的变化将导致绕组间耦合系数的变化，从而使输出电势发生变化。通过相应的测量电路，就可以根据输出的量值来衡量外力的作用。霍尔式压力计 霍尔式压力计是利用霍尔效应制成的压力测量仪器。当被测压力引入后，弹簧管自由端产生位移，从而带动霍尔片移动，改变了施加在霍尔片上的磁感应强度，依据霍尔效应进而转换成霍尔电势的变化，达到了压力一位移一霍尔电势的转换。 霍尔压力计应垂直安装在机械振动尽可能小的场所，且倾斜度小于3°。当介质易结晶或黏度较大时，应加装隔离器。通常情况下，以使用在测量上限值1/2左右为宜，且瞬间超负荷应不大于测量上限的二倍。由于霍尔片对温度变化比较敏感，当使用环境温度偏离仪表规定的使用温度时要考虑温度附加误差，采取恒温措施（或温度补偿措施）。此外还应保证直流稳压电源具有恒流特性，以保证电流的恒定。活塞式压力计 活塞式压力计又称为静重式压力计，是利用流体静力平衡原理及帕斯卡定律工作的的一种高准确度、高复现性和高可信度的标准压力计量仪器。 流体静力平衡是通过作用在活塞系统的力值与传压介质产生的反作用力相平衡实现的。活塞系统由活塞和缸体（活塞筒）组成，二者形成极好的动密封配合。活塞的面积（有效面积）是已知的，当已知的力值作用在活塞一端时，活塞另一端的传压介质会产生与已知力值大小相等方向相反的力与该力相平衡。由此，可以通过作用力值和活塞的有效面积计算得到系统内传压介质的压力。在实际应用中，力值通常由砝码的质量乘以使用地点的重力加速度得到。 活塞式压力计也常简称活塞压力计或压力计，也有称之为压力天平，主要用于计量室、实验室以及生产或科学实验环节作为压力基准器使用，也有将活塞式压力计直接应用于高可靠性监测环节对当地其它仪表的表决监测。浮球式压力计 浮球式压力计是以压缩空气或氮气作为压力源，以精密浮球处于工作状态时的球体下部的压力作用面积为浮球有效面积的一种气动负荷式压力计。 压缩空气或氮气通过流量调节器进入球体的下部，并通过球体和喷嘴之间的缝隙排入大气。在球体下部形成的压力将球体连同砝码向上托起。当排除气体流量等于来自调节器的流量时，系统处于平衡状态。这时，球体将浮起一定高度，球体下部的压力作用面积（即浮球的有效面积）也就一定。由于球体下部的压力通过压力稳定器后作为输出压力，因此输出压力将与砝码负荷成比例。钟罩式压力计 钟罩式压力计的作用原理，是直接从压强定义出发，用一台天平对压力在液封受力器上 的垂直作用力F进行测定。这个受力器是一只几何形状有一定要求的钟罩，根据对钟罩几何 尺寸的精密测量和理论分析，求出其受力有效面积S后，待测压强p可由公示p=F/S求出。 因为钟罩式压力计有独特的结构原理，并具有、足够高的精度，这就可以通过与其他基准压力仪器比对，发现未知的系统误差。同时，钟罩式压力计在测量压强差时，其单端静压强可以根据需要调整，直至单端压强为零，即可以测量绝对压强。另外，该仪器还具有操作简单、受外界干扰小等优点。在高新科技快速发展的现今，静态的压力测量方法已获得了较大的优化，成为了各领域中常用的测量体系，并逐渐朝着动态的压力校准趋势发展。由此，相关技术人员针对压力计量检测方法的进步展开了深入的探究。简而言之，压力计量检测的未来趋势表现在测试精度等级、测试响应速率、测试可靠性与智能化水平这几个方面的提高。比如，在活塞式仪表测试中融进了智能加码与操作部位激光监测方法，如此不仅提升了检测效率，并且提高了测试的精准性，同时为绝压式仪表与活塞式仪表智能测试体系的进步打下了良好的基础。针对数字式仪表及压力变送器和压力传感器等设备的量传任务有了精良的全智能压力控制其能够用作量传标准，利用1台控制器配置若干个压力模块能够操作许多量程范围，随意确定测试点的高精度检测任务，而且能够选用气介质来工作，如此防止了采用液体介质在检测压力时引起的诸多问题，大幅度提升了数字式仪器的测试效率与智能化程度。