本實(shí)用新型涉及一種工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測用的壓阻/壓電夾層材料層及夾層式傳感器。

背景技術(shù)：

隨著國民經(jīng)濟(jì)的突飛猛進(jìn)和建筑行業(yè)的蓬勃發(fā)展，大型土木工程結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施，諸如大跨度橋梁、隧道、超高層建筑等隨處可見。它們的服役期限長達(dá)幾十年，有的甚至達(dá)上百年。然而，這些處于暴露環(huán)境中的大型結(jié)構(gòu)(橋梁、隧道，體育場館和高層建筑等)在服役過程中，在材料變異、荷載變化、自然災(zāi)害、人為因素等的影響下，使結(jié)構(gòu)的耐久性降低，導(dǎo)致其在達(dá)到設(shè)計(jì)使用壽命之前就已經(jīng)破壞。所以，為了提高這些常處于關(guān)鍵樞紐區(qū)的結(jié)構(gòu)的耐久性和防震減災(zāi)能力，對這些結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位進(jìn)行監(jiān)測和評(píng)估，并根據(jù)評(píng)估結(jié)果做出保養(yǎng)維修，已成為工程研究人員不容忽視的責(zé)任。

傳感器是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)，因此一直以來人們都在研究應(yīng)用到大型結(jié)構(gòu)(諸如橋梁、隧道、體育場館和高層建筑等)監(jiān)測系統(tǒng)中的各類先進(jìn)傳感器。光纖傳感器具有耐腐蝕、體積小、重量輕的優(yōu)勢，但光纖本身脆性大，可通過表面包裹保護(hù)層，而保護(hù)層又會(huì)影響傳感性能，且不能有效測單點(diǎn)應(yīng)變；金屬電阻應(yīng)變片由于成本低廉受到廣泛青睞，但該應(yīng)變片具有阻值小，靈敏度偏低，系統(tǒng)能耗大的缺陷。在水泥基材料中摻加導(dǎo)電炭黑、碳纖維、鎳粉、碳納米管(CNT)、氧化石墨烯(GO)、石墨烯(GnP)等導(dǎo)電填料而制成的壓阻型傳感器，相應(yīng)的電學(xué)性能隨所受應(yīng)力的變化而變化，對(準(zhǔn))靜態(tài)信號(hào)敏感，但是對(準(zhǔn))動(dòng)態(tài)信號(hào)不敏感；將壓電陶瓷(如鋯鈦酸鉛PZT)片埋入到水泥基體中制成各類壓電型傳感器，輸出電信號(hào)隨應(yīng)力的變化而變化，利用材料的壓電效應(yīng)，對(準(zhǔn))動(dòng)態(tài)信號(hào)敏感，但是對(準(zhǔn))靜態(tài)信號(hào)不敏感，而且韌性差，而且不適合粘貼在大型結(jié)構(gòu)上，只能作為埋入式傳感器使用，易受到路基沉降等的影響。與此同時(shí)，處于偏遠(yuǎn)山區(qū)的橋梁、隧涵等常無法外接供電設(shè)施，若能將行車(人)振動(dòng)能量有效轉(zhuǎn)化成電能并收集，并反哺給相應(yīng)無線傳感監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)用，實(shí)現(xiàn)自供能，在當(dāng)今節(jié)能環(huán)保時(shí)代具有重要意義。

中國專利ZL.201210417696.9首次公開了一種將微/納米導(dǎo)電材料(如CNT)與微/納米壓電陶瓷粉體(如PZT)有效混合形成的0-3型水泥基壓阻/壓電復(fù)合材料及其傳感器。該本征傳感器既可以有效監(jiān)測(準(zhǔn))動(dòng)態(tài)應(yīng)力/應(yīng)變信號(hào)，又可以監(jiān)測(準(zhǔn))靜態(tài)信號(hào)，還具有振動(dòng)俘能能力，在自供能型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中具有較好的發(fā)展前景。然而該傳感器(俘能器)制作時(shí)仍需要采用專門的壓制成型，高溫煅燒，被銀、高壓極化等復(fù)雜工藝，且制成的傳感器偏剛性，韌性不夠高，進(jìn)而封裝外殼與內(nèi)部核心傳感器件易產(chǎn)生變形錯(cuò)位，導(dǎo)致在實(shí)際使 用時(shí)仍有一些無法克服的缺陷，亟待進(jìn)一步優(yōu)化與改進(jìn)。

氧化鋅ZnO作為II-VI族的氧化物，是一種重要的半導(dǎo)體材料，在壓電、熱電、光電等領(lǐng)域具有優(yōu)異的性能。與此同時(shí)，由于納米ZnO的晶體結(jié)構(gòu)是匹配位的，晶體的結(jié)構(gòu)不具有對稱性，進(jìn)而納米ZnO不需要專門的高溫煅燒、高壓極化工藝就能擁有良好的壓電特性，環(huán)保性佳。聚偏氟乙烯(PVDF)化學(xué)穩(wěn)定性高、柔韌性強(qiáng)、壓電系數(shù)較高、介電系數(shù)低等諸多優(yōu)點(diǎn)，常用作壓電薄膜在相關(guān)傳感領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型為克服上述缺陷，提供一種壓阻/壓電夾層材料層及夾層式傳感器。

本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案：

一種壓阻/壓電夾層材料層，為三明治型結(jié)構(gòu)，頂/底層為韌性基片，最內(nèi)層為壓電感知彈性夾芯功能層，二者之間為自組裝薄膜壓阻感知功能層——頂/底電極層，其中，壓電感知彈性夾芯功能層可包括彈簧。

一種采用所述壓阻/壓電夾層材料層的夾層式傳感器(俘能器)，包括壓阻/壓電夾層材料層(內(nèi)含頂/底電極)、聚醚或環(huán)氧噴劑形成的封裝層、底/頂電極層上利用導(dǎo)電銀漿引出的導(dǎo)線，上/下兩電極之間通過貫穿封裝層的電磁屏蔽導(dǎo)線相連。傳感器(俘能器)的大小可根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整。

一種壓阻/壓電夾層材料，包括：

韌性基片，

5-50個(gè)自組裝薄膜壓阻感知功能層雙層——頂/底電極層，

壓電感知彈性夾芯功能層：由納米ZnO/PDMS或PVDF/PDMS制成，且可包括不銹鋼彈簧。

一種所述壓阻/壓電夾層材料的制備方法，包括如下步驟：

(1)自組裝薄膜壓阻感知功能層(頂/底電極層)的制備

①納米導(dǎo)電材料表面引入帶負(fù)電荷的官能團(tuán)

采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的共價(jià)氧化法處理表面光滑、水溶性很差的納米導(dǎo)電材料，在其表面引入羧基、羥基等帶負(fù)電荷的官能團(tuán)，然后經(jīng)洗滌、抽濾、真空干燥得帶負(fù)電荷官能團(tuán)的納米導(dǎo)電材料；

其中由于GO自身表面含有諸多帶負(fù)電荷的官能團(tuán)如羥基、醚基、羧基等，GO或GO接枝碳納米纖維(GO+NCF)不用進(jìn)一步處理；

②納米導(dǎo)電材料表面引入帶正電荷的官能團(tuán)

采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的方法，利用自由基引發(fā)劑/有機(jī)溶劑體系將納米導(dǎo)電材料表面 在絕水條件下轉(zhuǎn)化成帶腈基官能團(tuán)，然后采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的氧化-還原體系將腈基化納米導(dǎo)電材料表面進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成帶正電荷的氨基官能團(tuán)，經(jīng)洗滌、抽濾、真空干燥得帶正電荷官能團(tuán)的納米導(dǎo)電材料；

③柔性基片表面帶負(fù)電處理

采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的臭氧或其它氧化處理方法使柔性基片表面帶上負(fù)電荷；

④取步驟①、②中所得的表面帶負(fù)電荷、正電荷官能團(tuán)的納米導(dǎo)電材料各1份，分別加入50-500份水中，并分別用醋酸或氨水調(diào)節(jié)pH值，經(jīng)1-50kJ/mL超聲能量的超聲波分散處理后分別制成帶負(fù)電荷、正電荷的納米導(dǎo)電材料分散液；

⑤將步驟③經(jīng)帶負(fù)電處理的柔性基片依次浸漬步驟④帶正電荷的納米導(dǎo)電材料分散液、清洗、晾干、浸漬帶負(fù)電荷的納米導(dǎo)電材料分散液、清洗、晾干，形成1個(gè)帶正/負(fù)電荷納米導(dǎo)電材料薄膜雙層。

⑥重復(fù)步驟⑤，形成所需個(gè)數(shù)的帶正/負(fù)電荷納米導(dǎo)電材料薄膜雙層；

⑦采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟悉的熱退化方法處理由步驟⑥所得薄膜雙層，最終獲得自組裝薄膜壓阻感知功能層；

(2)壓電感知彈性夾芯功能層的制備

將聚二甲基硅氧烷PDMS主劑與壓電功能相ZnO納米粉體或PVDF粉體在超聲波輔助分散條件下充分混勻，添加PDMS固化劑后進(jìn)一步攪拌混勻，然后采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟悉的手工涂覆法、噴涂法或旋噴法將混合漿料涂敷到步驟(1)所制得的自組裝薄膜壓阻感知功能層頂/底電極內(nèi)層或/及不銹鋼彈簧表面，在混合漿料仍保持半流動(dòng)態(tài)狀態(tài)下，相向粘接起來，然后在真空條件下凝結(jié)硬化，最終形成壓電感知彈性夾芯功能層。

所述步驟①中在引入官能團(tuán)之前用鹽酸冷凝回流法處理納米導(dǎo)電材料以去除可能的雜質(zhì)；所述步驟②中在引入官能團(tuán)處理之前用鹽酸冷凝回流法、重結(jié)晶法分別處理納米導(dǎo)電材料、自由基引發(fā)劑以去除可能的雜質(zhì)。

所述步驟⑤中依次浸漬步驟④帶正電荷的納米導(dǎo)電材料分散液10-60min、清洗3-15min、晾干10-60min、浸漬帶負(fù)電荷的納米導(dǎo)電材料分散液10-60min、清洗3-15min、晾干10-60min。

所述納米導(dǎo)電材料為CNT、GO、GO接枝碳纖維、GO接枝碳納米纖維、GnP中的一種或幾種的混合。其中所述CNT可由電弧法、濺射法、化學(xué)氣相沉積法(CVD)、催化裂解法等方法合成或購買；所述GO可由Brodie法，Staudenmaier法、Hummers法或改進(jìn)Hummers法合成或購買；所述GO接枝碳納米纖維可由常規(guī)化學(xué)接枝方法合成；所述GnP可由機(jī)械剝離法、氧化還原法、SiC外延生長法、CVD來合成或購買。

所述共價(jià)氧化法的氧化劑為濃硫酸與濃硝酸混合酸、FeSO₄與H₂O₂混合氧化劑(并結(jié)合紫外光UV照射或臭氧處理)或KMnO₄與雙氧水H₂O₂混合氧化劑中的一種。

所述自由基引發(fā)劑/有機(jī)溶劑體系為偶氮二異丁腈AIBN、偶氮二異庚腈ABVN、過氧化環(huán)己酮、過氧化二苯甲酰BPO或叔丁基過氧化氫與甲苯、苯或氯仿組合中的一種或幾種的混合。

所述氧化-還原體系為氯化鎳-Al粉-四氫呋喃THF體系、鉑/炭-氫化鋁鋰-THF體系、鉑/炭-硼氫化鈉-THF中的一種。

所述ZnO納米粉體可由固相合成法、溶膠-凝膠法、電化學(xué)沉積法、水熱合成法、剪切攪拌法來合成或購買獲得。

納米ZnO/PVDF:PDMS:PDMS固化劑的重量配比為1-10:10:1。

一種所述夾層式傳感器的制備方法，包括以下步驟：壓電感知彈性夾芯功能層外表面用聚醚噴劑噴成絕緣、絕濕的封裝層；在涂覆壓電感知彈性夾芯功能層前，在頂/底電極內(nèi)層分別涂上一層導(dǎo)電銀膠，并用導(dǎo)線引出；上/下兩電極之間通過貫穿封裝層的電磁屏蔽導(dǎo)線相連，最終形成壓阻/壓電夾層式傳感器。

一種所述夾層式傳感器的使用方法，通過本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的俘能/放電控制電路將結(jié)構(gòu)監(jiān)測間歇期交通車輛碾壓所述傳感器時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)機(jī)械能在逆壓電效應(yīng)下轉(zhuǎn)化成瞬間電能，并有效儲(chǔ)存起來，反哺給相應(yīng)工作期的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，有效實(shí)現(xiàn)自供能。

本實(shí)用新型所述壓阻/壓電夾層材料層是在柔性基底上采用層層自組裝工藝組裝導(dǎo)電薄膜層用作壓阻感知功能層(同時(shí)用作壓電感知彈性夾芯功能層的頂/底電極層)、中間含壓電感知彈性夾芯功能層制成；經(jīng)整體封裝后，獲得一種粘貼在工程結(jié)構(gòu)表面或內(nèi)嵌的夾層式傳感器，其具有柔韌性好、涵蓋全交通頻域的壓阻/壓電感知靈敏度高、線性度好、穩(wěn)定度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，且不會(huì)影響結(jié)構(gòu)本身的基本功能，可緊密地粘敷到工程結(jié)構(gòu)表面，相應(yīng)傳感器可設(shè)置在支座與支撐的橋面單元之間或嵌于橋面單元內(nèi)，進(jìn)而利用其壓阻準(zhǔn)靜態(tài)傳感及壓電動(dòng)態(tài)傳感能力實(shí)現(xiàn)涵蓋全頻域的靜/動(dòng)態(tài)交通與結(jié)構(gòu)指標(biāo)參數(shù)的檢測能力，并能實(shí)現(xiàn)行車機(jī)械振動(dòng)能量的有效收集、儲(chǔ)存與各種電路供能。與此同時(shí)，該夾層式傳感器可實(shí)現(xiàn)工廠規(guī)?；a(chǎn)，在工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域具有優(yōu)異的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1-3為本實(shí)用新型的不同類型傳感器放大示意圖；

圖4-5為本實(shí)用新型的實(shí)施例2夾層式傳感器分別對靜態(tài)(準(zhǔn)靜態(tài))荷載、動(dòng)態(tài)脈沖荷載采集信號(hào)結(jié)果圖；

圖中所示附圖標(biāo)記為：1.韌性基片；2.自組裝薄膜壓阻感知功能層；3.壓電感知彈性 夾芯功能層；4.彈簧；5.封裝層；6.電磁屏蔽導(dǎo)線。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

如圖1所示，本實(shí)用新型所述采用壓阻/壓電夾層材料的夾層式傳感器包括韌性基片1、自組裝薄膜壓阻感知功能層2(含頂/底電極)、壓電感知彈性夾芯功能層3、封裝層5以及與頂/底電極相連且貫穿封裝層的電磁屏蔽導(dǎo)線6。電磁屏蔽導(dǎo)線6通過屏蔽接頭與電極靜/動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)相連。

所述壓阻/壓電夾層材料的制備步驟如下：

(1)CNT自組裝薄膜壓阻感知功能層(頂/底電極層)的制備

①CNT表面引入帶負(fù)電荷的官能團(tuán)

預(yù)處理純化CNT：稱取一定量經(jīng)CVD方法合成的多壁CNT(直徑20-40nm，長度5-15μm，電導(dǎo)率大于10²S/cm)浸漬于2mol/L的鹽酸溶液中(CNT：HCl為5mg：1mL)，將三口瓶置于油浴鍋中加熱至100℃，回流30min。靜置24小時(shí)，倒掉上清液，加足量去離子水稀釋至溶液pH值≥6，然后用真空泵連接帶有濾膜的抽濾瓶抽濾。刮掉濾餅上的黑色固體。設(shè)置干燥箱的溫度50℃，干燥4小時(shí)，磨細(xì)、備用。

將1份CNT置于1000份強(qiáng)氧化混酸法(濃硫酸：濃硝酸體積比為3：1)中，以10kJ/mL超聲能量處理CNT懸浮液。之后，足量去離子水稀釋分散液至中性。真空泵抽濾得到濾餅，粉體置于50℃真空干燥箱干燥4小時(shí)，得到表面帶負(fù)電荷的CNT。

②CNT表面引入帶正電荷的官能團(tuán)

重結(jié)晶AIBN：稱取一定量的AIBN浸漬在無水乙醇中(AIBN：無水乙醇＝1：10)，將燒杯放在水浴鍋中，50℃水浴加熱使得AIBN溶解，濾去不溶物，濾液用冰鹽浴冷卻，過濾就可得到重結(jié)晶的AIBN，在五氧化二磷存在的條件下減壓干燥備用。

將50份多壁CNT超聲分散于80份甲苯中，然后在磁力攪拌條件下，加入3.2份AIBN，通氮?dú)?5min除氧后，75℃攪拌反應(yīng)5h。反應(yīng)產(chǎn)物用甲苯洗滌4-5遍后，50℃真空干燥過夜，得到黑色的AIBN改性CNT粉末。

之后在三口燒瓶中加入30份上述中所制的AIBN改性CNT粉末，3.57份NiCl₂·6H₂O和25份THF，持續(xù)通N₂條件下，超聲分散30min，加入Al粉0.27份，反應(yīng)立即發(fā)生并放熱，約15min后停止放熱，反應(yīng)結(jié)束后，用60份THF稀釋并過濾。得到的固體混合物倒入燒杯中，加入3mol/L稀硫酸，真空抽濾，產(chǎn)物用去離子水洗至pH至中性，50℃真空干燥過夜，得到氨基功能化CNT粉末。

③柔性基片表面帶負(fù)電處理

制備重鉻酸鉀洗液：由重鉻酸鉀1份、去離子水2份、濃硫酸20份混合而成；

首先將PET基片分別浸入無水乙醇24小時(shí)，然后浸沒重鉻酸鉀洗液30-60s，去離子水洗滌2-3遍，自然晾干，使得PET柔性基片表面帶上負(fù)電荷。

④取步驟①、②中所得的表面帶負(fù)電荷、正電荷官能團(tuán)的CNT各1份，分別加入50-500份水中，分別用醋酸、氨水調(diào)節(jié)pH值至5.5和8.5，經(jīng)1-50kJ/mL超聲能量的超聲波分散處理后分別制成帶負(fù)電荷、帶正電荷CNT分散液；

⑤將經(jīng)負(fù)電荷處理的PET柔性基片依次浸漬到帶正電荷CNT分散液15min、清洗3min、烘干60min(50℃)、帶負(fù)電荷CNT分散液15min、清洗3min、烘干60min(50℃)順序，完成1個(gè)帶正/負(fù)電荷CNT薄膜雙層。

⑥重復(fù)步驟⑤，形成6個(gè)帶正/負(fù)電荷的CNT薄膜雙層。

⑦采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟悉的方法熱處理下由步驟⑥獲得的CNT薄膜雙層，最終獲得CNT自組裝薄膜壓阻感知功能層(頂/底電極層)。

(2)ZnO壓電感知彈性夾芯功能層(俘能層)的制備

①納米級(jí)ZnO粉體的制備

以硝酸鋅、濃氨水原料(確保原料配比中鋅、氫氧根的原子比為1：2左右)，先硝酸鋅、濃氨水分別溶于去離子水中，然后在10-15℃下分別加熱攪拌至完全溶解，然后將兩種溶液混合，可得到氫氧化鋅溶膠，高速剪切攪拌機(jī)10000-11000rpm的轉(zhuǎn)速下攪拌0.5-1小時(shí)，蒸餾水中洗滌3-5次，60℃真空干燥箱干燥4-6小時(shí)，得ZnO納米粉體。

②壓電感知彈性夾芯功能層(俘能層)的制備

將100份PDMS主劑與50份ZnO納米粉體在超聲波輔助分散(超聲能量5kJ/mL)，然后加入10份PDMS固化劑，輔助玻璃棒攪拌混勻，得ZnO/PDMS漿料，再用玻璃棒蘸涂敷到步驟(1)所制得的CNT自組裝薄膜壓阻感知功能層頂/底電極內(nèi)層，在仍保持半流動(dòng)態(tài)狀態(tài)下，相向粘接起來形成4個(gè)相同高度的棱柱體。轉(zhuǎn)移至真空箱中，設(shè)定真空度、溫度和反應(yīng)時(shí)間分別為0.05Pa、40℃及36小時(shí)，得到CNT/ZnO壓電感知彈性夾芯功能層。

將上述所制得CNT/ZnO壓電感知彈性夾芯功能層外表面用聚醚噴劑噴成絕緣、絕濕的封裝層；在涂覆ZnO/PDMS功能層前，在CNT自組裝薄膜壓阻感知功能層頂/底電極內(nèi)層分別涂上一層導(dǎo)電銀膠，并用導(dǎo)線引出；上/下兩電極之間通過貫穿封裝層的電磁屏蔽導(dǎo)線相連，最終形成CNT/ZnO壓阻/壓電夾層式傳感器(俘能器)。該傳感器的規(guī)格可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求調(diào)整。

用X衍射儀、激光粒度分析儀、掃描電鏡、透射電鏡等表征手段確定剪切攪拌法制備的ZnO粉體平均粒徑為75nm、纖鋅礦型結(jié)晶型、晶體生長完整，沿著[120]方向生長。用LCR 數(shù)字電橋、準(zhǔn)靜態(tài)測量儀、阻抗分析儀測試CNT/ZnO壓阻/壓電夾層式傳感器器件中6個(gè)雙層CNT薄膜直流電阻率為19.53kΩ·cm、10kHz頻率下的交流電阻率為1.94kΩ·cm；ZnO層的壓電應(yīng)變系數(shù)為13.1pC/N；分別結(jié)合Wheatstone電橋技術(shù)及動(dòng)態(tài)信號(hào)采集技術(shù)研究三點(diǎn)彎曲條件下傳感器的電阻率隨經(jīng)受靜態(tài)應(yīng)變變化的靈敏度為26.3、線性度為3.5％，其電荷量隨動(dòng)態(tài)應(yīng)變變化的靈敏度為15.4、線性度為2.7％。

對于交通荷載頻率小于1Hz的，一般可認(rèn)為是靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)的荷載，如高速公路入口收費(fèi)站、地磅、停車區(qū)域監(jiān)控等，這時(shí)通過測試中國專利ZL201210417696.9所提出電橋的不平衡輸出電壓(ΔU)獲得具有相同阻值的CNT/ZnO壓阻/壓電夾層式傳感器的電導(dǎo)參數(shù)變特征，再通過本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的環(huán)境因素引起的噪聲信號(hào)剔除技術(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)準(zhǔn)靜態(tài)參數(shù)的準(zhǔn)確提??；而對于頻率大于1Hz的動(dòng)態(tài)交通荷載(包括周期循環(huán)、脈沖、隨機(jī)荷載形式)，如高速公路、跨江(海)大橋上快速行駛車輛的車型識(shí)別、車速、車流量及相應(yīng)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形的檢測等。為了有效測定CNT/ZnO壓阻/壓電夾層式傳感器壓電效應(yīng)產(chǎn)生的微弱電荷量，并防止電荷泄漏，這時(shí)可通過屏蔽接頭連接到中國專利ZL201210417696.9電路來測試本實(shí)用新型CNT/ZnO壓阻/壓電夾層式傳感器的對動(dòng)態(tài)信號(hào)敏感的壓電參數(shù)變化情況，再通過本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的信號(hào)傳感與噪聲信號(hào)剔除技術(shù)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)動(dòng)態(tài)感知信號(hào)的準(zhǔn)確提取。

上述CNT/ZnO壓阻/壓電夾層式傳感器還可通過本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的俘能/放電控制電路將結(jié)構(gòu)監(jiān)測間歇期交通車輛碾壓上述傳感器時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)機(jī)械能在逆壓電效應(yīng)下轉(zhuǎn)化成瞬間電能，并有效儲(chǔ)存起來，反哺給相應(yīng)工作期的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，有效實(shí)現(xiàn)自供能。

實(shí)施例2

如圖2所示，韌性基片為圓盤形，壓電感知彈性夾芯功能層3附著在彈簧4外表面。其中CNT/ZnO傳感器的壓電感知彈性夾芯功能層是將實(shí)施例1中步驟(2)所制得的ZnO/PDMS漿料旋噴到步驟(1)所制得的CNT自組裝薄膜壓阻感知功能層頂/底電極內(nèi)層以及四個(gè)長度、剛度相等的不銹鋼彈簧表面；并在ZnO/PDMS漿料仍保持半流動(dòng)態(tài)狀態(tài)下，將夾層不銹鋼彈簧四角對稱布置于相向粘接的CNT頂/底電極之間；最后轉(zhuǎn)移至真空箱中，設(shè)定真空度、溫度和反應(yīng)時(shí)間的分別為0.05Pa、40℃及36小時(shí)，得到CNT/ZnO壓電感知彈性夾芯功能層。

另外，參照實(shí)施例1步驟(1)⑥：重復(fù)步驟⑤，形成9個(gè)帶正/負(fù)電荷的CNT薄膜雙層。

其它同實(shí)施例1。

用LCR數(shù)字電橋、準(zhǔn)靜態(tài)測量儀、阻抗分析儀測試CNT/ZnO壓阻/壓電夾層式傳感器中9個(gè)雙層CNT薄膜直流電阻率為7.97kΩ·cm、10kHz頻率下的交流電阻率為0.28kΩ·cm；ZnO層的壓電應(yīng)變系數(shù)為10.4pC/N；分別結(jié)合Wheatstone電橋技術(shù)及動(dòng)態(tài)信號(hào)采集技術(shù)研究三點(diǎn) 彎曲條件下傳感器的電阻率隨經(jīng)受靜態(tài)應(yīng)變變化的靈敏度為17.8、線性度為4.8％，其電荷量隨脈沖應(yīng)變變化的靈敏度為29.5、線性度為1.9％。該CNT/ZnO壓阻/壓電夾層式傳感器對靜態(tài)(準(zhǔn)靜態(tài))荷載/位移、動(dòng)態(tài)脈沖荷載采集信號(hào)典型結(jié)果分別如圖4、5所示。

實(shí)施例3

壓阻/壓電夾層式傳感器制備過程及結(jié)構(gòu)同實(shí)施例1。不同的是：所用的納米導(dǎo)電材料為GO(厚度3-5納米片層，面積平均2.7μm²，電導(dǎo)率大于2S/cm)；壓電感知彈性夾芯功能層為聚偏氟乙烯(PVDF)粉體超聲輔助溶于N-甲基吡咯烷酮制成的漿體，然后與PDMS及PDMS固化劑混合而成。

用LCR數(shù)字電橋、準(zhǔn)靜態(tài)測量儀、阻抗分析儀測試GO/PVDF壓阻/壓電夾層式傳感器中6個(gè)雙層GO薄膜直流電阻率為398.4kΩ·cm、10kHz頻率下的交流電阻率為15.2kΩ·cm；PVDF/PDMS層的壓電應(yīng)變系數(shù)為21.5pC/N；分別結(jié)合Wheatstone電橋技術(shù)及動(dòng)態(tài)信號(hào)采集技術(shù)研究軸向荷載條件下該傳感器的電阻率隨經(jīng)受靜態(tài)應(yīng)變變化的靈敏度為27.6、線性度為4.1％，其電荷量隨動(dòng)態(tài)應(yīng)變變化的靈敏度為22.3、線性度為2.3％。

實(shí)施例4

壓阻/壓電夾層式傳感器制備過程及結(jié)構(gòu)同實(shí)施例1。不同的是：所用的納米導(dǎo)電材料為GO接枝納米碳纖維(等效直徑570nm，等效長度為2.85μm，電導(dǎo)率大于3.6S/cm)。

用LCR數(shù)字電橋、準(zhǔn)靜態(tài)測量儀、阻抗分析儀測試GO+NCF/ZnO壓阻/壓電夾層式傳感器中6個(gè)雙層GO+NCF薄膜直流電阻率為96.25kΩ·cm、10kHz頻率下的交流電阻率為7.5kΩ·cm；ZnO層的壓電應(yīng)變系數(shù)為13.5pC/N；分別結(jié)合Wheatstone電橋技術(shù)及動(dòng)態(tài)信號(hào)采集技術(shù)研究三點(diǎn)彎曲條件下該傳感器的電阻率隨經(jīng)受靜態(tài)應(yīng)變變化的靈敏度為23.7、線性度為2.9％，其電荷量隨動(dòng)態(tài)應(yīng)變變化的靈敏度為14.7、線性度為3.1％。

實(shí)施例5

如圖3所示，韌性基片為圓盤形，壓電感知彈性夾芯功能層3夾在彈簧4與自組裝薄膜壓阻感知功能層2之間。壓阻/壓電夾層式傳感器制備過程及結(jié)構(gòu)同實(shí)施例2。不同的是：所用的納米導(dǎo)電材料為GnP(厚度2-4納米片層，面積平均2.1μm²，電導(dǎo)率大于10⁴S/cm)。PVDF/PDMS壓電感知夾芯圓環(huán)形功能層位于GnP自組裝薄膜壓阻感知功能層電極與四個(gè)長度、剛度相等的不銹鋼彈簧之間，圓環(huán)寬度超過彈簧直徑1-2cm。

用LCR數(shù)字電橋、準(zhǔn)靜態(tài)測量儀、阻抗分析儀測試GnP/PVDF壓阻/壓電夾層式傳感器中6個(gè)雙層GnP薄膜直流電阻率為1.93kΩ·cm、10kHz頻率下的交流電阻率為0.067kΩ·cm；PVDF/PDMS層的壓電應(yīng)變系數(shù)為20.4pC/N；分別結(jié)合Wheatstone電橋技術(shù)及動(dòng)態(tài)信號(hào)采集技術(shù)研究三點(diǎn)彎曲條件下該傳感器的電阻率隨經(jīng)受靜態(tài)應(yīng)變變化的靈敏度為12.8、線性度為 1.4％，其電荷量隨動(dòng)態(tài)應(yīng)變變化的靈敏度為26.2、線性度為1.9％。