石墨烯/树脂基柔性温度传感膜及温度场测试研究

摘要

在土木工程领域，温度场变化产生的温度应力常常影响结构稳定，严重者造成损裂破坏。在能源应用领域，研究介质热交换温度场变化，对于探究热量迁移规律，提高能源利用率意义重大。实现对温度场有效检测对解决许多工程问题具有重要意义。传统温度传感器在动态响应和空间分布测量方面无法满足要求，而辐射法测温存在精度低和仅能测量目标平面温度场等不足，很多场合也难以满足需求。本文基于几种碳系材料填充树脂基体导电复合材料提出了一种柔性电阻式温度传感膜。采用丝网印刷技术，以石墨烯、碳纳米管和炭黑填充环氧树脂导电复合材料为感温电介质，聚合物银导电浆为柔性电路电极，聚酰亚胺和聚氨酯膜为柔性电路基板，光固UV油墨做绝缘隔层，共同构成阵列分布式温度传感膜。 本文在课题组前期研究的基础上对石墨烯、碳纳米管填充环氧树脂导电复合材料的温敏特性影响因素、静态特性、动态响应特性等进行试验研究，并利用其温敏性质研制了条形温度传感膜。对一维非稳态导热的测试结果表明：基于石墨烯、碳纳米管填充导电复合材料的条形温度传感膜可实现温度梯度良好的感知能力，这为分布式温度传感膜测试温度场提供可能。 设计了阵列形式的柔性温度传感膜，对阵列单元间交叉串扰问题进行分析。研制了基于STM32微控制器的阵列分布式信号采集系统，硬件系统分为信号检出、调理电路和电路控制、信息采集两大部分，该系统能有效避免传感膜各感温元件间的交叉串扰。采用C语言编写温度传感膜信号的处理和显示软件。实现信息的实时处理、插值和图像显示等。 为了探究温度传感膜及阵列信号扫描测试系统的可行性和可靠性。对不同几何形状热源表面温度分布、圆柱体轴向瞬态导热表面温度分布进行了测试试验。试验结果验证了本文所研制的温度场测试系统的可行性、可靠性和准确性，表现出良好的对温度异常区分辨效果和温度场变化的灵敏度。可实现对温度场的动态、实时测量。

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摘 要

Abstract

Contents

图清单

表清单

变量注释表

1 绪论

1 Introduction

1.1 研究背景和意义（Research Background and Significance）

1.2.1 导电复合材料温度敏感机理研究现状

1.2.2 温度分布传感器研究进展

1.3 本文研究的主要内容和技术路线（Contents and Approaches）

2 导电复合材料制备及传感元件制作

2 Composite Conductive Material Preparation and Sensing Element Fabrication.

2.1.1 导电填料

2.1.2 基体

2.1.3 其它辅助试剂及材料

2.2.1 工艺流程

2.2.2 主要设备与仪器

2.2.3 温度传感元件制作

2.3 本章小结（Summary）

3 碳系树脂基导电复合材料温度敏感性分析

3 Temperature Sensitivity Analysis of Carbon Beries resin Based Composite Conductive Materials

3.1 试验设备（Test Equipment）

3.2 石墨烯树脂基导电复合材料温度敏感特性（Temperature sensitive properties of graphene-resin matrix composites）

3.2.1 石墨烯含量对导电复合材料阻温特性的影响

3.2.2 不同碳系导电复合材料温度敏感特性

3.2.3 无机导电粒子对GRO/PKHH和CNT/PKHH阻温特性协同作用

3.2.4 无机非导电粒子对GRO/PKHH和CNT/PKHH阻温特性的影响

3.3 温度传感膜静态特性分析（Static Snalysis of Temperature Sensing Film）

3.3.1 线性度

3.3.2 稳定性

3.3.3 灵敏度

3.3.4 电性能测试

3.3.5 迟滞和重复性

3.4 温度传感膜动态响应特性（Dynamic Response of Temperature Sensing Film）

3.4.1 阶跃温度响应特性

3.4.2 阶梯温度响应特性

3.5 导热系数测试（Thermal Conductivity Test）

3.6 条形温度传感膜温度梯度感知测试（Linear Temperature Sensing Film Temperature Gradient Perception Test）

3.7 本章小结（Summary）

4 温度分布传感阵列及信号采集系统

4 Temperature Distribution Sensor Array and Signal Acquisition System

4.1 温度分布测量系统结构和功能（Temperature Distribution Measurement System Structure and Function）

4.2 温度分布传感阵列结构（Temperature Distribution Sensor Array Structure）

4.3.1 阵列传感膜电路问题分析

4.3.2 阵列传感膜信号采集电路

4.4 阵列扫描信号采集硬件系统（Array Scan Signal Acquisition Hardware System）

4.4.1 通道选择

4.4.2 放大电路

4.4.3 稳压电路

4.4.4 A/D电路

4.5 本章小结（Summary）

5 二维温度场重建算法

5 Two Dimensional Temperature Field Reconstruction Algorithm

5.1 基于普通克里金法的二维温度场重建（2D Temperature Field Reconstruction Based on Ordinary Kriging）

5.1.1 区域化变量理论

5.1.2 变差函数

5.1.3 基本假设

5.1.4 实验变差函数计算

5.1.5 变异函数理论模型

5.1.6 普通克里金插值原理

5.1.7 降低克里金方程组维数

5.1.8 基于普通克里金法温度场差值程序

5.2 传感膜信号扫描采集软件（Sensing Film Signal Scanning Software）

5.2.1 阵列扫描信号采集系统软件方案

5.2.2 数据采集程序

5.3 本章小结（Summary）

6 温度场测试试验

6 Temperature Field Test

6.1 实验方案（Experimental Scheme）

6.2 几何形状热源表面温度分布（The Surface Temperature Distribution of the Heat Source）

6.3 圆柱体导热表面温度分布（The Surface Temperature Distribution of Cylinder）

6.4 本章小结（Summary）

7 结论与研究展望

7 Conclusions and Suggestions

7.1 主要结论（Conclusions）

7.2 研究展望（Suggestion on Research）

参考文献

附 录

作者简历

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