岩土工程监测中的新型液态金属压力传感器研发

摘要

岩土工程是以岩石体和土体为研究对象的一门学科。获取岩土体的结构、组成以及内部的应力分布等信息对研究分析各种岩土工程问题至关重要。作为获取岩土体内部应力值的一种技术手段，压力传感器可以长时间、远距离、全方位的监测岩土体内部的应力值，对指导岩土工程施工，监测滑坡、泥石流等各种地质灾害有重要的作用。　　本文设计研发了一款应用于岩土工程中的新型液态金属压力传感器，可以通过测量传感器的电阻变化来得到外部压力的大小。设计的压力传感器主要由40CrMoV 合金钢外壳和内部的 PDMS 微流控芯片两部分组成。40CrMoV 合金钢材料具有很高的强度和低滞弹性，在保护内部的 PDMS 芯片不受破坏的同时，也极大的提高了压力传感器的测试量程保证了测试结果的稳定性和可靠性。压力传感器内部是封装有液态金属 EGaIn 的 PDMS 微流控芯片，借助光刻技术可以在PDMS芯片内部形成μm级的微流孔道。　　本文设计的液态金属压力传感器的工作原理是：PDMS 微流控芯片作为压力传感器的敏感元件，在受力时其内部的微流孔道截面发生收缩引起液态金属EGaIn导体的横截面积发生变化，液态金属 EGaIn 作为压力传感器的转换元件，其电阻值因其横截面积的减小而增大。液态金属压力传感器即是通过将压力信号转换成电信号的方式实现岩土体内部压力值的获取。　　本文通过研究分析主要得出了以下结论：　　① 本文研发的压力传感器主要用到了 40CrMoV 合金钢、聚二甲基硅氧烷PDMS、液态金属镓铟合金 EGaIn 等材料。压力传感器为长方体形，长边尺寸为32mm; 在压力传感器设计量程 20MPa 内，传感器电阻变化为 800mΩ，实现了传感器小体积、大量程的设计目的。同时液态金属EGaIn的流动性强、导电率高，作为压力传感器的转换元件克服了传统金属导线灵敏度低、易损坏等缺点。　　② 本文借助有限元软件FLAC3D，模拟分析了微流孔道的布置对PDMS芯片受力和变形的影响。结果表明微流孔道的尺寸和布置方式能够很好的满足压力传感器的设计要求：既可以让孔道附近的应力和应变明显增大，使得其内的液态金属导体的电阻变化明显，压力传感器信号输出强度增大；又不会对芯片其它部分的应力和应变产生明显影响，避免芯片受力和变形不均被破坏。　　③ 本文通过多次重复加载实验下测得的传感器电阻变化和施加的压力值数据，利用统计学中回归分析的方法拟合出两者之间的样本回归直线，同时通过显著性检验的方法验证了两者之间存在很高的相关性。在实际工程应用中，可以根据压力传感器输出的电阻值，将其代入得到的样本回归直线得到外部压力值的大小，实现远距离、长时间获取岩土体内部压力值的目的。　　④ 为了模拟不同的工况对压力传感器信号输出稳定性的影响，本文采用了三种不同的加载速率对传感器施加压力。为了保证测试结果的重复性，使用不同的加载速率对压力传感器重复加载三次。三次重复实验下的结果显示，压力传感器在三种不同的加载速率下的压力-电阻变化曲线十分接近，验证了设计的压力传感器输出信号具有很好的稳定性。

目录

主要符号

1 绪论

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究意义

1.2 研究现状及发展趋势

1.2.1 国内外研究现状

1.2.2 压力传感器分类

1.2.3 发展趋势

1.3.1 研究目的

1.3.2 研究内容

2 压力传感器的材料选取

2.1 材料选取原则

2.2 40CrMoV合金

2.3 聚二甲基硅氧烷PDMS

2.4 液态金属镓铟合金EGaIn

2.5 本章小结

3结构设计及加工制作

3.1 微流控技术

3.2 PDMS微流控芯片的设计

3.3 微流控芯片的加工制作

3.4 PDMS芯片的封装

3.5 本章小结

4 理论分析与数值模拟

4.1.1 实验原理

4.1.2 实验假设

4.2 数值模拟

5 实验测试与结果分析

5.1 实验设备及测试系统

5.1.1 伺服控制压缩仪器

5.1.2 直流电阻仪

5.1.3 实验现场布置

5.2.1 实验测试结果分析

5.2.2 传感器电阻变化与轴压的样本回归直线

5.2.3 传感器电阻变化量与压力值之间的相关性分析

5.3压力传感器的信号输出稳定性分析

5.3.1 三次重复实验下的压力-电阻变化曲线对比

5.3.2 不同加载速率下的压力传感器信号输出偏离度

5.4 本章小结

6 结论及展望

6.1 主要结论

6.2 本文创新点

6.3 后续研究方向及展望

参考文献

附录

致谢