一种嵌入固体发动机推进剂药柱内的三维应力传感器及制备方法和应用

本发明属于传感器及制备方法和应用，具体涉及一种嵌入固体发动机推进剂药柱内的三维应力传感器及制备方法和应用。

背景技术：

1、固体发动机推进剂药柱在长期贮存与服役过程中，复杂外部载荷极易在药柱内部诱发三维应力集中，导致界面脱粘和微裂纹等结构损伤，因此，需要设计制备一款对固体发动机推进剂药柱内部应力状态进行原位实时监测的嵌入式三维应力传感器。现有三维力传感器存在感知维度单一和力学兼容性差的问题：传统刚性三维力传感器嵌入药柱易引发应力集中，同时固体发动机柔性传感器研究大多聚焦于药柱界面应力监测，针对推进剂药柱内部三维应力缺乏有效方案；而在柔性电子领域的三维力传感器主要针对固定表面的法向与切向三维力解耦，亦难以满足固体发动机推进剂药柱三维应力监测需求；此外，微流道液态金属三维应力变化传感器存在本征阻抗过低的局限，需依赖复杂的四线制测量设备，无法满足固体发动机健康监测系统的小型化多通道采集要求。

2、固体发动机在固化降温、长期贮存及点火升压等复杂工况下，其药柱及粘接界面受到温度梯度、气动加热及内压等多物理场交变作用，产生复杂多维应力。

3、目前，原位获取内部应力的多维力传感器技术主要分为刚性多维力传感器和柔性多维力传感器。刚性多维力传感器通常以高强度的金属材料（如铝合金或不锈钢）作为弹性基体，集成电阻应变片或压电陶瓷作为敏感元件。在结构拓扑上，研究人员开发了诸如十字梁、e型膜片以及stewart并联平台等经典的空间测力架构。

4、为克服传统刚性传感器在软体界面处的模量失配难题，近年来，以高分子聚合物为基底的柔性多维力/触觉传感器得到了快速发展。这类传感器基于微结构阵列、金字塔或立方体等三维立体构型，利用结构的非对称变形将三维力进行解耦，并转化为不同位置敏感单元的电学量变化，在触觉感知及结构应力监测等方面得到了广泛应用。与此同时，刚性三维力传感器嵌入药柱易引发应力集中，同时固体发动机柔性传感器研究大多聚焦于药柱界面应力监测，针对推进剂药柱内部三维应力缺乏有效方案；而在柔性电子领域的三维力传感器主要针对固定表面的法向与切向三维力解耦，亦难以满足固体发动机推进剂药柱三维应力监测需求。因此，研制兼具模量匹配与空间解耦能力的新型柔性三维应力传感器，对固体发动机推进剂药柱结构健康监测与提升国防装备的安全性与可靠性具有重要意义。

5、相近的技术方案如下：

6、发明专利cn108151925b“基于压电材料的混凝土平面动应力传感器”中，公开了一种基于压电材料的平面动应力传感器，其特征在于包括：立方体传感器基体、经过防水绝缘处理的伸缩型和剪切型压电材料片、屏蔽导线与接头、以及小钢片；所述伸缩型压电材料片通过粘接材料固定在传感器基体的四个侧面中两个相互垂直的面上；所述剪切型压电材料片通过粘接材料固定在传感器基体的四个侧面中另两个相互垂直的面上；所述伸缩型和剪切型压电材料片通过屏蔽导线与接头连接，所述接头与数据采集系统连接；所述小钢片通过粘接材料固定在伸缩型和剪切型压电材料片的外侧面。本发明所要解决的主要技术问题是提供一种结构简单，体积小，制作工艺简单，与混凝土具有良好相容性，基于压电材料的混凝土平面动应力传感器。

7、发明专利cn121703211b“一种柔性嗅觉/触觉双功能传感器及其制备方法”中，公开了一种柔性嗅觉/触觉双功能传感器及其制备方法，所述柔性嗅觉/触觉双功能传感器包括：上电极、下电极以及位于上电极和下电极之间的压敏传感件和气敏传感件；压敏传感件包括一个柔性立方体，气敏传感件包括四个柔性侧板；四个柔性侧板两两对称固定在柔性立方体的四个侧面，并合围成一个与柔性立方体配合装配的立方体空间区域；上电极和下电极分别与柔性立方体和柔性侧板的底面和顶面电连接。本发明实现了气体与压力的双功能精准检测，解决现有柔性传感器功能单一，多功能集成时信号串扰严重，柔性场景下结构稳定性不足的问题，满足柔性电子皮肤、可穿戴设备等对轻量化双功能感知的需求。

8、发明专利cn119986479a“一种三维电场矢量和磁场矢量测量装置”中，公开了一种三维电场矢量和磁场矢量测量装置，涉及电磁场测量技术领域。该装置包括电场感测单元和磁场感测单元；所述电场感测单元包括第一立方体结构以及分别设置在所述第一立方体结构各表面的电容器极板，以使得处于相对表面的两电容器极板形成电场电容器；所述磁场感测单元包括第二立方体结构以及分别设置在所述第二立方体结构各表面的磁场传感器，处于相对表面的两磁场传感器互为对称设置且相对表面的两磁场传感器的敏感轴指向相反方向。本发明通过电场感测单元、磁场感测单元得到三个正交方向上的三维磁场强度和电场强度；且测量精度高，不易受环境温度影响。

9、发明专利cn221802930u“一种惯导用数据采集装置”中，公开了一种惯导用数据采集装置，包括：电路板组件，包括多个电路板，多个电路板通过柔性连接线电连接在一起，电路板上设置有传感器、处理器和rs422收发器，处理器用于对传感器输出的数据进行采集，rs422收发器用于将处理器采集得到的数据输出；安装架，为立方体结构，多个电路板安装在安装架的外侧面上，电路板安装在安装架上后，设置有传感器的电路板分别位于安装架上不同轴向的侧面。本技术的多个电路板可以安装在安装架上形成立方体结构，因此多个传感器可以形成一个整体，不但节省了安装传感器的时间，而且多个传感器集中在一起后采集的数据也能通过同一个线缆输出，方便了数据的采集和传输。

10、发明专利cn121632397a“柔性共形压电式多维力传感器”中，公开了一种柔性共形压电式多维力传感器，包括感知器及读出电路，感知器包括压电薄膜和设于压电薄膜上的电极面阵，在电极面阵中，通过采用差分串联结构（用于检测偏转力）与积分并联结构（用于检测轴向力）相结合的仿生设计，在感知层面实现了传感器对多维力分量的原位自解耦。通过串联差分结构解耦弯曲应变梯度，有效抑制共模噪声干扰并隔离轴向应变，结合并联积分结构对均匀分布的轴向应变进行空间求和，实现在物理结构上多维力解耦与天然阻隔不同维度力之间的串扰；感知器与读出电路近原位连接，降低寄生电容，从而提升信号传输可靠性，显著提高了信噪比与测量精度，降低了对复杂后端调理电路的依赖。

11、发明专利cn117288367a“一种多维力传感器及其测量方法”中，公开了一种多维力传感器及其测量方法，包括弹性体、应变片模块、电路板结构、刚性梁模块和柔性绝缘垫片，所述刚性梁模块连接在所述弹性体之间，所述应变片模块通过应变胶粘剂贴装在所述弹性体的表面，所述电路板结构安装于所述刚性梁模块的内侧底端并与所述应变片模块电性连接，所述柔性绝缘垫片介于弹性体之间。通过使用该发明，能够根据弹性体的形变与阻值变化进行采用差分的方式输出电压，提高传感器输出的稳定性。

12、发明专利cn120252491a “一种柔性超低检测极限宽域液态金属应变传感器” 中，公开了一种柔性超低检测极限宽域液态金属应变传感器，包括液态金属传感电路和柔性基底；其中，液态金属传感电路包括液态金属导线和传感图形；柔性基底用于封装液态金属传感电路；传感图形的拉伸参数包括：横向长度、纵向长度以及图形圆滑度；其中，横向长度指的是传感图形中垂直于拉伸方向的长度；纵向长度指的是传感图形中沿拉伸方向的长度；拉伸方向指的是沿着传感图形的长边的方向；通过调整液态金属导线的宽度或者传感图形的拉伸参数中的任一参数调控液态金属应变传感器的电阻应变的检测极限和传感范围，可以同时兼具超低检测极限和超宽传感范围。

13、上述发明专利仍然存在的问题在于：

14、1、刚性三维力传的核心承载基材属于刚性材料，在面向具有大变形特性的软质药柱或超弹性基体（模量仅为 mpa 量级）进行内嵌监测时，会导致传感器与被测基体发生模量失配。金属体会引发应力场畸变与界面脱粘，无法反映药柱内部的本征力学状态；

15、2、多维柔性传感器（如折纸结构、微阵列或压电式）大多针对开放表面的触觉感知需求设计，解耦方法依赖于开放的自由形变边界，但应用于固体发动机药柱内部时，无法分辨载荷方向且易引发多轴力学耦合敏感，难以满足固体发动机推进剂药柱的嵌入式三维应力测量需求。

16、3、纯液态金属材料的导电通路电阻极低（通常不足1ω），为了避免引线及接触电阻的影响，必须依赖高精度的四线制进行测量，使监测系统难以实现小型化，无法满足发动机多传感器阵列的低功耗、集成化采集需求；另一方面，微流道注入液态金属的制备工艺操作难度高且一致性差，难以实现批量化制造，且纯液态金属的高表面张力导致其形态稳定性较差，在长期复杂载荷工况下存在泄漏或断路风险。

技术实现思路

1、要解决的技术问题

2、为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种嵌入固体发动机推进剂药柱内的三维应力传感器及制备方法和应用，通过调控液态金属-二氧化硅复合油墨的流变特性，改善了纯液态金属阻抗过低的问题，同时，采用空间正交相对面差分算法，降低了泊松效应引起的共模干扰与多轴力学耦合敏感，实现了固体发动机推进剂药柱内部三维应力的解耦感知与实时监测。

3、技术方案

4、一种嵌入固体发动机推进剂药柱内的三维应力传感器，其特征在于包括立方体基座、立方体基座上的每个面上贴附独立的压敏单元；所述压敏单元采用液态金属基压敏单元，为ecoflex柔性承载基底、图案化导电网络和ecoflex绝缘封装层构成的“三明治”层叠构型，其中与立方体基座贴附的为ecoflex柔性承载基底，ecoflex柔性承载基底上依次为图案化导电网络和ecoflex绝缘封装层；所述图案化导电网络采用尺寸形状一致的图案化导电网络。

5、所述立方体基座采用多面体，包括六面体或八面体结构。

6、所述液态金属基压敏单元采用多边形，包括圆形、三角形、四边形、六边形结构。

7、所述图案化导电网络包括蛇形导电网络、螺旋走线导电网络、分形结构导电网络；尺寸小于ecoflex柔性承载基底和ecoflex绝缘封装层。

8、所述液态金属压敏单元的初始电阻调控至20~40ω区间，克服了纯液态金属阻值<1ω时导致的接触电阻干扰。

9、所述图案化导电网络的走线线0.2mm~0.5mm，线间距2~3mm。

10、一种所述嵌入固体发动机推进剂药柱内的三维应力传感器的制造方法，其特征在于步骤如下：

11、步骤1、液态金属基压敏单元：

12、将1:1 的质量比的ecoflex 硅橡胶的a胶与b胶搅拌混合均匀，得到ecoflex预聚液，其中a胶为基础聚合物，b胶为交联剂；

13、将ecoflex预聚液注入压敏单元模具中，真空干燥去除ecoflex预聚液中的气泡，然后低温固化，脱模后制得ecoflex柔性基底层；

14、将丝网印刷钢网与ecoflex柔性基底层贴合，钢网镂空图案设计的图案化导电网络；将液态金属与二氧化硅sio2颗粒共混的复合油墨匀速刮涂丝网印刷钢网上并沉积于ecoflex柔性承载基底，揭去钢网后在基底上得到轮廓清晰的图案化导电网络；

15、再刮涂ecoflex预聚液，将恒温加热固化，制得 ecoflex 绝缘封装层；

16、将铜漆包线的裸露端放置在图案化导电网络图案末端的电极上，将其覆盖于铜导线与液态金属的搭接处上方；在该区域涂抹少许未固化的ecoflex预聚液作为结构粘接剂，将整体放置于恒温加热台上固化，使铜线、电极与底层基底形成牢固连接，防止引线脱落；

17、由此得到ecoflex柔性承载基底、图案化导电网络和ecoflex绝缘封装层构成的“三明治”层叠构型液态金属基压敏单元；

18、步骤2、三维应力传感器：

19、将pdms与固化剂按10:1的质量比搅拌均匀，真空脱泡处理，得到pdms预聚液；所述pdms采用硅橡胶或氟橡胶替代；

20、将pdms预聚液注入正方体模具中，真空干燥箱固化完全后脱模，得到pdms弹性立方体基座；

21、在pdms立方体的六个正交表面涂抹一层未固化ecoflex预聚液作为界面粘接剂，在立方体正交表面附于液态金属基压敏单元，同时控制所有压敏单元的外延引线区朝向立方体的非受力干涉区域；整体低温固化，完成嵌入式三维应力传感器；

22、ecoflex预聚液的恒温加热60~70℃加热固化20~30min；pdms固化温度为65~75度，固化时间3~4h。

23、所述复合油墨通过改变二氧化硅颗粒的粒径或改变液态金属与二氧化硅sio2颗粒的比例，能够调控液态金属压敏单元的初始电阻；所述二氧化硅粒径5至50微米；所述液态金属与二氧化硅sio2颗粒的比例中二氧化硅sio2颗粒的质量分数范围为1wt%~5wt%。

24、利用注射器将ecoflex预聚液注入压敏单元模具中，利用注射器将pdms预聚液注入预先正方体模具中；所述丝网印刷钢网的厚度为0.2mm；所述刮涂ecoflex预聚液的厚度为 0.5mm。

25、一种所述嵌入固体发动机推进剂药柱内的三维应力传感器的使用方法，其特征在于：在固体发动机推进剂药柱的浇灌过程中，将三维应力传感器置于药液中，三维应力传感器在完全内嵌于药柱内；六个蛇形导电网络的电极引线成对引出，并标注成对引线与某个蛇形导电网络一一对应；多通道电路采集多个传感器通道的初始空载电阻和受力载荷节点下的有效电阻数据，固体发动机推进剂药柱承受的载荷经分力结构被合理分配至传感器z+与x-两侧的基体上，构建出偏置复合受力环境，读取当前压强下的稳态传感器电阻值，多个正交面压敏单元形成的空间差分感知模型实现。

26、有益效果

27、本发明提出的一种嵌入固体发动机推进剂药柱内的三维应力传感器及制备方法和应用，包括立方体基座、立方体基座上的每个面上贴附独立的压敏单元；所述压敏单元采用液态金属基压敏单元，为ecoflex柔性承载基底、图案化导电网络和ecoflex绝缘封装层构成的“三明治”层叠构型，其中与立方体基座贴附的为ecoflex柔性承载基底，ecoflex柔性承载基底上依次为图案化导电网络和ecoflex绝缘封装层；所述图案化导电网络采用尺寸形状一致的图案化导电网络。.

28、本发明提出的三维应力传感器，通过空间正交差分构型设计，结合液态金属-二氧化硅复合油墨配置，突破了现有的多维力传感器感知维度单一、结构刚度失配、系统负载度高等问题。三维应力传感器压敏单元在0~100kpa量程内具有良好的线性响应，最大非线性误差为8.29%，灵敏度为0.024kpa-1；在单轴载荷测试中，三维应力传感器主承载相对面单元展现出高度一致的线性响应，提取出的差分信号等效灵敏度为0.0113 kpa-1；最后，本发明设计了以stm32微控制器和高精度24位adc为核心的多通道硬件采集电路，开发了基于python和pyqt5的前后端分离多线程上位机软件，实现了多通道信号采集。