用于腐蚀监测的电阻探针的制作方法

1.本公开涉及环境监测领域，特别涉及一种用于腐蚀监测的电阻探针。


背景技术：

2.金属材料的自然环境腐蚀进程一般比较缓慢，腐蚀现象短期内不明显，不易被人们察觉，而随着腐蚀的日积月累，一旦腐蚀程度达到临界值，材料或构件将发生剧烈的性能衰退，往往会引发重大的安全事故和经济损失。
3.为了避免金属材料因腐蚀而引发的经济损失和安全事故，就需要通过合理的腐蚀监测方法实时或定时监测材料或设备在使用过程中的性能变化，总结材料腐蚀变化规律，及时更换或报废性能即将失效的材料或设备，在事故发生前夕进行有效遏制，降低由材料腐蚀引发的经济损失。
4.电阻探针腐蚀监测是目前主要的腐蚀监测手段，由于金属腐蚀后的产物多为不导电，因此金属在腐蚀的过程中随着腐蚀产物的产生，其可通电的横截面积将逐渐减小，电阻值增大。电阻探针即是利用这一原理，通过测量探头金属部分因腐蚀而引起的阻值变化，进而推导金属的腐蚀损耗和腐蚀速率。
5.然而，在自然环境腐蚀监测中大气腐蚀对于电阻探针的精度要求是最高的，原因在于温度对于电阻探针的阻值是有影响的，在一定温度范围内，金属电阻率与温度呈正比的线性关系。而在大气腐蚀检测的过程中电阻探针的测试部分和参考部分的温度会受到光照、风吹、环境温度骤变等因素的影响，导致测试部分的温度升高或降低，而参考部分的温度则仍然保持在原来状态，进而造成温差的出现，阻值也出现更大的变化，使得检测出的数据存在较大误差。


技术实现要素：

6.本公开的目的之一在于降低电阻探针腐蚀监测的检测误差，提高腐蚀监测的检测精度。
7.本公开的目的之一在于提高电阻探针的均温性。
8.根据本公开的一方面，提供一种用于腐蚀监测的电阻探针，该电阻探针包括：探针基板，金属探针，通过导热绝缘材料固定在所述探针基板上，所述金属探针的第一部分暴露，所述金属探针的第二部分被所述导热绝缘材料覆盖，所述金属探针与所述探针基板电绝缘，其中，所述探针基板的导热系数大于或等于2w/mk。
9.根据本公开的实施例，所述导热绝缘材料的导热系数可大于或等于2w/mk。
10.根据本公开的实施例，所述导热绝缘材料可包括环氧树脂、硅胶和硅脂中的至少一种。
11.根据本公开的实施例，所述探针基板可包括导热承载板，所述电阻探针还可包括绝缘片，所述绝缘片可设置在所述金属探针和所述导热承载板之间，所述绝缘片的导热系数可大于或等于15w/mk。
12.根据本公开的实施例，所述绝缘片可设置在所述探针基板的定位槽中。
13.根据本公开的实施例，所述绝缘片可通过导热硅胶设置在所述定位槽中。
14.根据本公开的实施例，所述绝缘片可为陶瓷片，所述绝缘片的厚度可小于或等于0.5mm。
15.根据本公开的实施例，所述导热承载板可利用平行导热系数和垂直导热系数均大于30w/mk的金属材料或非金属材料制成。
16.根据本公开的实施例，所述导热承载板的材料可为铜，且所述导热承载板的厚度可在13mm至20mm的范围内；或者所述导热承载板的材料可为铝，且所述导热承载板的厚度可在28mm至35mm的范围内。
17.根据本公开的实施例，所述第一部分和所述第二部分可彼此对称设置。
18.根据本公开的实施例的电阻探针可降低成本。
19.根据本公开的实施例的电阻探针可具有较高的安装便利性。
附图说明
20.通过下面结合示例性地示出实施例的附图进行的描述，本公开示例性实施例的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：
21.图1是示出根据本公开的第一实施例的电阻探针的结构的示意图；
22.图2是示出根据本公开的实施例的金属探针的结构的示意图；
23.图3是示出根据本公开的第二实施例的电阻探针的结构的示意图；
24.图4是示出根据本公开的第二实施例的电阻探针的爆炸结构的示意图；
25.图5是根据本公开的实施例的高铝检测数据图；
26.图6是根据本公开的实施例的中铝检测数据图；
27.图7是根据本公开的实施例的低铝检测数据图；
28.图8是根据本公开的实施例的亚克力检测数据图；
29.图9是根据本公开的实施例的中铜检测数据图；
30.图10是根据本公开的实施例的低铜检测数据图。
31.附图标号说明：
32.100：探针基板；110：导热承载板；111：定位槽；120：绝缘片；200：金属探针；300：导热绝缘材料。
具体实施方式
33.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
34.术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
35.在本公开的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，并且涉及数
量的“一个或更多个”或“多个”等的概括为并列概括而非上位概括，并且并列概括的数量均为正整数。
36.在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。
37.对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
38.电阻探针可包括金属探针和探针基板两部分，金属探针通过封装材料封装到探针基板上，探针基板目前均选用绝缘、且耐腐蚀和力学性能良好的亚克力板。
39.金属探针包括裸露的测试部分和未裸露的参考部分，其中，裸露的测试部分与外界环境(例如，空气)接触，未裸露的参考部分通过封装材料覆盖。初始情况下，测试部分和参考部分的电阻可以相同，在使用中，通过比较测试部分和参考部分的阻值之间的变化来检测外界环境(例如，大气)的腐蚀情况。
40.然而，根据本公开的实施例，将目前普通采用的亚克力板或塑料板改成导热材料，并且通过绝缘材料进行绝缘。如此，在使用时，如果外界环境对测试部分温度产生影响，在影响测温部分温度的同时，导热材料的热传导效应也会传递到参考部分上，进而影响参考部分的温度，温度变化对检测部分和参考部分的影响基本相同，因此，检测部分和参考部分间的温差会缩小到较小的范围内，进而实现降低检测误差的效果。
41.现将详细参照本公开的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中，相同的标号始终指的是相同的部件。以下将通过参照附图来说明所述实施例，以便解释本公开。
42.图1是示出根据本公开的实施例的电阻探针的结构的示意图。
43.如图1所示，根据本公开的实施例的用于腐蚀监测的电阻探针包括探针基板100和金属探针200。
44.探针基板100可利用导热材料制成，探针基板100的导热系数大于或等于2w/mk。本公开的探针基板100的导热系数可以为传统探针基板的导热系数的数倍(例如，5倍)，由此可以通过探针基板100将热传递到金属探针200的参考部分，从而缩小金属探针200的检测部分和参考部分的差异，进而实现降低检测误差的效果。
45.作为示例，探针基板100的导热系数可以为2w/mk、3w/mk、5w/mk、10w/mk、15w/mk。
46.探针基板100可以是金属材料或非金属材料，也可以是金属材料和非金属材料的复合材料，只要探针基板100的导热系数大于或等于2w/mk即可。
47.另外，探针基板100包括多个部分时，每个部分之间可通过诸如导电硅胶的导热绝缘材料连接，只要探针基板100的整体导热系数大于或等于2w/mk即可。
48.作为示例，导热绝缘材料的介电常数可大于1。
49.作为示例，探针基板100的材质可以为陶瓷，但不限于此，其他的符合导热系数大于2w/mk、能够形成稳定固体结构、并具有较好耐腐蚀的材质均可以选用。
50.探针基板100可大体具有长方体形状，但不限于此。另外，可以在探针基板100上开设各种孔、槽等辅助性结构。
51.金属探针200可通过导热绝缘材料300固定在探针基板100上，金属探针200的第一部分201暴露，金属探针200的第二部分(未示出)被导热绝缘材料300覆盖，金属探针200与
探针基板100电绝缘。
52.这里，需要说明的是，金属探针200与探针基板100电绝缘是为了防止金属探针200与探针基板100之间形成导电通路，防止在金属探针200的相关位置检测电阻时受到影响。
53.金属探针200与探针基板100电绝缘包括如下三种情况之一或其组合：金属探针200与探针基板100之间填充有导热绝缘材料300，通过导热绝缘材料300实现绝缘；探针基板100的至少与金属探针200接触的部位为绝缘材料；探针基板100整体为绝缘材料；金属探针200与探针基板100之间设置有其他绝缘材料，通过该其他绝缘材料实现绝缘。
54.优选地，导热绝缘材料300的导热系数也可以大于或等于2w/mk(例如，2w/mk、3w/mk、5w/mk、10w/mk、15w/mk)。
55.作为示例，导热绝缘材料300可包括环氧树脂、硅胶和硅脂中的至少一种。
56.可从环氧树脂、硅胶和硅脂中选择一种或两种作为导热绝缘材料300的材料。
57.作为示例，可通过环氧树脂初步密封金属探针200的第二部分之后，再通过硅胶将金属探针200固定在探针基板100上，在通过硅胶将金属探针200固定在探针基板100上时，硅胶可完全或不完全覆盖经环氧树脂初步密封的金属探针200。
58.作为示例，可直接通过硅胶将金属探针200封装或固定在探针基板100上，在直接通过硅胶将金属探针200封装在探针基板100上时，硅胶需完全覆盖金属探针200的第二部分。这里的“覆盖”是指使金属探针200的第二部分不裸露出来。
59.作为示例，可直接通过环氧树脂将金属探针200封装或固定在探针基板100上，在直接通过环氧树脂将金属探针200封装在探针基板100上时，硅胶需完全覆盖金属探针200的第二部分。
60.导热绝缘材料300的至少一部分可位于金属探针200与探针基板100之间，金属探针200与探针基板100可不彼此接触，由此可降低热阻。
61.在金属探针200与探针基板100设置诸如硅胶的导热绝缘材料的情况下，如果金属探针200与探针基板100接触，或者探针基板100影响金属探针200的电阻测量，可以在金属探针200与探针基板100之间另外设置其他导热绝缘部件。
62.图2是示出根据本公开的实施例的金属探针的结构的示意图。
63.金属探针200利用金属材料(例如，金、银、铜、铁、铝等或其合金(例如，钢))制成，并且金属探针200可具有预定电阻值，金属探针200的长度也可通过其长度和/或截面积进行调整。
64.参照图2，金属探针200可呈片状，厚度可以为0.05mm～0.15mm。
65.金属探针200可整体呈蛇形弯折的“m”型结构，其可通过导热绝缘材料300(例如，导热硅胶)封装于探针基板100，并通过导热绝缘材料300将金属探针200的部分封盖形成参考部分，而裸露的部分形成测试部分，其中，参考部分和测试部分的阻值可相同，也可以不同。
66.参照图2，金属探针200的第一部分和第二部分可相对于轴线c对称。
67.其中，导热绝缘材料的导热性越好，电阻探针的均温性也会越好，实际使用中根据实际情况进行选择。
68.作为示例，金属探针200也可呈管状、丝状等。金属探针200的形状不受具体限制。
69.优选地，除了“m”型之外，金属探针200也可以具有“c”型、“w”型、“n”型等，金属探
针200的第一部分和第二部分优选彼此对称设置。如此设置，可以保证第一部分和第二部分的形状、结构以及面积均相同，进而更好的控制两者的发热量一致，从而进一步缩小两者的温差。
70.图3是示出根据本公开的第二实施例的电阻探针的结构的示意图，图4是示出根据本公开的第二实施例的电阻探针的爆炸结构的示意图。
71.参照图3和图4，根据本公开的第二实施例的电阻探针的基本结构与第一实施例的电阻探针的基本结构相同，这里将仅描述两者的差异，相同的部分的描述将被省略或简要描述。
72.根据本公开的第二实施例的电阻探针还可包括绝缘片120。
73.绝缘片120可以为陶瓷基复合材料，例如，绝缘片120可以为陶瓷片，绝缘片120的厚度可以小于或等于0.5mm。如此设置，绝缘片主要是起到绝缘作用，而绝缘的导热材料其导热性能以及使用成本普遍低于金属，因此，其在保证绝缘性的前提下，厚度越小越好。
74.绝缘片120可设置在金属探针200和探针基板100之间，绝缘片120的导热系数可大于或等于15w/mk。在探针基板100与金属探针200之间设置绝缘片120可以在保障绝缘性和较好的导热性的前提下，有效降低生产成本。
75.探针基板100可包括导热承载板110，绝缘片120可设置在金属探针200与导热承载板110之间，导热承载板110可由平行导热系数和垂直导热系数均大于30w/mk的金属或非金属材料制成，其中，出于成本考量，优选铜、银和铝中的一种或多种，其他成本低廉的导热材料也可考虑。
76.探针基板100可利用铜、银、铝等制成，绝缘片120可利用陶瓷基复合材料和导热云母等绝缘性和导热性均优异的材料制成。
77.如此设置，导热系数越高检测误差也就越小，所以选优导热系数越好的材料越优。其中，垂直导热系数是指金属探针厚度方向发生热传导的性能，而平行导热系数是则是与垂直导热系数向垂直方向上的热传导性能，如果采用如石墨烯这类的某一个导热系数较低的材料，则会降低导热承载板的热传导性能，对于检测精度提高有限。
78.另外，导热承载板110的材料可以为铜，且导热承载板110的厚度可在13mm至20mm的范围内。
79.导热承载板110的材料可以为铝，且导热承载板110的厚度可在28mm至35mm的范围内。
80.如此设置，铜、银、铝中铜的成本较低，由于生产成本、使用需求等考虑探针基板的厚度最好在30mm以内，基于此，通过试验知晓使用铜的厚度并非越厚越好，其在13～20mm范围内性能较优。而铝则是厚度越大性能更好，且铜的效果由于铝，因此，使用铜的检测误差最小且成本最低，铝次之。
81.参照图3和图4，绝缘片120可设置在探针基板100的定位槽111中，绝缘片120的端面可具有足以支撑金属探针200的面积，绝缘片120的厚度可大于定位槽111的深度，定位槽111的尺寸可略大于绝缘片120的尺寸，使得在使用诸如导热硅胶等的导热绝缘材料封装时，绝缘片120还能嵌入到定位槽111中。
82.当将金属探针200通过导热绝缘材料(例如，导热硅胶)封装于绝缘片120上时，绝缘片120的面积大于金属探针200，使金属探针200不会与导热承载板110发生接触，或者不
会使金属探针200与导热承载板110之间形成导电通路。
83.设置定位槽111可以在封装时便于对绝缘片进行定位，降低生产难度并提高生产精度。
84.也就是说，绝缘片120可通过导热绝缘材料(例如，导热硅胶)设置在定位槽111中，绝缘片120通过导热绝缘材料粘在定位槽111中，由此可提高绝缘片120的稳定性，并且可提高热传导的效率。
85.下面将简要描述本公开的电阻探针的安装方式，但该安装方式仅是安装本公开的其中一种电阻探针的优选安装方式，安装方式不受具体限制。
86.本公开的电阻探针的安装方法包括以下步骤：
87.s1、选材，根据需要选择导热承载板110、绝缘片120的材质和尺寸、以及金属探针200的厚度和形状；
88.s2、绝缘片120封装，将导热硅胶涂覆到绝缘片120端面或者导热承载板110设有定位槽111的端面上，然后将绝缘片120贴于导热承载板110，使绝缘片120嵌设于定位槽111中。
89.s3、一次整平，通过压板向绝缘片120远离导热承载板110一端的端面施加压力，保持施压直至导热绝缘材料300固化。
90.这里，要求压板的表面平整且面积大于导热承载板110；压板可选用气杆、液压缸或电机等电控设备进行施压，可以实现对施加的压力大小进行设定和控制。
91.s4、探针基板100封装，将导热硅胶涂覆到绝缘片120端面上，再将金属探针200贴于绝缘片120。
92.s5、二次整平，采用和一次整平同样的方式，向金属探针200远离绝缘片120一端的整个端面施加均匀的压力，直至导热硅胶固化。
93.s6、成型，通过导热硅胶将金属探针200的部分封盖形成参考部分，而裸露的部分形成测试部分。
94.如此设置，在两侧封装后进行整平主要是为了使导热硅胶的厚度能够较薄，且较为均匀，从而更好的提高导热性能。
95.下面将描述本公开的电阻探针的均温性检测方法，该均温性检测方法可包括以下步骤：
96.s10，检测电阻，以秒或毫秒为单位间隔，检测出一定时间段内金属探针200的参考部分和测试部分的所有电阻值；
97.s20、数值比较，比较同一时刻参考部分和测试部分的电阻值，通过参考部分/测试部分、或测试部分/参考部分计算出所有的比较值；
98.s30、确定稳定性，取所有比较值中的最大值和最小值，并将最大值和最小值相减得出差值。
99.如此设置，先通过参考部分与测试部分之比或测试部分与参考部分之比，得出参考部分和测试部分两电阻值的关系，而这一比较值的波动则表示均温性的效果，即波动越小，均温性越好。
100.以下以两个具体的检测方法为例进行说明：
101.图5是根据本公开的实施例的高铝检测数据图，图6是根据本公开的实施例的中铝
检测数据图，图7是根据本公开的实施例的低铝检测数据图。
102.如图5至图7所示，为0.1mm厚的金属探针200，分别用高、中、低铝块作为导热承载板110，0.25mm厚度的导热陶瓷作为绝缘片120，在35℃温度不同湿度下进行对比测试的数据图表。
103.其中，数据表的横坐标为时间，纵坐标为参考部分/测试部分所得出的数值；高、中、低铝块的长宽固定，长为123
±
0.1mm，宽为30
±
0.1mm，高、中、低铝块的高分别为30
±
0.1mm、15
±
0.1mm和7.5
±
0.1mm。
104.本次实验，9点50分开始调节，初始温度25℃、湿度71％；调节20分钟后，达到温度35℃、湿度36％。
105.10点10分，开始测试，以1.7秒为单位记录30分钟内参考部分和测试部分的电阻值；10点40分，此时温度34℃、湿度34％，再次调节5分钟，达到温度37℃、湿度59％。
106.10点45分开始继续测试，以1.7秒为单位记录30分钟内参考部分和测试部分的电阻值；11点15分，此时温度36℃、湿度56％，再次调节10分钟，达到温度36℃、湿度71％。
107.11点25分开始继续测试，以1.7秒为单位记录30分钟内参考部分和测试部分的电阻值；11点55分，此时温度36℃、湿度72％，关闭机器的同时保持继续测试115分钟。
108.13点50分，停止测试，此时温度34℃、湿度90％。
109.上述试验测试出的比较值中，高铝最大值约为0.994444、最小值约为0.994407，差值为0.000037；中铝最大值约为1.001101、最小值约为1.001034，差值为0.000067；低铝最大值约为0.99882、最小值约为0.998672，差值为0.000148。
110.由于本实验采用温度保持基本不变动条件下进行，因此可以忽略温度变化的影响。
111.通过上述三个差值比较可以得出，高铝的稳定性约是中铝的1.8倍，高铝的稳定性约为低铝的4倍，中铝稳定性约为低铝的2.2倍。
112.图8是根据本公开的实施例的亚克力检测数据图，图9是根据本公开的实施例的中铜检测数据图，图10是根据本公开的实施例的低铜检测数据图。
113.如图8至图10所示，为0.1mm厚的金属探针200，分别用亚克力作为探针基板100、以及中、低铜块作为导热承载板110、0.25mm厚度的导热陶瓷作为绝缘片120的探针基板100，在温度骤变情况下的对比测试的数据图表。其中，数据表的横坐标为时间，纵坐标为参考部分/测试部分所得出的数值；中、低铜块的长宽固定，长为123
±
0.1mm，宽为30
±
0.1mm，中、低铜块的高分别为15
±
0.1mm和7.5
±
0.1mm。
114.本次实验，10点50分开始调节，初始温度26℃、湿度80％；调节13分钟后，达到温度23℃、湿度40％。
115.11点03分，开始测试，以1.3秒为单位记录30分钟内参考部分和测试部分的电阻值；11点33分，再次调节19分钟，达到温度44℃、湿度36％。
116.11点52分开始继续测试，以1.3秒为单位记录30分钟内参考部分和测试部分的电阻值；12点22分，此时温度46℃、湿度30％，开箱散热并保持测试，以1.3秒为单位记录38分钟内参考部分和测试部分的电阻值。
117.13点00分，停止测试。
118.上述试验测试出的比较值中，亚克力最大值约为1.004799、最小值约为1.002879，
差值为0.00192，温度变化19℃。
119.中铜最大值约为1.002454、最小值约为1.002449，差值为0.000005，温度变化19℃。
120.低铜最大值约为0.996449、最小值约为0.996422，差值为0.000027，温度变化19℃。
121.通过上述三个差值和温度变化之比的比较可以得出，中铜的稳定性约是低铜的5.4倍，中铜的稳定性约为亚克力的383.8倍，低铜稳定性约为亚克力的71.1倍。
122.由此可见，在利用导热性较好的材料替代导热较差的亚克力材料或塑料材料时，可以获得较好的均温性。
123.根据本公开的实施例的电阻探针可用于腐蚀监测，例如，可用于监测大气、海水等等的腐蚀监测。
124.根据本公开的实施例的电阻探针可降低腐蚀监测的检测误差，提高腐蚀监测的检测精度。
125.根据本公开的实施例的电阻探针可提高均温性。
126.根据本公开的实施例的电阻探针可降低成本。
127.根据本公开的实施例的电阻探针可具有较高的安装便利性。
128.虽然已表示和描述了本公开的一些示例性实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本公开的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改，例如，可以将不同实施例的技术特征进行组合(例如，不同实施例中使用的导热绝缘材料可彼此替换，同一实施例的不同部件或不同部位使用的导热绝缘材料可彼此替换)，组合之后的实施例同样是本公开的一部分，本公开的保护范围由权利要求确定。