基于聚酰亚胺的柔性湿度传感器制备及研究.pdf

2024 年第 4 期仪 表 技 术 与 传 感 器Instrument Technique and Sensor收稿日期:2023-08-30基于聚酰亚胺的柔性湿度传感器制备及研究张海力1,2,谢光忠3,刘太君2,代 静31.宁波大学信息科学与工程学院;2.浙江纺织服装职业技术学院物联网应用技术研究院;3.电子科技大学光电科学与工程学院 摘要:文中以聚酰胺酸(PAA)为前驱体,通过热处理工艺可得聚酰亚胺(PI)薄膜,添加氧化石墨烯(GO)合成 PI/GO 复合薄膜及后续电极制备得到基于聚酰亚胺的平行板电容式柔性湿度传感器。在此基础上深入研究了叉指电极式和平行板式构型、PAA 旋涂转速、PAA 酰亚胺化温度、GO 喷涂量对湿度传感器性能的影响,最终得到的湿度传感器具有良好重复性、快速的响应恢复时间,最大湿滞仅为3.8%RH,且具有优异的柔性性能,在可穿戴柔性电子器件领域具有广泛的应用前景。关键词:柔性;湿度传感器;聚酰亚胺(PI);氧化石墨烯(GO);PI/GO 复合薄膜;平行板电容结构;湿敏特性中图分类号:TP212 文献标识码:APreparation and Research of Flexible Humidity Sensor Based on PolyimideZHANG Haili1,2,XIE Guangzhong3,LIU Taijun2,DAI Jing31.Faculty of Electrical Engineering and Computer Science,Ningbo University;2.Institute of IOT Application Technology,Zhejiang Fashion Institute of Technology;3.School of Optoelectronic Science and Engineering,University of ElectronicScience and Technology of ChinaAbstract:In this study,polyamide acid(PAA)was used as the precursor,polyimide(PI)films can be obtained by heat treatment processes,and then graphene oxide(GO)was added to synthesize PI/GO composite film to obtain a polyimide-based parallel plate capacitive flexible humidity sensor.On this basis,the effects of interdigital electrode and parallel plate configura-tion,PAA spinning speed,PAA imide temperature and GO spray amount on the performance of the humidity sensor were deeply studied,and the final humidity sensor has good repeatability,fast response and recovery time,maximum hysteresis of 3.8%RH,and excellent flexible performance,which has a wide application prospect in the field of wearable flexible electronic devices.Keywords:flexibility;humidity sensor;polyimide(PI);graphene oxide(GO);PI/GO composite film;parallel plate capacitor structure;humidity-sensitive characteristics0 引言传统的湿度传感器大多以陶瓷、玻璃、硅片等刚性材料作为基底,根据其不同的测湿机理可分为电阻式湿度传感器和电容式湿度传感器。本文主要针对电容式湿度传感器进行制备及研究。随着柔性电子技术的兴起,柔性湿度传感器成为了国内外的研究热点。柔性传感器一般采用的柔性基底有橡胶、聚合物(如聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯等)、纤维素纳米纤维、金属薄膜、碳材料等1-4。聚酰亚胺(PI)作为一种有机高分子聚合物,因其具有无毒、温度适应性强、机械性能好、绝缘性能好及介电损耗低等优势在众多柔性衬底中脱颖而出。此外,PI 的相对介电常数较小,其数值一般不超过 3。而水分子的相对介电常数一般约为 80。两者的相对介电常数差别很大,使得水吸附在 PI 上会使 PI 的相对介电常数较原来相比有很大的变化。因此,PI 可作为柔性湿度传感器电介质湿度敏感材料。常见的 PI 薄膜,如 Kapton 膜,其表面十分光滑,亲水性差,不利于水的吸附。基于此,将 PI 膜作为湿度传感器的敏感材料使用时,将采用将聚酰胺酸(PAA)通过亚胺化的工艺获得。氧化石墨烯(GO)是一种由碳原子组成的材料,其结构类似于石墨烯,两者均呈二维片层结构。但GO 表面上有许多氧原子,这些氧原子可以与碳原子形成羟基(OH)、醛基(HC=O)、羰基(C=O)等官能团。由于这些含氧官能团的存在,GO 对水分子有良好的吸附性。本文采用将 PAA 亚胺化得到的 PI 薄膜作为柔性11 仪 表 技 术 与 传 感 器第 4 期湿度传感器的敏感材料和柔性基底,在 PI 薄膜上印刷电极制得柔性湿度传感器。再进一步将 GO 喷涂于 PI表面,得到改性后的 PI 复合薄膜,接着印刷电极得到基于 PI/GO 的器件。后续对敏感材料进行分析表征,并对柔性湿度传感器的敏感特性、重复性和柔性性能等进行相关测试。1 聚酰亚胺柔性湿度传感器的制备本文制备的柔性湿度传感器采用了叉指电极电容和平行板电容两种结构,其具体的结构示意图如图1 所示。(a)叉指电极电容式(b)平行板电容式图 1 柔性湿度传感器结构示意图1.1 PAA 的旋涂在固含量为 18%的聚酰胺酸(PAA)中,加入溶剂NMP 进行稀释,得到固含量为 15%的 PAA。倾倒适量的 PAA 溶液于洁净玻璃片中心,启动匀胶机进行旋涂。旋涂前转转速为 300 r/min,转动时间 6 s,后转转速为 3 000 r/min,转动时间 20 s。同时作为对比实验设置后转转速分别为 2 000 r/min 和 2 500 r/min 来获得不同膜厚的 PAA。1.2 PI 及其复合薄膜的制备本文采用热处理的方法将 PAA 酰亚胺化获得 PI膜。经过热处理,PAA 分子中的COOH 与NH脱去 H2O 分子形成酰亚胺环(CONCO),从而形成 PI。该过程的化学反应式如图 2。图 2 PAA 脱水环化形成 PI 的化学反应式将旋涂在玻璃基片的 PAA 放入马弗炉中程序升温(如表 1)进行退火处理。表 1 酰亚胺化热处理温度梯度温度/时间/min温度/时间/min308010160200680202003080120820024061203024030120160624028061603028030 将退火处理后的玻璃片放置于盛有超纯水的玻璃培养皿中,并将培养皿放在 60 的加热台上浸泡30 min 后揭下 PI 薄膜。得到的 PI 薄膜为黄色透明状薄膜,且具有一定的柔性,如图 3 所示。(a)样品平直状态(b)样品弯曲展示图 3 通过酰亚胺化制得的 PI 湿敏薄膜样品在 PI 薄膜表面使用喷笔喷涂 GO 溶液,喷涂时间分别为 5 min、10 min 和 15 min,得到 PI/GO 复合薄膜。1.3 柔性湿度传感器的制备将 PI 薄膜平铺于丝网印刷台上,使用导电银胶印刷银叉指电极,这里的叉指电极设计为 5 对,每 1 个叉指的尺寸为 7.5 mm0.2 mm,叉指缝为 0.3 mm。随后在加热台上烘干并通过导电银胶引出电极导线,制备得叉指电极电容式柔性湿度传感器。在 PI 薄膜的一个表面印刷一整块的方形平板电极,烘干导电银胶后,再在 PI 薄膜的另一表面印刷多孔网状电极(图 4)。这里的网状电极中设计了按照1111 排列的共 121 个孔洞,每个孔洞的尺寸设计为21 第 4 期张海力等:基于聚酰亚胺的柔性湿度传感器制备及研究 0.5 mm0.5 mm,相邻孔洞间的间距为 0.5 mm。最后,在 PI 薄膜的两面电极处分别用导电银胶引出导线即制备得平行板电容式柔性湿度传感器,制备流程见图 5。图 4 印刷有多孔电极的 PI 薄膜样品图 5 PI 湿度传感器制备流程示意图重复上述步骤,在 PI/GO 复合薄膜中有 GO 纳米片附着的一面印刷多孔电极,如图6 所示,以便水分子能透过多孔电极直接与薄膜粗糙面接触,制备得到平行板电容式基于 PI/GO 复合薄膜的柔性湿度传感器,制备流程如图 7。图 6 印刷有多孔电极的 PI/GO 复合薄膜样品图 7 PI/GO 复合薄膜湿度传感器制备流程示意图2 聚酰亚胺柔性湿敏薄膜的材料表征2.1 PAA 和 PI 的傅里叶变换红外光谱(FT-IR)表征傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy,FT-IR)是一种傅里叶变换计算方法与红外光谱相结合的材料分析方法5-7。对未经热处理PAA 和酰亚胺化时热处理最高温度分别为 160、200、240、280 的 PI 薄膜进行 FT-IR 检测。从图 8 和图 9中可知,PAA 的 FT-IR 曲线在 28603 200 cm-1范围内出现了COOH 和NH2的特征峰,在 1 510 cm-1附近有 CNH 的特征峰。而在经不同温度热处理后的样品 FT-IR 曲线中,2 8603200 cm-1出现的COOH特征峰逐渐消失,在 1 710 cm-1附近和 1 770 cm-1附近出现了酰亚胺 结 构 中 典 型 的 C=O 特 征 峰,在1 615 cm-1、1 510 cm-1、1 417 cm-1处,苯环碳原子结构的特征峰也显现出来。此外,当热处理最高温度达到 280 时,PAA 的羧基和酰胺基成环程度较高,即进行了较为彻底的酰亚胺化。图 8 PAA 的 FT-IR 谱图图 9 不同热处理温度 PI 薄膜的 FT-IR 谱图2.2 PI/GO 复合薄膜的扫描电子显微镜(SEM)表征为选择合适的薄膜制备工艺,现对纯净 PI 薄膜和在 PI 薄膜表面涂敷了 GO 的薄膜(喷涂 5 min、喷涂10 min、喷涂 15 min 和浸泡 GO 溶液)进行 SEM 表31 仪 表 技 术 与 传 感 器第 4 期征。图 10(a)是纯净 PI 的 SEM 图,可以明显看到其表面相对光滑无杂质;图 10(b)是在 PI 表面喷涂 5 min GO 后的图,这时薄膜表面不再光滑,而在表面覆盖了一定量的氧化石墨烯片层;图 10(c)为 PI 表面经过10 min 的 GO 喷涂后,氧化石墨烯的片层状堆叠现象变得更加明显,薄膜表面变得更加粗糙;图 10(d)将GO 喷涂 15 min 后,可以看出薄膜表面相较于喷涂10 min 的表面无明显形貌差异,表明此时的氧化石墨烯片层的堆叠现象已达饱和,不会随着喷涂 GO 时间和量的增加而有所变化,表明其比表面积也不会显著增大;从图 10(e)中观察到通过浸泡法的得到的 PI 复合薄膜表面不均匀,表明未能成功地吸附氧化石墨烯片层。所以,为得到表面均匀分布的 PI/GO 复合薄膜,在薄膜的制备时应选择喷涂工艺。3 PI 柔性湿度传感器的性能测试对湿度传感器进行湿敏测试时,需要营造不同的湿度环境,实验室常用的测试方法有鼓泡法和饱和盐溶液法。因饱和盐溶液法操作简单,成本低且易于复现,本文选用饱和盐溶液法来进行后续测试。本文使用的饱和盐溶液 分 别 为 LiCl、MgCl2、K2CO3、NaBr、NaCl 和 KCl,可从低到高提供 17.5%、36.4%、47%、58.2%、77.9%、90.8%这 6 个相对湿度值。湿度传感器测试系统由温度湿度计、6 种饱和盐溶液、LCR 测试仪和 AT281X 数据采集软件 4 部分组成。温度湿度计可用于同步监测测试环境的实时湿度;LCR 测试仪用于测量湿度传感器在不同湿度下的电容值,测试频率设定为 1 000 Hz;AT281X 数据采集软件可对数据进行采集存储。3.1 湿度传感器的性能影响因素聚酰亚胺柔性湿度传感器的湿敏性能受到很多因素的影响。本文主要根据制备工艺对传感器的结构、PAA 的旋涂转速、PAA 的酰亚胺化温度及 GO 对PI 的影响进行了研究。3.1.1 叉指电极式和平行板式传感器的湿敏特性为提高湿度传感器的湿敏性能,需选择合适的传感器结构。现对制备好的叉指电极电容式与平行板电容式柔性湿度传感器进行对比测试。将传感器按LiCl、MgCl2、LiCl、K2CO3、LiCl、NaBr、LiCl、NaCl、LiCl、KCl 的顺序依次交替放置于不同饱和盐溶液瓶中,2 种结构的传感器湿度动态响应曲线如图 11 所示。从图 11 中可以清楚地观察到叉指电极电容式传感器相较于平行板电容式传感器的响应/恢复时间更短,灵敏度更高,原因是叉指电极式与空气的接触面(a)未喷涂(b)喷涂 5 min(c)喷涂 10 min(d)喷涂 15 min(e)浸泡 GO 溶液图 10 不同 GO 喷涂量下的 PI 薄膜 SEM 图41 第 4 期张海力等:基于聚酰亚胺的柔性湿度传感器制备及研究(a)平行板式电容(b)叉指电极式电容图 11 PI 湿度传感器动态响应曲线积大,易于吸湿与脱湿。但其在一定的湿度环境下电容不太稳定,有较大的波动原因是叉指电极两电极之间的空气会产生寄生电容。基于此,本文采用输出性能更加稳定的平行板电容式柔性湿度传感器进行后续研究。电容式湿度传感器的响应度定义如式(1):Response=CH-C0C0100%(1)式中:CH为在某个湿度值下的电容值;C0为初始电容值,这里表示传感器处于 LiCl 饱和盐溶液中的电容值。将传感器的响应度-相对湿度关系通过最小二乘法进行线性拟合,得到的结果如图 12 所示。从图中看出,传感器在相对湿度为 17.5%90.1%的范 围 内 线 性 度 良 好,为 0.952 06,灵 敏 度 为0.647 12。3.1.2 不同 PAA 旋涂转速的传感器湿敏特性为获得合适的薄膜制备工艺参数,在玻璃基片上对 PAA 的旋涂转速进行了测试研究。设置前转转速是为了使材料在玻璃片上尽可能平铺开来。对于薄图 12 PI 湿度传感器响应度-相对湿度关系图膜的厚度起决定作用的是匀胶机的后转转速。从理论上来说,匀胶机的转速越大,涂敷在玻璃片表面的材料厚度越薄。制成的薄膜均在 250 的退火温度下进行酰亚胺化,从而得到 PI 薄膜。采用 MPO 测厚仪对薄膜的厚度进行测量,其结果如图 13 所示。(a)2 000 r/min(b)2 500 r/min(c)3 000 r/min图 13 不同旋涂转速所得的膜厚51 仪 表 技 术 与 传 感 器第 4 期从图 13 中看到后转转速为 2 000 r/min 下形成的膜厚 为 21.4 m,2 500 r/min 下 形 成 的 膜 厚 为15.3 m,3 000 r/min 下形成的膜厚为 11 m,这与理论的判断相一致。将不同厚度的 PI 薄膜印刷平行板电极后制备成为相同规格的柔性湿度传感器进行测试,测试结果如图 14 所示。可以看出在相对湿度为 17.5%90.1%的范围内转速从 2 000 r/min 增大到 3 000 r/min,湿度传感器的电容变化也随着增大,即传感器的湿度响应增加。因此,选用后转转速为 3 000 r/min 的 PI 薄膜进行研究。图 14 不同旋涂转速 PI 的湿敏特性曲线3.1.3 不同 PAA 酰亚胺化温度的传感器湿敏特性PAA 酰亚胺化的程度决定了 PI 分子结构上极性官能团的数量,影响水的吸附能力,从而影响薄膜的湿敏性能。为得到较好湿敏性能的薄膜,现对 PAA 酰亚胺化最佳温度进行研究。对在同种旋涂参数(前转转速为 300 r/min,后转转速为 3 000 r/min)下完成的PAA 设置 160、200、240、280 这 4 种最高热处理温度,后续操作不变,对制得的4 种湿度传感器的湿敏特性进行测试,结果如图 15 所示。图 15 不同亚胺化温度的 PI 湿敏特性曲线由测试结果可以看出,在 17.5%90.1%的相对湿度范围内,随着温度从160 到280,湿度传感器的电容变化逐渐减小,即传感器的湿度响应逐渐降低。热处理温度越低,灵敏度越大。但还需考虑在制备过程中 PAA 固化成膜的稳定性,过低的热处理温度无法保证所得 PI 薄膜的机械性能,甚至无法保证每次制备实验的复现性。为使薄膜得到较好的灵敏度和保证良好的机械性能,以及展示出稳定的实验复现性,最终选择 240 左右作为亚胺化最佳热处理温度。3.1.4 GO 对传感器湿敏特性的影响为增强 PI 薄膜的亲水性,提高薄膜的湿敏性能,从上面的研究中得知 PAA 酰亚胺化温度不可以无限降低,因此将 GO 通过喷涂工艺涂敷于 PI 薄膜表面来提升亲水性,并通过测试探究薄膜获得最佳湿敏特性时 GO 的喷涂量。对 GO 喷涂时间为 5、10、15 min 的样品与纯净 PI 薄膜样品依次放在 6 个饱和盐溶液瓶中下进行测试对比,测试结果如图 16 所示。图 16 不同 GO 喷涂量的 PI/GO 薄膜湿敏特性曲线从测试结果可以看出,喷涂 GO 5 min 的样品相较于未喷涂的纯净 PI 样品灵敏度增加,喷涂 10 min 后灵敏增加程度变缓,喷涂 15 min 后灵敏度几乎与喷涂10 min 相一致。由此,选择在 PI 上喷涂 GO 的时间为10 min 作为制备 PI/GO 复合薄膜的 GO 喷涂标准。3.2 基于 PI 及 PI/GO 复合薄膜的传感器湿敏性能上述已对薄膜制备工艺相关参数进行了研究,现根据确定好的工艺参数制备出的 PI 薄膜及 PI/GO 复合薄膜进行一系列湿敏相关测试。3.2.1 重复性及响应时间将制备好的 PI 湿度传感器反复多次地交替伸入LiCl 与 KCl 饱和盐溶液瓶中,得到其动态响应曲线,如图 17 所示。从图 17 中可以看到,3 次高低湿环境切换时响应曲线基本保持一致,说明 PI 柔性湿度传感器拥有良好的重复性,响应时间约为54 s,恢复时间约为92 s。将基于 PI/GO 复合薄膜的湿度传感器按 LiCl、MgCl2、LiCl、K2CO3、LiCl、NaBr、LiCl、NaCl、LiCl、KCl 的顺序依次放入饱和盐溶液瓶中,图18 为复合薄膜的动61 第 4 期张海力等:基于聚酰亚胺的柔性湿度传感器制备及研究 图 17 PI 湿度传感器重复性测试曲线态响应曲线,与图 16 中 PI 薄膜做对比,在相同的湿度条件下,PI/GP 复合薄膜有更高的灵敏度与更短的吸湿时间,说明 GO 可增加薄膜的湿敏特性。图 18 PI/GO 复合薄膜动态响应曲线3.2.2 湿滞回线与回差将传感器先按从低湿环境(LiCl 溶液)到高湿环境(KCl 溶液),再从高湿到低湿的顺序依次放置于饱和盐溶液中,得到 PI 柔性湿度传感器的湿滞回线,见图 19。将其进行计算得知其最大湿滞约为 3%RH,说明在 PI 薄膜在高湿环境转换为低湿环境时,水分子的吸附与脱附也十分迅速。图 19 PI 湿度传感器湿滞回线同理得到 PI/GO 复合薄膜湿度传感器的湿滞回线如图 20,最大湿滞为 3.8%RH,相较于纯 PI 薄膜有所增大。图 20 PI/GO 湿度传感器湿滞回线3.2.3 柔性弯曲性能对于柔性湿度传感器,柔性性能是判断该传感器性能好坏的重要指标。现对 PI 湿度传感器弯曲 1 000次,用 LCR 测试仪连接传感器,实时采集弯曲过程中的电容值。如图 21 所示,在弯曲的全过程中,所测得的最大电容与最小电容之差为 5.5 pF。弯曲 1 000 次以后,电容值较弯曲前仅变化了0.45 pF,可认为 PI 湿度传感器的电容值在弯曲之后几乎没有改变。弯曲结束后,对该传感器与未经弯曲的传感器作对比测试,测试结果如图 22 所示。图 21 PI 柔性湿度传感器弯曲 1000 次时电容变化图 22 弯曲前后的湿敏特性曲线由测试结果明显可见,经过 1 000 次弯曲的传感71 仪 表 技 术 与 传 感 器第 4 期器和未经弯曲传感器湿敏特性曲线有很高的重合度,说明弯曲与否对该柔性湿度传感器的湿敏性能几乎无影响,即具有优异的柔性性能。基于此,该柔性湿度传感器在可穿戴柔性电子器件领域具有广泛的应用前景。4 机理分析本文所制备的湿度传感器示意图如图23 所示,水分子透过薄膜网状电极的孔洞,到达 PI 湿敏薄膜。图 23 网状电极湿度传感器水分子的吸附由于水拥有着与 PI 相比较大的介电常数,水与PI 薄膜混合后会使 PI 薄膜的介电常数发生明显的变化。由 n 种物质混合而成的混合物的相对介电常数计算方法8为r=(ni=1Vii13)3(2)式中:Vi为物质 i 在混合物中的体积占比;i为物质 i的介电常数。所以对于吸湿后的 PI 薄膜与水的混合物,易知其相对介电常数为r=VWW13+(1-VW)P133(3)式中:VW为水在整体湿敏介质中的占比;W和 P分别为水和 PI 的相对介电常数。可通过 Schibata 等9给出的经验公式得:VW=0.040 4H0.858 8(4)式中 H 表示 PI 湿敏薄膜所处环境的相对湿度。将式(4)代入式(3)中,并将 W取值为 80,P取值为 3,整理可得理论上湿敏薄膜相对介电常数与相对湿度的关系式:r=(0.115 8H0.858 8+1.442 3)3(5)将式(5)表示的关系可绘制为如图 24 所示的曲线图。从上述曲线可以明显看出 PI 薄膜的相对介电常数与相对湿度之间几乎成线性关系。同时,该平行板电容结构的传感器本质上为一个平板电容器,则其应符合平板电容器计算公式:图 24 PI 湿敏薄膜相对介电常数随湿度变化关系理论曲线C=0rSd(6)从图 24 的曲线可知,PI 薄膜在环境中相对湿度变化时,其相对介电常数也会随之变化,且呈线性关系。根据式(6),相对介电常数变化必然会引起电容C 变化,且两者也呈线性关系。因此,便可知环境中相对湿度发生变化,体现在湿度传感器上就是其电容随之线性变化。对于 PI/GO 复合薄膜会提高湿度传感器的湿敏性能,这是因为一方面 GO 的引入会使原本较为光滑平整的表面变得粗糙,薄膜的比表面积增大,活性位点增多,有利于水分子的吸附。另一方面,GO 中的羟基和羧基等含氧官能团同样有利于吸附水。因此,PI/GO 复合薄膜较纯 PI 薄膜湿敏性能得到了提升。5 结束语本文主要研究了基于聚酰亚胺(PI)的电容式柔性湿度传感器。采用聚酰胺酸(PAA)作为前驱体,退火处理得到 PI 薄膜,再喷涂 GO 得到 PI/GO 复合薄膜。研究了传感器的结构、PAA 旋涂转速、PAA 退火温度及 GO 喷涂时间对传感器湿敏性能的影响,确定了 PAA 的旋涂转速为 3000 r/min,亚胺化热处理温度为 240,GO 喷涂时间为 10 min 的具有最佳湿敏特性的平行板电容式柔性湿度传感器。该传感器的湿敏响应具有良好的线性度(0.952 06),响应/恢复时间约为54 s/92 s,湿滞为 3%RH,表现出良好的重复性。进行1 000 次反复弯曲后,该器件的湿敏性能并未下降,说明该传感器在保证湿敏性能的同时也具有良好的可弯曲性和柔性,在柔性电子器件领域拥有广阔的应用前景。参考文献:1 雷宇曜,孙朋朋,吴青坡,等.不同使用条件压力表适当检定周期的确定J.工业计量,2021,31(2):26-30.2 GAGGE L G A P,STOLWIJK J A J,SALTIN B.Comfort and thermal sensations and associated physiological responses during exercise at various ambient temperaturesJ.Aca-demic Press,1969,2(3):1-20.(下转第 47 页)81 第 4 期徐奥迪等:集成式轴承状态实时监测系统设计 表 1 转速测试数据测试点标定值/(rmin-1)测试值/(rmin-1)相对误差/%0 0 0 01134134021 0281 0290.09732 3102 310043 4703 4710.02954 5234 5210.04465 5265 5240.03676 5426 5400.03187 5617 5590.02698 5568 5540.023109 0249 0230.0115 结束语针对航空发动机高速轴承状态的实时监测的需求,本文解决了传统电涡流传感器感应探头与前置器必须一一对应配套才能正常使用的问题,集成设计了IEPE/射频信号单元完成电涡流传感器和 IEPE 传感器的工作激励,根据实际传感器原始信号电压幅度的差异,通过上位机可调增益放大与可选通道输入量程实现传感器与监测系统的输入匹配,利用高频反射式电涡流转速传感器实现了轴承转速 09 000 r/min 高精度采集与在线实时显示,同时利用三轴压电式振动传感器实现振动的实时监测,形成了高速轴承状态在线实时监测系统。结果表明全量程范围内其测量误差小于 0.1%,且能够满足实时性要求,监测系统采用模块化设计方法,具有比较强可扩展性和适用性。参考文献:1 XU F,HUANG Z,YANG F,et al.Constructing a health indi-cator for roller bearings by using a stacked auto-encoder with an exponential function to eliminate concussion J.Applied Soft Computing,2020,89:106119.2 JIN X,CHEN Y,WANG L,et al.Failure prediction,monitor-ing and diagnosis methods for slewing bearings of large-scale wind turbine:A review J.Measurement,2021,172:108855.3 徐立晖,罗勇水,何俊尉,等.载荷、温度和转速对轴承油膜厚度及寿命的影响J.机电工程,2022,39(7):955-960.4 张文涛,孔昊.带封油边滑动轴承转速对其润滑性能的影响研究J.机械传动,2020,44(10):124-128.5 朱永生,张盼,袁倩倩,等.智能轴承关键技术及发展趋势J.振动.测试与诊断,2019,39(3):455-462.6 郁文君,潘理卿,张杰.多通道数据采集与分析系统设计J.工业仪表与自动化装置,2023,291(3):22-26.7 姜晶,张宪,李宝生,等.耐高温转速传感器设计J.传感器与微系统,2019,38(9):88-89.8 徐磊,房立清,齐子元,等.基于 MEMS 加速度传感器的振动加速度测量系统设计J.仪表技术与传感器,2019(2):18-21.9 徐科繁,刘喆,姜海燕,等.基于振动和声发射的滚动轴承故障诊断技术J.热能动力工程,2022,37(12):157-164.10 王延忠,贾彦蓉,鄂世元,等.基于机器视觉的滚动轴承振动检测方法J.机电工程技术,2023,52(4):10-15.11 张琦,王洪斌,姜睿,等.基于激光多普勒测振的叶片振动特性试验J.航空发动机,2022,48(1):76-82.作者简介:徐奥迪(1997),硕士研究生,主要研究方向为仪器仪表工程。E-mail:xuaodiw 通信作者:李晨(1987),教授,博士,主要研究方向为极端环境下的动态测试技术及微纳传感器件。E-mail:lichen (上接第 18 页)3NAGANO K,TAKAKI A,HIRAKAWA M,et al.Effects of ambient temperature steps on thermal comfort requirementsJ.International Journal of Biometeorology,2005,50:33-39.4 KHAN S,RASHEED A,MARWAT M U,et al.Portable tele-health aggregation manager:A novel approach for remote health monitoringC.2014 4th International Conference on Engineering Technology and Technopreneuship(ICE2T).IEEE,2014:309-313.5 MADEJOVA J.FTIR techniques in clay mineral studiesJ.Vibrational Spectroscopy,2003,31(1):1-10.6 SNYDER R W.FTIR studies of poly imides:thermal curingJ.Macromolecules,1989,22:4166-4172.7 王宏远,印杰,王晓瑞,等.脂环族聚酞亚胺的性能研究J.高分子材料科学与工程,1997,13(1):83-87.8 SCHUBERT P J,NEVIN J H.A polyimide-based capacitive humidity sensor J.IEEE Transactions on Electron Devices,1985,32(7):1220-1223.9 SHIBATA H,ITO M,ASAKURSA M,et al.A digital hygrometer using a polyimi film relative humidity sensor J.IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,1996,45(2):564-569.作者简介:张海力(1978),博士研究生,主要研究领域为微波传感器、柔性传感器和智能可穿戴系统。E-mail:158936225 谢光忠(1968),教授,博士,主要研究领域为敏感材料与传感器。E-mail:gzxie 74