摘要：氣動閥門已應用于各種工業領域，氣動閥門出現故障將對整個系統的運行造成直接影響，因此對氣動閥門進行在線監測非常必要。目前，對于氣動閥門位移監測的相關研究較少。本文使用溶液浸漬法設計了具有大應變范圍、良好動態反應能力的CNT/TPU柔性應變傳感器，討論了傳感器的傳感機制以及工作原理并對傳感器進行了性能測試。在對氣動閥門位移監測過程中，該傳感器運行穩定。結果表明，該傳感器可以對服役過程中的氣動閥門進行實時相對位移監測。
關鍵詞：CNT;氣動閥門;相對位移;柔性傳感器;監測
隨著航空航天領域的發展，飛行器技術越來越受到人們的關注[1]。飛行器通過內部精密儀器提供準確可靠的位置、速度和高度信息，用于了解和調整飛行時的狀態。因此，對于精密儀器的在線監測也是必不可少的，可以在飛行中準確地判斷精密儀器的損壞，從而及時地避免危險。目前，氣動閥門已經被廣泛使用在航空、石油、電力、化工、冶金等工業領域中，并構成了自動化系統中不可或缺的一部分。但是氣動閥門在使用過程中，由于各種因素的影響下會發生故障，一旦氣動閥門出現故障，將對整個系統的運行造成直接影響，因此對氣動閥門進行在線監測非常必要[2]。
理論上來說，氣動閥門的研究主要集中在產品設計和反饋上。Lambeck等[3]討論了精確線性化控制方法在3/3氣動比例壓力控制閥中的設計和應用。Schmitt等[4]提出了氣動過程控制閥的完全非線性模型，它可以用作開發整個過程的精確控制方案的工具，和/或便于“智能”過程控制閥中控制參數的調整。在方法定位上，氣動閥門的研究主要集中在故障分析和控制優化上。Nogami、Matsui和Karpenko[5-7]使用傳統的神經網絡和多層神經網絡技術來處理閥門傳感器信號，對閥門部件的響應波形進行分類，并做出故障判定和預測。本文的研究主要體現在對于氣動閥門的設計上以及氣動閥門相對位移的監測。
目前，可以應用的傳感器有微納米傳感器、壓電片、光纖傳感器、應變片等。Zhuang等[8]制備了PU/CNT纖維傳感器，用于監測關節運動和面部表情。柴葳等[9]在熱強度試驗中引入了一種可以同步測量溫度和應變的集成光纖傳感器。嚴中穩等[10]設計了一種仿生纖毛MEMS適量流速微傳感器，量程達100m/s、靈敏度可達0.01m/s。鮑嶠等[11]闡述了壓電-導波技術的優勢與現狀。邢博邯等[12]從理論方面對Lamb波在航空結構中小損傷檢測能力及逆行進行研究。而對于閥門位移的監測，閥門之間微小的縫隙以及大變形量，使得傳感器的性能面臨挑戰。
本文針對航空用氣動閥門的特殊結構，設計了一種低成本、易制作的柔性拉伸CNT/TPU傳感器制備方法。以熱塑性聚氨酯彈性體橡膠(TPU)纖維為基材，通過簡單的溶液浸漬法制備了具有良好導電性以及拉阻特性的CNT/ TPU柔性應變傳感器。所制備的柔性傳感器的電阻信號對所施加的機械應變反應迅速，在變形條件下表現出較好的電學性能和力學性能。該傳感器具有150%的應變范圍，良好動態的反應性能。本文將此傳感器置入航空用套閥式氣動閥門間隙中，進行兩套閥結構之間的相對位移監測，保證飛行器氣動閥門的正常服役和運行。
1柔性應變傳感器制備與設計
1.1傳感器制備
如圖1所示，將0.1mm具有高彈性的TPU纖維浸潤到已經制備好的碳納米管懸浮液中，然后將已經濕潤的TPU纖維取出，進行烘干，時間為10min，確保碳納米管能夠附著在TPU纖維中。將這一步驟重復多次，最后從烘箱中取出，即為本研究中最終制備的傳感器。
針對某氣動閥門的特有形式，傳感器的設計長度為50mm，通過0.1mm的導線與傳感器兩端相連，使用膠黏技術將導線與傳感器固定在一起，使用PI膜進行封裝。使用膠黏技術將封裝好的傳感器固定在金屬閥門上，如圖2所示。
1.2傳感器性能測試
圖3顯示了CNT/TPU傳感器的相對電阻與應變的關系。傳感器的最大應變范圍是150%，相對位移最大測量范圍是67mm。此時的相對電阻為100。可將整個拉伸過程分為4個階段。其中第一階段以及最后階段擬合系數均為0.96，靈敏度表示為0.61和1.05。第二階段和第三階段擬合系數為0.72和0.66，靈敏度系數分別為0.74、0.39。這表明，在傳感器的拉伸開始和結束過程中線性度良好。
圖4為傳感器在恒定11%應變下的電阻變化率和時間的關系。在恒定應變期間，電阻變化率持續的降低。在下降階段，電阻變化率會發生一個階躍再降低，這時的下降速率大于恒定應變時的電阻變化下降速率。在上升階段，傳感器的響應時間為200ms，下降階段為500ms。
1.3傳感器的表征和工作機理
圖5為傳感器形貌的掃描電鏡圖片，其中，圖5(a)～圖5(b)為原始的CNT/TPU傳感器形貌，圖5(d)～圖5(f)為拉伸之后的CNT/TPU傳感器形貌。多壁碳納米管附著在纖維上連接在一起，形成連續不斷的碳納米管網絡，如圖5(a)所示。經過不斷的浸潤之后，碳納米管從TPU纖維外部形成了三維碳納米管網絡，也存在TPU纖維內部。圖5(b)和圖5(c)為碳納米管網絡的詳細形貌，可以看出無論在圖5(b)還是圖5(c)中，碳納米管都連接在一起。拉伸之后的CNT/ TPU傳感器如圖5(d)～圖5(f)所示。從圖5(d)中可以看出，最初已經形成的碳納米管網絡已經被破壞，部分可能已經恢復，而部分位置無法恢復，形成裂痕，部分錯位。圖5(e)和圖5(f)中可以更明顯地觀察到上述現象。
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