阅读说明：本技术 一种形状自适应的磁控自感知柔性管道及其制备方法 (Shape-adaptive magnetic control self-sensing flexible pipeline and preparation method thereof ) 是由 龚兴龙 张静怡 王宇 王胜 于 2020-12-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种形状自适应的磁控自感知柔性管道及其制备方法,包括空心圆柱形流场管道,多匝线圈,多个各向异性磁敏弹性体和压电薄膜传感器,多个各向异性磁敏弹性体中心对称排布于流场管道的横截面上,流场管道相应位置的外表面上被安置多匝线圈,附着在各向异性磁敏弹性体上的压电薄膜传感器感知磁敏弹性体的变形量实现柔性管道的自感知。本发明结构简单,材料低廉,功能多样；各向异性磁敏弹性体和压电薄膜传感器的尺寸易于调控,因此流场管道具有优异的形状自适应性；调节多匝线圈通电后在管道内部产生的磁场,来改变多个各向异性磁敏弹性体的离面变形量,从而改变管道的横截面积；通过压电薄膜传感器获知各向异性磁敏弹性体的变形程度,实现自感知。(The invention discloses a shape-adaptive magnetic control self-perception flexible pipeline and a preparation method thereof, and the shape-adaptive magnetic control self-perception flexible pipeline comprises a hollow cylindrical flow field pipeline, a plurality of turns of coils, a plurality of anisotropic magneto-sensitive elastomers and piezoelectric film sensors, wherein the plurality of anisotropic magneto-sensitive elastomers are arranged on the cross section of the flow field pipeline in a centrosymmetric manner, the plurality of turns of coils are arranged on the outer surface of the corresponding position of the flow field pipeline, and the piezoelectric film sensors attached to the anisotropic magneto-sensitive elastomers perceive the deformation of the magneto-sensitive elastomers to realize the self-perception of the flexible pipeline. The invention has simple structure, low material cost and multiple functions; the sizes of the anisotropic magneto-sensitive elastomer and the piezoelectric film sensor are easy to regulate and control, so that the flow field pipeline has excellent shape adaptability; adjusting a magnetic field generated in the pipeline after the multi-turn coil is electrified to change the out-of-plane deformation of the anisotropic magneto-sensitive elastomers, so as to change the cross-sectional area of the pipeline; the deformation degree of the anisotropic magneto-sensitive elastomer is obtained through the piezoelectric film sensor, and self-sensing is achieved.)

一种形状自适应的磁控自感知柔性管道及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种柔性管道，尤其涉及一种形状自适应的磁控自感知柔性管道及其制备方法。

背景技术

柔性管道较刚性管道而言，具有良好的柔顺性，且对所运送物料损伤小，被广泛应用于食品加工、天然气输送、污水处理等行业。此外，数十到数百微米具有一定弹性的微管道是微流控芯片的重要组成部分，被用来处理或操纵微小流体，在生物医学研究中具有巨大的发展潜力。然而无论是柔性管道还是微管道，它们大多具有固定的横截面积，或者只有打开和关闭两个工况，难以实现物料流速的连续控制。并且，当输运有毒有害物料时，人工开关管道阀门，安全性不高。传统的磁控管道阀门可以通过连接电磁线圈的电源线实现远程控制，但是结构较为复杂。

发明内容

本发明针对现有柔性管道存在的上述不足，提出一种形状自适应的柔性管道。

本发明采用的技术方案为：一种形状自适应的磁控自感知柔性管道，包括：空心圆柱形流场管道，多匝线圈，多个各向异性磁敏弹性体和压电薄膜传感器，其中：多个各向异性磁敏弹性体中心对称排布于流场管道的横截面上，流场管道相应位置的外表面上被安置多匝线圈，附着在各向异性磁敏弹性体上的压电薄膜传感器感知磁敏弹性体的变形量实现柔性管道的自感知。

所述的流场管道形状自适应，采用硅橡胶、天然橡胶、聚氨酯、丙烯酸树脂、顺丁橡胶或者其组合的共混物制成。

所述的多匝线圈包括紫铜线圈、铝线圈或绕组线。

所述的多个各向异性磁敏弹性体包括：磁性颗粒，包括含铁、钴、镍和/或其组合形成的合金的微纳米颗粒；高分子基体，包括硅橡胶、天然橡胶、聚氨酯、丙烯酸树脂、顺丁橡胶或者其组合的共混物。

所述的多个各向异性磁敏弹性体的x和y两个方向的尺寸至少是z方向的尺寸的5倍。

所述的多个各向异性磁敏弹性体内部磁性颗粒沿xy平面呈链状或簇状分布。

所述的多个各向异性磁敏弹性体在通电线圈产生的磁场作用下发生离面大变形，从而改变流场管道的横截面积。

所述的多个各向异性磁敏弹性体的抗弯刚度随多匝线圈的电流变化。

所述的压电薄膜传感器包括：压电薄膜，包括聚偏氟乙烯薄膜及以它为代表的其他有机压电薄膜材料；位于压电薄膜上下表面的两电极层，包括碳浆或金属浆料；分别与两电极层相连的导线，包括银导线及以它为代表的其他非铁磁性导线。

所述的金属浆料包括金、银、铜中的至少一种或多种组成的共混浆。

一种形状自适应的磁控自感知柔性管道的制备方法，包括：

步骤1、将磁敏弹性体前驱体在磁场中高温硫化，形成各向异性磁敏弹性体；

步骤2、将压电薄膜上下表面涂布导电浆料和导线，同时把各向异性磁敏弹性体粘结在压电薄膜的表面形成双层结构；

步骤3、再利用聚二甲基硅氧烷将双层结构粘接在空心流场管道壁上，然后在另一段空心流场管道壁上涂满聚二甲基硅氧烷，跟复合结构的另一个面粘接，实现流场管道的对接；

步骤4、最后将这两段流场管道的粘接位置外表面上布置多匝线圈。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明结构简单，材料低廉，功能多样。各向异性磁敏弹性体和压电薄膜传感器的大小易于调控，因此流场管道具有优异的形状自适应性；调节多匝线圈通电后在管道内部产生的磁场，来改变多个各向异性磁敏弹性体的离面变形量，从而改变管道的横截面积；通过压电薄膜传感器获知各向异性磁敏弹性体的变形程度，实现自感知，达到磁控变截面柔性管道的精确控制。

附图说明

图1为本发明实施例的一种形状自适应的磁控自感知柔性管道的三维示意图；

图2为本发明实施例的一种形状自适应的磁控自感知柔性管道的立体装配图；

图3为本发明实施例的一种形状自适应的磁控自感知柔性管道的带有局部剖视图的正视图；

图4为本发明实施例的另一种形状自适应的磁控自感知柔性管道的立体装配图；

图5为本发明实施例的各向异性磁敏弹性体和压电薄膜传感器的结构示意图；

图6为本发明实施例的各向异性磁敏弹性体和压电薄膜传感器在线圈通小电流时的变形示意图；

图7为本发明实施例的各向异性磁敏弹性体和压电薄膜传感器在线圈通大电流时的变形示意图；

图8为本发明实施例的另一种各向异性磁敏弹性体结构示意图；

图9为本发明实施例的另一种各向异性磁敏弹性体和压电薄膜传感器的结构示意图；

图中：1为空心圆柱形流场管道，2为多匝线圈，3为各向异性磁敏弹性体，4为压电薄膜传感器，5为压电薄膜传感器的外接导线，6为各向异性磁敏弹性体的高分子基体，7为各向异性磁敏弹性体的磁性颗粒链，8为空心六棱柱形流场管道。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

如图1-3所示，本实例包括：空心圆柱形流场管道1、多匝线圈2、多个各向异性磁敏弹性体3、压电薄膜传感器4、压电膜传感器的外接导线5，其中，多个各向异性磁敏弹性体3中心对称排布于空心圆柱形流场管道1的横截面上，多匝线圈2位于空心圆柱形流场管道1相应位置的外表面，压电薄膜传感器4被附着在其中一个各向异性磁敏弹性体3表面，通过压电膜传感器的外接导线5将信号输出。

所述的多匝线圈2通电后，根据电流的磁效应，在空心圆柱形流场管道1内部激发一个磁力线沿管道旋转轴方向的磁场，多个各向异性磁敏弹性体3发生离面变形，实现空心圆柱形流场管道1从关闭到打开的改变，通过控制电流即可远程操控空心圆柱形流场管道1的工作模式。除此之外，改变电流的大小得到不同强度的磁场，多个各向异性磁敏弹性体3的变形量随之增大或减小，实现管道横截面连续变化。

所述的压电薄膜传感器4随各向异性磁敏弹性体3同步变形，实时在上下电极表面之间产生一个与形变量成比例的电信号，再通过与压电膜传感器的外接导线5将电信号输出到数字万用表等设备。此过程赋予了各向异性磁敏弹性体3和形状自适应柔性管道自感知的功能。若将压电薄膜传感器4与一个温湿度传感元件复合，那么各向异性磁敏弹性体3和形状自适应柔性管道也可以感知物料在运送过程中温度和湿度的变化。如果物料的流速过大，对多个各向异性磁敏弹性体3和压电薄膜传感器4有强作用力，使得他们发生明显的弯曲变形，此时也可通过压电膜传感器的外接导线5监控物料的运送速度。给多匝线圈2通电后，各向异性磁敏弹性体3处在磁场环境中，各向异性磁敏弹性体的磁性颗粒链7中的磁性颗粒相互作用，各向异性磁敏弹性体的磁性颗粒链7和各向异性磁敏弹性体的高分子基体6相互作用，使得多个各向异性磁敏弹性体3的抗弯刚度增加。多个各向异性磁敏弹性体3的抗弯刚度随多匝线圈2中电流正比例增加，实现物料流速的调控。

所述的压电薄膜传感器4的安装位置和个数不限定。

所述的空心圆柱形流场管道1采用硅橡胶、天然橡胶、聚氨酯、丙烯酸树脂、顺丁橡胶或者其组合的共混物制成。所述的多匝线圈2包括紫铜线圈、铝线圈或绕组线。所述的多个各向异性磁敏弹性体3包括：磁性颗粒，包括含铁、钴、镍和/或其组合形成的合金的微纳米颗粒；高分子基体，包括硅橡胶、天然橡胶、聚氨酯、丙烯酸树脂、顺丁橡胶或者其组合的共混物。所述的压电薄膜传感器4包括：压电薄膜，包括聚偏氟乙烯薄膜及以它为代表的其他有机压电薄膜材料；位于压电薄膜上下表面的两电极层，包括碳浆或金属浆料；分别与两电极层相连的导线，包括银导线及以它为代表的其他非铁磁性导线。所述的金属浆料包括金、银、铜中的至少一种或多种组成的共混浆。

如图2、4所示，所述的空心圆柱形流场管道1形状自适应，可以是空心圆柱体、中空任意多棱柱体和横截面不规则体。基于所述的多个各向异性磁敏弹性体3和压电薄膜传感器4可以被简单快速地制备成扇形体、三角形体等形状，可以任意地组合他们以满足不同的定制化管道。

如图5-8所示，所述的多个各向异性磁敏弹性体内部磁性颗粒链7沿xy平面。成链分布的磁性颗粒使得弹性体具有磁各向异性，让其向外磁场磁力线方向变形。当然，如果在弹性体上相间分布含磁性颗粒的区域和不含磁性颗粒的区域，利用其宏观结构各向异性也可以实现类似的离面变形。此外，当颗粒为硬磁时，将颗粒的磁畴方向设计为沿xy平面，即使颗粒分布情况随机，也能使得弹性体在磁力矩的作用下发生弯曲变形。

如图9所示，所述的一个压电薄膜传感器4不仅可以和一个各向异性磁敏弹性体3构成双涂层结构，还可以与两个甚至多个各向异性磁敏弹性体3构成三明治结构，减少结构不对称性可能带来的误差，提高控制的精度。

与现有的柔性管道相比，本发明可适用于不同尺寸和形状要求的工况，且制备简单，材料低廉，生物兼容性好，控制方便精度高。同时，它具有远程操控连续变截面的工作模式，实现了内部物料运输速度的连续调节。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。