一种用于空间温度监测的各向异性温度传感器

本发明属于温度传感器领域，涉及一种用于空间温度监测的各向异性温度传感器，具有空间温度感知能力且能够监测温度源的方位/位置及移动方位。

背景技术：

1、温度作为表征物体冷热程度的物理量，在工业自动化、航空航天、家用电器、环境保护、安全生产及汽车工业等多个领域中扮演着至关重要的角色。空间温度监测尤其关键，因为无论是在太空环境、大型建筑内部还是精密设备的工作空间，温度都是影响系统性能、稳定性和安全性的核心因素。

2、传统的温度传感器主要包括接触式和非接触式两大类。接触式温度传感器通过与被测对象直接接触，利用热传导原理实现温度测量，具有较高的测量精度，但受限于测量对象的物理特性和环境限制，如运动物体、热容量小或腐蚀性强的介质，其应用受到一定限制。非接触式温度传感器则利用辐射热交换原理，能够测量运动物体及难以接触的高温或低温目标，但其测量精度易受环境因素影响。

3、但是在空间环境中，温度监测面临着诸多挑战。例如，在建筑空间温度监测中，如楼宇自动化系统，要求能够实时、准确地监测并控制整栋楼宇的温度、湿度等环境参数，以提高居住和工作的舒适度，同时实现能源的有效利用。这要求温度传感器具备高灵敏度、高稳定性和远程通信能力。

4、近年来，能够感知动态温度变化的空间温度传感器受到广泛关注，空间温度传感器是指在可以响应空间温度变化的器件。但是目前，关于空间温度传感器的研究大都靠温度传感阵列实现，例如上海交通大学的中国发明专利“柔性电阻式mems温度传感器阵列及其制备方法”(cn103385699b)公开了一种柔性电阻式mems温度传感器阵列及其制备方法，其中传感器阵列是由多个温度器敏感薄膜构成，能够实时测出物体表层的温度场分布。

5、但是，上述此类传感器阵列一方面具有复杂的制造工艺、高成本和低效率，同时还需搭配能够充足对应阵列中多个温度传感器并及时计算响应的信号处理模块，这无疑会极大增加此类空间温度传感器的成本，且其对电路设计、元器件布局及耐用度的平衡上具有相当的难度，另一方面其中所使用的也多为接触式传感器，严重限制了其应用范围及发展。

6、因此，亟需开发兼基于非接触式的高性能、多功能空间温度传感器，以进一步满足日益复杂的测温需求。

技术实现思路

1、本发明为了解决上述现有技术中的问题，提供一种用于空间温度监测的各向异性温度传感器，其通过利用墨水直写3d打印技术制备得到的各向异性温度传感材料基板，在足够小型化的同时，利用其各向异性与高热感应特性，通过收集不同位置处的电阻信号变化使各向异性温度传感器能够监测不同方向的温度变化，及判断温度变化方位/位置。

2、为实现上述目的，本发明是采用由以下技术措施构成的技术方案来实现的。

3、在一方面，本发明提供了一种用于空间温度监测的各向异性温度传感器，主要是由各向异性温度传感材料基板、电极和信号处理模块构成；

4、所述各向异性温度传感材料基板为具有4～6个主测量分支的十字类均分结构，且在每个主测量分支的向外端头处为具有2个副测量分支的y型结构，每个主测量分支上2个副测量分支的夹角为60～100°，且副测量分支的长度为副测量分支分叉处至主测量分支分叉处距离的0.9～1.1倍；

5、或者，

6、所述各向异性温度传感材料基板为具有4～6个主测量分支的十字类均分结构，且在每个主测量分支的向外端头处为具有2个副测量分支的音叉型结构，且副测量分支的长度为副测量分支分叉处至主测量分支分叉处距离的0.9～1.1倍，每个主测量分支上2个副测量分支的间距为副测量分支的长度的0.2～0.4倍；

7、所述电极以成对的方式设置于异性温度传感材料基板的副测量分支向外端头处的两侧，并分别与信号处理模块电连接，信号处理模块接收各成对电极所传递的电阻信号并记录其电阻信号值变化；

8、所述各向异性温度传感材料基板是由碳基温度敏感功能墨水利用墨水直写3d打印技术制备得到；

9、所述碳基温度敏感功能墨水按重量份数计，是由包括下述各项原料混合后得到：

10、高分子调节剂 0.5～1.5份，

11、一维碳基导电材料 1～5份，

12、溶剂 10～80份，

13、其中，所述高分子调节剂为在室温下提供分子间或分子内可逆动态相互作用功能性的常规助剂。

14、在本文中，所述用于空间温度监测的各向异性温度传感器，主要是由各向异性温度传感材料基板、电极和信号处理模块构成，本领域技术人员应知晓，上述各向异性温度传感材料基板、电极和信号处理模块为各向异性温度传感器的必要组件，其已经具备了通过信号处理模块收集并记录各向异性温度传感材料基板上各个电极点位的电信号变化(电阻值变化)，本领域技术人员可根据信号处理模块所收集并记录的电阻信号变化数值对空间环境中的温度变化方位及位置进行判断。

15、因本发明所提供的各向异性温度传感器在基板不同方位上具有明显的电阻差，尤其是在垂直于丝条方向的一维方向上。基于其各向异性特点，本领域技术人员可根据多个输出电阻信号的实时响应，判断同一或类似大小的温度的方位/位置。在其中一种技术方案中，也可针对本发明所提供的各向异性温度传感器事先测量得到不同方位/位置处的不同固定温度热源，再通过统计总结或基于常规机器学习方法，根据多个不同方位/位置热源温度高低和位置关系进行总结或机器学习得到模型，根据该总结或模型推导得到空间环境中温度的方位/位置。

16、在其中一种技术方案中，所述信号处理模块，包括单片机及其配套的控制系统，通过单片机上搭载的模拟数字转换器将各个电极点位所传导的电阻信号转换为数字信号，并传输至单片机上搭载的中央处理器中，通过常规比较算法对空间环境中的温度变化方位及位置进行判断，并输出判断结果。

17、在其中一种进一步优选的技术方案中，所述用于空间温度监测的各向异性温度传感器，还包括显示装置，与单片机连接以视觉化输出判断结果。

18、在本文中，所述各向异性温度传感材料基板，为满足高度轻质化及小型化，在其中一种技术方案中，所述主测量分支和副测量分支的宽度为0.1cm，厚度为0.1mm，且副测量分支的长度为0.5cm，以满足其各向异性温度传感需求；需说明的是，上述尺寸数据为满足其各向异性温度传感需求的小型化尺寸，本领域技术人员可根据该尺寸进行等比放大以满足更大空间环境范围内的温度监测。

19、在本文中，所述电极以成对的方式设置于异性温度传感材料基板的副测量分支向外端头处的两侧，其成对电极的具体设置方式遵循本领域的公知常识，例如是以“三明治”的方式将基板作为中心层，而电极作为上下层；在其中一种技术方案中，当所述各向异性温度传感材料基板为基于上述小型化尺寸时，设置于副测量分支向外端头处的成对电极也可选择能够直接覆盖2个副测量分支向外端头处的成对电极片。

20、在其中一种技术方案中，所述电极的设置还包括以成对的方式设置于异性温度传感材料基板的十字类均分结构中心处。

21、在本文中，所述电极分别与信号处理模块电连接，其电连接方式遵循本领域的公知常识，例如采用常规的导线进行电连接。

22、需说明的是，在本发明中，所述各向异性温度传感材料基板是由碳基温度敏感功能墨水利用墨水直写3d打印技术制备得到，在基于上述技术方案中所提供的尺寸数据下时，其尺寸是由3d打印针头输出的单根线条下所构成的所述各向异性温度传感材料基板。当考虑到需进行等比放大时，所述各向异性温度传感材料基板可以是基于zigzag路径填充算法并通过直线填充打印使得各向异性温度传感材料基板是由并列的丝条构成，通过上述打印方式与碳基温度敏感功能墨水中一维碳基导电材料的共同作用，从而使得所述各向异性温度传感材料基板具有各向异性功能。

23、在其中一种技术方案中，所述一维碳基导电材料选择包括碳纤维、碳纳米管其中任意一种或多种组合。

24、在本文中，所述高分子调节剂为在室温下提供分子间或分子内可逆动态相互作用功能性的常规助剂，该高分子调节剂在室温下即可发生可逆成键反应或分子间动态相互作用，使得碳基温度敏感功能墨水在室温下即具有自修复功能，由此，在进行墨水直写3d打印时，通过墨水室温自发自修复作用可消除打印层间界面电阻，增大层间相互作用力，有效提升了通过该墨水打印制备得到的各向异性温度传感材料基板的电化学等性能，在具有各向异性功能的同时具有高度的温度敏感。

25、在其中一种技术方案中，所述高分子调节剂选择包括纤维素纳米晶、壳聚糖、聚乙烯醇、纳米纤维素类、聚乙二醇、儿茶素或单宁酸中的一种或多种。

26、在本文中，所述溶剂为用于墨水直写3d打印所使用墨水中常规采用的溶剂选择，本领域技术人员可根据目前商用墨水或现有文献记载自行选择适宜的墨水溶剂。

27、在其中一种技术方案中，所述溶剂选择包括水、离子液体、乙酸、尿素类、硫脲类、n,n-二甲基乙酰胺类、二甲基亚砜类、二甲基乙酰胺类或n-甲基吗啡类。

28、在其中一种技术方案中，为了促使原料中的高分子链间发生交联反应，提升打印制品的机械稳定性，所述碳基温度敏感功能墨水的原料中还包括0.1～0.5份的交联剂和0.1～0.5份的催化剂；优选地，所述交联剂选择包括聚马来酸、柠檬酸、1,2,3-三羧酸丙烷、1,2,3,4-四羧酸丁烷、戊二醛或硼酸盐其中任意一种或多种，所述催化剂选择包括硫酸、盐酸、磷酸、磷钼酸、硫酸氢钾、氯化铝、氯化铁、硫酸氢钠、次磷酸钠、醋酸钠、氧化铝、二氧化硅、氧化锌和二氧化钛其中任意一种或多种。

29、在本文中，所述碳基温度敏感功能墨水的制备遵循本领域的公知常识，将各原料组分混合均匀即可。

30、为了更好地说明本发明，并提供一种可供参考的技术方案，所述碳基温度敏感功能墨水的制备方法，具体是在20～35℃、8000～30000r/min的条件下，将各原料组分混合搅拌20～60min即可。

31、为了更好地说明本发明，并提供一种可供参考的技术方案，采用所述碳基温度敏感功能墨水进行墨水直写3d打印的操作方法为：

32、(1)将所述碳基温度敏感功能墨水装入墨水直写3d打印机中的气动式喷射阀中，然后以5～10mm/s的速度运行点胶机，基于所述各向异性温度传感材料基板所对应的模型进行打印；

33、(2)于120～200℃的条件下，加热步骤(1)所得产物30～100min，然后洗涤后再于50～100℃的条件下干燥12～30h，即得到各向异性温度传感材料基板。

34、本发明的主要发明点之一在于，基于本发明可通过电阻信号的实时响应，基于其各向异性根据多个输出电阻信号的大小判断同一或类似大小的温度的方位/位置，而为了更好地利用基板的各向异性功能性以提供更为精准的温度方位/位置判断，以使得本发明所提供的各向异性温度传感器获得空间热感知能力，发明人通过设计了一系列具有不同数量主测量分支的基板，如图5所示。当以平面九宫格作为基本位置识别单元，在模拟测试中，若传感器的主测量分支较少，则不能有效区分热源所在位置；若传感器的主测量分支较多的时候，相邻主测量分支之间会出现较为明显的相互影响，并且对于信号处理模块的判断方法复杂程度增加。其中，如附图6～8所示，选择具有代表性的三种传感器(主测量分支数量分别为3、4、6)，探究主测量分支数目对热源位置识别的影响。

35、结果表明，当主测量分支的数目为3时，传感器的热源位置识别的模拟结果显示，这种结构无法区分当热源位置处于九宫格左(右)上位置和正左(右)位置的情况。并且，当主测量分支数(n＝3)为奇数的时候，其温度分布情况种类比偶数的时候复杂，其判断方法的复杂程度也随之增加。

36、当主测量分支的数目为4时，模拟结果显示，这种结构可以有效区分热源在不同位置的情况。并且，当主测量分支数(n＝4)为偶数，可以将热源位置分为三类，正方向(上、下、左、右)、对角方向(左上、左下、右上、右下)以及正中心，热源处在同一类位置的时候，传感器的温度分布情况类似，判断方法的复杂程度降低很多。

37、当主测量分支的数目为6时，模拟结果显示，这种结构可以有效区分热源在不同位置的情况。并且，当主测量分支数(n＝6)为偶数，同样可以将热源位置分为三类，正方向(上、下、左、右)、对角方向(左上、左下、右上、右下)以及正中心，但是，因受热源影响的分支变多，这会增加单片机判断方法的复杂程度。

38、综上所述，当n为偶数的时候，传感器可区分热源，但是随着n增大，其判断方法的复杂程度增加，并且制造难度也变大。

39、更进一步地，为了尽量小型化本发明所提供的各向异性温度传感器同时，保障其具有足够的温度方位/位置判断准确性，本发明通过在每个主测量分支的向外端头处为具有2个副测量分支的y型结构/音叉型结构，并系统模拟对比了副测量分支的长度对于判断准确性的影响。其结果如附图9～11所示。并基于模拟实验结果发现，在实际应用中，2个副测量分支为y型结构更为有利于对空间环境中温度方位/位置的判断准确性。

40、另一方面，本发明还提供了上述一种用于空间温度监测的各向异性温度传感器，可应用于消费电子、健康医疗、储能系统等领域。

41、本发明具有以下有益效果：

42、1、本发明提供了一种用于空间温度监测的各向异性温度传感器，其通过利用墨水直写3d打印技术制备得到的各向异性温度传感材料基板，在足够小型化的同时，利用其各向异性与高热感应特性，通过收集不同位置处的电阻信号变化使各向异性温度传感器能够监测不同方向的温度变化，及判断温度变化方位/位置。

43、2、本发明提供了一种用于空间温度监测的各向异性温度传感器，在其中一种技术方案中，可通过基于单片机的常规比较算法、解耦机制等方式，实现自主监测空间环境内的温度变化、温度变化方位/位置。

44、3、本发明所提供的用于空间温度监测的各向异性温度传感器，基于大量实验确认了其更为理想的形状，在满足了具有足够的温度方位/位置判断准确性的同时，仅通过4个电极位点输出电阻信号，大幅降低了后端硬件要求及判断方法的复杂性。