新型感濕材料與傳感技術(shù)在光伏電站基建工程中的應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TQ323.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2025）07-0095-04

Abstract：A new type of humidity sensor was fabricated using a composite film of nano titanium dioxide （ TiO₂ ）and polyimide（PI）as a moisture sensing material，and asmart construction sitesystembasedon photovoltaic power station infrastructure project was developed based on the sensor.The test first optimized the performance of the humidity sensor，and then studiedthe function and performance of the built system.The results showed that the wet and dry sensors had the best performance when the nano-TiO mass fraction was 6% and the PI/TiO₂ composite film thick ness was 50μm .Atthis time，the sensitivity of the humidity sensor was 13.25pF ，therelative humiditywas 1.59% ，and the moisture absorption response time and dehumidification response time were 73 and 84 s，respectively.The function and performance of the smart construction site system based on the photovoltaic power station infrastructure project developed on the basis of this sensor meet the expected requirements，andcan become an important tool for the scientific management of the photovoltaic power station infrastructure project.

Key words：humidity sensors;moisture sensitive materials;photovoltaic power plants;smart construction site system

傳感器是智慧化信息管理系統(tǒng)的重要組成部分，基于常規(guī)聚酰亞胺感濕材料的電容式濕度傳感器因其高穩(wěn)定性和高線性度成為了主流，但該傳感器靈敏度較低，限制了其應(yīng)用范圍。為提升傳感器靈敏度，部分學(xué)者也進(jìn)行了很多研究，如陳果通過在PI感濕薄膜上引入鉬（Mo）金屬層，制備了一種高靈敏度和重復(fù)性良好的濕度傳感器[1]。許詩瑤制備了一種高響應(yīng)特性的復(fù)合薄膜及比色濕度傳感器[2]。黃宜明設(shè)計(jì)并制備了一種叉指結(jié)構(gòu)電容式濕度傳感器，為濕敏薄膜材料配制和厚度優(yōu)化提供有益的參考[3]。以上學(xué)者的研究為PI感濕傳感器的優(yōu)化提供了參考。基于此，本試驗(yàn)以黃宜明論文為基礎(chǔ)，制作了一種新型 PVTi0₂ 復(fù)合膜感濕傳感器，以該傳感器為基礎(chǔ)，開發(fā)了基于光伏電站基建工程的智慧工地系統(tǒng)，為新型傳感器的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料與設(shè)備

主要材料：氫氧化鈉（AR，盛福澤化工）;乙醇（AR，科隆化工）；均苯四甲酸二酐（PMDA）（AR，鑫全化工科技）；二甲基乙酰胺（DMAc）（AR，誠意佳化工科技）；納米二氧化鈦（CP）（起晉新材料科技）；二氨基二苯醚（ODA）（AR，潤豐合成科技）。

主要設(shè)備：FRQ-908HT型超聲清洗機(jī)（法蘭特超聲波科技）；JCPS400型磁控濺射設(shè)備（泰科諾科技）；OS-15S型磁力攪拌機(jī)（捷呈實(shí)驗(yàn)儀器）;YZH2-90型程控式烘箱（銀邦節(jié)能電熱設(shè)備）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1叉指電容結(jié)構(gòu)制備

提前使用氫氧化鈉溶液和乙醇溶液對(duì)玻璃襯底進(jìn)行浸泡，經(jīng)過純水超聲清洗后，氮?dú)獯蹈伞Ｔ诖趴貫R射設(shè)備中激射一層厚度為 6nm 的Ti，在激射一層厚度為 18nm 的Pt，得到叉指電容單元。通過激光劃片機(jī)進(jìn)行切割和測試，對(duì)失效器件進(jìn)行排除，得到叉指電容。

1.2.2 PI/TiO₂ 感濕薄膜傳感器的制備

（1）在三口燒瓶內(nèi)依次放入一定量的PMDA粉末和適量極性溶劑DMAc，磁力攪拌 1.5h 使其充分溶解;

（2）按照PMD與ODA總質(zhì)量為加入DMAc質(zhì)量的 16% 稱取ODA粉末，分3次加入燒瓶內(nèi)，每次間隔時(shí)間為 30min ，繼續(xù)攪拌 6h 使其充分反應(yīng)，得到PAA溶液;

（3）在4個(gè)燒杯分別放入相同質(zhì)量的PAA溶液，然后分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 3% 6% 和 9% 的納米TiO₂ 粉末，并加入適量分散劑，磁力攪拌使其混合均勻，磁力攪拌時(shí)間為 120min 。然后在超聲機(jī)的作用下使其形成均勻的液體，超聲時(shí)間為 30min ：

（4）量取 5mL 溶液分別滴加在切割好的電容結(jié)構(gòu)上，通過勻膠機(jī)均勻旋涂，旋涂工藝為，先500r/min 旋涂15s，再 900r/min 旋涂 30s 。旋涂結(jié)束后放入真空干燥箱內(nèi)真空脫泡；

（5）放入程控式烘箱中在氮?dú)獗Ｗo(hù)的條件下升 溫固化成膜，具體升溫過程為：將溫度提升至 90^°C 后保溫 30min ；升溫至 150^qC 保溫 30min ；升溫至 200^qC 保溫 30min ;繼續(xù)提升溫度至 300^°C 保溫 ^2h ， 然后緩慢降低至室溫。固化后得到 PI/TiO₂ 感濕薄 膜傳感器，未加入 TiO₂ 粉末的樣品為PI感濕薄膜 傳感器。

2 結(jié)果與討論

2.1感濕薄膜材料特性表征

2.1.1 親水性測試

通過接觸角的測試表征薄膜的親水性，結(jié)果見表1。

由表1可知，隨納米 TiO₂ 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，薄膜的接觸角緩慢下降，性質(zhì)慢慢轉(zhuǎn)化為親水性。這是因?yàn)榧{米 TiO₂ 表面能高于PI，二者復(fù)合后，總表面能增加，即材料的親水性增加。但納米 TiO₂ 質(zhì)量分?jǐn)?shù)從 6% 提升至 9% 后，材料的的親水性只有少量的增加，這是因?yàn)檫^量的納米顆粒在PI薄膜表面團(tuán)聚，增加了材料的表面粗糙度和比表面積，影響了羥基與水分子的接觸，對(duì)復(fù)合薄膜親水性的提升產(chǎn)生抑制作用[4-8] 。

2.1.2 介電特性測試

通過介電常數(shù)對(duì)材料的介電特性進(jìn)行研究，結(jié)果見圖1。

由圖1可知， PVTi0₂ 復(fù)合膜的介電常數(shù)數(shù)值均明顯高于純PI薄膜，且介電常數(shù)的增加與 TiO₂ 質(zhì)量分?jǐn)?shù)成正比。這是因?yàn)榧{米 TiO₂ 的介電常數(shù)數(shù)值較高，與基體復(fù)合后，基體自由體積降低，極化基團(tuán)增加，介電常數(shù)數(shù)值隨之增加[9-10]。同時(shí)，納米 TiO₂ 會(huì)在無機(jī)有機(jī)兩相之間引入界面，自由電荷在界面中堆積，引起界面極化，增加了復(fù)合薄膜介電常數(shù)[11]。綜上， PVTi0₂ 復(fù)合膜的導(dǎo)電性優(yōu)于PI薄膜。

2.2 感濕傳感器優(yōu)化

通過搭建實(shí)驗(yàn)室精確控溫控濕的濕度傳感器測試箱對(duì)感濕傳感器進(jìn)行優(yōu)化和性能測試。

2.2.1 納米 TiO₂ 質(zhì)量分?jǐn)?shù)優(yōu)化

在相對(duì)濕度為 30%～90% 時(shí)測試感濕傳感器的靈敏度值，結(jié)果見圖2。

由圖2可知，隨納米 TiO₂ 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，PVTi0₂ 復(fù)合膜的靈敏度也隨之增加。表明納米TiO₂ 對(duì)提升感濕傳感器的靈敏度產(chǎn)生積極的作用。但過多的納米 TiO₂ 會(huì)提供較多的親水基團(tuán)和吸附點(diǎn)位，使得水分子在膜上發(fā)生團(tuán)聚，引起電容響應(yīng)曲線的非線性問題，對(duì)傳感器的校準(zhǔn)標(biāo)定和高精度檢測產(chǎn)生影響[12-13]。綜合考慮，選擇 TiO₂ 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6% 的 PI/TiO₂ 復(fù)合膜感濕傳感器繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)，此時(shí)，感濕傳感器的靈敏度為 13.25pF 。

2.2.2 感濕薄膜厚度優(yōu)化

制作感濕薄膜厚度分別為30、60、90 和 120μm 的傳感器試件，通過靈敏度、相對(duì)濕度測試和響應(yīng)時(shí)間對(duì)感濕薄膜厚度進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果見表2。

由表2可知，隨感濕薄膜厚度的增加，傳感器靈敏度和濕滯也隨之增加。這是因?yàn)楸∧ず穸仍礁撸鋬?nèi)含有的納米 TiO₂ 越多，其靈敏度越高，薄膜親水性越高，吸收的水分越多，降濕過程輸出的電容值越高。同時(shí)，感濕薄膜越厚，水分子凝聚后需要更長的時(shí)間溢出，因此滯濕越高，響應(yīng)時(shí)間也越長[1415]當(dāng)感濕薄膜厚度為 60μm 時(shí)，傳感器靈敏度達(dá)到了厚度為 30μm 的2倍，但濕滯較為接近，因此后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，選擇感濕薄膜厚度為 60μm 繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，此時(shí)感濕傳感器濕滯為 1.59% RH，吸濕響應(yīng)時(shí)間和脫濕響應(yīng)時(shí)間分別為 73.84s 。

2.3 穩(wěn)定性測試

由圖3可知，制備的感濕傳感器在3種濕度條件下的電容值在30d時(shí)間內(nèi)均不出現(xiàn)明顯波動(dòng)，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，滿足實(shí)際工程使用要求。

2.4 實(shí)際應(yīng)用

以制備的感濕傳感器為基礎(chǔ)，構(gòu)建基于光伏電站基建工程的智慧工地系統(tǒng)。

2.4.1 系統(tǒng)框架

由圖4可知，系統(tǒng)整體架構(gòu)可分為表示層、應(yīng)用層和數(shù)據(jù)層[16-17]。表示層采用Vue 和HTML5進(jìn)行開發(fā)，負(fù)責(zé)項(xiàng)目規(guī)劃與管理，并下發(fā)和接收項(xiàng)目目標(biāo)與多級(jí)授權(quán)；應(yīng)用層通過SpringBoot微服務(wù)架構(gòu)開發(fā)，負(fù)責(zé)進(jìn)行功能性和智能化管理，以實(shí)現(xiàn)安全質(zhì)量管理和流程管理等業(yè)務(wù)功能；數(shù)據(jù)層負(fù)責(zé)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與存儲(chǔ)，采用Oracle11g存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并通過大數(shù)據(jù)和人工智能對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行挖掘，以向不同崗位角色提供決策支持。

2.4.2 功能測試

為檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)開發(fā)的光伏電站基建工程智慧工地系統(tǒng)的運(yùn)行效果，對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行測試，結(jié)果見表3。

由表3可知，功能模塊測試結(jié)果與預(yù)期結(jié)果一致，說明所設(shè)計(jì)開發(fā)的光伏電站基建工程智慧工地系統(tǒng)可正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)人員、財(cái)務(wù)、物資以及工程進(jìn)度、安全、質(zhì)量的綜合智能管理[18] 。

2.4.3 性能測試

為檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)開發(fā)的光伏電站基建工程智慧工地系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，研究采用Jmeter自動(dòng)化測試工具對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行并發(fā)測試，結(jié)果如表4所示。

由表4可知，當(dāng)用戶訪問量小于900個(gè)時(shí)，系統(tǒng)可較為快速的響應(yīng)請求處理，平均響應(yīng)時(shí)間不超過30ms ，可滿足系統(tǒng)用戶需求[19-20]。

3結(jié)語

（1）紅外光譜結(jié)果表明成功合成PI感濕薄膜和 PI/TiO₂ 感濕薄膜。微觀結(jié)構(gòu)表明，納米 TiO₂ 與PI薄膜間不出現(xiàn)明顯的分界，隨納米 TiO₂ 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，納米顆粒在薄膜上的分布從均勻散布變轉(zhuǎn)化為相互團(tuán)聚；

（2）復(fù)合薄膜中 TiO₂ 含量越大， PVTi0₂ 感濕薄 膜的親水性和介電常數(shù)越高;

（3）納米 TiO₂ 對(duì)提升 PI/TiO₂ 復(fù)合膜感濕傳感器的靈敏度有積極的作用，但過量納米 TiO₂ 可能會(huì)導(dǎo)致水分子在傳感器內(nèi)部團(tuán)聚，引起電容響應(yīng)曲線的非線性問題;

（4）感濕薄膜厚度增加，感濕傳感器靈敏度增加，但濕滯和響應(yīng)時(shí)間也隨之增加；

（5）感濕傳感器在3種濕度條件下的電容值在30d時(shí)間內(nèi)均不出現(xiàn)明顯波動(dòng)，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性；

（6）以感濕傳感器為基礎(chǔ)構(gòu)建的基于光伏電站基建工程的智慧工地系統(tǒng)功能和性能均達(dá)到預(yù)期要求，可以成為光伏電站基建工程工地科學(xué)化管理的重要工具。

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