本论文中设计制作了两种类型的柔性PDMS芯片：单用压力PDMS芯片以及多用途PDMS芯片。在两种芯片种的微流道结构上有着明显的不同，单用压力PDMS芯片采用储液槽结构，能很好地增加其压力传感器的和重复性和灵敏度等关键性能；多用途传感器PDMS芯片采用多层微流道结构，较新颖的在传感器芯片进行分层流道布置，顶层布置一条微流道，在底层中布置两条微流道，这是一种新型的传感器芯片微流道结构，在空间上以三角形堆叠的形式呈现，具有其独特优点，可充分利用结构的优势来完成压力、应变和曲率的传感功能。
1 绪 论
在岩土工程中，压力（应力）是非常重要的一个参数。它是进行岩土工程计算、结构设计等重要参考指标。在信息化施工中，如隧道初期支护施工中，及时掌握工字钢拱应力的变化以及喷射混凝土与围岩之间的接触压力，有助于判断初期支护稳定安全，方便调整施工方案、设计，从而保证工程质量。在其他工业领域也有着重要地位。因此，其重要性决定了压力传感器的发展必然具有广阔前景，并且压力传感器发展至今已然成为及常见的传感器之一，在岩土工程中有较为广泛的应用。岩土工程具有多专业相关联性,地下工程、采矿工程以及道路桥梁和隧道工程在进行某一工程计算时往往与它密不可分，需结合多专业知识才能进行设计计算。岩土工程对自然环境的依赖性等特点，使其在工程设计和实际工程建设中的获取相关应力参数等信息具有极大的复杂性，压力传感器则是直接获取相关应力参数信息的关键仪器。在岩土工程设计中，岩土体本身是自然形成的结果，是不可选定和不可控制的，而且岩土工程勘察并不能准确查明所有情况。岩土体条件和参数的不确定性，使得依靠工程勘察的单纯的力学计算的精确性和可靠性有所折扣。大部分工程师在做岩土工程相关结构设计计算时往往都太过保守，造成支护结构的富余浪费，不够经济。利用压力传感器实现对岩土工程的相关应力参数进行监测，通过监测数据来完善岩土工程相关结构设计的分析方法，并为理论发展提供数据支撑，这是越来越多的学者为解决工程实际问题而逐渐采用的手段方法。在实际工程建设中，取得显著成果的同时，工程安全问题愈来愈受到重视[1]。施工工序引起的应力不确定性变化，会带来一系列工程安全问题。人们逐渐意识到利用压力传感器或应变传感器等对工程建设施工进行应力或应变监测的重要性。对于已经建成或年代较久的建筑物，利用传感器可对工程或结构的安全以及其运营状态进行监测。再者，地震、台风等自然灾害[2]对工程结构受力状态等造成不同程度的破坏也可通过压力传感器对其进行监测。简言之，利用压力传感器等仪器设备对各类工程结构受力等进行监测是避免工程事故发生的有效预防手段，对保证工程安全、减少人员财产损失有着至关重要的作用。
1.2 研究现状与趋势
目前，在岩土工程中，不管是压力等各类型传感器本身，还是基于压力、应变、位移等传感器的工程监测技术都得到了大力的发展并取得显著成果，尤其是在边坡工程、隧道工程、桥梁工程、采矿工程等领域中的应用。
1.2.1 基于传感器的监测技术研究现状与趋势
上世纪六十年代，传感器、电子控制、通讯等高新技术的相继发展，使得基于传感器以及新兴电子技术的全新的监测技术逐渐兴起。在岩土工程中的基于位移、应变、应力等传感器得监测技术也已经逐渐发展壮大起来。当然，基于传感器的监测技术必然融合数据实时采集、存储、传输、处理、共享等多项技术，它们协同运作，每一种技术在监测中都发挥着重要作用。在监测技术中又有对监测数据有不同形式的技术特点：其一，只对数据自动采集；其二，只对数据自动处理；其三，数据的采集与分析都可自动进行。
2 传感器类型及其材料的确定
2.1 传感器类型确定
压力传感器不仅仅需要满足相关监测要求，更需要的是它在实际工程中应用要十分方便。目前，应用于土木工程的压力传感器大多所以传统型压力传感器，结构型式多样，例如有应变式、压阻式、电容式、压电式、电感式压力传感器等，这些类型对检测设备要求较低，是十分常见的，不同类型根据其实际应用要求进行选择；此外还有对检测设备要求较高的诸如光电式、光纤式、超声式压力传感器等。不同原理，不同结构形式下制作的传感器各有优缺点，选择合适的理论类型和结构形式对于传感器的制作、性能、经济效果都有很大的影响。
2.1.1 传统压力传感器结构原理
不同类型的传统压力传感器的结构与工作理论都有其独特性，且各自复杂程度不一。以下是对土木工程中六种常见类型的压力传感器的基本工作原理的简要阐述，以便进行比较并最终确定液态金属压力传感器的工作原理。
1）应变式压力传感器
应变式压力传感器的结构形式特点：其结构基本受力单元为弹性薄膜元件，应变片（敏感元件）通过特殊粘贴剂紧密的粘合在弹性薄膜元件上，如图2.1所示。当图2.1中压力施加到弹性薄膜表面时，弹性薄膜产生的形变带动着电阻应变片一起形变，使其阻值变化，凭借电阻随压力变化的关系实现压力传感。敏感元件的制作材料有固体的导体和半导体两大类，导体和半导体的“应变电阻效应”的物理现象是应变式压力传感器的关键理论基础。应变电阻效应体现为：导体的电阻值随其自身应变（身伸长率）的变化而变化，例如金属导体采用金属丝时，产生应变后，金属丝的长度和截面积会发生变化，其电阻将随之改变。但是，图2.1中的这种结构形式下的应变片的粘结是困难的，对粘结剂的要求非常高，粘结的好坏往往决定着传感器的寿命以及性能。
2.2 传感器关键技术指标
传感器的关键技术指标代表着传感器的使用性能。目前，传感器关键指标主要依据国家最新发布的计量检定规程，例如《压力传感器（静态）检定规程JJG 860-2015》。在关键指标中，不管是线性还是非线性传感器，重复性、迟滞以及零点漂移的计算方法是一致的。不同之处在于线性度的计算只针对于线性传感器而言，曲线符合度的计算只针对于非线性传感器；而且它们在基本误差的计算也不一样。此外灵敏度、以及周期稳定性在线性传感器中经常遇到，而在非线性传感器中提及甚少。
3 传感器的设计与制作.......................................................................................................27
3.1 压力传感器外壳设计与分析............................................................................................27
3.2 传感器 PDMS 芯片设计 .................................................................................................. 31
3.3 传感器 PDMS 芯片的制作 .............................................................................................. 36
3.4 单用压力 PDMS 芯片理论 .............................................................................................. 39
4 传感器标定实验................................................................................................................. 47
4.1 传感器标定实验仪器........................................................................................................ 47
4.2 标定实验数据拟合分析.................................................................................................... 48
4.3 单用压力 PDMS 芯片实验讨论 ...................................................................................... 52
4.4 多用途传感器 PDMS 芯片实验讨论 .............................................................................. 55
5 传感器监测的工程应用试验 ...................................................................................... 73
5.1 液态金属传感器监测系统................................................................................................ 73
5.2 压力传感器应用操作........................................................................................................ 78
5.3 传感器现场监测应用试验................................................................................................ 80
5.4 本章小结............................................................................................................................85
5 传感器监测的工程应用试验
岩土工程其工程环境条件较差，仪器的埋设、信号的收集以及传输都会受到工程地质条件或其周围环境的极大影响，尤其是在较远偏远地区、深远隧道、地势险峻的边坡在进行工程监测时。不仅要求传感器的性能优良，更是对其相关仪器设备有更高的要求，整个监测设备系统才能正常工作。液态金属压力传感器与辅助设备形成应力监测系统，并对其进行工程应用试验。
5.1 液态金属传感器监测系统
液态金属压力传感器想在岩土工程成功的实现应力监测的应用，必然离不开其他辅助设备系统，如数据采集、传输等，且只有完善的监测系统才能够实现岩土工程监测诸多功能、目的。整个应力监测系统包括有液态金属压力传感器和远程交互式监控设备。其中，远程交互监控设备包括采集仪（监测站）、远程通信基站和室内工作平台（电脑）。采集仪可通过镀银导线传感器连接，采集仪与远程通信基站之间、远程通信基站与室内工作平台之间都是通过无线方式进行电信号(电阻变化)传输。整个系统可分为测点层、控制层以及管理层，测点层为各类电阻式传感器，控制层为采集仪和远程交互式监测基站，管理层为室内电脑平台，总体设计如图5.1所示。该系统设备匹配有多种功能模块以及拥有良好的使用性能。
6 研究总结以及展望
6.1 研究总结
6.1.1 主要结论
本论文中设计制作了两种类型的柔性PDMS芯片：单用压力PDMS芯片以及多用途PDMS芯片。在两种芯片种的微流道结构上有着明显的不同，单用压力PDMS芯片采用储液槽结构，能很好地增加其压力传感器的和重复性和灵敏度等关键性能；多用途传感器PDMS芯片采用多层微流道结构，较新颖的在传感器芯片进行分层流道布置，顶层布置一条微流道，在底层中布置两条微流道，这是一种新型的传感器芯片微流道结构，在空间上以三角形堆叠的形式呈现，具有其独特优点，可充分利用结构的优势来完成压力、应变和曲率的传感功能。
1）单用压力PDMS芯片的主要结论如下：
①本论文中单用压力PDMS芯片能够比普通的微流道PDMS芯片更有效的增加其灵敏程度。
②有效增加其输出量，且提升了压力传感器的重复性、基本误差、非线性符合度、迟滞等关键性能。
③在设计的金属外壳结构下，其实验与理论在0-10MPa有很好的吻合度。
2）多用途PDMS芯片的主要结论如下：
①当多用途传感器PDMS芯片用于压力传感器时，我们推导了在压力作用下其微流道1截面面积的变化。在其标定结果中，在0-4MPa的压力范围内，理论预测值与实验值具有基本一致性。研究还表明，无论是加载还是卸载，虽然传感器电阻的变化随加载速率的增加略有减小，但加载速率对压力传感器的影响可以忽略不计。②当多用途传感器PDMS芯片受到拉应变时，它可以检测到30%的应变。在本论文中对第一连接方式的应变传感器的电容随应变变化进行了比较准确的分析，将其电容看成是由三条微流道电极之间形成的电容器进行串并联后形成的，虽然其理论值与实际测量的电容存在.44pF的差异，但其变化趋势一致，并不影响其标定结果。此外，不同连接方式下其电容变化是不同的，当其应变沿y轴每次增加1%的应变时，第一种连接方式的传感器电容增量增加0.335pF，第二种和第三种连接方式的传感器电容增量分别增加0.385pF和0.528pF。③对多用途传感器PDMS芯片还额外的进行弯曲试验，发现其在不同曲率的弯曲试验下，得到不同曲率下电容和电阻的变化具有抛物线的规律特征。④同时，还进行温度影响试验，其实验结果表明，在目标环境温度(0-20℃)范围内，温度对压力和应变传感器的影响可以忽略不计。
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