新型感濕材料與傳感技術(shù)在光伏電站基建工程中的應用

中圖分類號：TQ323.7 文獻標志碼：A文章編號：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，限制了其應用范圍。為提升傳感器靈敏度，部分學者也進行了很多研究，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性良好的濕度傳感器[1]。許詩瑤制備了一種高響應特性的復合薄膜及比色濕度傳感器[2]。黃宜明設計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，本試驗以黃宜明論文為基礎，制作了一種新型 PVTi0₂ 復合膜感濕傳感器，以該傳感器為基礎，開發(fā)了基于光伏電站基建工程的智慧工地系統(tǒng)，為新型傳感器的應用提供參考。

1 試驗部分

1.1 材料與設備

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）。

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

1.2 試驗方法

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玻璃襯底進行浸泡，經(jīng)過純水超聲清洗后，氮氣吹干。在磁控濺射設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。通過激光劃片機進行切割和測試，對失效器件進行排除，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)，每次間隔時間為 30min ，繼續(xù)攪拌 6h 使其充分反應，得到PAA溶液;

（3）在4個燒杯分別放入相同質(zhì)量的PAA溶液，然后分別加入質(zhì)量分數(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，磁力攪拌時間為 120min 。然后在超聲機的作用下使其形成均勻的液體，超聲時間為 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氣保護的條件下升 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)量分數(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。這是因為納米 TiO₂ 表面能高于PI，二者復合后，總表面能增加，即材料的親水性增加。但納米 TiO₂ 質(zhì)量分數(shù)從 6% 提升至 9% 后，材料的的親水性只有少量的增加，這是因為過量的納米顆粒在PI薄膜表面團聚，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，對復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)對材料的介電特性進行研究，結(jié)果見圖1。

由圖1可知， PVTi0₂ 復合膜的介電常數(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)量分數(shù)成正比。這是因為納米 TiO₂ 的介電常數(shù)數(shù)值較高，與基體復合后，基體自由體積降低，極化基團增加，介電常數(shù)數(shù)值隨之增加[9-10]。同時，納米 TiO₂ 會在無機有機兩相之間引入界面，自由電荷在界面中堆積，引起界面極化，增加了復合薄膜介電常數(shù)[11]。綜上， PVTi0₂ 復合膜的導電性優(yōu)于PI薄膜。

2.2 感濕傳感器優(yōu)化

通過搭建實驗室精確控溫控濕的濕度傳感器測試箱對感濕傳感器進行優(yōu)化和性能測試。

2.2.1 納米 TiO₂ 質(zhì)量分數(shù)優(yōu)化

在相對濕度為 30%～90% 時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)量分數(shù)的增加，PVTi0₂ 復合膜的靈敏度也隨之增加。表明納米TiO₂ 對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 會提供較多的親水基團和吸附點位，使得水分子在膜上發(fā)生團聚，引起電容響應曲線的非線性問題，對傳感器的校準標定和高精度檢測產(chǎn)生影響[12-13]。綜合考慮，選擇 TiO₂ 質(zhì)量分數(shù)為6% 的 PI/TiO₂ 復合膜感濕傳感器繼續(xù)進行試驗，此時，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、相對濕度測試和響應時間對感濕薄膜厚度進行優(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。這是因為薄膜厚度越高，其內(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，感濕薄膜越厚，水分子凝聚后需要更長的時間溢出，因此滯濕越高，響應時間也越長[1415]當感濕薄膜厚度為 60μm 時，傳感器靈敏度達到了厚度為 30μm 的2倍，但濕滯較為接近，因此后續(xù)實驗中，選擇感濕薄膜厚度為 60μm 繼續(xù)進行實驗，此時感濕傳感器濕滯為 1.59% RH，吸濕響應時間和脫濕響應時間分別為 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時間內(nèi)均不出現(xiàn)明顯波動，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，滿足實際工程使用要求。

2.4 實際應用

以制備的感濕傳感器為基礎，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、應用層和數(shù)據(jù)層[16-17]。表示層采用Vue 和HTML5進行開發(fā)，負責項目規(guī)劃與管理，并下發(fā)和接收項目目標與多級授權(quán)；應用層通過SpringBoot微服務架構(gòu)開發(fā)，負責進行功能性和智能化管理，以實現(xiàn)安全質(zhì)量管理和流程管理等業(yè)務功能；數(shù)據(jù)層負責進行數(shù)據(jù)分析與存儲，采用Oracle11g存儲數(shù)據(jù)，并通過大數(shù)據(jù)和人工智能對數(shù)據(jù)信息進行挖掘，以向不同崗位角色提供決策支持。

2.4.2 功能測試

為檢驗所設計開發(fā)的光伏電站基建工程智慧工地系統(tǒng)的運行效果，對系統(tǒng)功能進行測試，結(jié)果見表3。

由表3可知，功能模塊測試結(jié)果與預期結(jié)果一致，說明所設計開發(fā)的光伏電站基建工程智慧工地系統(tǒng)可正常運行，實現(xiàn)人員、財務、物資以及工程進度、安全、質(zhì)量的綜合智能管理[18] 。

2.4.3 性能測試

為檢驗所設計開發(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自動化測試工具對系統(tǒng)性能進行并發(fā)測試，結(jié)果如表4所示。

由表4可知，當用戶訪問量小于900個時，系統(tǒng)可較為快速的響應請求處理，平均響應時間不超過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)量分數(shù)的增加，納米顆粒在薄膜上的分布從均勻散布變轉(zhuǎn)化為相互團聚；

（2）復合薄膜中 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 對提升 PI/TiO₂ 復合膜感濕傳感器的靈敏度有積極的作用，但過量納米 TiO₂ 可能會導致水分子在傳感器內(nèi)部團聚，引起電容響應曲線的非線性問題;

（4）感濕薄膜厚度增加，感濕傳感器靈敏度增加，但濕滯和響應時間也隨之增加；

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

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

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