0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看威廉希尔官方网站 视频
  • 写文章/发帖/加入社区
会员中心
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

高性能、可量产的确定性接触电阻式编织结构大应变传感器

MEMS 来源:MEMS 2023-01-09 15:36 次阅读

近年来,各种智能可穿戴设备被广泛应用于人机交互、运动监测和医疗健康等领域,其中大应变传感器是监测变形的关键元器件,可以实现对人体运动信号的全范围监测,包括呼吸、脉搏、肌肉运动以及各关节处的运动。然而传统应变片的测量范围一般在5%以内,不能满足目前的需求。用于智能穿戴设备中的大应变传感器应具备以下几种基本特征:(1)测量范围广。为了监测人体关节处的大变形,应变传感器的传感范围一般需达50%。(2)适当大的灵敏度。这有利于测量微小变形,避免较大的测量误差。(3)高重复性。这是应变传感器对循环拉伸变形做出准确响应的关键。(4)鲁棒性。包括可水洗性、耐磨性、对微缺陷不敏感以及能承受极端载荷的能力。(5)低造价和可连续生产的能力。(6)在特殊应用场景下的其他重要性能,如高线性度、快速响应时间、低松弛和温度不敏感等。经过科研人员的不懈努力,大量的大应变传感器应运而生。

目前广泛研究的大应变传感器主要包括以下三种:(a)裂纹基应变传感器。这种传感器通常具有较大的灵敏度和测量范围,但是由于裂纹的随机性和裂纹间接触关系的不稳定性导致重复性不理想。(b)织物类应变传感器。这种传感器相对于裂纹基应变传感器具有较为稳定的接触关系,但是织物间相互约束较弱、容易滑移和松弛,从而影响信号的稳定性。(c)无接触电阻式应变传感器。此前研究者提出的无接触电阻式应变传感器具有良好的线性度和重复性,但是其灵敏度较低(约0.005)。因此,研制一种测量范围广、灵敏度适当高、重复性高、能连续生产的大应变传感器具有重要意义和挑战性。

近日,中科院力学所苏业旺研究员团队设计并制备了一种高性能、可量产的确定性接触电阻式编织结构大应变传感器(如图1)。在这一编织结构中,涤纶纤维将银纤维与乳胶丝基底紧紧捆绑到一起形成“Y”形结构,这避免了拉伸过程中纤维间的滑移从而使得应变传感器具有较高的重复性(重复性误差3.74%)。得益于这种特殊的编织结构,该应变传感器具有适当高的灵敏度(灵敏系数可达140)和较大的测量范围(50%)。此外,为了更深入地研究该应变传感器的传感机理,还建立了相关的力-电耦合模型,所得理论结果与实验结果一致(如图2)。该编织结构应变传感器还具有高鲁棒性、响应时间快(128ms)及对温度不敏感等性能(图3)。如图4所示,该应变传感器可应用于运动姿态的监测与矫正、医疗康复以及人机交互等领域。同时,这种编织结构应变传感器具有低成本、可连续化生产的特点,这对实现真正的“落地化”生产与应用具有重要意义。

7582165a-8e7e-11ed-bfe3-dac502259ad0.png


图1 编织结构应变传感器制备过程及照片。(a)传感器制备过程,(b)传感器宏观与微观照片,(c)传感器的拉伸、弯折和扭转。

75cf3836-8e7e-11ed-bfe3-dac502259ad0.png


图2 传感器的传感性能与机理。(a)应变传感器相对电阻变化与施加应变关系的实验与理论结果对比,(b)应变传感器在50%应变作用下进行40000次循环测试,(c)40000次循环加载前后各5次实验结果,(d)不同施加应变作用下应变传感器微观结构的SEM图,(e)传感器的电、力模型示意图。

762ea208-8e7e-11ed-bfe3-dac502259ad0.png


图3 应变传感器的动态性能及鲁棒性。(a)传感器对小应变的响应,(b)应变传感器的响应/恢复时间,(c)加载速度对传感器信号响应的影响,(d)温度对传感器信号的影响,(e)扭转对传感器的影响,(f)水洗对传感器的影响,-(g)微缺陷对传感器信号的影响,(h)具有1-mm微缺陷的传感器在50%应变下的2000次循环加卸载。

766d7b90-8e7e-11ed-bfe3-dac502259ad0.png


图4 编织应变传感器的代表性应用。(a)传感器与健身衣的集成,(b)正确与错误健身姿态下传感器的响应,(c)传感器对脉搏信号的测量,(d)传感器对颈部康复运动的监测,(e)传感器对膝关节康复运动的监测,(f)由该传感器制备的智能手套对机械手掌的远程控制。

该研究成果以“Stretchable Strain Sensors based on Deterministic-Contact-Resistance Braided Structures with High Performance and Capability of Continuous Production”为题发表于学术期刊《Advanced Functional Materials》。论文第一作者为中科院力学所博士生李居曜,通讯作者为中科院力学所苏业旺研究员。参与该工作的还有本课题组已毕业的李爽博士。该工作得到了国家自然科学基金委、中国科学院从0到1原始创新计划、中国科学院交叉学科创新团队和中组部WRQB人才计划等项目的支持。

论文信息
DOI: 10.1002/adfm.202208216

审核编辑 :李倩

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 传感器
    +关注

    关注

    2550

    文章

    51043

    浏览量

    753105
  • 耦合
    +关注

    关注

    13

    文章

    582

    浏览量

    100859
  • 电阻式
    +关注

    关注

    0

    文章

    40

    浏览量

    13051

原文标题:高性能、可量产的确定性接触电阻式编织结构大应变传感器

文章出处:【微信号:MEMSensor,微信公众号:MEMS】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    科技云报到:数字化转型,从不确定性确定性的关键路径

    科技云报到:数字化转型,从不确定性确定性的关键路径
    的头像 发表于 11-16 16:52 317次阅读
    科技云报到:数字化转型,从不<b class='flag-5'>确定性</b>到<b class='flag-5'>确定性</b>的关键路径

    什么是电阻传感器电阻传感器结构和应用

         电阻传感器是把位移、力、压力、加速度、扭矩等非电物理量转换为电阻值变化的传感器。它主要包括
    的头像 发表于 08-28 10:23 705次阅读

    影响电气触头接触电阻的因素

    能影响整个系统的性能和可靠性。 一、接触电阻的基本概念和组成 触头接触电阻是指在两个接触面之间,由于接触不完全造成的
    的头像 发表于 07-19 09:17 1036次阅读

    3针M16插头连接接触电阻检验

    德索工程师说道针对3针M16插头连接接触电阻的检验,以下是一个详细且全面的分析过程,旨在确保连接的电气性能满足设计要求及安全标准。   
    的头像 发表于 07-06 09:20 322次阅读
    3针M16插头连接<b class='flag-5'>器</b><b class='flag-5'>接触电阻</b>检验

    8针M16接头连接接触电阻检验

     德索工程师说道8针M16接头连接接触电阻的检验是确保其电气性能稳定、信号传输准确的重要环节。以下是对该过程进行详细阐述的几个方面:   接触电阻是衡量连接
    的头像 发表于 07-04 09:16 358次阅读
    8针M16接头连接<b class='flag-5'>器</b><b class='flag-5'>接触电阻</b>检验

    接触温度传感器的优缺点有哪些

    的优点 安全性高 非接触温度传感器的最大优点是安全性高。由于无需与被测物体直接接触,因此可以避免触电、烫伤等危险。在高温、高压、有毒、有害
    的头像 发表于 06-19 14:37 1072次阅读

    光伏太阳能电池性能评估的利器:美能TLM接触电阻测试仪

    接触电阻率测试功能主要用于测试接触电阻、薄层电阻接触电阻率等,这些测试对于确保光伏太阳能电池的可靠性和性能至关重要。
    的头像 发表于 05-22 08:33 2305次阅读
    光伏太阳能电池<b class='flag-5'>性能</b>评估的利器:美能TLM<b class='flag-5'>接触电阻</b>测试仪

    ETAS推出Time-Triggered Scheduling (TTS)的确定性调度解决方案

    在2024年2月26日,ETAS推出了名为“Time-Triggered Scheduling (TTS)”的确定性调度解决方案。
    的头像 发表于 04-25 16:56 2596次阅读
    ETAS推出Time-Triggered Scheduling (TTS)<b class='flag-5'>的确定性</b>调度解决方案

    什么是嵌入实时系统的确定性?简析EDMS中的确定性

    ETAS Deterministic Middleware Solution点击跳转(EDMS,前身为AOS) 确定性中间件解决方案,是一个中间件框架,旨在面向汽车领域内应用程序的独特挑战和需求
    的头像 发表于 04-15 11:22 1162次阅读
    什么是嵌入<b class='flag-5'>式</b>实时系统<b class='flag-5'>的确定性</b>?简析EDMS中<b class='flag-5'>的确定性</b>

    电阻应变传感器是如何补偿温度的?

    确保测量结果的准确性和稳定性电阻应变传感器的温度补偿主要通过两种方法:被动补偿和主动补偿。 被动补偿是指通过
    的头像 发表于 02-04 17:35 2621次阅读

    如何利用桥电路消除温度对电阻应变片的影响?

    产生变化,从而影响测量的准确性。本文将介绍如何利用桥电路消除温度对电阻应变片的影响。 一、原理介绍 电阻应变片是一种在外力作用下会改变阻值
    的头像 发表于 02-04 17:32 2115次阅读

    接触器主触头接触电阻如何测量?

    接触器主触头接触电阻如何测量? 接触器主触头接触电阻的测量是一项非常重要的测试工作,它能够确保接触器正常工作并满足设计要求。 1. 什么是
    的头像 发表于 02-04 16:51 1910次阅读

    光纤传感器和常规电阻应变片在结构监测上的对比

    光纤传感器和常规电阻应变片在结构监测上的对比 光纤传感器和常规电阻
    的头像 发表于 02-04 15:27 1015次阅读

    应变压力传感器工作原理 应变压力传感器由什么组成

    应变压力传感器是一种广泛应用于工业自动化控制和测量领域的压力传感器。它能够根据物体受力的变化来测量压力的大小,并将压力转化为电信号输出。应变
    的头像 发表于 01-23 14:21 2729次阅读

    应变传感器的构成及工作原理

    应变压力传感器是一种利用弹性敏感元件和应变计将被测压力转换为相应电阻值变化的压力传感器。这种
    的头像 发表于 12-27 16:51 5579次阅读
    <b class='flag-5'>应变</b><b class='flag-5'>式</b>力<b class='flag-5'>传感器</b>的构成及工作原理