用于运动状态监测的纸基柔性摩擦电传感器

为解决柔性摩擦电传感器制备流程复杂、成本高、不够环保等问题,设计了一种基于纸基导电银浆的低成本柔性摩擦电传感器。当外部压力由5 N增大至50 N时,其输出电压和输出电流逐渐增大,在频率为1 Hz、幅值为50 N的外部压力作用下,输出电压的峰值约为7.52 V。当外部压强在17~173 kPa的范围内变化时,输出电压峰值与压强呈分段线性关系。当外部压力的频率变化时,输出电压保持不变。结果表明,该传感器压力传感性能良好。当应用于运动传感中时,该传感器能够感知肘关节、腕关节的弯曲角度,并能有效区分走、快走、跑3种运动类型以及踮脚、深蹲、抱腹跳3种健身动作,计算人体行走频率与健身动作次数,在人体运动状态监测等领域具有良好的应用价值。

高回弹性压阻式薄膜压力传感器的研究进展

压阻式薄膜压力传感器作为薄膜压力传感器的重要分支,具有灵敏度高、响应快、弹性好等优点,如何同时实现高灵敏度、宽工作范围、快速响应和快速回弹是未来所面临的挑战,而新型材料、结构设计、传感器制备方式及动态特性建模是高回弹性传感器研制的关键。本文归纳了基底及活性层材料制备及其相应单一微结构、仿生结构、皱褶结构的设计,同时阐述了高回弹性压阻式薄膜的制备技术,总结了薄膜压力传感器动态建模和动态补偿的方法,最后对薄膜压力传感器发展中的新需求做了展望。

作物茎秆膨胀收缩监测柔性可穿戴传感器研制与试验

作物茎秆膨胀和收缩变化与其水分状态密切相关,实时监测茎秆的膨胀和收缩变化能够及时掌握作物水分状态,对指导灌溉、提高农业水资源利用率具有重要意义。目前,对于作物茎秆膨胀和收缩变化的监测主要采用基于线性微位移测量原理的传感器,通过测量茎秆的膨胀和收缩引起的位移变化来反映水分状态,存在体积大、价格高、安装不便等问题。为此,该研究提出了一种基于压阻效应的柔性可穿戴传感器,采用柔性压力电极作为传感元件,贴附在作物茎秆表面,通过监测茎秆膨胀和收缩引起的压力变化来反映作物的水分状态,压力检测电路和数据采集电路将作物茎秆的压力信号转换成电信号进行输出和存储。首先在实验室环境下对传感器性能进行测试和标定,然后在温室环境下将传感器安装在番茄茎秆上观测番茄茎秆的压力变化,并与线性微位移传感器观测结果进行比较,最后在充分灌溉和水分亏缺2种条件下观测番茄茎秆的膨胀和收缩变化。结果表明,柔性压力传感器稳定性测试的平均相对变化率为0.109%;弯折前后引起的输出变化非常小,可以忽略不计;标定结果的决定系数大于0.99,最合适的工作压力范围为2~100 kPa;实验室环境下,柔性压力传感器与线性微位移传感器输出值之间的决定系数为0.9551;温室环境下,充分灌溉组中柔性压力传感器与线性微位移传感器输出值变化趋势一致,两者之间的决定系数为0.7672,亏缺灌溉组中两类传感器输出值均因水分亏缺而呈现下降趋势,输出值之间的决定系数为0.8519。本文所设计的柔性可穿戴压力传感器不仅能够实时监测番茄茎秆的膨胀和收缩变化,还可以对番茄亏水胁迫进行诊断,为实现高效节水灌溉提供重要的技术支撑。

改进群体智能算法的无线传感器网络覆盖优化

为解决无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)节点分布不均和随机部署中的低覆盖率问题,该文提出一种改进群体智能算法的无线传感器网络覆盖优化算法,即改进的黑猩猩优化和哈里斯鹰优化的混合优化算法(Improved Chimp Optimization and Harris Hawk Optimization Algorithm,ICHHO).该算法首先对黑猩猩优化算法(Chimpanzee Optimization Algorithm,ChOA)进行改进,使用Levy Flight来改善其探索阶段,然后设计一个更新的公式来计算猎物逃逸能量,作为开发和探索之间的选择因素.传感器节点随机部署后,将ICHHO在传感器节点上执行,按照改进策略更新个体位置信息,计算相应的适应程度,找到最优传感器位置,并根据传感器概率模型确定网络最优覆盖率.仿真结果验证了ICHHO对于解决WSN覆盖问题的适用性,与其他优化算法的对比结果显示,ICHHO在提高覆盖率方面优于其他算法.

基于一阶线性自抗扰控制器的同步磁阻电机无速度传感器控制

同步磁阻电机在实现无速度传感器控制时出现交叉耦合效应,导致dq轴电感随着电流发生非线性变化,转速环使用传统PI控制器已无法满足系统较强的抗扰性能和较高的转子位置估计精度。为了改善此问题,该文提出一阶线性自抗扰控制器的同步磁阻电机无速度传感器控制策略,利用其机械运动状态方程,将同步磁阻电机的交叉耦合效应及负载扰动变化视为扰动。首先通过扩张状态观测器对负载扰动快速观测并进行前馈补偿,以此来提高系统抗扰性;其次利用静止实验法,得到dq轴磁链与电流的非线性函数模型,将该模型运用至磁链观测器中,以减小交叉耦合效应,提高转子位置估计精度;最后在1.5 kW的同步磁阻电机对拖加载实验平台上进行实验,验证了该控制方案的有效性。

多场景下基于传感器的行为识别

针对基于传感器的行为识别任务中识别场景单一且固定的问题,提出一种多场景下基于传感器的行为识别迁移模型,由基于传感器的动态感知算法(dynamic perception algorithm,DPA)和自适应场景的行为识别迁移方法(adaptive scene human recognition,AHR)两部分组成,解决在固定场景下对传感器的依赖性以及在场景转换时识别模型失效的问题。DPA提出两阶段迁移模式,将行为识别阶段和模型迁移阶段同步推进,保证模型在传感器异动发生后仍能持续拥有识别能力。进一步提出AHR场景迁移方法,实现模型在多场景下的行为识别能力。实验验证该模型具有更优的适应性和可扩展性。

无线无源力/热传感器与测试技术研究现状

针对力热传感器多数采用有线有源的技术方案,难以适用于高温、高压、强振以及机械动力旋转部件等环境下的力热参数原位测试问题,阐述了进行无线无源传感器件研究的重要意义,并对声表面波(surface acoustic wave,简称SAW)传感器、LC谐振互感耦合传感器以及超材料传感器等3类无线无源力热传感器进行了总结及现状分析。首先,描述了无线无源力热传感器的需求情况;其次,介绍了3类传感器的工作原理、传感性能及其在独特场景下的具体应用;最后,讨论了无线无源传感器发展过程中的瓶颈问题,指出了未来可能改善和提升的发展方向。

面向人体运动检测的水凝胶基柔性应变传感器设计

在可穿戴电子设备迅猛发展的背景下,构建面向人体运动检测的可穿戴柔性应变传感器成为目前传感器研究的重点之一。基于聚丙烯酰胺(PAM)、纤维素纳米晶(CNCs)、单宁酸(TA)构建了一种导电水凝胶基柔性应变传感器。机械性能与电学性能测试结果表明,相较于其他柔性应变传感器,聚丙烯酰胺-纤维素纳米晶-单宁酸导电水凝胶基柔性应变传感器具有超长的拉伸范围(0%~2 900%)、较好的黏附性、快速的响应时间(280 ms)和良好的稳定性(超320次加载-卸载循环)。该传感器对人体关节弯曲的大应变与喉部活动的小应变等运动信号具备良好的检测功能,可用作人体运动检测的柔性可穿戴传感器。

基于MEMS技术的集成压力-湿度传感器

设计了一种高灵敏度的集成压力和湿度传感单元的芯片。压力传感单元基于SOI和蛇形电阻结构。室温下,传感器在载压范围为3~129 kPa内灵敏度为0.026 mV/kPa,与有限元仿真基本吻合。传感器在25~120℃范围内的热灵敏度漂移为0.004‰FS/℃,热零点漂移为0.25%FS/℃。湿度传感单元采用的叉指电极和电容式结构,引入含氟PI作湿度敏感膜。设计Mo电阻加热结构加快传感器降湿过程,缩短降湿时间近32%。在10%~90%RH的湿度范围,含氟PI湿度传感器的灵敏度为0.121 pF/%RH,略低于无氟PI器件。含氟基团的引入,使得传感器的湿滞较无氟PI降低16%。“电容-湿度”曲线呈指数分布,相关系数R^(2)=0.996。测试结果发现,湿度传感单元和压力传感单元拥有良好的独立工作性能。

一种自适应扩展卡尔曼滤波的永磁同步电机无位置传感器矢量控制

在粗差干扰或噪声统计偏差情况下,扩展卡尔曼滤波(EKF)对永磁同步电机(PMSM)的速度和转子位置估计存在精度下降问题,为此提出一种基于新息序列的自适应扩展卡尔曼滤波算法(AEKF)。首先,将粗差干扰加入系统观测方程中,分析粗差干扰对系统观测精度的影响。其次,为增强算法的抗扰性能,在新息协方差计算中设置加权系数,通过调整临近时刻的新息协方差阵权重,计算出新息协方差值,并更新到卡尔曼增益的计算。最后,建立AEKF数学模型,并对比粗差干扰与噪声统计出现偏差情况下,AEKF与EKF两种策略的观测性能。仿真和实验结果表明,在粗差干扰或噪声统计信息出现偏差情况下,AEKF算法对永磁同步电机转速的观测具备更强的鲁棒性及更高的预测精度。

高灵敏度SiC动态高温压力传感器仿真研究

为了提高碳化硅(SiC)动态高温压力传感器的灵敏度,采用p型SiC材料,同时对传感器的敏感单元的不同结构———方膜和圆膜,利用Ansys软件进行了静力学仿真与分析,并完成了敏感芯片的尺寸设计。仿真结果表明:优化后的传感器输出灵敏度为14.2μV/(V·kPa)。在100~600℃内非线性误差小于1.53%。动态仿真表明:传感器的固有频率为481kHz,传感器可以在160kHz高频环境中安全工作,该结果为进一步制备SiC高温压力传感器奠定了理论支撑。

用于压电传感器的层加层结构纳米纤维膜

通过聚丙烯腈(PAN)与改性木质素(CEHL-PTMG)接枝物进行共混,使用多层静电纺丝技术得到PAN|PAN/CEHL-PTMG|PAN层加层结构的纳米纤维膜,并制备一系列的薄膜。对制备的层加层结构纳米纤维膜进行表面形貌、构象、热性能、力学性能以及压电性能测试。实验结果表明:层加层结构使得薄膜的压电性能得到了大幅提高,PAN(11%,1 mL)|PAN/CEHL-PTMG(11%/2%,2 mL)|PAN(11%,1 mL)层加层结构纳米纤维膜的压电性能最为优异,输出电压和电流分别可达2.57 V、1468.0 nA;层加层结构薄膜的拉伸强度提高到了7.16 MPa,相较复合纳米纤维膜拉伸强度提高了7.51%,比纯PAN薄膜拉伸强度提高了52.67%;结构化后的薄膜的稳定性大幅提高,经过上千次的撞击仍能输出较好的电压;同时将其附于手指及手肘上,能更加明确地指示两者的运动,且在数值上出现较大的差距。

基于改进正交锁相环的永磁同步电机无位置传感器控制

针对传统正交锁相环(QPLL)应用于永磁同步电机无位置传感器控制中存在的反转失效与加、减速工况下出现显著的转子位置直流偏移误差问题,该文提出一种改进的正交锁相环(IQPLL)。其通过重构鉴相器环节,使得鉴相器的输出与永磁同步电机的转向不再相关,从而解决传统QPLL在电机反转时估算转子位置出现180°偏差的问题。此外,在新型鉴相器结构下,设计前馈环路以补偿加、减速工况下的位置直流偏移误差。并建立了IQPLL的小信号模型,根据系统的频率响应特性给出了IQPLL的参数设计方法。实验结果表明,相对于传统的QPLL,所提出的IQPLL可实现永磁同步电机无位置传感器控制正、反转稳定运行,并有效抑制了加、减速工况下的转子位置直流偏移误差。

改进流向算法的无线传感器网络覆盖优化

针对标准流向算法易陷入局部最优和收敛精度低等问题,提出一种融合莱维(Levy)飞行和入侵杂草策略的改进流向算法.首先,该算法在选择水流流向时引入Levy飞行机制,使水流沿最优水流位置方向做Levy飞行运动,避免陷入局部最优;其次,利用入侵杂草策略,对每一代水流进行繁殖、空间扩散和竞争操作,增加水流的多样性,扩大搜索范围,提高全局寻优能力.最后,将改进流向算法应用于无线传感器网络覆盖优化中,并与标准流向算法及其他改进算法进行实验对比.仿真结果表明,相比标准流向算法及其他改进算法,所提改进流向算法的覆盖性能有大幅提升,覆盖率可达98.52%,可实现更均匀的节点分布和更低的部署成本.

石墨烯柔性压阻传感器微织构压缩应变机制

为满足智能机器人、电子皮肤等领域对柔性传感器高灵敏度日益增加的需求,通过设计高表面积形貌以制备石墨烯凸台微织构柔性传感器,并对比分析有无微织构传感器的灵敏度;基于结构力学方程与静电方程,建立微织构柔性传感器模型,开展了电场作用不同基底厚度以及微织构间距下柔性传感器微织构应变的数值模拟,研究柔性压阻传感器微织构压缩应变机制,探寻机械载荷和电载荷的交互作用关系。结果表明,柔性基底的微织构化处理能有效提高柔性压阻传感器的灵敏度。模型总位移的最大值随基底厚度的增加呈非线性增加,微织构应变随着厚度的增加而减小。电场作用下微织构应变受机电耦合压力叠加的影响均大于无电场作用。框状微织构类似于悬臂梁,作用在微织构上的力矩随间距增加而增大,同时刚度减小,微织构的压缩形变增加,应变增大。组合尺寸微织构的应变随着微织构间距的增加而增大,制备多尺寸微结构传感器可使用(150+350)μm的组合尺寸,能够有效增加接触面积提高传感器灵敏度。机械载荷和电载荷的耦合作用,组合尺寸对力矩与刚度的分配有效增加了基底的应变,提高了柔性传感器的灵敏度。

基于证据理论的多传感器数据融合水质检测研究

针对多传感器水质监测数据融合中测量数据存在误差的现象,论文提出一种基于DS证据融合理论的多源监测数据融合算法.该算法将影响水质的氨氮含量(NH3-N)、溶解氧(DO)、pH值、电导率(CD)等多环境因子变量作为证据,并赋予可靠性折扣,计算出水质等级的质量函数,然后通过DS方法将其与其他证据结合起来,最后使用融合质量函数值的决策规则确定水质类别.实验证明这种方法适用于具有多源监测数据的水质类别预测,可以从不确定性传感器数据中评估水质,并提高评估性能.

基于Modbus/TCP的电容式扭矩传感器数据采集系统设计

扭矩传感器通常安装于机械设备的旋转关节处,用于扭矩的测量。电容式扭矩传感器需要配备专门的数据采集系统才能使用,且数据采集系统的性能直接影响传感器的精确测量。针对实验室自主研制的电容式扭矩传感器的应用需求,设计了一种基于Modbus/TCP协议的数据采集系统。系统以STM32为主控芯片,通过控制电容数字转换芯片AD7147实现电容信号采集与转换,然后由W5500以太网芯片将数据上传到自主开发的上位机软件中进行处理、显示与存储。实验测试表明:系统最大测量误差为1.47%,数据输出频率为1000 Hz。

基于电磁感应自驱动传感器的呼吸率监测系统研究

呼吸率是呼吸功能的一个重要参数,实时监测呼吸率对发现和预防呼吸疾病有着重要意义。设计了一种基于电磁感应自驱动呼吸气流传感器的呼吸率监测系统,该系统将传感器置于口腔/鼻下通过监测呼吸气流的变化来监测人体的呼吸率。实验测得传感器在呼吸缓慢、呼吸正常、呼吸急促时周期分别为3.8,2.3,1.6 s,小于人呼吸周期时间(3~6 s),系统采用蓝牙通信技术传输数据,方便测试者移动。该系统实现了对人体呼吸率稳定、实时、准确的采集,为后续呼吸疾病的预防和诊断提供了一定的研究价值。

可穿戴汗液传感器系统的研究进展

在新材料和新技术广泛应用的背景下,柔性可穿戴汗液监测设备成为当前国内外研究的热点。目前,基于柔性可穿戴设备的汗液检测一般需要3个环节:汗液的取样、目标分析物的选择性检测以及系统的集成与控制。本文主要从汗液原位检测的优势出发,总结了汗液的刺激和提取的方法,并对电化学类的汗液传感器的研究进展进行多角度的分析与评价。最后讨论了可穿戴的汗液传感器存在的不足,以及未来系统的发展方向。

改进滑模观测器的电流源逆变器驱动PMSM无位置传感器控制

由于电流源逆变器(CSI)的叠流效应以及前级DC-DC控制的母线电流脉动较大,使得扩展反电动势中含有大量谐波,造成较大的位置误差。针对此问题,该文提出一种改进滑模观测器的电流源逆变器驱动永磁同步电机无传感器控制方法。首先,基于传统滑模观测器,设计复系数滤波器代替传统低通滤波器,实现了对估计反电动势的准确提取,同时也抑制了估计反电动势中的高频抖动和高次谐波。其次,将二阶广义积分器内嵌于锁相环中,用于消除位置误差信号中的低次谐波,提高位置观测准确度。最后,将估算的速度信息反馈回复系数滤波器,实现复系数滤波器的自适应性。实验结果表明,所提方法在不同工况下,能够有效提高估算的转子位置精度,验证了方法的可行性与有效性。