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。

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。

基于角度传感器的弓网相对坐标检测技术研究

在电气化公路弓网相对坐标的检测中,基于机器视觉的非接触式检测技术的检测精度受图像采集环境的影响较大,基于光电传感器的接触式检测技术的检测精度受传感器安装密度限制。提出了一种基于角度传感器的接触式相对坐标检测技术,用于电气化公路的弓网相对坐标检测。首先,基于双接触线的电气化公路接触网,搭建弓网相对坐标检测实验台,建立弓网相对坐标与角度信息关联函数;然后,研究系统刚度、角度传感器线性度对实验台检测误差的影响规律,建立多项式修正函数对关联函数进行修正;最后,基于修正的弓网相对坐标关联函数,进行弓网相对坐标检测实验,得到实验台检测的绝对误差为±1 mm,相对误差为±0.5%,具备较高的检测精度。

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。

基于智能柔性织物传感器的漏尿频次监测系统研究

为诊断每位尿失禁患者的漏尿频次,治疗尿失禁问题,在尿片中嵌入织物功能电极,连接到自制的可穿戴式尿失禁患者漏尿频次监测系统,制备出智能尿片,根据功能电极电阻值的变化监测漏尿的频次。结果表明:每个功能电极连续监测次数可达15次以上,平均准确率达86.2%,灵敏度达73.5 kΩ/(0.1 mL)。该系统提出了一种尿失禁患者监测漏尿频次的简便方法,也可用于患者评估基本健康状况;同时也提供了一种智能柔性织物传感器的应用思路。

氨基糖苷类药物光电化学传感器的构建及应用研究进展

氨基糖苷类药物(aminoglycosides,AGs)残留严重危害人体健康,传统检测方法操作复杂、成本高昂,光学和电化学传感器灵敏度高、特异性强、操作简单且成本低,应用前景广阔。该文介绍了食品中AGs光学与电化学传感器的构建方法与研究进展,涉及荧光法、化学发光法、比色法、表面增强拉曼光谱、电致发光及电化学方法。最后总结了不同类别传感器的优势与挑战,为新型光电化学传感器的构建与应用提供了新的思路,为该类药物的安全监控提供了技术支持。

二维低频光纤布拉格光栅振动传感器的设计

本文设计了一种可在x轴和z轴方向工作的对称圆形柔性铰链式二维振动传感器,以对低频振动信号进行获取和监测。从理论上分析了传感结构的力学特性,在Comsol中建立模型进行仿真分析,并采用有限元法对结构进行优化设计,将铰链谐振频率设计为420 Hz。采用光纤布拉格光栅(FBG)作为应变检测器件粘贴在铰链结构表面,利用边沿滤波器法实现FBG的动态解调,采用标准振动台对传感器性能进行测试。实验结果表明该传感器在x轴和z轴的谐振频率为420 Hz,工作频率为20~300 Hz。在平坦区的平均灵敏度为1847.32 mV/g,加速度分辨率达5.41×10^(-4)g。该传感器在所有二维方向上的横向干扰水平均小于5%。本文设计的传感器为二维振动传感器,可适用于低频振动信号的高灵敏检测。

金纳米粒子/氧化石墨烯复合膜电化学免疫传感器的构建及其对鲜肉中马波沙星的检测

该文构建了一种金纳米粒子/氧化石墨烯复合膜修饰玻碳电极的电化学免疫传感器,用于鲜肉中马波沙星残留的检测。用电沉积法在电极表面合成金纳米粒子/氧化石墨烯复合膜,然后通过电化学法还原复合膜中的氧化石墨烯,固载抗体。采用循环伏安法对电极的修饰过程进行表征。用差分脉冲伏安法优化传感器的电化学检测条件。在最优条件下,对马波沙星进行定量检测。响应峰值电流变化量与马波沙星在0.5~400 ng/mL浓度范围内呈线性关系,检测限为0.05 ng/mL。传感器对猪肉、鸡肉和牛肉样品的检测限分别为0.09、0.10、0.09μg/kg,添加回收率为82.81%~101.99%,检测结果与超高效液相色谱-串联质谱法基本一致。结果表明,所建立的电化学免疫传感器可用于实际样品中马波沙星残留的检测。

一款基于可穿戴传感器的便携式步态检测系统的信效度研究

目的验证一款基于可穿戴传感器的便携式Right Gait&Posture?步态检测系统的信度和效度。方法江苏钟山老年康复医院于2023年8—11月招募36例健康受试者,由2名受过培训的评估者采用Right Gait&Posture?步态检测系统对每位受试者进行3次步态检测,评估者1完成第1次和第2次测试,评估者2完成第3次测试,所有测试均在同一天内完成。记录步态周期、摆动相占比、支撑相占比、步速、步频、步幅、足偏角、着地角度、着地内翻角度和蹬离角度等步态参数。采用组内相关系数(ICC)计算测试者间信度和重复测试的相对信度;采用测量标准误(SEM)和最小真正改变量(MDC)作为重复测试的绝对信度。以视频步态分析法作为对照,采用Bland-Altman法计算95%一致性界限,分析Right Gait&Posture?系统检测步态周期、摆动相占比、支撑相占比和步速4项步态参数的效度。结果(1)测试者间信度:2名评估者间步态周期、摆动相占比、支撑相占比、步速、步频、步幅、着地角度、着地内翻角度、蹬离角度和足偏角的ICC值为0.901~0.981。(2)重复测试信度:同一个评估者2次测试间的步态周期、摆动相占比、支撑相占比、步速、步频、步幅、着地角度、着地内翻角度、蹬离角度和足偏角ICC值为0.822~0.983。各项步态参数SEM和SEM%值分别为0.02~2.17和0.49%~13.83%,MDC和MDC%值分别为0.06~6.02和1.37%~38.34%。(3)效度分析:BlandAltman图显示步态周期、摆动相占比、支撑相占比和步速的绝对误差平均值和95%CI分别为0.003 s,(-0.059,0.064);0.756%,(-3.048,4.560);-0.756%,(-4.560,3.048);-0.001 m/s,(-0.155,0.152)。结论Right Gait&Posture?系统在时空参数和踝关节运动学参数方面具有较好信度;在步态周期、摆动相占比、支撑相占比和步速方面具有较高效度,值得临床推广应用。

基于PVDF柔性传感器的不同介质中冲击波波源测量与频谱分析

目的明确体外冲击波系统冲击头在不同介质界面产生的冲击波波源特征。方法采用冲击气压可调的体外冲击波产生与信号采集实验系统,结合聚偏二氟乙烯(PVDF)柔性传感器,通过实验测量方法研究冲击头在不同介质(仿体组织、水和空气)界面产生的冲击波形,分析波源的时域特征和频谱特性。结果在相同气压冲击下,冲击头在仿体界面和水界面产生的冲击波波形相似,二者与空气界面产生的冲击波波形存在较大差异,空气界面的正负压绝对值明显减小;不同介质中产生的冲击波频谱特性相似,都存在3个明显的峰值频率,仿体、水和空气中调制频率分别为12.2、8.5、7.2 kHz,载波频率基本无变化(82~83 kHz)。不同气压冲击下,冲击头在同一介质界面产生的冲击脉冲波波形差异不大,冲击气压仅影响冲击波幅度,不影响峰值频率。随着冲击气压的增大,介质界面正负压绝对值增大,变化基本呈线性。结论PVDF柔性传感器可以有效测量冲击波波源,不同介质界面产生的冲击波在时域和频域都存在一定差异,不能简单以空气或水中的冲击波传播特性代替生物组织中的传播特性。研究结果可以为冲击波设备的评估和临床冲击波治疗方案的制定提供重要信息。

面向新型电力传感器的能量收集技术

电力传感器作为能源互联网的关键基础设施,其持续稳定的电力供应是保证能源互联网高效运行的前提。然而,传统供电方式存在诸多局限。全面梳理了面向新型电力传感器的能量收集技术,包括振动能量收集、温差能量收集、光伏能量收集和电磁能量收集等,这些技术利用环境中的分布式能源,通过不同的转换机理为传感器提供电力,有望解决供电难题。阐述了各种能量收集技术的应用现状,分析了目前所面临的关键技术挑战,如能量转换效率低、工作条件要求苛刻、器件可靠性和集成度有待提高等;探讨了未来能量收集技术的创新方向,包括开发新型高性能材料、优化器件结构设计、使用复合式收集技术等,以期实现更高的能量利用效率,满足新型电力传感器的实际需求,推动智能电网等相关领域的技术创新。

基于多传感器的室内环境监控系统设计

为满足室内环境监控的新需求,设计并实现了一种基于多传感器的室内环境远程监控系统。系统采用物联网三层架构体系包括感知层、网络层和应用层,感知层主要实现室内环境信息监控、室内舒适性判断及有害气体预警功能;网络层负责传递数据信息;应用层负责数据发布,供用户远程实时获取室内环境信息。实验结果表明,该系统能远程实时监控室内环境,具有低功耗、操作简单、成本较低等优点。

基于激光传感器的无人驾驶变换轨迹跟踪系统

针对常规无人驾驶轨迹跟踪过程依据一个给定的参考轨迹,存在跟踪角度及速度协同性较差、精度较低的问题,提出基于激光传感器的无人驾驶变换轨迹跟踪系统。设计包含激光传感器、电机控制、液晶显示、上位机通讯模块、键盘控制、微控制器的硬件结构,根据角速度及速度误差调整角速度协同控制器误差,通过神经元加权处理偏置数,优化双推角速度协同控制效果;引入滑模控制器,得到速度控制指令及角速度控制指令回角速度协同控制器,通过轨迹控制器和角速度协同控制器的设计,实现无人驾驶变换轨迹跟踪控制。实验结果表明,应用该系统后,角度轨迹跟踪结果更接近期望角度,直线状态和曲线状态下的轨迹跟踪误差均较小,最高为4 cm,轨迹跟踪精度高、定位准,整体应用效果更佳。

基于激光传感器的机电一体化设备自动化控制系统

该文以提升机电一体化设备准确、快速控制为目标,设计基于激光传感器的机电一体化设备自动化控制系统。利用PC端发送机电一体化设备数据采集指令,采集当前设备实时运行数据后,将其发送到可编程逻辑控制器,对实时运行数据去噪预处理后,利用多目标设备协同控制方法,获得设备自动化控制指令,并利用得到的设备自动化控制指令控制机电一体化设备单片机执行动作,完成机电一体化设备自动化控制。实验结果表明,该系统具备较好的兼容性,采集机电一体化设备实时运行数据较为精准的同时,还可有效实现机电一体化设备自动化控制,控制灵敏度较好。

谐波减速器集成式扭矩传感器的设计与测试

为实现协作机器人关节力控和提高集成度,提出一种集成于谐波减速器内部的扭矩传感器,以精确获取关节输出扭矩值,推动智能化控制的实现。采用有限元计算方法分析了谐波减速器柔轮底面应变与加载扭矩之间的规律;然后根据有限元分析的结果,考虑柔轮底面敏感栅在不同栅丝长度、栅丝间距和栅丝位置情况下,建立底面应变与扭矩变化皮尔逊相关系数的响应面模型,求解模型获得最优的敏感栅结构参数,确保该结构下集成式传感器具有最佳线性响应,结合惠斯通电桥原理设计扭矩传感器结构;最后,对集成式扭矩传感器进行标定和测试。结果表明:集成式扭矩传感器的灵敏度为0.249 mV/N·m,线性度为0.99974,迟滞误差为2.19%。施加0~70 N·m之间阶梯变化的负载扭矩并进行重复实验,集成式扭矩传感器相对于标准扭矩传感器均方根误差为0.89~0.98 N·m。施加在±70 N·m之间正弦变化的负载扭矩,均方根误差为0.96~1.05 N·m。该集成式扭矩传感器能够较为精准地感应负载扭矩,有助于实现协作机器人关节力控制,提升机器人系统的集成度。

用于应变传感器的自愈合抗冻离子水凝胶

近年来,导电水凝胶在电子驱动器、医疗监测传感器及可穿戴设备等领域的应用备受关注。然而,多数凝胶机械强度低、寿命短、抗冻性能差,从而导致低温下无法使用。为了解决该问题,以聚乙烯醇、离子液体1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐和植酸为原料,在水与二甲基亚砜(DMSO)二元溶液中借助多重氢键及离子基团间的静电作用实现了超分子自组装,制备出一种可用于应变传感的自愈合、耐低温多功能离子水凝胶。研究发现在凝胶中引入DMSO,凝胶表现出优异的抗冻能力;同时,调节DMSO的含量可优化凝胶的强度和韧性,当DMSO体积分数为40%时,最大拉伸强度和断裂伸长率分别可达4.43 MPa和869.1%。该离子水凝胶在低温应变传感器、智能可穿戴响应元件等领域展现出较好的应用潜力。

基于柔性应变传感器的数据手套手势识别研究

针对传统手势识别系统识别率不高、响应不稳定等问题,设计了一个包括柔性传感器、信号采集系统、手势识别算法的柔性应变传感器数据手套手势识别系统。该系统可准确捕捉每根手指关节运动信息,具有高自由度、低成本、高识别率等特点。在软硅胶材料中掺杂特定配比的碳黑(CB)和碳纳米管(CNTs),通过转印技术设计出线性度好、灵敏度高的电阻式传感器。实验结果表明,传感器具有较好的静态、动态响应特性,并完成传感器标定;利用多个柔性传感器制备数据手套并搭建信号采集系统,进一步提出融合BP神经网络和模板匹配技术的手势识别方法,以提升相近手势字母识别率,算法识别率为98.5%;针对不同人群开展手势识别实验,结果表明,该手势识别系统准确率达到92.8%,响应时间约40ms,该数据手套具有较好的应用潜力。

基于磁性传感器的低失调温度补偿接口电路设计

面向磁性传感器在物联网(IoT)技术中的广泛应用,该文基于180 nm CMOS工艺设计了一种具有低失调电压,低温度漂移特性的霍尔传感器接口电路。针对霍尔传感器灵敏度的温度漂移特性,该文设计了一种感温电路并与查表法相结合,调节可编程增益放大器(PGA)的增益有效地降低了霍尔传感器的温度系数(TC)。在此基础上,通过在信号主通路中使用相关双采样(CDS)技术,极大程度上消除了霍尔传感器的失调电压。仿真结果表明,在–40°C~125°C温度范围内,霍尔传感器的TC从966.4 ppm/°C减小到了58.1 ppm/°C。信号主通路的流片结果表明,霍尔传感器的失调电压从25 mV左右减小到了4 mV左右,霍尔传感器的非线性误差为0.50%。芯片的总面积为0.69 mm^(2)。

基于CsPbBr_(3)量子点的湿度传感器的制备及其在微裂纹检测中的应用

采用简单的溶液路线结合乙酰丙酮铁(AAI)改性技术,制备了分散性良好、尺寸均匀的钙钛矿型CsPbBr_(3)-Fe量子点(QDs),通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)以及光致发光(PL)光谱对材料进行表征。并通过旋涂法构筑基于钙钛矿QDs的电阻式湿度传感器。湿敏特性测量结果表明:该湿度传感器在10%~100%的相对湿度(RH)的检测范围内具有良好的线性、快速响应特性;在70%RH时传感器的灵敏度为1.1,响应时间为33 s,恢复时间为38 s。此外,我们运用有限元方法模拟了管道微裂缝的泄漏行为,通过模拟不同流速、压力下的流速场和压力场分布,验证了利用湿度传感器检测泄漏点位置的可行性。