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。

基于取向纤维基底和图案化双相金属层的高灵敏应变传感器

为了提高液态金属基应变传感器的灵敏度,研究了一种高灵敏度、可拉伸的应变传感器,该传感器由取向的静电纺热塑性聚氨酯纤维基底和图案化双相金属传感层构成。以液态金属Galinstan为“岛”,固体金属银为“海”,构建了图案化双相金属传感层。银“海”可阻止连续的液态金属导电路径的形成,基于银导电区域的裂纹扩展机制,传感器的灵敏度显著提高。此外,纤维取向(水平或垂直)削弱了在受力时纤维的重新排列,增强了传感层的变形。结果表明,对于单一液态金属层或Ag层组成的传感器,基底纤维垂直取向与随机排列比较,灵敏度分别提高1.09倍和33.19倍。最终制成的基于垂直取向纤维基底和图案化双相金属层的应变传感器具有超高的灵敏度(灵敏度系数高达952.20)和宽传感范围(高达59.33%)。这种设计有望在可穿戴设备中显示良好的应用潜力。

基于多模干涉的光纤冰体应变传感器

基于“单模-无芯-单模”光纤传感器对冰体进行应变测量研究。传感器以“分层冰冻”的方法植入冰体,冰体应变变化导致传感器干涉光谱波长偏移,通过监测光谱波长实现冰体应变测量。对于实际环境中已经存在的冰体,对“分层冰冻”方法进行优化,通过在冰面上铺设光纤,之后注水冰冻的方式,实现光纤在已有冰体中的植入。利用光谱相邻波谷温度灵敏度相近的特点,将相邻波谷波长差应用于应变测量,可以不受冰体温度变化影响。实验结果显示,冰体承载力大于500 g时,其应变显著增加,当承载力大于600 g时,冰体出现脆性断裂,传感器有效提取了该区间内冰体“韧-脆”转变过程中的应变信号。融化实验显示,传感器可以监测到冰体自然融化过程中完整的应变变化过程,测量结果不受冰体内部温度变化的影响。

纤维素基碳材料应变传感器的制备及性能

柔性应变传感器作为未来可穿戴传感设备和人机交互系统的重要组成部分,其成本控制、简易制备流程以及穿戴舒适性已成为该领域的重要关注点。以生物质α-纤维素(CA)为原料,通过简单的碳化过程将其转化为具有良好导电性的材料CAC。利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)将其封装成柔性应变传感器,探讨分析了该传感器的应变传感行为、可重复性以及穿戴舒适性,并将其应用于人体运动监测。测试结果表明:该传感器具有0.05%~20%的应变传感范围,最高灵敏度可达3.38,在1000次循环后仍具有稳定的信号输出,并且能够监测人体的肢体运动以及细小的生理运动。除此之外,该传感器所表现出的良好透气性对提升可穿戴设备的舒适性具有重要意义。

集成铁氧体的LC应变传感器的设计及测试

针对金属环境下采用LC无线无源应变传感器出现电磁信号传输失效的问题,在传感器背面集成铁氧体材料,其原理是通过抑制电磁波在金属表面的涡流效应产生的感应电动势,实现在金属环境下的电磁信号耦合测试。通过HFSS软件进行仿真验证,在金属环境下LC无线无源传感器信号失效;在传感器基底背部集成铁氧体后,通过扫频得出铁氧体可以在金属环境下实现LC传感器的电磁信号传输。对铁氧体的厚度进行参数优化,最佳厚度为0.32 mm。搭建等强度悬臂梁测试平台,结果表明,金属环境下LC传感器可以通过铁氧体实现抗金属环境干扰,频率为37.7 MHz时,LC无线无源测试系统可以很好地实现信号传输,对应的S_(11)值为-25.6 dB。对悬臂梁施加外力使其发生应变,传感器在0~1300με的应变范围内灵敏度为61.54 Hz/με。测试结果表明,铁氧体有利于实现金属环境下的LC无线无源传感器应变测试。

基于原位冷冻界面聚合法的纱线传感器制备及其应变传感性能

为解决传统传感器柔性差、制备成本高等问题,以涤纶包氨纶纱为基材,通过聚多巴胺修饰和聚吡咯的原位冷冻界面聚合制备了具有快速响应、稳定的电力学性能和循环耐用传感性能的柔性纱线应变传感器。利用扫描电子显微镜、X射线能谱分析仪、傅里叶红外光谱仪对导电纱的微观形貌和化学结构进行表征,探究了不同拉伸应变下导电纱的电阻变化性能。结果显示:在吡咯单体与三氯化铁的量比为1的最佳配比下,在不同的拉伸范围、拉伸速度下,纱线传感器电阻变化稳定,拉伸形变小于6%时,灵敏度达4.039;在10%应变下,响应时间为166.67 ms;此外,纱线循环拉伸1000次后仍具有优异的稳定性。导电纱可通过编织、针织或刺绣等方式与织物相结合,实时监测人体关节活动,广泛应用于人体运动识别和远程医疗服务等领域。

GMM-FBG电流传感器应变传递模型与胶结层优化研究

为了提升GMM-FBG电流传感器的应变传感耦合特性,通过优化GMM和FBG的胶结层几何参数,有效提升传感器输出幅值。首先建立GMM-FBG电流传感器光纤层-涂覆层-胶结层-基体四层结构的应变传递模型,得到了光纤层与基体层之间平均应变传递率与胶结层基本参数之间的关系。并且通过有限元仿真验证了应变传递模型的准确性。以优化提升传感器的平均应变传递率为目的,对胶结层的长度、宽度、上下半部厚度、弹性模量和泊松比等参数进行了优化。结果显示优化后传感器的应变传递率得到有效提高,可使电流传感器的输出幅值增大。

无源无线应变传感器中压电材料接触力学模型研究

针对现有无源无线传感器存在稳定性差,抗干扰能力不强,传输距离过短的问题,提出一种新型无源无线应变传感器。该传感器由两个线圈和一个体声波传感器组成,体声波传感器包括传力结构和石英晶片,其可将被测表面的应变转化为可检测的石英谐振频率偏移。首先,建立了半椭圆接触模型,研究接触力、激励电压、接触元件形状对石英的影响,以提高传感器性能;其次,设计了石英加载装置,实现石英表面微力加载研究;最后,搭建了无源无线应变传感系统,传输距离可达5 cm,分辨率约为4.2 Hz/με,应变测量范围为600με,重复性实验显示RSD为5.47%。实验结果表明,该传感系统具有良好性能,在未来将与无人机结合为大型结构应变测量提供有效的解决方案。

纺织基应变传感器在健康监测领域的研究进展

纺织基应变传感器因高灵敏度、透气性、可穿戴舒适性和可连续监测等特点,在健康监测领域具备广阔的应用前景,如人体生理信号监测、运动与姿态监测以及远程医疗保健等。针对目前应变传感器透气性、舒适性差,无法满足人体日常穿戴等应用难题,以纺织基应变传感器为研究对象,系统综述了近几年纤维基、纱线基、织物基3种类型的应变传感器及其在健康监测领域中的研究进展,同时分析讨论了纺织基应变传感器存在标准化难,兼容性、稳定性、耐洗性差等问题,指出未来纺织基应变传感器的主要发展方向应聚焦于高集成化及多功能化,并借助人工智能等技术实现远程医疗及个性化健康管理。

水凝胶用于高灵敏度应变传感器的研究进展

首先综述了压电式、电阻式、摩擦电式以及电容式4种应变传感器的类型的及其传感机理。其次,深入探讨了提升水凝胶应变传感器灵敏度的关键方法。通过选用导电纳米粒子与离子材料等适宜材料,采用微球、锯齿状、多孔等特定结构设计,以及多因素的综合复合等方式,可以赋予水凝胶应变传感器高灵敏度的特征。随后,归纳了此类传感器在智能电子、可穿戴设备和医疗健康领域的应用实例。最后,展望了目前面临的挑战与未来的机遇。

智能背景下机器学习在柔性应变传感器中的应用研究进展

为深入研究智能纺织品中柔性应变传感器的发展,探讨了其在检测人体运动轨迹、力学/声学特征以及各类生理指标信息方面的应用,着重阐述了机器学习在提升整个柔性应变传感系统性能方面的作用。通过系统综述最新研究进展,旨在深化对机器学习在基于智能纺织品的柔性应变传感器领域应用的理解。介绍了几种常见柔性应变传感器的原理结构和相关研究,并概述了与柔性应变传感器阵列相结合的先进机器学习算法;系统分析了基于智能纺织品的柔性应变传感器结合机器学习在不同领域中的最新研究,强调了在柔性应变传感器中使用机器学习的益处;最后针对基于智能纺织品的柔性应变传感器结合机器学习的应用所面临的挑战以及如何提升整个传感系统的实用性进行展望,以期能够推动机器学习在柔性智能可穿戴领域的广泛应用,从而进一步推动智能材料与智能纺织品的发展。

基于浓缩天然胶乳/碳纳米管复合材料的柔性和可拉伸应变传感器

使用一种简单、低成本、可工业化的方法——将预硫化后的浓缩天然胶乳和碳纳米管(CNTs)分散液进行乳液共混-浇铸制备复合材料。重点研究了CNTs含量对复合材料电学性能、力学性能和微观结构的影响,并考察了应变传感器用于人体运动监测的情况。结果表明,复合材料的电导率最大达到56 S/m,拉断伸长率最大可达800%,并且CNTs成功以网状形式与天然橡胶形成结合体;应变传感器可以提供人体手指和手肘运动的可视化监测。

轴向应变放大式谐振温度传感器研究

试验机专用改装系统成为开展民机适航、审定试飞的重要手段之一。为进一步提升系统性能,满足高精度高可靠性要求,该文提出一种基于轴向应变放大结构的谐振式温度传感器。基于应变放大结构建立频率-温度模型,推导频率温度系数作为衡量灵敏度的物理量。为降低理论模型与仿真模型的相对误差,该文进行仿真分析与误差修正,将二者误差降低至0.5%。测试结果表明,当外界温度在273~293 K范围内变化时,器件的频率温度系数为13104×10^(−6)K^(-1),仿真结果为12935×10^(−6)K^(-1),二者相比,相对误差为1.3%。与以往谐振式温度传感器比较,相对灵敏度最大提高了83倍。该结构可用于高灵敏度谐振式温度传感器的优化设计,满足试验机改装系统的应用需求。

壳聚糖导电水凝胶在功能性柔性应变传感器中的应用研究进展

壳聚糖水凝胶具有优异的可降解性和生物相容性,已成为构筑柔性应变传感器的重要材料。基于壳聚糖导电水凝胶的柔性应变传感器具有超强的环境适应力,广泛应用于健康监测、植入式设备等生物医学领域中。本文综述了壳聚糖导电水凝胶的制备方法和导电机制,总结了壳聚糖导电水凝胶在耐低温型、自修复型及自黏型的功能性柔性应变传感器中的应用现状,最后指出制备工艺的优化、新材料的应用、人工智能化是壳聚糖导电水凝胶柔性应变传感器未来的重点研究方向,旨在为柔性应变传感器多功能应用的进一步发展提供理论基础和实践指导。

聚苯胺包缠纱应变传感器的制备及性能

以苯胺为单体、盐酸为酸性介质、过硫酸铵为氧化剂、锦纶和涤纶为基体材料,采用氧化聚合法制备了涤纶/聚苯胺(PANI)和锦纶/PANI复合导电纱线。再以锦纶和涤纶导电纱线为包缠纱,氨纶为芯纱,制备了预拉伸单包缠和预拉伸双包缠纱应变传感器。结果表明:预拉伸锦纶单包缠纱应变传感器有良好的传感性能,其电阻变化率高达520%,且在多次拉伸形变后电阻仍能回复到初始状态,是一种制作应变传感器的理想材料。

基于碳纳米管及其复合材料的柔性应变传感器研究进展

压阻式应变传感器常被用于监测结构部位的变形状况,通过将捕获到的机械信号转变为电信号,从而实现对应变的监测。考虑到监测对象的结构和实际应用,压阻式应变传感器需要具备一定的柔性,以此实现弯曲或可拉伸界面的应变监测,为制备出对应变敏感度高、耐用性强、不易损坏且能够在承受多次循环负载后依然具备良好性能的应变传感器,近年来导电层所使用的传感材料成为研究热点。碳纳米管具有特殊的性质并且与金属导电材料银、铜等或碳系导电材料中的石墨烯、炭黑等相互掺杂有显著的增强效果,因此在制备高性能的柔性应变传感器中有着巨大的潜力。本文综述了近年来为了提高应变传感性能而使用碳纳米管及其复合材料所制备的柔性应变传感器的研究现状,介绍了相关应变传感机制以及碳纳米管基应变传感器在各领域的应用,并讨论了碳纳米管基柔性应变传感器所面临的挑战。

基于AgNWs@丙烯酸酯弹性体的柔性应变传感器

柔性应变传感器因具有良好的柔韧性及可拉伸性在电子皮肤、健康监测等领域具有广泛的应用,尤其是基于纳米材料与聚合物柔性基底的柔性应变传感器,已经成为当前研究热点。本文采用银纳米线(AgNWs)作为导电材料,结合3种丙烯酸酯共聚物弹性体薄膜,采用掩模版和转印工艺制备了3种柔性应变传感器。通过对比分析3种不同丙烯酸酯基底薄膜的应变传感器的应变范围与灵敏度,发现3种应变传感器均具有较大的应变范围(拉伸应变大于50%),采用L5B5作为柔性衬底的传感器综合性能较为优异,灵敏度最高可以达到183,可用于检测人体运动等生理信号。

银纳米线基柔性应变传感器气溶胶喷射打印制备及性能

为开发具有优异传感性能且工艺简单、稳定性好的柔性应变传感器,以实现对人体健康信号的无创监测,以多元醇法制备的银纳米线(AgNW)为原料,利用气溶胶喷射打印(AJP)技术构建了基于致密AgNW的柔性应变传感器,有效增强了界面导电性和机械性能。25层的打印层数使传感器获得了30%的应变范围,对其进行120℃烧结,实现了AgNW的有效搭接,构筑了稳定的导电网络体系,显著提高了传感器的灵敏度和稳定性。所制备的传感器在30%的应变范围内平均灵敏度系数为66.7,具有良好的皮肤贴合性和舒适性,并成功地用于监测手指弯曲信号,经过500次的重复拉伸测试,显示出较为稳定的应变传感性能。

基于氨纶纱线应变传感器的制备及其可穿戴应用

具有优良导电性能和高灵敏度的柔性应变传感器是可穿戴电子设备的理想选择。然而如何寻求最佳导电材料以及低成本大规模制造柔性应变传感器仍然是一个挑战。本文以高弹性氨纶(PU)为基材,利用浸渍涂覆和原位聚合方式,制备MXene、MXene-碳纳米管(CNT)和MXene-聚苯胺(PANI)改性PU纱线(PU@MXene、PU@MXene-CNT、PU@MXene-PANI),分析改性方式对PU纱线电化学及传感性能的影响。结果表明,PU改性方式对其电学性能具有重要的影响。单一MXene改性PU,纱线电导率仅为36.8 S/cm,CNT引入易在MXene片层间提供导电通路,纱线电导率提高到134.9 S/cm。相比之下,PU纱线原位聚合PANI,不仅可以形成均匀导电层,同时为MXene提供负载位点,使得PU纱线表面形成稳定均匀导电层,纱线电导率达到最高为948.8 S/cm,相比PU@MXene和PU@MXene-CNT分别提高了300%和90%。在不同应变曲率的人体运动监测方面,PU@MXene-PANI表现出高灵敏性和稳定的电信号输出。因此,该柔性应变传感器为下一代智能可穿戴设备提供了一个很好的选择。

柔性应变天线传感器的研究进展与应用

传感器是智能穿戴设备的核心元件之一,其发展对可穿戴行业至关重要。天线传感器整合了天线和传感器两个元件的功能,简化了传感系统的结构。从应变天线传感器的工作原理出发,综述了柔性应变天线传感器的制作材料、制备方法及其在健康监测和运动监测等领域的应用前景,最后提出了柔性应变天线传感器面临的挑战与未来发展方向。