基于酒精选择性填充光子晶体光纤的Sagnac应变传感器

提出了一种基于酒精选择性填充光子晶体光纤的新型Sagnac光纤环应变传感器,实现了对微小应变的高灵敏度测量.利用酒精对光子晶体光纤的选择性填充使之产生双折射效应,并将已经填充好的光子晶体光纤嵌入到Sagnac干涉环中,实现了Sagnac干涉效应.当给光子晶体光纤施加应变时,Sagnac干涉谱的波峰会随着应变变化而变化,实现对应变的测量.实验结果表明,当微应变在0-3 958时,测量微应变的灵敏度能够达到3.66 pm.同时,本结构具有高灵敏度、高稳定性、抗电磁干扰、易于搭建等优点.

内置应变传感器对沥青混合料力学性能的影响

道路本体结构的智能智慧是道路工程发展的重要方向,内置应变传感器是实现路面结构应变感知的重要手段,为探究内置应变传感器对沥青混合料力学性能影响,运用离散元法,构建了内置应变传感器的沥青混合料细观模型,研究了应变传感器埋设深度和数量对沥青混合料力学性能影响,分析了沥青混合料材料公称最大粒径、级配和沥青砂浆黏结强度等对内置应变传感器工作性能影响.结果表明:随着传感器埋设深度的增加,梁试件底部三个监测点位处水平拉应力分别增加56.9%、43.5%、43.8%,越接近梁试件底部,其内部水平应力场分布更均匀;与单传感器相比,埋设双传感器的梁试件裂隙增加速度更快,在挠度为0.8 mm时裂隙数便达到267个,单传感器仅为93个;沥青混合料公称最大粒径越大,力链数越少,AC-16、AC-20的平均力链比较AC-13分别降低4.9%、11.4%;沥青混合料级配越粗,荷载传递路径越少,接触力系数量减少77.7%,接触力分布均匀性降低,最大接触力增加74.6%,导致传感器工作稳定性越差;沥青砂浆黏结强度增加,最大接触力下降11%,传感器工作稳定性越好.研究结果可为提升内置应变传感器的沥青混合料耐久性和工作稳定性提供参考.

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。

一维结构柔性应变传感器在智能纺织服用品中的应用进展

一维结构柔性应变传感器具有优异的可集成性、适形性和灵活的结构变化等特点,在智能纺织服用品的开发与应用方面具有很大潜力。通过对纤维和纱线制备一维结构柔性应变传感器的工艺及其优缺点的介绍,综述近年来纤维型和纱线型一维结构柔性应变传感器在智能纺织服用品设计与应用中的研究进展,分析其在智能可穿戴应用领域中存在的问题。研究表明,一维结构柔性应变传感器在智能纺织服用品中的应用前景广阔,未来研究人员可不断优化和提升传感器的性能和制备工艺,推动一维结构柔性应变传感器在智能纺织服用品的实际应用。

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Sagnac干涉计谐波游标效应的光纤温度传感器

提出一种基于双萨格奈克(Sagnac)干涉计谐波游标效应的光纤温度传感器,在该传感器中,传感干涉计中熊猫光纤的长度约为参考干涉计中熊猫光纤的整数倍。理论分析与实验结果表明,当游标放大倍率相同时,基于谐波游标效应和基于普通光学游标效应的双Sagnac干涉计具有相同的温度灵敏度,但谐波游标效应对应的熊猫光纤长度失谐量明显大于普通光学游标效应,且阶数越高对应的失谐量越大。由于失谐量越大,游标放大倍率越容易控制和实现,因此,从制备角度上讲,谐波游标效应明显优于普通光学游标效应。该研究可为后续光学游标效应的研究提供重要参考。

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。

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。

离子导电凝胶在柔性压力与应变传感器中的应用及研究进展

柔性压力与应变传感器随着医疗及电子互联领域的发展而受到越来越广泛的关注,其中离子导电凝胶由于具有仿生结构、合适的力学性能和良好的生物相容性等优良的物理化学性能,在柔性电子传感领域显示出了极大潜力。本文综述了离子导电凝胶的分类、制备方法、特点及其在柔性压力与应变传感器中的应用。首先介绍了离子导电凝胶在压力与应变传感器中的传感模式,然后按照导电原理的不同将其分为金属离子凝胶、离子液体凝胶以及聚电解质凝胶三大类,从合成方法、性能特点、改良方法等方面系统介绍了其在压力与应变传感器中的应用及研究进展,分析了其潜在的应用前景和发展趋势。最后,总结了目前存在的挑战并做出了展望,认为离子导电凝胶在智能柔性传感领域仍有着巨大的探索空间和应用潜力。

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。

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。

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。

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。

基于激光诱导石墨烯的应变传感器研究进展

激光诱导石墨烯(LIG)是通过激光直接照射碳前体得到的一种三维多孔石墨烯材料。凭借制备过程简单、可任意图案化、价廉质优等优势,LIG在柔性应变传感器领域受到极大关注,已广泛应用于医疗健康、运动监测、人机交互等领域。本文着重介绍了LIG的制备工艺,激光参数、碳前体及掺杂改性等影响其结构-性能的因素,以及LIG在柔性应变传感器应用的最新进展,其中激光参数包括激光功率和扫描速率、图像密度、焦距及气氛环境;碳前体包括芳香族聚合物和天然材料;掺杂改性包括原位掺杂和后处理掺杂。指出开发生物兼容性高、可降解的碳前体是电子产品可再生性和可持续性的重要需求,大变形、快响应是LIG基柔性可穿戴传感器的探索目标,多功能传感集成是LIG基柔性可穿戴传感器的发展趋势。

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。

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。

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。

一种全光纤Fabry-Perot型高温应变传感器

本文研制了一种全光纤Fabry-Perot型高温应变传感器,将两根制备好的单模光纤穿入空芯光纤构成非本征Fabry-Perot干涉仪(EFPI),使用白光干涉解调仪测量EFPI腔长,通过求解EFPI腔长相对测点距离的变化得到被测件应变。通过开展等强度梁和高温力学试验机试验验证,该传感器在常温下的应变测量准确度优于3%,耐高温能力不低于1100℃,可满足我国航天飞行器研制、试验、生产和应用等各阶段高温应变测量需求。