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。

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。

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。

预应力锚索用腐蚀传感器的设计

预应力锚索的腐蚀程度与结构安全密切相关,但一直缺乏有效的监测手段。考虑到腐蚀的发生与周围环境pH变化密切相关,选用HEMA-AA水凝胶作为敏感材料并结合光纤光栅的传输优势设计传感器,识别灌浆部分受拉开裂时腐蚀介质侵入引起的pH值变化,在锚索面临腐蚀威胁时做出预警。测试结果表明:传感器的测量范围为pH值4~11,灵敏度为25 pm/pH,相关系数0.997;对比裸光纤发现将水凝胶的涂覆并没有带来光纤光栅温度特性的明显变化,灵敏度为9.5 pm/℃;试验模拟传感器在环境中持续进行监测的性能较为稳定。若考虑应用环境干湿循环的限制,则需提高水凝胶和光纤光栅结合度。通过在锚索内设置腐蚀传感器,可以达到腐蚀监测的目的。

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。

光纤光栅索力传感器的酸碱耐久性

拉索作为斜拉桥的主要受力构件常处于复杂、恶劣的工作环境,传统的索力监测手段存在一定的局限性。将光纤光栅传感器内嵌封装进金属承压块上的凹槽,研制一种光纤光栅索力传感器,并对两种环氧树脂胶黏剂封装的光纤光栅索力传感器在酸碱腐蚀环境下的耐久性能进行研究,然后依托逆幂律模型与老化动力学理论,推导出传感器寿命预测方程。试验结果表明:该传感器的线性度和稳定性良好,传感器在腐蚀溶液中失效的主要原因是封装部位界相区胶黏剂受腐蚀剥落。A类传感器的耐酸碱性强于B类传感器,A类传感器在弱酸弱碱环境中的使用寿命均超过35年,大于斜拉桥拉索平均20年的换索年限,可以实现拉索全生命周期的监测。

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。

FBG传感器在起重机械局部损伤监测中的应用研究

光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器自身应变传递特性和敏感范围波动较大,在应用过程中缺少结合被测结构性能和FBG传感器本身结构特点的应用方法。为此,研究FBG传感器在起重机械局部损伤监测中的应用。根据起重机械的内部振动状况构建损伤模型,在FBG传感器光纤的同一位置放置两个不同的Bragg光栅,并根据波长变化采集局部损伤数据,将采集到的数据输入自回归滑动平均模型(Autoregressive Moving Average Model,ARMA)中,提取损伤状态,完成起重机械局部损伤监测。实验结果表明,所提方法的反馈时间低于0.25 ms,监测到的应变数据与实际应变数据差距相近,监测的损伤部位与设定损伤部位一致,证明该方法监测反馈效率和监测精度高,监测效果好,适用于各种环境下的起重机械局部监测工作。

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.

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。

压杆式光纤光栅位移传感器的研制

基于光纤弹性应变与圆柱螺旋压缩弹簧轴向变形的传递机理,提出了一种压杆式光纤光栅位移传感器。推导出波长漂移与压簧自由端位移的关系式,采取光纤光栅两端夹持的应变传递封装,结合压簧、弹簧管与紧定装置组成弹性转换结构,采用线径0.6 mm,中径6 mm,有效圈数14的压簧元件制备了传感器原型,并对其静态性能和温度响应特性进行了标定试验研究。结果表明:在15 mm的量程内,传感器的位移灵敏度为451.36 pm/mm,线性度为0.69%,重复性为1.54%,迟滞性为1.13%;应变、温补光栅的温度灵敏度分别为10.15,19.18 pm/℃,误差分别为1.39%,1.50%,具有良好的温度补偿效果。

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。

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。

光纤激光传感器结构发展综述

光纤激光传感技术是光纤传感技术中的重要组成部分。首先介绍了光纤激光传感技术的原理,然后分析了基于单一结构和双结构的10种光纤激光传感器的原理和特性,并对比了2种传感结构的应用情况和温度灵敏度,最后从解调方式、多参量测量以及提升检测范围等3个方面对光纤激光传感技术进行了总结和展望。

基于自主学习的传感器技术及应用案例库课程建设

传感器技术及应用是机械大类研究生一门重要的核心课程,讲述各类传感器的基本特性、电阻电感电容式等传感器的测量原理和主要典型应用。为了培养研究生的实践能力,对课程进行基于自主学习的工程案例课堂教学改革。革新以教师为中心的传统教学模式,采用教师作为主导,学生作为主体的自主学习方式;设计虚拟仿真案例和工程应用实践案例;改进了课程考核评价方式;提高了学生自主学习、任务驱动式学习和工程应用能力,引发了学生的创新思维,培养锻炼了学生综合能力,为学生课题阶段开展课题进展打下比较好的基础。

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.

多传感器融合SLAM研究综述

如今,移动机器人技术的发展使得同步定位与建图(SLAM)技术越来越受到学者的关注。在未知环境下,使移动机器人能够自主完成建图或者探索,是SLAM最基本的要求。在过去的十年,单传感器为机器人的建图和探索提供了良好的效果,而多传感器融合SLAM则以其强鲁棒、高精度的技术特性,为提升移动机器人建图的精度和速度提供了更高的可能性,成为了SLAM发展的主要研究方向。文中总结了现今多传感器融合SLAM的方案,首先对单传感器方案进行了比较;然后对多传感器融合技术的方案进行了对比;最后,分析了多传感器融合SLAM的难点与解决方案,并对多传感器融合SLAM的未来与发展进行了探讨。

基于磁性纳米粒子的比色适配体传感器检测赭曲霉毒素A

基于磁性纳米粒子(Fe_(3)O_(4)@Au)和纳米银(Ag NPs),通过DNA碱基互补配对,构建了一种新颖的比率比色传感器用于赭曲霉毒素A(Ochratoxin A,OTA)的检测。OTA适配体(aptamer)偶联的Fe_(3)O_(4)@Au作为参比信号,互补DNA(cDNA)偶联的Ag NPs作为响应信号,通过调控两者的比例以及DNA碱基互补,制备了具有两个紫外吸收峰的比率纳米探针(Fe_(3)O_(4)@Au-Ag)。没有OTA存在时,比率比色传感器的吸光度比值(A400/A580)保持恒定。对检测条件(时间、pH和温度)进行了优化,在优化条件下,该传感器对OTA检测呈现良好的线性关系,线性范围为0.01~1000 ng·mL^(-1),检出限为0.033 ng·mL^(-1)。该传感器具有良好的选择性、重现性和高灵敏度,并被成功应用于豌豆粉中OTA的检测,回收率为93.9%~96.0%。

基于电导率对相对介电常数补偿的土壤含水率电容传感器标定方法

针对土壤含水率电容传感器检测精度低,标定模型对盐渍土壤的适用性不高等问题,提出基于电导率对相对介电常数补偿的含水率电容传感器标定法。在标准溶液中建立相对介电常数与传感器输出电压关系对数模型(R^(2)=0.983),进一步基于二元二次回归分析法,建立标准溶液电导率对相对介电常数补偿的相对介电常数与传感器输出电压及电导率的回归标定模型(R^(2)=0.979)。对传感器进行土壤含水率标定,建立土壤体积含水率与相对介电常数关系的三阶多项式标定模型(R^(2)=0.996)。对两步标定模型进行实测,结果表明:土壤电导率为0~2 dS/m时,体积含水率检测最大误差从未电导率补偿时0.0383 m^(3)/m^(3)降至电导率补偿后0.0127m^(3)/m^(3),最大相对误差从12.0200%降至6.2241%。结果表明,在不同电导率的同类土壤中,使用基于电导率对相对介电常数补偿的含水率传感器标定法能明显提高土壤含水率检测精度和对不同电导率土壤(黄土)的适用性。

光纤光栅传感器研发及其在土木工程中的应用进展

从传感器类型出发介绍了表贴式、纤维增强聚合物式、管式和内嵌式封装光纤布拉格光栅传感器的结构型式、实施方式和关键技术,简述了各种封装方式传感器的工作原理、技术研发及工程应用进展,总结了不同封装方式传感器的优势和不足。然后,简要介绍了光纤布拉格光栅传感器在桥梁结构状态监测或检测中的典型工程应用案例。最后,指出了光纤布拉格光栅传感器在土木工程领域中的工艺工法、耐久性和分布式测量以及未来推广应用有待解决的关键问题等,为光纤布拉格光栅传感器技术优化及其在土木工程中的推广应用提供参考。