基于半圆柱增敏结构的柔性光纤压力传感器设计

为了进一步增强光纤压力传感器的灵敏度,提出了一种基于半圆柱结构设计的柔性光纤压力传感器。此结构使用聚二甲硅氧烷（PDMS）作为该传感器柔性基底,传感器外部受力时,首先PDMS发生形变,从使得光纤发生形变,最终光纤发生轴向拉伸。利用光频域反射计（OFDR）测量光纤的轴向应变,对所提出的增敏结构传感器和改进前的传感器进行Abaqus有限元仿真分析和实验验证。结果表明,该半圆柱增敏结构可以有效提高传感器的灵敏度。在0~100kPa的测压范围内,灵敏度从未改进前的1.09 /kPa提高到1.69/kPa。     

基于石墨烯/PDMS介质层的柔性压力传感器

提出了一种以石墨烯/PDMS为介质层的柔性压力传感器,主要介绍了石墨烯/PDMS介质层和柔性压力传感器的制备方法,研究了石墨烯浓度和石墨烯/PDMS介质层厚度对传感器灵敏度的影响。利用压力机和阻抗分析仪对柔性压力传感器进行了测试,结果表明柔性压力传感器有大的工作范围(0～20 kPa)和高的灵敏度(在0～3 kPa的灵敏度为0.3 kPa~(-1),3～8 kPa的灵敏度为0.06 kPa~(-1),8～20 k Pa的灵敏度为0.017 kPa~(-1));同时传感器的可恢复性和重复性能良好,可灵敏地检测手指的弯曲,在机器人皮肤和智能穿戴领域有着广阔的应用前景。     

基于微结构PDMS介质层的电容式柔性阵列压力传感器

提出了一种微结构聚二甲基硅氧烷(PDMS)为介质层的柔性阵列压力传感器,采用微电子机械系统(MEMS)工艺实现了传感器电极的制备,采用三明治的结构实现了柔性阵列压力传感器的制备。利用压力机和LCR电桥对不同厚度的微结构PDMS作为介质层的传感器性能进行了测试。测试结果表明,采用微结构PDMS为介质层明显提高了传感器的灵敏度,当介质层厚度为0.5 mm时,0～5 kPa和5～20 kPa下传感器的灵敏度分别为0.18 kPa-1和0.02 kPa-1,同时传感器具有良好的重复性(>1 000次)、快速的响应时间(<200 ms)和低的检测极限(约为5.5 Pa)。该传感器能够准确、灵活地监测外部压力的变化和分布,适用于未来智能机器人中电子皮肤的应用。     

介电层造孔优化ITO-PET/PDMS/ITO-PET结构的电容式柔性压力传感性能

灵敏度是柔性压力传感器的重要性能指标,为了有效提高传感器的灵敏度,同时兼顾其他各性能,选用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为复合介电层材料、氧化铟锡-聚对苯二甲酸乙二醇脂(ITO-PET)作为电极材料、二亚硝基五亚甲基四胺(DPT)作为造孔试剂,通过介电层造孔的方式,尝试配置不同质量分数DPT的DPT-PDMS试剂来寻找最佳配比,使制备的ITO-PET/PDMS/ITO-PET结构的电容式柔性压力传感器的灵敏度显著提高,在低压范围灵敏度达到了1.65 kPa^-1,相较于没有造孔的PDMS电容式柔性压力传感器的灵敏度(0.36 kPa^-1)提高了3.58倍,最终取得了灵敏度高、工作压力范围(0～8 kPa)宽、阻滞误差小、循环稳定性高、工作温度范围(0～80℃)广、响应时间(<65 ms)短的电容式压力传感特性。由此可见,对介电层造孔能够有效提高传感器的灵敏度,并且传感器的其他性能均表现良好。     

用于颅内压监测的微型光纤法珀压力传感器

研究了一种用于颅内压测量的膜片式光纤法布里-珀罗压力传感器.外玻璃管和用于光纤准直的内玻璃管采用UV胶粘接,构成空气腔.在空气腔的一端粘接石英膜片,另一端插入多模光纤,石英膜片和光纤端面的两个反射面构成法珀干涉腔.制作了两种不同尺寸的传感器,在0～25 kPa的压力测量范围内,灵敏度高达39.2 nm/kPa,压强测量分辨率为133 Pa,线性拟合度为99.9％,具备生物兼容性,满足人体颅内压测量的需求.与商用的颅内压测量传感器相比,该传感器制作方法简单、成本低廉.     

基于柔性基的高灵敏度无损光纤压力传感器

为了简化光纤压力传感器的制作方法，降低制作成本，提出了一种柔性基应变式无损光纤压力传器，将未进行过任何处理的单模光纤嵌入在两片柔性的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜中，制作成“三明治”结构压力传感器，采用光频域反射计(OFDR)技术进行解调，测试传感器在不同压力下的光谱漂移与光纤的微应变的关系。实验结果表明:在受力面积为 ２.３７５ ｍｍ２ ，压力范围0~ 5kgf(０~ 20ＭＰａ)时，传感器的灵敏度达到194 /kgf，是裸单模光纤的6.47倍，同时压力测量范围提高5 倍，在0~ 2kgf(０~ 8ＭＰａ)范围内传感器具有很高的重复性与线性度，另外进行了分布式压力测试，证实传感器输出响应明显，空间分辨率较高。     

基于空心微柱介电层的柔性电容式压力传感器

提出了一种使用空心微柱介电层的柔性电容式压力传感器,通过倒模的方法制备PDMS和BaTiO₃复合材料的空心微柱介电层,通过在PET薄膜上丝网印刷导电银浆制作为阵列式电极。实验表明,该传感器在压力范围为0～5 kPa, 5～50 kPa和50～200 kPa时的灵敏度分别为0.498,0.026和0.008 kPa^-1,最小检测压力可达35 Pa,在1000次重复压力实验中表现稳定,且具有快速的响应速度(约134 ms)。该传感器制备方法简单高效,制作成本低且便于大规模制备,同时该传感器在准确性、稳定性、灵活性等方面都有优秀的表现,可被应用于可穿戴电子设备和智能机器人等领域。     

用于电子皮肤的界面应力传感器的研究

 截肢表面和假肢接口之间的应力分布以及人体足底应力分布对医学研究有着极为重要的意义.为了测量截肢和足底界面应力,本文提出了用平板电容和PDMS超弹塑性材料制作用于电子皮肤的界面应力传感器的方法.对该传感器的测量范围、器件大小、材料选择、机械部分设计、电极耦合和器件制作等问题提出了解决方法.最后,制作出了能够测量0～220kPa正压力和0～70kPa剪切力的用于电子皮肤的界面应力传感器.从实验得到传感器在不同正压力和剪切力下输出电容的实验数据,利用实验数据给出了传感器对正压力和剪切力的响应函数和响应曲线.     

本征法布里-珀罗腔光纤压力传感器理论研究

建立了光子晶体光纤(PCF)型本征法布里-珀罗(F-P)腔光纤压力传感器压力响应理论模型,讨论了各参数对压力响应灵敏度的影响,给出了Matlab程序理论模拟结果。鉴于PCF焊接工艺的困难,提出了利用外径不同的单多模光纤熔接构成的改进型单多模光纤复合本征F-P腔光纤压力传感器结构,建立了压力响应理论模型,分析了提高压力响应灵敏度的关键参数,并模拟了光纤外径对压力响应灵敏度的影响。通过对两种本征F-P腔光纤压力传感器的比较分析看出,改进型结构无论在压力响应灵敏度还是制作难易度方面都颇具优势。     

基于ZnAl-LDH/MWCNT@MXene的柔性压力/温度双功能传感器

锌铝层状双氢氧化物/多壁碳纳米管(ZnAl-LDH/MWCNT)包覆金属碳化物MXene作为复合导电材料制备上下电极,以微结构聚二甲基硅氧烷(PDMS)为介电层,构建了一种柔性双功能传感器。通过器件输出电容信号监测压力,利用单电极的温阻变化监测温度。该柔性电容式传感器的导电层材料为ZnAl-LDH/MWCNT@MXene,搭配微结构为80目的介电层,其性能达到最优。在0～50 kPa时传感器的灵敏度高达1.57%/kPa。温度传感的灵敏度为2.3%/℃,工作温度范围为20～40℃。该器件实现了压力/温度两种物理量的传感,同时可以运用于人体运动和健康状态的实时检测。解决了柔性传感器功能单一的问题,为柔性传感器实现多功能应用提供基础。     

一种基于柔性铰链的FBG加速度传感器

为了适应光纤传感器在采煤机中的应用,提出了一种基于柔性铰链的光纤布拉格光栅(FBG)加速度传感器,其质量块通过柔性铰链和基座连接。基于传感器的结构模型,从理论给出了传感器的灵敏度和谐振频率公式,并讨论了结构参数对传感器灵敏度和谐振频率的影响,还利用有限元法分析了传感器的静态和动态特性。实验表明,本文传感器的谐振频率为2kHz,峰-峰值灵敏度为22pm/g,横向抗干扰度小于10%,适用于1kHz以下加速度的测量。     

CO2激光熔融毛细管端面制备的光纤F-P压力传感器

提出了一种利用CO2激光熔融毛细管端面来制备光纤法布里-珀罗(F-P)压力传感器的方法。F-P结构由普通单模光纤和基于CO2激光熔融毛细管端面制备的硅薄膜组成。文章详细说明了硅薄膜的制造工艺和熔融参数,并对光纤F-P压力传感器进行了性能测试。实验结果表明:制备的光纤F-P压力传感器对气压具有良好的灵敏度和线性度,灵敏度可达到16.37pm/kPa,线性度为0.998。该光纤F-P压力传感器结构紧凑,易于生产,具有在极端恶劣环境下的应用潜力。     

应用于折射率检测的光纤表面等离子体波传感器的研究

光纤表面等离子体波传感器具有结构简单、灵敏度高等特点,在机敏结构中具有非常重要的应用前景。运用光纤表面等离子体波来测量折射率是一种简便、灵敏的方法,我们可以利用这一特性制作出通过检测折射率对复合材料进行固化检测的光纤表面等离子体波传感器。本文介绍了光纤表面等离子体波传感器的基本原理及利用这种光纤传感器来测量折射率的初步研究。     

MEMS F-P 干涉型压力传感器

为了满足工业、航天、国防等领域对微型化压力传感器的需求,提出了基于微机电系统（MEMS,Micro electromechanical System）技术制作的非本征型光纤法布里-珀罗（F-P）压力传感器,该传感器传感头由全玻璃材料构成。主要研究了MEMS 技术制作全玻璃结构式压力传感器工艺,结合溅射、光刻、腐蚀等工艺在7 740 wafer 基底上制作出F-P 腔体,利用低压化学气相沉积（LPCVD）的方法在基底上沉积一层40 nm 的非晶硅作为中间层。通过阳极键合技术在温度400℃下完成玻璃与玻璃的键合,并搭建了该传感器的压力测量平台。实验结果表明:在压力线性范围0~400 kPa 内传感器具有很高的重复性,达到0.3%。灵敏度达到1.764 nm/kPa;在传感器使用范围0~80℃内,热敏感系数为 0.15 nm/℃。该传感器的研究对设计制作改善了该类传感器的热膨胀失配问题,对低温漂型压力传感器的研究有一定参考价值。     

光纤光栅传感器在石油测井中的应用

介绍一种新型光纤布拉格(Bragg)光栅油井温度/压力传感器.在详细分析光纤光栅温度、应力传感原理的基础上,设计了适合于井下温度、压力参数测量的传感器.通过温度和压力实验推导了传感器波长与温度、压力之间的关系,得到了压力响应灵敏度的解析表达式.该传感器可实现温度和压力同时测量.现场实验证明:温度测量范围为10～100℃,温度灵敏度为0.0213=nm/℃;在0～20MPa的压力变化范围内,压力灵敏度达0.1631nm/Mpa,能够很好地满足油井井下测量的要求.     

一种用于复合材料固化监测的传感器的研究

光纤表面等离子体波传感器具有结构简单、灵敏度高等特点,它不仅具有理论上的研究价值,而且在工程中的应用前景也十分广阔。运用光纤表面等离子体波来测量折射率是一种简便、灵敏的方法,可以利用这一特性制作出通过检测折射率对复合材料进行固化检测的光纤表面等离子体波传感器。本文研究了利用光纤表面等离子体波传感器对不同折射率的溶液进行测试的方法。设计了一种用于折射测试的光纤传感探头,它性能可靠,使用方便。研制了溶     

类椭圆结构光纤横向压力传感器及其温度自补偿研究

为解决光纤横向压力传感器灵敏度不高及温度交叉敏感的问题,提出了一种具有温度自补偿的类椭圆结构光纤横向压力传感器。传感器通过将标准单模光纤(single mode fiber,SMF)弯曲成类椭圆结构,并用聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)封装形成,温度自补偿则通过将另一个近似孪生的类椭圆结构与测量端并联实现。类椭圆弯曲下SMF的纤芯模和包层模发生干涉,其干涉光谱随外界横向压力的变化发生漂移。实验结果表明,在0.25—0.5 N的横向压力范围内,传感器的特征波长随横向压力的变化呈线性关系,在33.5—44 ℃的温度范围内,温度自补偿后的灵敏度可达6.6 nm/N,温度交叉灵敏度仅为0.001 5 N/℃,温度补偿误差不超过0.089 nm。提出的横向压力传感器灵敏度高、成本低、结构简单,有一定的应用参考价值。     

用于石化反应器的光纤F-P温/压复合传感器

为了实时监测石化反应器内部高温、高压环境下压力和温度变化, 严格控制原料的反应过程, 采用法布里-珀罗(F-P)多腔干涉理论, 设计并制备了一种光纤F-P温度、压力复合传感器。该传感器由石英玻璃和蓝宝石玻璃构成, 石英与蓝宝石之间的空气腔为压力腔, 温度腔则为蓝宝石本身。通过理论计算和仿真验证, 分析了压力腔和温度腔不同参数对传感器性能的影响, 从而取得了最佳的传感器结构参数数据。结果表明, 该传感器制作工艺简单且性能可靠, 能够实现0MPa~5MPa和-20℃~300℃范围内压力和温度的同时测量; 该传感器在压力0.1MPa~5MPa和温度20℃~180℃环境下有良好压力温度线性响应关系, 压力灵敏度为796nm/MPa, 温度灵敏度为3.864nm/℃。该传感器适用于石化反应器内部高温高压环境下压力和温度的同时监测。     

基于复眼微结构的柔性压力传感器制备及测试撤回

对柔性压力传感器进行了设计和研究,总体采用三明治式结构,介质层选择了复眼微结构的设计方式,电极层则需要在改性后的PDMS表面溅射一层金属银。将制备的三层结构通过键合的方式组成响应速度和灵敏度均较高的传感器。该传感器的测试结果为：当传感器表面压力一定时,复眼结构的电容式压力传感器的灵敏度达到了0.28 kPa-1,响应时间和恢复时间分别为58 ms和43 ms,迟滞性参数均小于7%,经过12 000次的撞击实验,传感器仍然能保持稳定的输出。制备的传感器具有较强的响应特性、良好的恢复性和稳定性,能够适应柔性可穿戴电子器件的应用需求。     

基于表面等离子体共振的高灵敏度光纤微流控芯片

设计了一种可嵌入基于表面等离子体共振(SPR)光纤传感器的微流控芯片,可用于溶液浓度的测量。采用具有良好化学惰性的有机聚合材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为芯片主体的制作材料,在芯片中微流控通道内采用镀有60 nm金膜的多模光纤-光子晶体光纤-多模光纤(MMF-PCF-MMF)传感结构来激发SPR效应。当注入微流体通道的溶液浓度发生变化时,由于光纤传感部分外部折射率的变化引起SPR谐振谷移动,故该芯片可用于测量溶液浓度。本芯片微流控通道直径为0.2 mm,最高检测灵敏度可达8240.6 nm/RIU,具有便于实时测量、高灵敏度、高可靠性、溶液用量少等特点。