用于机器人关节的柔性压力触觉传感器设计

分析了碳纤维/硅橡胶导电复合材料的拉伸、弯曲及压敏特性,基于上述特性设计了一种新型的应用于机器人关节等活动部位的柔性压力触觉传感器。通过解耦算法解决了拉伸、弯曲引起的干扰问题,构建了求解接触压力的数学模型。实验结果表明,该柔性触觉传感器具有拉伸和弯曲性,并消除了拉伸和弯曲对接触压力的检测的干扰,可应用于机器人关节。     

用于压/拉检测的机器人皮肤柔/弹性传感器阵列设计

基于炭黑/硅橡胶复合材料的压力以及拉伸敏感特性,设计了一种可用于检测机器人皮肤接触压力和拉伸特性的新型传感器阵列。该传感器阵列的弹性电极结构克服了传统传感器不可拉伸的缺点,实现了传感器阵列的柔/弹性;阵列中设计了9个检测压力的传感器单元和2个检测拉伸的传感器单元,通过传感器结构设计和拉/压干扰特性分析以及补偿算法解决了拉伸和压力同时测量时的干扰问题,并构建了求解压力与拉伸的数学模型。实验结果表明:该传感器阵列实现了对压力和拉伸的同步检测,可用于机器人柔性皮肤中关节等部位。     

电阻式柔性触觉传感器的研究进展

电阻式柔性触觉传感器具有柔韧灵敏、简单可靠、检测范围广、易于集成化等特点，在触觉感知、人机交互、医疗健康等传感应用领域占据着极其重要的地位，具有广阔的应用前景。随着电阻式柔性触觉传感器的发展，其制备技术和结构设计愈加精密成熟，3D打印技术的应用以及各类微结构的设计使传感器柔韧性和灵敏性得到了极大的提高。然而，目前高性能电阻式柔性触觉传感器的制作工艺仍旧十分复杂，严重限制了其批量生产的能力。再加上电阻式柔性触觉传感器不能实现剪裁拼接、高效低耗等功能，因而无法满足人们对其大面积覆盖和高密度触觉感知的期望。此外，就性能而言，电阻式柔性触觉传感器也难以实现高柔与高敏的兼顾效果，在传感上仍有局限性。为了解决这些难点，众多国际学者在柔性衬底材料、导电敏感材料的选择，以及敏感单元、阵列结构的设计上进行了大量的研究，搭建电子皮肤触觉感知系统。如今，电阻式柔性触觉传感器已经朝着微型化、集成化、自愈合、自清洁、生物适应、生物降解、神经接口控制等方向发展，并在多功能传感上取得了卓越成果。本文首先介绍了电阻式柔性触觉传感器的检测原理和性能指标，然后从材料选择、结构设计和性能优化方面概述了电阻式柔性触觉传感器的...     

温度不敏感的柔性氧化石墨烯湿度传感器研究

本文设计并制作了一种氧化石墨烯(GO)柔性湿度传感器,通过阻抗分析测试法,分别比较了温度对其电阻和电容湿敏特性的影响,并研究了其动态响应特性。结果表明,电阻工作模式的GO柔性湿度传感器湿敏特性受温度影响较大,而电容工作模式则几乎对温度不敏感。当湿度为50%时,传感器的响应时间和恢复时间分别约为1.7s和8.4s。同时,验证了该传感器可实现穿戴式人体呼吸频率的监测。     

用于复合式柔性触觉传感器的导电复合材料研究

根据目前不同导电填料的导电橡胶导电机理的分析,理论分析了填加炭黑和石墨的导电橡胶所具有的压阻效应与电阻温度效应,由GEM模型获得填加炭黑的导电橡胶压阻计算模型,由层积模型获得填加石墨的导电橡胶电阻温度计算模型,并对其理论模型进行了验证。通过实验得出以炭黑和石墨作为主要导电填料的导电橡胶可用于复合式柔性触觉传感器的压力与温度的检测。     

基于ECT的航空复合材料缺陷检测研究

针对航空复合材料制件在生产和服役过程中产生的缺陷损伤,提出了一种基于电容敏感原理的同面多电极阵列传感器无损检测方法。基于电容边缘效应,设计了一套同面电极阵列的胶粘缺陷检测系统,模拟航空复合材料缺陷的真实分布。电容层析成像(ECT)系统以单电极激励方式工作,根据缺陷材料介电特性变化引起的电容测量值的变化,采用共轭梯度成像算法复现缺陷位置和形状。实验结果表明,所述方法能够准确地判断出胶粘缺陷的位置和大小,能够对2mm厚度碳纤维复合材料内侧的8mm胶粘结构缺陷进行可视化检测,ECT检测系统重建图像质量较高、边缘伪影较少,为航空复合材料缺陷检测提供了一种新的研究方向。     

网格式柔性应变传感器的制备及应用

鉴于柔性应变传感器在人体运动监测、健康监测等领域的广泛应用,设计出兼具高灵敏度和大应变范围的柔性应变传感器具有重要的意义。本文基于Ecoflex-石墨烯复合材料,通过模板法制备了四边形和六边形网格式柔性应变传感器。通过对比两种不同网格结构传感器的应变范围与拉伸断裂极限,发现六边形网格柔性应变传感器的综合性能更优异,并在80%应变条件下进行拉伸/释放疲劳寿命检测,此传感器表现出良好的可靠性,同时该传感器在手肘关节运动和人体不同呼吸状况监测方面表现良好。将六边形网格柔性应变传感器组合构建多通道检测系统,实现了多种手势识别,这在人工智能和运动识别领域具有广阔的市场应用前景。     

苏州纳米所在柔性可穿戴电子及其应用方面取得新进展

正当前人工智能快速发展,各种类人功能智能机器人层出不穷,触觉感知是人类和未来智能机器探索物理世界的基础性功能之一,发展具有触觉功能的仿生电子皮肤柔性感知器件,并实现器件与柔软组织间的机械匹配性具有重要的科学意义和应用价值。受指纹能够感知物体表面纹理的启发,中国科学院苏州纳米所张珽研究团队在前期研究基础上,采用内外兼具金字塔敏感微结构的柔性薄膜衬底及单壁碳纳米管导电薄膜,设计与制备了具有宽检测范围(45～2500Pa)、高灵敏度(3.26kPa-1)的叠层结构柔性振动传感器件。并建立了其摩擦物体表面时振动频率与物体表面纹理粗糙度的模型。该     

压力/温度复合柔性触觉传感器用导电橡胶的外场特性

分析了不同填料用量及种类对导电橡胶外场特性(压力、温度)的影响。结果表明,导电网络密度的增大与损伤使得导电橡胶呈现"电阻-负压力系数"(NPC)和"电阻-正压力系数"(PPC),热膨胀和热扰动共同作用使得导电橡胶呈现"电阻-负温度系数"(NTC)和"电阻-正温度系数"(PTC)。热膨胀起主导表现出PTC效应,热扰动起主导则表现出NTC效应。填料用量与种类对于导电橡胶的外场特性影响显著,炭黑(8%)(质量分数,下同)和石墨(5.2%)并用填充导电橡胶,同时消除了PPC和NTC效应,可用于制作压力/温度复合柔性触觉传感器用敏感材料。     

用于检测三维力的柔性触觉传感器结构研究及有限元分析

基于力敏导电橡胶材料,设计了一种四电极对称结构的三维力柔性触觉传感器.利用有限元分析软件ANSYS,结合橡胶材料的Mooney-Rivlin本构模型,对传感器加载垂直力和剪切力进行有限元分析,得到传感器在三维力作用下的应力应变分布状态,并进行了实验验证,结果表明了传感器结构设计和数学模型构建的合理性.通过对传感器传力的触头材料和形状进行有限元分析,表明触头选择硬度相对较大的材料,制成长椭球状半径(a=1.5b),可以优化传感器的性能,为用于检测三维力的柔性触觉传感器的实际应用提供了依据.     

Strain monitoring of carbon fiber composite via embedded nickel nano-particles

Piezoresistive embedded sensors in carbon fiber reinforced plastic (CFRP) composites have the potential of providing a further multi-functional property to an extremely adaptable material. In this paper a conductive patch of nickel nanostrands embedded in carbon fiber composites displays repeatable piezoresistivity, thus becoming a strain sensor capable of accurately measuring strain, real time and in situ. This patch has compatible mechanical properties to existing advanced composites and shows good resolution to small strain. This method of strain sensing in carbon fiber composites is more easily implemented and used than other strain measurement methods including fiber Bragg grating and acoustic emissions.     

柔性触觉传感器用温度敏感导电橡胶的电阻-温度模型

以通用有效介质理论为基础,得出柔性触觉传感器用温度敏感导电橡胶的电阻-温度计算模型。采用炭黑-硅橡胶导电复合体系(导电/炭黑橡胶)作为实验材料,对该模型进行了实验验证。结果表明,在填料分布均匀、体积分数接近渗流体积分数等边界条件下,电阻-温度计算模型与实验结果吻合,表现出一致的"电阻-正温度系数"(PTCR)变化规律。在温度场的作用下,基体的体积膨胀而导致炭黑浓度被稀释的过程对PTCR效应存在重要影响;基体的体积膨胀导致材料形状的改变对PTCR效应无显著影响。     

碳纤维/硅橡胶导电复合材料的温度响应

通过升温-降温循环及升温-恒温两种方式研究了碳纤维/硅橡胶导电复合材料试样的温度响应,通过碳纤维导电复合材料的导电机理对测试结果进行了分析。该导电复合材料具有正温度系数,并具有温度弛豫现象。橡胶材料与碳纤维材料热膨胀系数的不同是造成其电阻温度响应的主要原因;而温度变化对电子能量的影响也是造成材料温度响应的原因之一。     

Simultaneous measurement of temperature and pressure by a single fiber Bragg grating with a broadened reflection spectrum

Simultaneous measurement of temperature and pressure with a single fiber Bragg grating (FBG) based on a broadened reflection spectrum is proposed and experimentally demonstrated. A novel double-hole structure of a cantilever beam is designed, and a FBG is affixed on the nonuniform strain area of the cantilever beam. The Bragg reflection bandwidth is sensitive to the spatially gradient strain but is free from the spatially uniform temperature. The wavelength peak shift and the bandwidth broadening of the FBG with a change of temperature and pressure allow for simultaneous discrimination between the temperature and the pressure effects. Standard deviation errors of 1.4 degrees C and 1.8 kPa were obtained with temperature and pressure ranges of 20 degrees C-100 degrees C and 0-80 kPa, respectively. This novel and low-cost sensor approach has considerable potential applications for temperature-insensitive strain measurement.     

基于空耦换能器的碳纤维增强环氧树脂编织复合材料激光超声检测技术

激光超声技术具有无需耦合剂、快速及高分辨等特点,适用于各向异性碳纤维增强树脂编织复合材料的缺陷检测。运用有限元法分析了激励位置和编织结构对激光点源激发超声波信号的影响,获得了弹性波在材料内部的传播规律以及能量分布特征,并采用1 MHz空气耦合换能器搭建了一套小型化、低成本的非接触激光超声C扫描成像系统,开展了斜纹和缎纹碳纤维增强树脂编织复合材料的近表微结构和内部缺陷检测实验。结果表明,基于空气耦合换能器的激光超声成像可以高精度地再现碳纤维增强树脂编织复合材料的近表树脂囊、碳纤维束形状、取向、尺寸及其内部缺陷等空间分布特征,有望为航空复合材料提供一种原位的微结构表征和缺陷检测方法。      

Digital demodulation system for low-coherence interferometric sensors based on highly birefringent fibers

A new type of demodulation system for low-coherence interferometric sensors based on highly birefringent fibers is presented. The optical path delay introduced by the sensor is compensated in four detection channels by quartz crystalline plates of appropriate thickness. The system can be used to decode a single-point sensor with a resolution of 2.5 x 10(-3) or two serially multiplexed sensors with decreased resolution. In a multiplexed configuration each sensor is served by two detection channels. By tilting the quartz plates, we can tune the initial phase shift between interference signals in successive channels to differ by pi/8 or pi/4, respectively, for a single-point or a multiplexed configuration. We transferred the sinusoidal intensity changes into digital pulses by appropriate electronic processing, which eventually allows for an unambiguous phase-shift measurement with a resolution of 1/8 or 1/4 of an interference fringe. The system performance for the measurement of hydrostatic pressure changes and simultaneous changes of hydrostatic pressure and temperature is demonstrated. The pressure sensors are based on side-hole fiber to ensure high sensitivity and an operation range of 2.4 MPa. A new configuration for temperature compensation of hydrostatic pressure sensors is proposed, which is better suited for dynamic pressure measurements. In this configuration the sensing and compensating fibers are located in the same compartment of the sensor housing.     

MWCNTs表面改性剑麻纤维及其环氧树脂基复合材料传感器的制备及性能

通过引入多功能化纳米颗粒从而赋予天然纤维增强高分子复合材料多功能性,使其具有传感性能,可原位感应外界环境变化。但制备多功能纳米复合材料通常需预先将纳米颗粒均匀分散在基体中,造成基体粘度大,难以工程化应用,同时需使用较大添加量才能达到渗透阈值。采用"染布法"以多壁碳纳米管(MWCNTs)悬浮液为"染料"对剑麻纤维(SF)表面进行改性,制备了多功能的剑麻纤维(MWCNTs-SF)及其环氧树脂基复合材料(MWCNTs-SF/EP)传感器。改性后剑麻纤维表面形成了一层连续的MWCNTs涂层。MWCNTs-SF的伏安特性曲线显示MWCNTs-MWCNTs和MWCNTs-电极之间形成了欧姆接触。MWCNTs-SF及MWCNTs-SF/EP均为负温度系数热敏电阻。在外界应力-应变的作用下,MWCNTs-SF及MWCNTs-SF/EP的电阻起初没有明显的变化,然后随应变线性增加,接着与应变成指数关系。MWCNTs-SF及MWCNTs-SF/EP对温度与应力-应变的响应特性不同是由于复合材料成型过程中的MWCNTs网络结构发生了变化。同时,随着MWCNTs改性次数增加,剑麻纤维布增强环氧树脂基复合材料的拉伸强度逐渐从37.6 MPa增大到46.7 MPa,弹性模量也相应增大。     

碳纤维/环氧树脂预浸带铺放应力场及制品微观结构的模拟与实验

碳纤维/环氧树脂预浸带复合材料在铺放成型时,由于树脂基体与碳纤维之间的热膨胀系数存在差异以及成型时热-力参数作用下由于纤维的变形而导致纤维与基体接触处产生应力集中等原因,在制品材料中会产生热残余应力。针对碳纤维/环氧树脂预浸带复合材料的实际结构特点,利用ABAQUS有限元软件建立含有界面的碳纤维/环氧树脂预浸带复合材料的细观代表性体积单元(Representative volume element, RVE)有限元模型,采用实验研究和有限元仿真分析的方法,研究在温度-压力参数作用下预浸带铺放制品残余应力的分布规律及影响机理。首先,建立预浸带铺放时的温度和压力模型,研究不同温度和压力参数条件下碳纤维/环氧树脂预浸带铺放制品残余应力的分布情况。其次,采用耦合降温法模拟碳纤维/环氧树脂预浸带残余应力随纤维体积含量、铺放压力以及铺放温度的变化规律,并采用扫描电镜对不同工艺参数条件下预浸带铺放制品的微观结构进行分析。通过对模拟结果进行分析比较得到各因素对制品残余应力的基本影响规律;最后进行不同温度和压力等铺放参数对预浸带铺放成型时残余应力影响的实验测试研究。      

反射式光纤传感器光纤对输出特性的数学模型

从反我纤传感器中最基本的光纤对入手，以光度学原理为基础，建立了该传感器在镜反射时的输出特性数学模型。在此模型的基础上，利用计算机给出了光纤传感器输出特性的仿真结果并进一步讨论了输出特性与各参数之间的关系。