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柔性传感器的创新突破

更新时间: 2024-12-16 14:48:59  查看次数: 59    
柔性螺形电阻拉伸传感器(FSRS)在 90%以上受到载荷的区域里,灵敏度差不多是个常数,这就说明这个 FSRS 在它正常工作的范围内,稳定性挺不错的。导电橡胶是一种有粘弹性的材料,当受到外力的时候,它里面的形变会跟不上,会滞后。这种滞后产生的残余应变,会让导电硅橡胶(CSR)的电阻在外面的载荷去掉之后还继续变化。这个电阻回复的过程和材料、载荷这些因素都有关系。这部分主要就是研究不同的一定应变载荷对 FSRS 电阻回复有啥影响。做实验的时候,用 20 毫米每分钟的加载速率,把 FSRS 拉伸到 5%、10%、15%和 20%的应变长度,记录下在恒定载荷卸载之后,FSRS 在 120 秒里连续变化的电阻值,把这个当作它的电阻回复曲线,然后对得到的这些零散的数据进行拟合分析。
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FSRS 的传感材料就是它里面的 CSR 电阻丝,CSR 里的导电填料是微米级的纤维颗粒,它能导电主要是因为这些导电纤维相互接触,形成了导电通路,导电通路的密度越高,电阻就越小。受到外面的载荷时,FSRS 里面就会发生导电通路被破坏然后又重新组合的情况,这种“破坏与重组”的动态过程就决定了 FSRS 的传感性能。当 FSRS 的拉伸应变量从 0 增加到 18%的时候,它里面相邻两根银镀玻璃纤维(AGF)之间的直线距离从 39 微米增大到 74 微米,差不多是直线增大的;在 0 到 9%的拉伸应变过程中,导电通道的宽度从 389 微米缩短到 354 微米,然后基本就不变了;在 0 到 5%应变的时候,接触的导电纤维之间的夹角从 37 度降低到 31 度,在后面的应变过程中也基本不变。
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CSR 被拉伸的时候,里面的纤维受到水平方向的拉伸力,就会沿着拉伸方向移动,有些本来相互接触的纤维就会分开。水平方向纤维间距的这种直线变化,就解释了 FSRS 灵敏度的稳定性,形成支架结构的碳纤维(CF)保证了 CSR 在形变的时候也能有稳定性。同时,因为橡胶弹性体的泊松比比较高,导电通路的宽度会因为水平方向被拉长而收缩。当垂直方向尺寸变小的时候,纤维受到压缩,就会从垂直的方向偏转到水平方向。因为大部分的纤维变成了水平方向,它们之间就有了更多接触的机会。这两种效应在刚开始受到载荷的时候叠加在一起,就让导电通路的分离和重组同时进行,所以 FSRS 在应变刚开始的时候灵敏度就降低了。随着拉伸量越来越大,已经接触的纤维在垂直方向相互搭接挤压,就阻止了导电通路在垂直方向上进一步收缩,这个时候纤维在水平方向的分离就成了主要的情况,表现出来就是 FSRS 的电阻值不断增大。
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水平方向纤维距离的变化远远比实际应变要大(形变量到 15%的时候,纤维间距已经增大了差不多 4 倍),这可能是因为 AGF 是刚性纤维,当基胶发生形变的时候,除了两根纤维之间的基胶发生形变,刚性纤维还会和基胶分开,在它的头和尾之间出现额外的间距,所以两根水平纤维之间的间距变化就比实际应变大多了。这种现象会让 FSRS 的灵敏度变得更高。

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 C - 170AGF(15CF)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)设计并且做出了阵列式柔性电容压力传感器(FACS)和 FSRS 这两种柔性传感器,测试了它们传感的基本性能和对外界载荷的响应,得出了下面这些结论:FACS 可以检测空间压力的分布。一个单元的电容在受到压力的时候,它的电容值会有很明显的改变,和受到载荷的单元在同一行列的那些没有受到载荷的电容单元也会出现电容响应的干扰,把电极之间连接线的宽度变小,有利于减轻相邻电容之间的干扰,最后干扰的强度大概是响应值的四分之一。