基于液态金属的弹性应变传感器的研究

来源 :宁波大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:chrisliuyaqin
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弹性应变传感器能够实现人体运动和生理参数的监控、机器人的力觉感知等,在医疗康复、运动健身和机器人皮肤等领域有着重要的应用前景。通常,弹性应变传感器用于探测人体或者机器人运动过程所产生的形变以感知人或者机器人的运动状态。在实际应用中,除了探测形变,往往需要知道力的大小。现有的弹性应变传感器一般是通过高分子与导电材料复合而成,模量是固定的,适合数N量级的力探测,很难满足宽量程可变载荷力探测的需求。此外,目前报道的绝大多数弹性应变传感器需要外界提供电源,功耗大,佩戴繁琐、笨重,而且使用寿命有限。因此,急需一种具有低成本,工艺简单的方法来制造具有可拉伸、自供电的弹性应变传感器。液态金属具有低毒性,可变性和良好导电性等特点,是制备可拉伸传感器的优选导电功能材料。可是单纯的液态金属合金表面有一层氧化膜,表面张力大,滴在柔性基体上趋于形成小球,导致在柔性衬底上图案化较难。基于以上挑战,本文主要做了如下工作:(1)本论文采用水浴加热法得到液态金属共晶镓铟锡合金。通过机械研磨将微米级铜粉掺进液态金属形成液态金属浆料,增强了其在柔性基体图案化时的浸润性。利用螺旋弹性管的特性,制备了导电螺旋液态金属图案。(2)为实现弹性应变传感器的自供电,通过选择和设计弹性应变传感器的材料和结构来制备螺旋导电液态金属图案。选用接近90°角的弹性导电线圈提供稳定的传导通路。该结构与法拉第的电磁感应定律结合实现自供电。并且内置钴基非晶丝用于提高输出电压(35 mV),不仅可以响应拉伸,而且能响应弯曲和震动,磁通量在外部磁场和内径液态金属螺旋线圈之间变化。用于监测和区分手指关节运动和帕金森氏病的实时健康监测。(3)针对应变传感器的模量可调,采用两个被充满液态金属的热塑性弹性体管平行排列形成电容型弹性应变传感器。并将不同弹性系数的传统弹簧组装与弹性应变传感器并联在一起,构成模量可调的弹性应变传感器。弹性应变传感器获得可调模量在0.78~10.3 MPa范围,并且在0.07至74 N的宽量程力探测范围内表现出优异的线性度、重复性和快速的响应时间(<50 ms)。此外,该弹性应变传感器在加载和卸载超过3500个循环具有良好的耐疲劳性。最后,开发了与传感器相匹配的数字显示系统,可以准确地显示负载的重量,验证了该弹性应变传感器在机器人称重领域的应用潜力。
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