聚合物独立灵活的应变传感器

文摘

聚合物基独立灵活的应变传感器的设计和特性介绍了这项工作。性质轻盈和灵活性使他们适用于应变的测量应用程序与可穿戴机器人或康复设备等电子产品。捏造分析了传感器尺寸和导电性的影响他们的行为。伸长和应用电荷被精确控制为了测量不同参数电阻、应变系数(GF),磁滞和可重复性。结果清楚显示大小和导电性的影响的衡量因素,但同样重要的是指出控制滞后的必要性和可重复性precision-demanding响应的应用程序。

1。介绍

技术进步和新服务的需要与机器人相关的应用程序需要新的资源和材料的发展。这些资源和材料必须旨在提高人们的幸福感,同时确保他们的安全。灵活的集成传统应变仪的结构一直是困难的,因为现有的机械限制。如今,人们越来越倾向发展智能传感器基于高分子材料能够减少传统传感器的结构限制(1,2]。新一代的光、灵活、低成本的聚合物传感器领域的很有前途的和有用的机器人和可穿戴电子产品。一些方法在设计这种类型的传感器,用于恢复和健康监测领域的人,已经被提出(3- - - - - -5]:申请生物信号的测量(心电图、呼吸、关节位置和运动,皮肤温度,等等)可以通过不同的设备开发的实现(编织或针织金属电极,EAP-based纺织纤维或小型条状,光纤,等等)。新一代的nanocomposite-based聚合物传感器是灵活和容易变形,能够被集成在这种结构没有改变他们的行为。

传感器提出了应变/应力在之前的工作和压力测量是建立基于纳米线和碳纳米管弹性材料(6- - - - - -11]。在这些情况下,最终的复合材料的压电电阻财产用作传感机制;因此,复合材料的电导率的变化与应变变化的线性关系后(6]。碳纳米管是最广泛的研究材料在这一领域,但尽管最佳性能的观察,这些纳米管的高成本增加了传感器技术的成本,使其表面不适合一些大型应用程序。此外,这些复合材料沉积在纺织品或其他支持基地,在最终的灵活性取决于所使用的内在属性的支持。在本文中,一个独立的设计,低成本、灵活应变传感器,基于复合材料用高纵横比碳纳米颗粒和弹性高分子材料,。纳米复合材料是一个独立的电影不需要额外的支持层,指出纳米复合材料是一种很有前途的材料为进一步应用在可穿戴电子产品。

2。实验

2.1。敏感的复合材料

Elastosil LR 3162 A / B,从瓦克有限公司是所选的材料为主要组件生产的传感器。它是一种液体硅橡胶具有良好的机械、电气、老化,和快速硫化属性,这些属性使它在传感器中的应用非常有吸引力。

它的密度是1.12克/厘米³在23°C, 6500 Pa的粘度年代,5.4 N /毫米的抗拉强度²,410%的断裂伸长率和撕裂强度12 N /毫米。材料需要10分钟在165°C,在压力下,治愈疾病。

nanofillers是购自CheapTubes(美国)。高纵横比nanofillers选择了纳米复合材料的制备。高分子复合材料的电特性是高度依赖于体积、分布、大小、形状、取向阶段,和交互添加nanoconductive填充物。电荷创建电气通路,是一个过渡电绝缘材料的导电。为了建立所需的物理和电气性能之间的妥协,一个适当的加载无机导电填料的水平是必要的。因此,如果弹性体高负荷的降低电阻率,材料太硬,会表现出较低的延伸率和抗拉强度。最好的方法是达成平衡机械和电气性能的纳米复合材料。在这部作品中,充满了各种各样的导电橡胶纳米颗粒负载,和不同填充内容进行测试以获得所需的电气和机械特性。

基于Elastosil和碳nanofillers的混合物,不同传感器、各种电气导率介于0.03和5 mS /厘米,建成。纳米填料含量不同的5 - 10%。此外,不同大小的传感器进行了分析。他们的导电性和尺寸如表所示1。

2.2。传感器描述系统

生产的传感器是通过多个elongation-contraction周期特征,使用应变测试仪。这个设备由牵引仪器和数据采集系统。数量、应变变化比率和伸长的周期可以动态配置。这种自动化允许完成多个elongation-contraction周期描述的材料。取决于材料的力学性能表征(大小、断裂伸长率、撕裂强度等),不同的参数配置进行测试。应变率参数(0.001 m / s, 0.01 m / s)和延长周期选择,考虑材料的真实的应用程序可能使用。

3所示。结果与讨论

在本节中,传感器特性显示后的结果。研究了用于传感器特性不同的属性:依赖与传感器的电阻率大小、伸长和导电性,衡量因素,磁滞、线性度和重复性。除了一个衡量因素或敏感性适应应用程序(12,13),有必要获得良好的线性,可重复性和控制材料的反应滞后。

3.1。电阻率

传感器与不同的导率是骑车到21 - 27%的伸长。图1显示了电阻响应通过多个elongation-contraction周期与0.5和0.6之间的电导率传感器女士/厘米。图中可以观察到,传感器行为在不同的特征周期保持不变。图的测量显示一个锯齿形曲线1。这种形式是由于这一事实,每2%的伸长后,剩下的时间2秒以达到稳定的阻力。在这段时间里,电阻测量但不改变伸长值的传感器。的时间是足够长的时间来允许的总变异后的电阻伸长。下图所示的锯齿形式不是因为一个趋势线被用作测量数据的表示。

传感器产生的伸长减少数量的导电粒子之间的电气连接材料,带来阻力的增加。图2显示了这一事实,每个传感器的电阻增加的伸长增加工作。此外,对于一定的伸长率,电阻较低的绝对增量高导电性的材料。在传感器作为导电填料的体积增加,电导率越高,硬度和刚度的传感器也更高。的原因是这些物理性质相同的应变电阻变化水平较低的电导率传感器的增加。

未变形的传感器的电阻工作也随电导率的增加而减小。电荷形成导电通道,有一个过渡电绝缘材料的导电。这发生在当材料中导电填料浓度大于临界渗流体积。

衡量因素是参数用于定义传感器的敏感性。它措施的比例相对机械应变电阻的变化ε相对长度变化,未变形的传感器。

作为数据3和4显示,衡量因素并不直接与电导率成正比。获得最高的价值与电导率传感器在0.03和0.07之间女士/厘米。另一方面,贫穷的价值属于最高的电导率传感器,5 mS /厘米。

在任何传感器的响应并不是完全线性。有地区,电阻变化之间的关系和伸长,响应的非线性。这可以解释为传感器的几何结构的变化,因为材料的物理特性,通过剩余伸长的影响在多个应变周期。

所以,建议有一个合适的灵敏度值,与一个线性传感器反应所需的工作范围,这是重视非常小心的传感器材料的配方组成。

3.2。可重复性

重复性是指传感器的能力提供相同的反应,同样的输入信号,保持恒定的测量条件。这个属性是必要的,以确保传感器的可用性很长一段时间和获得的可靠性措施。在这部作品中,不同周期之间的可重复性测量。

图5显示多个周期的特征以及它们之间的偏差,在伸长过程中,2 mS / cm导电性弹性体。每个导电性的偏差(%)值(女士/厘米)传感器和伸长值(%)提出了表2。

获得的最佳值的偏差2.89%的伸长循环,伸长的弹性体初长度的21%。这个值是传感器获得导电性介于0.5和0.6 mS /厘米。然而,这个值是接近传感器的偏差值获得2 mS / cm的导电性,但在这种情况下,延伸率较高。类似的伸长值27%,5 S /厘米的偏差值电导率高于电导率传感器2 mS /厘米。最严重的偏差值的传感器获得较低的电导率。

3.3。磁滞

磁滞出来在系统的输出不仅取决于输入,但这也取决于输入的历史。在图6,显示了在多个测量伸长周期滞后2 mS / cm导电性弹性体。这个效应会导致传感器响应的区别在伸长和收缩。磁滞(%)值为每个导电性(S /厘米)传感器和伸长值(%)提出了表3。

最好的价值获得传感器0.3和0.4之间的导电性女士/厘米,最大磁滞的9.5% 24%的伸长。这个值接近传感器的滞后值导电性介于0.5和0.6 mS /厘米。但在这种情况下,延伸率较低,在21%左右。滞后值随传感器导电性变化0.1 mS /厘米,2 mS /厘米和5 mS /厘米。

4所示。结论

的设计和描述聚合物flexible-strain传感器已经被提出了。传感器的行为的维度和导电性,一直在研究,在多个elongation-contraction周期,进行应变测试人员。基于Elastosil钢筋与导电复合材料,纳米粒子,被选中是因为它的属性,这些属性使它适合在灵活的集成结构。不同的传感器的特点进行了分析;物理特性、导电性和维度和工作特点,应变系数,线性,迟滞、重复性。大小的影响,伸长,电导率传感器的敏感性已被证明。良好的灵敏度值,适应应用程序中,是非常重要的,但不是不重要的线性响应,良好的可重复性,低滞后因素。发现最好的传感器灵敏度之间的妥协,可重复性和滞后,是0.3 - -0.4 mS /厘米的导电性。从这一点上,传感器的性能,重复性和滞后,与电导率的变化变得更糟。

虽然结果很有希望,下一阶段将测量传感器的行为在不同湿度和气候条件。

承认

从巴斯克政府财政支持(ETORTEK ACTIMAT)。

引用

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