一种基于RC振荡频率检测的柔性力敏传感测试方法

一种基于rc振荡频率检测的柔性力敏传感测试方法
技术领域
1.本发明涉及柔性力敏传感方法技术领域，具体为一种基于rc振荡频率检测的柔性力敏传感测试方法。


背景技术：

2.柔性压力传感器因其柔软的特性可贴附于不规则的表面，能用于监测外部的力学信号，因此在可穿戴电子、机器人、医疗监控、人机界面等领域得到了广泛应用。根据信号传输方式的不同，柔性压力传感器可分为三类：压阻型、电容型、压电型，其中压阻式传感器由于具有制备简单、成本低、信号采集方便、较高的测压范围和高灵敏度得到了广泛研究。
3.目前对于柔性压力传感器的灵敏度的测试主要通过应力作用下电阻的变化来进行，通过测试不同压力作用下电阻的变化得到传感器的灵敏度。但通过电阻的变化测试力敏结构的灵敏度, 存在测试精度不高的问题，进一步影响灵敏度的提高。
4.随着各种复合力敏结构的发展，为了获得更高的灵敏度及精度。在交流条件下施加应力作用后，复合力敏结构阻抗的变化分为电阻与容抗的变化两部分，与直流条件下单一电阻的变化相比要更精确。由此可以设计出一种基于rc振荡频率检测的柔性力敏传感方法。


技术实现要素：

5.本发明是针对具有良好的柔韧性的cnt/pdms复合力敏结构，在交流条件下，对纳米复合材料力敏结构施加应力，碳纳米管在聚合物内部位置、形状等发生改变，多个纳米管之间的距离也会变化，使得导电网络发生变化，导致电阻发生变化，电阻变化率也随之改变，导电网格之间除具有电阻的变化外，还会有电容发生变化，基于此提出的一种基于rc振荡频率检测的柔性力敏传感测试方法。
6.本发明是采用如下技术方案实现的：一种基于rc振荡频率检测的柔性力敏传感测试方法，包括如下步骤：（1）、制备cnt/pdms力敏结构称取碳纳米管作为导电填料，将其中加入酒精，然后在超声波细胞粉碎机中超声震荡一小时，使碳纳米管均匀分散在酒精中；然后将pdms加入其中进行机械搅拌，混合均匀后，放入固化剂，搅拌均匀，之后倒入模具中；之后把混合均匀的溶液放入真空烘箱中，抽真空1h，最后放置于加热台上，设置温度为80℃，固化2小时；获得cnt/pdms力敏结构，最后切割成2cm
×
1cm的大小以进行性能测量；（2）、将制备的cnt/pdms力敏结构两端分别外接导线，再与高精度万用表进行连接；（3）、将连接好的力敏结构两端固定于两个夹具之间，通过控制夹具的位移来实现力敏结构拉伸的精确控制；（4）、对力敏结构进行不同程度拉伸，拉伸范围为10%~100%，且每次递增10%，计算
力敏结构的灵敏度，重复进行；（5）、通过运算和分析，得到电阻变化率与力敏结构拉伸的关系图以及频率与力敏结构拉伸的关系图。
7.本发明采用交流电路对cnt/pdms力敏结构进行实验，相比较于直流电路，解决了传统直流电路忽略电容变化而导致的精确度不高的问题。交流条件下，对cnt/pdms力敏结构施加应力，导电网格之间除具有电阻的变化外，还会有电容发生变化，即可以用阻抗等效代替。
8.本发明设计合理，具有很好的实际应用价值。
附图说明
9.图1表示基于rc振荡频率检测的柔性力敏传感工作系统。
10.图2表示不同拉伸情况下传感器的相对电阻变化率。
11.图3表示直流/交流电路情况下，复合力敏结构的等效电路。
12.图4表示频率与力敏结构拉伸的关系图。
13.图中：1-交流电源，2-导线，3-cnt/pdms力敏结构，4-高精度万用表。
具体实施方式
14.下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。
15.一种基于rc振荡频率检测的柔性力敏传感工作系统，包括碳纳米管（cnt）、聚二甲基硅氧烷（pdms）、夹具、交流电压源、导线、高精度万用表。具体连接关系如图1所示。
16.采用交流电路，充分考虑cnt/pdms力敏结构中的电容变化，使计算结果更加精确，获得更高的灵敏度及精度。
17.具体测试方法，包括如下步骤：（1）、制备cnt/pdms力敏结构称取0.25克碳纳米管作为导电填料，将其中加入1毫升酒精，然后在超声波细胞粉碎机中超声震荡一小时，使碳纳米管均匀分散在酒精中；然后将pdms加入其中进行机械搅拌，混合均匀后，放入固化剂，搅拌均匀，之后倒入模具中；为了去除样品中的气泡，之后把混合均匀的溶液放入真空烘箱中，抽真空1h，最后放置于加热台上，设置温度为80℃，固化2小时；获得cnt/pdms力敏结构，最后切割成2cm
×
1cm的大小以进行性能测量。
18.（2）、将制备的cnt/pdms力敏结构两端分别外接导线，再与高精度万用表进行连接。
19.（3）、将连接好的力敏结构两端固定于两个夹具之间，通过控制夹具的位移来实现力敏结构拉伸的精确控制。
20.（4）对力敏结构进行不同程度拉伸，拉伸范围为10%~100%，且每次递增10%，计算力敏结构的灵敏度，重复进行。
21.（5）通过运算和分析，得到电阻变化率与力敏结构拉伸的关系图以及频率与力敏结构拉伸的关系图。
22.如图2所示，不同拉伸情况下传感器的相对电阻变化率，其中δr为传感器不同拉伸状态下电阻的变化值。可以发现，拉伸越大，相对电阻变化率越大。
23.如图3所示，直流条件（(a) (b)）、交流条件（(c) (d)）下cnt/pdms力敏测试等效电路。在直流条件下，复合力敏结构忽略了电容变化，而在交流条件下，充分考虑了电容的变化，从而使测量更加准确。
24.如图4所示，不同拉应力作用下力敏结构的力敏特性测试。此图横坐标表频率大小，通过观察不同的拉伸情况下，可以发现频率的最大值均有改变。
25.本实施例提供的基于rc振荡频率检测的柔性力敏传感测试方法，通过对cnt/pdms力敏结构在交流状态下进行实验，除了考虑对纳米复合材料力敏结构施加应力，碳纳米管在聚合物内部位置、形状等发生改变，多个纳米管之间的距离也会变化，使得导电网络发生变化，导致电阻发生变化，还考虑了有电容发生变化，最后对整体电路进行分析考虑，从而实现了高精度高灵敏的rc振荡频率检测的柔性力敏传感方法。
26.最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖本发明的权利要求保护范围中。


技术特征：
1.一种基于rc振荡频率检测的柔性力敏传感测试方法，其特征在于：包括如下步骤：（1）、制备cnt/pdms力敏结构称取碳纳米管作为导电填料，将其中加入酒精，然后在超声波细胞粉碎机中超声震荡一小时，使碳纳米管均匀分散在酒精中；然后将pdms加入其中进行机械搅拌，混合均匀后，放入固化剂，搅拌均匀，之后倒入模具中；之后把混合均匀的溶液放入真空烘箱中，抽真空1h，最后放置于加热台上，设置温度为80℃，固化2小时；获得cnt/pdms力敏结构，最后切割成2cm
×
1cm的大小以进行性能测量；（2）、将制备的cnt/pdms力敏结构两端分别外接导线，再与高精度万用表进行连接；（3）、将连接好的力敏结构两端固定于两个夹具之间，通过控制夹具的位移来实现力敏结构拉伸的精确控制；（4）、对力敏结构进行不同程度拉伸，拉伸范围为10%~100%，且每次递增10%，计算力敏结构的灵敏度，重复进行；（5）、通过运算和分析，得到电阻变化率与力敏结构拉伸的关系图以及频率与力敏结构拉伸的关系图。

技术总结
本发明公开了一种基于RC振荡频率检测的柔性力敏传感测试方法，通过对CNT/PDMS力敏结构在交流状态下进行实验，除了考虑到对纳米复合材料力敏结构施加应力，碳纳米管在聚合物内部位置、形状等发生改变，多个纳米管之间的距离也会变化，使得导电网络发生变化，导致电阻发生变化，还考虑了有电容发生变化，最后对整体电路进行分析考虑。从而实现了一种高精度高灵敏的RC振荡频率检测的柔性力敏传感方法。灵敏的RC振荡频率检测的柔性力敏传感方法。灵敏的RC振荡频率检测的柔性力敏传感方法。


技术研发人员：王瑞荣 刘丽双 罗正杰 林绍卓 贾旭光
受保护的技术使用者：中北大学
技术研发日：2021.12.29
技术公布日：2022/11/3