离子水凝胶传感器及其测量电路和方法

本发明属于传感器，特别是一种离子水凝胶传感器及其测量电路和方法。

背景技术：

1、传感器可将力的变化转换成电测量系统容易检测到的电学参数变化，进而可以方便地利用电学测试系统来监测外力的变化。常见的柔性传感器通常由柔性导电材料制成，例如银纳米线、碳纳米管、液态金属、ecoflex、聚二甲基硅氧烷(pdms)和水凝胶等。由于这些材料表现出良好的柔韧性和机械响应，它们被广泛应于用人机交互和生物医学领域。

2、目前使用这些材料制作了一些传感器，压阻式传感器由于几何效应固有的非线性电阻响应，导致材料的高灵敏度被限制较窄的应变区间内，使这些材料的高灵敏度只能在大变形中体现出来，不能实现大检测范围与高灵敏度相匹配。同时，电容式传感器受限于不同的材料体系和复杂的制备过程，延展性受到限制并难以实现大规模制造。这在实现人机交互的高精度控制方面带来了挑战。

3、在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种离子水凝胶传感器及其测量电路和方法，实现大检测范围且高灵敏度。

2、本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种离子水凝胶传感器包括，

3、水凝胶基体，其分布有裂纹结构，裂纹结构受力变形而改变交流阻抗；

4、一对电极，其连接于所述水凝胶基体两端。

5、所述的离子水凝胶传感器中，所述裂纹结构为通过激光切割处理得到的周期性裂纹。

6、所述的离子水凝胶传感器中，所述裂纹结构未变形的状态下是部分封闭的，在交变的电场下，离子可通过裂纹结构，裂纹结构受力变形切断离子流动的通路导致交流阻抗上升，受力变形消失时，裂纹结构恢复且交流阻抗回复到原有水平。

7、所述的离子水凝胶传感器中，通过改变裂纹结构的长度、深度、宽度或弯曲半径以调节交流阻抗变化幅度。

8、所述的离子水凝胶传感器中，还包括封装弹性体，其粘接于所述水凝胶基体表面。

9、所述的离子水凝胶传感器中，封装弹性体经单轴预拉伸后，再将固定好一对电极的水凝胶基体粘接于封装弹性体上以实现水凝胶基体的预压缩。

10、一种测量电路包括所述的离子水凝胶传感器。

11、所述的测量电路中，所述离子水凝胶传感器与固定电阻并联，当测量电路产生特定频率的正弦电压时，离子水凝胶传感器与固定电阻所承担电压比值随离子水凝胶传感器的交流阻抗变化而变化，通过将固定电阻上流经的正弦信号转换为直流信号并测量，以计算离子水凝胶传感器所对应的交流阻抗并与初始离子水凝胶传感器标定值进行对比，从而反映变形量。

12、所述的测量电路中，还包括控制模块、交流信号发生模块、交流转直流模块和接口转换模块。

13、测量电路的变形控制方法包括，

14、将离子水凝胶传感器粘附于待测对象处，待测对象弯曲导致离子水凝胶传感器受力变形；

15、测量电路通过将固定电阻上流经的正弦信号转换为直流信号并测量，以计算离子水凝胶传感器所对应的交流阻抗并与初始离子水凝胶传感器标定值进行对比，从而反映变形量；

16、待测对象基于变形量调整动作。

17、和现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明利用离子导电水凝胶利用离子导电的特性，通过预制宏观裂纹将传感器的电阻几何效应机制转换为接触电阻机制，整个过程分为三个阶段：离子导电水凝胶的裂缝在未受力的状态下是至少部分关闭的，在交流下带电离子可以通过关闭的裂缝；当水凝胶被拉长时，裂缝的打开阻断了离子流动的通路，导致电阻急剧上升；当裂缝处于完全张开状态时，电阻就会按照水凝胶的几何效应进一步增加。离子水凝胶传感器能够在宽应变范围内表现出高灵敏度，实现对拉伸，压缩和弯曲等多种加载模式的识别。并在各种负载环境下，该传感器表现出良好的稳定性。柔性传感器的制作方式简单，成本较低，可实现大批量生产。

技术特征：

1.一种离子水凝胶传感器，其特征在于，其包括，

2.根据权利要求1所述的离子水凝胶传感器，其特征在于，优选的，所述裂纹结构为通过激光切割处理得到的周期性裂纹。

3.根据权利要求1所述的离子水凝胶传感器，其特征在于，所述裂纹结构未变形的状态下是部分封闭的，在交变的电场下，离子可通过裂纹结构，裂纹结构受力变形切断离子流动的通路导致交流阻抗上升，受力变形消失时，裂纹结构恢复且交流阻抗回复到原有水平。

4.根据权利要求1所述的离子水凝胶传感器，其特征在于，通过改变裂纹结构的长度、深度、宽度或弯曲半径以调节交流阻抗变化幅度。

5.根据权利要求1所述的离子水凝胶传感器，其特征在于，还包括封装弹性体，其粘接于所述水凝胶基体表面。

6.根据权利要求5所述的离子水凝胶传感器，其特征在于，封装弹性体经单轴预拉伸后，再将固定好一对电极的水凝胶基体粘接于封装弹性体上以实现水凝胶基体的预压缩。

7.一种测量电路，其特征在于，其包括权利要求1-6中任一项所述的离子水凝胶传感器。

8.根据权利要求7所述的测量电路，其特征在于，所述离子水凝胶传感器与固定电阻并联，当测量电路产生特定频率的正弦电压时，离子水凝胶传感器与固定电阻所承担电压比值随离子水凝胶传感器的交流阻抗变化而变化，通过将固定电阻上流经的正弦信号转换为直流信号并测量，以计算离子水凝胶传感器所对应的交流阻抗并与初始离子水凝胶传感器标定值进行对比，从而反映变形量。

9.根据权利要求7所述的测量电路，其特征在于，还包括控制模块、交流信号发生模块、交流转直流模块和接口转换模块。

10.一种基于权利要求7-9中任一项所述的测量电路的变形控制方法，其特征在于，其包括，

技术总结
公开了一种离子水凝胶传感器及其测量电路和方法，离子水凝胶传感器中，高浓度电解质的导电强韧水凝胶基体，连接在基体两端的电极和封装弹性体组成，封装弹性体材料为聚氨酯或聚丙烯酸酯。通过激光切割的方法在水凝胶基体上制备高密度不同样式的周期性宏观裂纹。该传感器具有测量拉伸、压缩、弯曲等多种功能。当传感器受外力变形时，裂缝张开使接触面积变化从而使交流阻抗改变，当裂缝完全张开后，基体拉伸程度决定交流阻抗的值。测量电路产生交流特定频率的电压，通过测量传感器与串联电阻分压比值，即可获取形变程度。本发明具有极高的灵敏度、稳定性和高分辨力阈，具有制备工艺简单，制作成本低的优点。

技术研发人员：贾坤,韩裕伟,吴海腾,郭浩宇,锅雨寒
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24