發(fā)布時間：2020-11-20 01:17

　　 在可穿戴電子器件快速發(fā)展的大背景下,柔性應變傳感器在健康監(jiān)測、生物醫(yī)療、運動管理和電子皮膚等領域有著廣泛的應用�；诮饘倩虬雽w的傳統(tǒng)應變傳感器存在柔韌性差、應變范圍低等問題;近年來人們通過利用導電納米材料如碳納米管、石墨烯、金銀納米線等,與柔性高分子基體復合制備了系列柔性壓阻復合材料傳感器,有力地促進了柔性應變傳感器的發(fā)展,但這些納米材料存在制備困難、成本高等問題,限制了其廣泛應用。生物質(zhì)纖維素作為自然界中分布最廣、含量最多的生物質(zhì)材料,具有原料便宜、容易獲取、可持續(xù)和環(huán)境友好等特點;相關研究表明基于生物質(zhì)的纖維素氣凝膠高溫處理后可獲得具有三維導電網(wǎng)絡結構的碳凝膠,可用于制備柔性壓阻復合材料傳感器。因此開發(fā)基于生物質(zhì)纖維素的柔性應變傳感器,具有成本低、環(huán)保等特點,發(fā)展前景良好。本論文分別以廢紙和竹子為纖維素原料,經(jīng)過簡單的水熱反應、冷凍干燥和高溫碳化過程,制備出了具有三維網(wǎng)絡結構的纖維素碳凝膠,將纖維素碳凝膠與硅橡膠復合,獲得了具有壓阻效應的柔性復合材料,并成功應用于柔性應變傳感器,探索了其作為可穿戴設備在人體運動、健康信號監(jiān)測及熱理療等方面的應用。具體研究內(nèi)容與結果如下:1.利用生活廢紙為原料,經(jīng)過制漿、冷凍干燥和熱解處理得到了具有良好導電性的紙纖維素碳凝膠,與硅橡膠復合,成功制備出了具有壓阻特性的柔性紙纖維碳凝膠/硅橡膠復合材料。紙?zhí)寄z/硅橡膠復合材料的電阻對應變的響應靈敏,具有速度快、可重復的特點,對0-20%內(nèi)的應變響應穩(wěn)定、可靠,且有效工作頻率寬達0.01Hz-10Hz。紙?zhí)寄z/硅橡膠復合材料的抗疲勞性能優(yōu)越,經(jīng)過1000次壓縮循環(huán)加載實驗后,復合材料傳感性能穩(wěn)定未見明顯衰減。此復合材料不僅能夠用作監(jiān)測人體健康信號的應變傳感器,而且具有熱理療功能�；诩�?zhí)寄z/硅橡膠復合材料的柔性應變傳感器可實現(xiàn)人體運動(如走路)和人體健康(如呼吸)等信號的監(jiān)測。并且傳感器還可以作為加熱器,當工作電壓為15V時,與環(huán)境間的溫差可達20度。紙纖維碳凝膠/硅橡膠復合材料具有應力傳感和加熱雙重功能,對開發(fā)多功能柔性電子設備具有重要指導意義。2.以重慶盛產(chǎn)的毛竹為原料,通過氧化-干燥-碳化工藝制備出了竹纖維碳凝膠,與硅橡膠復合后,制備出了竹纖維碳凝膠/硅橡膠復合材料,基于該復合材料的柔性應變傳感器具有壓阻靈敏度高、響應時間短(50 ms)、可重復和穩(wěn)定性高等特點。通過調(diào)節(jié)起始竹纖維漿液的濃度,可制備出密度不同的竹纖維碳凝膠;結果發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi),碳凝膠密度越小,復合材料的壓阻靈敏度越高�；谥裉寄z/硅橡膠復合材料的柔性應變傳感器可以識別手指彎曲、呼吸及聲音等人體信號,在人體健康監(jiān)測、人機交互方面有一定的發(fā)展?jié)摿Α？傊?基于廢紙與竹子的纖維素碳凝膠/硅橡膠復合材料由于其低廉的價格、適中的導電性能對人體生理信號進行監(jiān)測,在電子皮膚、生物醫(yī)藥、可穿戴電子器件等方面具有良好的應用前景。
【學位單位】：重慶大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TP212;TB33
【部分圖文】：

人們的日常生活到工業(yè)生產(chǎn)都會涉及到傳感器技術，特別是在自動控制系統(tǒng)中要獲取信息，都要通過傳感器獲取信號并轉(zhuǎn)換為容易傳輸和處理的電信號。傳感器能夠感知外界物理狀態(tài)（如加速度、溫度、濕度）或化學狀態(tài)（如氣體、液體、有機物），并將探測到的相關信號以電信號的形式傳遞下一級。與借助簡單測量工具相比，傳感器的檢測、測量精度更高，測量范圍更廣，并且可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控。具體地說，傳感器是指一種能感受規(guī)定的被測量而且可以按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的設備，一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件與測量電路組成，如圖 1.1所示。其中，敏感元件能夠感受所處環(huán)境的被測量的刺激源，并輸出相對應的物理量信號，因此該部分的材料需要對物理量的變化有明顯的反應；而轉(zhuǎn)換元件則是將敏感元件輸出物理量信號轉(zhuǎn)換為電參量。大多數(shù)情況，經(jīng)過敏感元件與轉(zhuǎn)換元件后輸出的信號是微弱的，所以，為了便于被測物理量的接收與處理，需要給傳感器增加測量電路。測量電路的作用是將轉(zhuǎn)換元件輸入的電參量放大、濾波處理轉(zhuǎn)換成可檢測的電流或頻率等電信號，能夠進行顯示、記錄、處理的部分[4]。

碩士學位論文 1 緒感器的分類現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，傳感器的應用越來越廣泛，在水利水電、地質(zhì)探、醫(yī)療衛(wèi)生等領域展現(xiàn)出了很大的潛力[6, 7]。近幾年，信息處理技術及計算機技術的日趨成熟，用于傳感器應用范圍不斷地拓展，檢測、溫度、光、氣體、電磁等信號的研究不斷深入，包含的處理過程。如圖 1.2 所示，下面按照傳感器的功能分類做簡要的介紹。

圖 1.3 裝有大量傳感器的火星探測器Figure 1.3 Mars Rover with Large Number of Sensors光纖傳感器作為一種新型傳感器，將來自光源的光信號（如光強度、波、相位）經(jīng)過光探測器解調(diào)后轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞敵觥Ｅc傳統(tǒng)的機械電子傳，光纖傳感器的獨特優(yōu)勢凸顯，更能應用在航空航天領域極端復雜的應，符合現(xiàn)代傳感器技術的需求。日本航空航天局的 Takeda 等人[18]將光柵作為應變傳感器，測量了碳纖維復合材料的加筋板由于沖擊力引起的證明了光纖光柵傳感器可以在極端條件下測量溫度和應變，并且在航天損傷監(jiān)測方面發(fā)揮著重要作用。因此，在未來航空航天傳感技術領域中天光纖傳感技術具有很重要的學術價值和應用前景[17]。應變傳感器傳感器技術在科學研究、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)檢測方面正發(fā)揮著越來越重了滿足不同應用條件下的傳感需求，各式各樣的傳感器不斷地發(fā)展。
【參考文獻】

相關期刊論文 前6條

1 劉旭;賈昭;王博;;PVDF柔性傳感器的制備研究[J];重慶理工大學學報(自然科學);2015年04期

2 劉鐵根;王雙;江俊峰;劉琨;尹金德;;航空航天光纖傳感技術研究進展[J];儀器儀表學報;2014年08期

3 張子棟;吳雪冰;吳慎山;;智能傳感器原理及應用[J];河南科技學院學報(自然科學版);2008年02期

4 杜彥剛,潘英俊,劉嘉敏;基于PVDF壓電膜的三向力觸角傳感頭研究[J];儀器儀表學報;2004年S2期

5 田疆,田潔,蒲軍,吳曉琴,謝凱年;基于導電橡膠的柔性動態(tài)觸覺傳感器系統(tǒng)及其圖像恢復的研究[J];機器人;2004年01期

6 冼杏娟;冼定國;鄭維平;李端義;;竹纖維增強復合材料力學性能及微觀結構分析[J];復合材料學報;1988年03期

本文編號：2890717