【摘 要】
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柔性应变传感技术的出现,解决了在不牺牲机器人灵巧性的情况下完全满足其手足动作的需求,这具有重大的研究意义与工程应用价值。而目前主流研究的基于银纳米线、铜纳米线以及
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柔性应变传感技术的出现,解决了在不牺牲机器人灵巧性的情况下完全满足其手足动作的需求,这具有重大的研究意义与工程应用价值。而目前主流研究的基于银纳米线、铜纳米线以及碳纳米管的柔性应变传感器还存在着无法兼顾高灵敏度、较大的量程、小迟滞性、低成本制造的问题。通过研究发现磁性纳米线由于具有磁场可控使其定性取向,有望改善这一问题,因此创新地提出了铁纳米线(Fe nanowires,Fe NWs)在柔性传感领域的应用。本文以Fe NWs柔性拉伸应变传感器为研究对象,通过对敏感单元的研究,构筑工艺的优化,传感结构的设计,采用了理论和实验相结合的手段对传感器的性能进行探究,突破了当前的难点,为改善现状提供了新的解决途径。本文的研究内容如下:1.针对当前难以获得易分散、高长径比的Fe NWs的技术难题,本文利用Fe NWs具有高饱和磁化强度的特性,创新性地采用磁控构建辅助原位还原方法合成出高质量的Fe NWs。并系统研究了不同影响因素对Fe NWs尺寸的影响,优化合成参数,为后续传感器的设计提供了较好的核心敏感元件。2.针对目前构筑中存在着工艺要求高、结构复杂等问题,通过真空抽滤转移、浇铸等方法构筑出三明治结构的柔性拉伸应变传感器。并分别从宏微观角度分析,采用了电子隧穿、渗滤理论等方法,建立了该传感器的传感模型。模型表明:Fe NWs的面密度对输出电阻影响极大,并得到了拉伸变化的长度与输出电阻的关系。3.根据上述的传感机理,从实验上探究了不同面密度Fe NWs柔性拉伸应变传感器的性能,搭建实验平台,对其电学性能和力学性能进行测试实验,实验表明:随着应变增大,不同面密度Fe NWs柔性传感器的电阻值均增大,其中涂覆层数为2层(面密度4.4 mg/cm2)的传感器传感性能综合较好:非线性误差为2.1%,较高的灵敏度为53,在较宽的工作区间应变范围为57%,同时具有较好重复性和稳定性,也表现出了较好的塑性和强度的力学性能。在此基础上,通过电路设计和上位机测试,构建了一套演示系统,初步得到了Fe NWs柔性拉伸应变传感器的感知应用。
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