手指运动姿态检测及假肢手指动作实时控制

设计了一种通过实时检测手指关节弯曲角度控制假肢手指动作的实验系统.系统主要由手指运动姿态实时检测、关节角度分析、控制与驱动电路、欠驱动机电假肢手4部分组成,假肢手包含拇指、食指、中指3个独立动作的手指;利用加速度传感器ADXL330实时检测手指运动姿态信息,由DSPTMS320F2812微处理器实时检测手指关节运动的瞬时角度变化并进行PWM脉冲编码,控制步进电机运动以驱动假肢手指关节转动.并分别对加速度传感器检测手指运动和假肢手指动作实时控制进行了实验测试;实验结果表明,系统采用的加速度传感器ADXL330能实时检测手指运动姿态,利用手指关节角度信息能有效驱动假肢手指屈伸,并通过三指配合完成抓握动作.     

压阻式柔性应变传感纤维的手指姿态识别装置

针对传统应变传感器柔顺性受限、与织物结合性差的问题,设计了一套可穿戴织物手指姿态识别装置。该装置的传感器为弹性硅橡胶和多壁碳纳米管复合的压阻式芯-鞘结构传感纤维柔性应变传感器,采用同轴湿法纺丝工艺制备,具有很好的可编织性,拉伸应变可达300%,响应时间少于200ms,可将其编织到织物手套的手指关节处,用于感知手指姿态;该装置的嵌入式控制系统采用基于STM32F103C8T6主控芯片的单片机,用于采集处理手指姿态传感信号;该装置的识别显示系统采用发光二极管、无源蜂鸣器和有机发光显示屏等功能器件,用于手指姿态的识别显示。实验结果表明,与现有手指姿态识别装置相比,该装置将柔性应变传感纤维、常规织物、单片机和功能器件集成在一起,具有舒适的可穿戴性,实现了呼吸灯、数字音乐和手语识别等移动便携式控制应用。     

盘式光纤加速度计的灵敏度增强方法研究

提出一种基于多层缠绕光纤环的灵敏度增强方法以实现盘式光纤加速度计高灵敏度传感。通过分析单层光纤敏感盘盘片的应力应变状态,探讨光纤盘粘贴区域、弹性盘片尺寸、传感光纤类型3种因素对灵敏度的影响,采用多层光纤敏感盘对盘式光纤加速度传感器进行灵敏度增强的方案,并通过有限元软件仿真验证。采用多层光纤敏感盘制作的盘式光纤加速度计,其加速度灵敏度能够达到6 243.4 rad/g,有效地提高了盘式光纤加速度传感器的灵敏度。     

基于取向纤维基底和图案化双相金属层的高灵敏应变传感器（英文）

为了提高液态金属基应变传感器的灵敏度,研究了一种高灵敏度、可拉伸的应变传感器,该传感器由取向的静电纺热塑性聚氨酯纤维基底和图案化双相金属传感层构成。以液态金属Galinstan为“岛”,固体金属银为“海”,构建了图案化双相金属传感层。银“海”可阻止连续的液态金属导电路径的形成,基于银导电区域的裂纹扩展机制,传感器的灵敏度显著提高。此外,纤维取向(水平或垂直)削弱了在受力时纤维的重新排列,增强了传感层的变形。结果表明,对于单一液态金属层或Ag层组成的传感器,基底纤维垂直取向与随机排列比较,灵敏度分别提高1.09倍和33.19倍。最终制成的基于垂直取向纤维基底和图案化双相金属层的应变传感器具有超高的灵敏度(灵敏度系数高达952.20)和宽传感范围(高达59.33%)。这种设计有望在可穿戴设备中显示良好的应用潜力。     

ZnO/36°YX-LiTaO3结构的Love波免疫传感器灵敏度研究

对于ZnO/36°YX-LiTaO3结构的Love波免疫传感器,免疫传感实验的结果表明,不同的波导层厚度,免疫传感的灵敏度不同.同时,存在最佳ZnO波导层厚度,使得Love波免疫传感器的灵敏度达到最高.本文根据多层薄膜中弹性波传播理论,运用部分波求解方法,对ZnO/36.YX-LiTaO3结构的Love波器件的相速度及...     

光纤Bragg光栅监测沥青混凝土应变试验

基于光纤Bragg光栅(FBG)传感原理,结合沥青混凝土路面的特点,介绍了传感器应变传感特性与设计封装结构,制作了一种用于监测沥青混凝土应变试验研究的光纤Bragg光栅传感器。通过砝码加载的方法对传感器进行标定,光纤Bragg光栅传感器的应变灵敏度系数为1.1 pm/με,封装工艺没有改变光纤光栅的应变传感特性;传感器埋入SMA-13沥青混凝土后,通过静态试验得到荷载与传感器轴向应变之间的关系为0.038 7με/N;通过ANSYS 11.0仿真传感器静态试验,得到传感器应变灵敏度修正因子η为0.928;进行了5 h动态试验,应用其监测室内车辙试验下沥青混凝土内部结构沿传感器轴向的应变,随着碾压次数的增加,轴向的应变增加。监测结果能够反映沥青混凝土内部结构应变基本变化规律,可用于沥青路面的应变监测,为道路养护决策提供了一种新方法。     

导电海绵-AgNWs复合柔性应力传感器灵敏度优化

以导电海绵为基底,并将其与银纳米线（AgNWs）复合作为柔性电极,制备了一系列柔性应力传感器,其具有良好的灵敏度和重复性．研究发现AgNWs均匀附着在导电海绵的泡沫网络中．受力时随着海绵泡沫结构大形变的同时,AgNWs结构在微观上也产生次级形变,这种多层次的导电网络结构变化有利于增强应力传感器的灵敏度．考察了不同介电材料、介电层厚度、AgNWs滴涂层数等条件对灵敏度的影响,并优化了制备条件,实现了传感器的可控制备．本文制备的传感器制备方法简单,有一定实际应用前景．      

基于FBG-BOTDA联合感测的岩层运动试验研究

为研究采场上覆岩层运动过程中的应力应变,将准分布式布拉格光纤光栅技术(FBG)和基于脉冲预泵浦布里渊光时域分析的分布式光纤传感技术(PPP-BOTDA)联合应用于相似材料模型试验的测试中。在2 m平面应力模型内埋设2根分布式传感光纤和2个光纤光栅应变传感器,模型尺寸2 000 mm×180 mm×1 700 mm,几何相似比1∶250,测试主关键层由弯曲下沉发育至断裂的变形运动过程。试果表明,2煤开采过程中分布式传感光纤应变曲线体现了岩层的连续变形下沉,曲线中间位置出现应力集中;3煤开采过程中分布式传感光纤应变曲线体现了发生断裂的岩层运动,断裂后的岩层应力得到释放;连续变形下沉的岩层FBG传感器应变曲线呈宽缓峰状,应变值达到4 367.48με;断裂的岩层曲线呈尖峰状,最大应变值达到4 892.82με.实现了模型试验中主关键层由连续体转变为半连续体过程的实时监测。     

基于银纳米粒子/聚酰胺酸复合结构的柔性应变传感器

随着人们对柔性电子设备的需求不断增加,如何制备高性能的柔性应变传感器引起了学界的广泛关注,但至今柔性应变传感器很难兼顾高灵敏度和宽应变范围。为解决上述问题,采用聚合物金属化的方法制备了基于银纳米粒子(Ag nanoparticles, Ag NPs)/聚酰胺酸(polyamic acid, PAA)复合结构的柔性应变传感器,用于同时监测细微扰动和宽应变的情况。其敏感层为将Ag NPs嵌合于PAA内的复合薄膜,所制备的Ag NPs/PAA应变传感器的最高灵敏度为10.96,应变范围为1%～11%。通过8 000次拉伸/释放测试,结果表明该传感器具备高耐久性和高稳定性。所制备的多组传感器在相同的制备工艺下,表现出较好的一致性和可重复性。     

海洋石油平台导管架安全监测系统

基于光纤光栅传感原理研发了应变、倾角和加速度传感器,应变测试精度达到5 με,倾角测试精度达到0.02°,加速度测试在40 Hz以下灵敏度达到800 pm/g。应用传感器建立了一套海洋平台导管架安全监测系统,实现了对腿桩支撑力、平台倾斜和摆幅的在线监测;通过建立导管架力学模型计算其应力状况,分析导管架的安全性并进行预警。系统成功应用于南海石油平台监测,为海洋平台的结构安全提供了保障。     

基于非均匀分布微结构的柔性压力传感器性能调控

[目的]为了适应柔性压力传感器面向特定应用的定制化设计需求,提出一种基于非均匀分布微结构的电容式柔性压力传感器,开展传感器性能调控研究.[方法]首先,基于敏感层微结构非均匀分布方式,提出一种灵敏度预测模型,并通过与实际测试结果的对比分析,验证模型的正确性.其次,研究当介电层微结构为微圆台时,不同微圆台顶面半径、高度、底面半径等几何参数以及次级微结构对传感器灵敏度和线性范围的影响.最后,基于该调控方法制备了综合性能良好的多级非均匀微结构分布的柔性压力传感器,进行性能测试与应用测试.[结果]非均匀分布微结构柔性压力传感器的灵敏度与微结构的分布及几何参数密切相关.通过对微结构分布的调控可筛选出具有最优灵敏度的传感器,对敏感层微结构几何参数的调控可实现对柔性压力传感器性能的调控.[结论]该性能调控方法对面向特定应用的传感器定制化设计具有一定的指导价值.     

多自由度超声波电机及其转子支持机构研究

应用有限元方法,设计和制作了一种能实现机器关节的多自由度超声电机.给出了一种正交轴承法转子支持机构,用于实现转子在机器手指关节中的应用.该电机定子由一个压电多层纵振子和一个夹心式弯曲振动换能器组成.多层振子较低电压下可在竖直方向产生较大振动位移.夹心式弯曲振子由两个纵向振动压电片和四个铜电极组成.在夹心振子上施加具有一定相位差的电压信号,会产生两个相互正交的弯曲振动.通过激励定子3种不同振动模式,可驱动位于定子表面的转子产生多自由度转动.测试结果表明:以多自由度超声电机作为驱动源,采用正交轴承法转子支持机构,可以有效增加机器手指关节的运动自由度.     

光纤传感网络用于电磁流变结构的特性测试与工程控制

电流变材料(Electrorheological-ER)是近年出现的能够在外加电场作用下改变性能的新材料,光纤传感器以其优良的抗电磁干扰能力成为ER构件的性能测试和应用研究中的首选.智能结构使用的难点之一是根据实际使用的目的和结构设计合适的传感器和控制系统.本文先探讨了偏振光纤传感器测量ER构件的动态应变的基本原理,然后以欧拉- 伯努利(Euler-Bernoulli)梁的横向弯曲振动为例讨论了一种用光纤传感网络判断一维振动的几阶振动模式的方法,进而探讨了二维情况下圆板振动模式的判断,可作为动态情况下智能结构实际使用的参考模式.     

葡萄糖氧化酶多层膜修饰电极的电化学性能的研究

利用层接层自组装法,制备出有序且稳定的葡萄糖氧化酶的多层膜.应用电化学方法和XRD方法研究了膜修饰电极的电化学传感性能.结果表明:该传感器具有较好的重现性和稳定性,传感器对葡萄糖的响应非常迅速;每次加入葡萄糖后,电极的电流响应会随之出现跳跃性增大,酶电极达到96%,稳态电流响应的时间仅为3 s;灵敏度可以通过合理地调解多层膜的厚度来控制.     

基于单向气动驱动器的软体手变形机理

针对软体气动驱动器的变形机理,以气动驱动软体手为研究对象,开展了基于单向气动驱动器的软体手指弯曲和摆动机理的研究。设计了气动驱动软体手,其弯曲和摆动结构均由多个相互连通的气室和一个不可延伸层组成。当相邻气室因充气膨胀而相互挤压时,气室受到不可延伸层的约束,实现了弯曲和摆动变形。为进一步考察软体手的变形机理,对620#T超弹性硅橡胶材料的非线性力学特性进行了研究,测定了其材料常系数。基于Yeoh模型密度函数,结合空间力矩平衡方程,建立了驱动压强和曲率半径的理论模型,并开展了软体手指弯曲及摆动变形的仿真研究,结果证明了理论模型的正确性。研究结果可以为其他基于气动驱动的软体结构变形机理研究提供理论基础。     

基于高透明、可拉伸离子凝胶的多功能传感器

采用自由基聚合法,将单体3-[N,N-二甲基-[2-(2-甲基丙-2-烯酰氧基)乙基]铵]丙烷-1-磺酸内盐(DMAPS)、丙烯酸(AA)与离子液体1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺([EMI][DCA])在紫外光下一步法制备离子凝胶。利用傅里叶红外光谱(FTIR)对离子凝胶的结构进行表征,采用热失重分析仪(TGA)和差示扫描量热仪(DSC)进行热学性能表征,利用电子万能试验机测试其力学性能,并通过数字万用表与LCR数字电桥分别测试离子凝胶的应变和压力传感性能。结果表明:合成的离子凝胶表现出高透明度、高拉伸性(断裂伸长率约为650%)和高离子电导率(约为1.31mS/cm)的特点;通过循环拉伸和压缩试验表明该离子凝胶具有良好的弹性;离子凝胶作为电阻式传感器,对不同应变的传感表现出高灵敏度和稳定性,由该离子凝胶构建的电容式传感器能够有效地感知压力。     

高频CO2激光脉冲写入PCF-LPFG传感特性研究

采用高频CO2激光技术在柚子型光子晶体光纤(PCF)上写入长周期光纤光栅(LPFG),并对其温度、应变和弯曲特性进行了实验研究。实验测得,PCF-LPFG谐振波长的温度和应变灵敏度分别为0.002nm/℃和0.001 8nm/με,谐振峰损耗值对温度和应变不敏感。由于高频CO2激光写入为单侧写入,导致PCF-LPFG透射谱的弯曲特性与方向和曲率直接相关。选择弯曲灵敏度较大的方向进行了弯曲测试,测得在一定的曲率范围内,PCF-LPFG的谐振波长及谐振峰损耗值的灵敏度分别为-5.45nm/m-1和3.32dB/m-1。基于PCF-LPFG的透射谱温度不敏感特性,本文为制作不受温度影响的应变和弯曲传感器提供了新的方法。     

复合材料垂尾表面应变计粘贴技术

应变电测法是飞机飞行载荷测试最常用的方法之一。研究了纤维增强层合复合材料垂尾的飞行载荷应变电测方法。首先建立复合材料垂尾有限元模型,计算了在均布载荷下垂尾表面应变分布。然后根据有限元仿真应变分布结果,避开应力集中部位选取应变片粘贴位置,设计载荷测试电桥,利用载荷标定试验可测得垂尾的飞行载荷。最后对相同层数不同铺层顺序的垂尾模型进行计算,对应变片粘贴位置的表面应变进行细观分析和比较,分析了铺层顺序对表面应变的影响。计算结果表明,表层铺层角度对应变测试结果有较大影响,复合材料结构应变测试时应考虑结构的铺层顺序;而在载荷测试时,选取线性应变区则可不考虑该影响。     

TiO_2膜结构调控及葡萄糖传感性能

以钛酸四丁酯为前驱体、聚乙二醇(PEG)为模板剂,通过调节加入溶胶中模板剂的相对分子质量实现TiO2膜微观形貌的调控。X线衍射(XRD)结果表明制备的DENSE、PEG-600和PEG-1000 3种膜均为TiO2锐钛晶型。通过场发射扫描电子显微镜(FESEM)及N2吸附-脱附表征发现:无模板剂加入的TiO2膜呈现平整致密形貌,加入平均相对分子质量为600及1 000的聚乙二醇后,制备的TiO2膜分别呈现规则纳米颗粒及纳米介孔结构表面。将3种TiO2膜固定化葡萄糖氧化酶并制备成电极后,无需加入氧化还原媒介体,均可对溶液中葡萄糖产生直接电化学响应。葡萄糖传感测试发现具有介孔结构的TiO2膜电极具有较好的灵敏度(5.95 mA·L/(mol·cm2))及电活性蛋白密度(1.63×10-11mol/cm2),具有纳米颗粒结构TiO2膜电极的葡萄糖传感性能次之,表明TiO2材料的微观形貌对葡萄糖传感性能影响显著,具有介孔结构的TiO2膜在生物传感领域具有潜在的应用价值。     

基于石墨烯复合薄膜的应变传感器及性能分析

为了克服现有应变传感器在结构健康监测上的不足,以还原氧化石墨烯(rGO)为导电填料,纳米纤维素(CNF)为骨架,硅橡胶(PDMS)为弹性基体,采用溶剂挥发法,制备一种层状结构的柔性应变传感器。分析GO-CNF悬浮液分散性和rGO-CNF/PDMS薄膜传感器的机敏性能,分析传感器的应变-电阻响应机理,建立r GO-CNF/PDMS复合薄膜的压阻行为预测理论模型。研究结果表明:CNF能有效协助rGO的分散,CNF相互交叉、搭接有助于在PDMS基底表面形成多孔隙结构的rGO-CNF薄膜;rGO-CNF/PDMS传感器能承受较大的拉伸变形(应变大于80%),可通过调整基底材料种类和厚度进行调节,并且传感器对应变具有较高的灵敏度(灵敏系数为12～41),可通过调整rGO和CNF的掺量进行调节;rGO-CNF/PDMS复合薄膜的压阻行为预测理论模型所得应变与电阻的关系与实测结果较吻合。