湛江3D打印

湛江3D打印

揭秘柔性螺形电阻拉伸传感器

    

电阻式传感器对于拉伸载荷的反应很好,它的结构是怎么设计的,就决定了它适合检测哪类拉伸载荷。这部分内容根据螺形电阻式传感器的传感原理,设计出了柔性螺形电阻拉伸传感器(简称 FSRS),还对它在机械拉伸载荷下的反应做了测试,并且对它的微观结构也进行了分析。当导电硅橡胶(CSR)受到拉伸载荷的时候,它里面的导电通路就会被破坏然后又重新组合,从外面看,就是电阻发生了变化,这就叫做 CSR 的力敏效应。因为有这个特性,CSR 就可以用来做检测拉伸载荷传感器的传感材料。这个 FSRS 在水平方向有 3 条长度是 30 毫米的电阻丝,用来感应这个方向的拉伸载荷,每条电阻丝垂直方向的间距是 4 毫米,然后在左上角和右下角引出电极。
湛江3D打印
FSRS 水平方向的电阻丝总共长 90 毫米,垂直方向的总长度是 8 毫米,所以传感器在受到水平方向的载荷时,电阻会有比较大的变化,但是垂直方向的应变对整体电阻的改变就比较小。考虑到电阻丝是单条连续的丝材,在制作的时候就选择了能快速一步成型的嵌入式打印工艺。在实际使用的时候,要求 FSRS 对不同应变速率下的拉伸载荷都能有稳定的反应。这部分主要就是测试和分析 FSRS 在不同应变速率下的应变电阻反应,还有在不同应变载荷下电阻回复的情况。
湛江3D打印
高分子材料在发生形变的时候,材料内部的粘弹性会让应变出现滞后的情况,在传感器上就表现为在同样的应变下,卸载时候的电阻比加载时候的电阻稍微低一点,它的加载 - 卸载电阻曲线就会出现回滞环。在衡量传感器的基础性能的时候,要让传感器的响应回滞环尽量小,这样才能保证它的精度,同时,电阻应变响应曲线要平滑,这样才能保证它的稳定性。当最大的应变载荷是一样的时候,不同的加载速率对应的电阻响应曲线差不多是重合的,而卸载电阻的数值比加载电阻稍微高一点,在整个拉伸过程中,回滞环的大小非常小,基本可以忽略不计。这可能是因为当 FSRS 受到拉伸载荷的时候,CSR 里面的基体 PDMS 发生了形变,使得里面的导电纤维也跟着移动,导电通路就被破坏了,电阻就升高了;在卸载的时候,因为加载产生的内部高应力让导电通路更快地回复,电阻就快速下降;卸载完了之后,由于高分子材料的粘弹性,它内部的变形没办法马上完全恢复,CSR 里面的导电通路也不能完全恢复到原来的样子,就导致卸载后 FSRS 的电阻比它一开始的电阻要高。在所有拉伸应变载荷的情况(也就是最大加载量是 5%、10%、15%和 20%)下,FSRS 对应变载荷的灵敏度变化规律是差不多的,就是在加载的开始阶段(应变载荷从 0 慢慢上升到 0.8%),FSRS 的 GF 值很快上升到 8 到 10;当应变量大于 0.8%的时候,FSRS 的灵敏度曲线都保持在 8 到 10 之间,它的大小和加载速率没有关系;另外,当载荷量大于 0.8%的时候,FSRS 加载时候的 GF 值比卸载时候同样应变下的 GF 值稍微大一点。在卸载曲线的末端(图里面 0 到 1%应变量的地方),FSRS 的灵敏度又明显变大了,这是因为材料的粘弹性造成的回滞现象让电阻没办法恢复到一开始的值,而根据灵敏度的定义公式,当应变趋向于 0 的时候,分数的分母是 0,卸载电阻和初始电阻的差大于 0 使得分子是正数,就导致了灵敏度变得过大。 

2024-12-16 10:00:24