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納米能源所潘曹峰課題組 AMT：基于微裂紋傳感陣列的平面應(yīng)變分布智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
2022-08-17  來源：高分子科技

  北京納米能源與系統(tǒng)研究所潘曹峰研究員及鮑容容副研究員設(shè)計(jì)了一種基于微裂紋傳感陣列的柔性智能應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)集信息采集、信息處理、實(shí)時(shí)顯示于一體，可以直接監(jiān)測(cè)被測(cè)物體的空間應(yīng)變分布。



  由于人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，柔性應(yīng)變傳感系統(tǒng)在個(gè)性化監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。針對(duì)柔性應(yīng)變傳感系統(tǒng)在大面積實(shí)時(shí)復(fù)雜監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用需求，北京納米能源與系統(tǒng)研究所潘曹峰研究員及鮑容容副研究員設(shè)計(jì)了一種基于微裂紋傳感陣列的柔性智能應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)集信息采集、信息處理、實(shí)時(shí)顯示于一體，可以直接監(jiān)測(cè)被測(cè)物體的空間應(yīng)變分布。


  該系統(tǒng)主要由多個(gè)傳感模塊組成，在不同方向上緊密貼合被測(cè)物體表面來感測(cè)施加在物體上的應(yīng)力的大小、位置和具體形態(tài)。單個(gè)傳感模塊包括一個(gè)新型的柔性四通道應(yīng)變傳感陣列和一個(gè)相對(duì)應(yīng)的柔性信號(hào)處理電路板。傳感陣列是由具有良好附著力和低楊氏模量的超薄PDMS彈性薄膜作為襯底、拉伸后具有平行微裂紋結(jié)構(gòu)的金屬薄膜作為傳感層，共同組成的兩層、四通道超薄PDMS-Ni/Au傳感陣列。利用超薄微裂紋金屬薄膜傳感器制備技術(shù)和分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制作的柔性應(yīng)變傳感陣列對(duì)微小應(yīng)變或振動(dòng)具有良好的檢測(cè)能力，靈敏度因子可達(dá)4500，機(jī)械穩(wěn)定性近2000次，響應(yīng)時(shí)間約25ms，檢測(cè)極限僅為0.02%。由于雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該傳感器陣列可同時(shí)精確檢測(cè)橫向和縱向的所有應(yīng)變，滿足了對(duì)微小應(yīng)變?nèi)较驕y(cè)量的要求，改善了傳統(tǒng)微裂紋傳感器只對(duì)裂紋垂直方向的應(yīng)變敏感的缺點(diǎn)。相對(duì)應(yīng)的柔性信號(hào)處理電路板以PI為基底材料，厚度僅為0.1mm，可與傳感陣列緊密貼合使系統(tǒng)具有更好的適應(yīng)性和靈活性。再結(jié)合通信模塊和顯示軟件設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)了一個(gè)集傳感陣列、測(cè)量電路、顯示和存儲(chǔ)設(shè)備為一體的柔性智能應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以出色地完成指尖、尺子和吹風(fēng)機(jī)對(duì)傳感模塊所在表面施加的點(diǎn)、線、面的應(yīng)變的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并準(zhǔn)確地模擬出應(yīng)變的空間分布和強(qiáng)度變化，還可以做成可穿戴器件貼在人的后背上對(duì)含胸駝背等的人體形態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷和監(jiān)測(cè)，這對(duì)矯正坐姿、預(yù)防近視眼等的人體健康可穿戴設(shè)備也有參考價(jià)值。與此同時(shí)，該智能傳感系統(tǒng)還具有低功耗、集成度高、應(yīng)用靈活性高的優(yōu)勢(shì)。此外，通過改變陣列中傳感模塊的數(shù)量，可以大倍率擴(kuò)展監(jiān)測(cè)面積，有極強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用潛力。例如在航空航天領(lǐng)域中，實(shí)現(xiàn)針對(duì)形變非常微小、感測(cè)面積卻很大的柔性薄膜太陽能電池板的結(jié)構(gòu)/損傷監(jiān)測(cè)任務(wù)等。相關(guān)論文在線發(fā)表在Advanced Materials Technologys上。


  論文信息：

  Flexible Intelligent Sensing System for Plane Complex Strain Monitoring

  Yixin Wan, Juan Tao, Ming Dong, Li Zhang, Zhengchun Peng, Rongrong Bao,* and Caofeng Pan*

  Advanced Materials Technologys

  DOI: 10.1002/admt.202200386


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admt.202200386

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