【摘 要】
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柔性传感器及柔性电子学理论被广泛应用于信息交互、体征监测、软体机器人、微弱信号控制等领域。在上述领域中,压电传感器是非常典型的一种柔性传感器,目前应用广泛且技术完备。但是随着现代社会的科技发展,复杂场景越来越多,对于柔性传感器的要求也越来越高,传统的柔性传感器由于需要外部供电的条件,难以在无源条件或者复杂环境中运行工作,这也使得寻找一种新型的自供电柔性传感器成为亟需解决的一个问题。本文从基本的电磁
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柔性传感器及柔性电子学理论被广泛应用于信息交互、体征监测、软体机器人、微弱信号控制等领域。在上述领域中,压电传感器是非常典型的一种柔性传感器,目前应用广泛且技术完备。但是随着现代社会的科技发展,复杂场景越来越多,对于柔性传感器的要求也越来越高,传统的柔性传感器由于需要外部供电的条件,难以在无源条件或者复杂环境中运行工作,这也使得寻找一种新型的自供电柔性传感器成为亟需解决的一个问题。本文从基本的电磁场理论出发,研究出一种新型自供电柔性传感器,借助仿真手段分析其电磁性能,并通过“理论+实践”结合的方式,将新型自供电柔性传感器运用到真实场景,分析其性能表现。本文主要工作如下:(1)从简单理想模型出发,以磁体系(磁块/聚合物)和导电体系(金属铜线圈)为主,基于ANSYS Maxwell分析自供电柔性传感器模型的工作原理,并对其进行电磁特性分析,验证其在压缩/拉伸状态下产生感应电动势的工作机制,发现模型由于应力的作用,线圈磁通量发生明显变化,进而会在线圈中产生感应电动势。同时针对可能影响自供电柔性传感器电磁特性的影响因素进行理论分析;其次,以液态金属作为线圈的主要材料来源,提升了模型易扩展的特性,并从单一磁块过渡到多个磁块组合排列的方式提升自供电柔性传感器的表现性能;最后,从自然仿生的角度,将自供电柔性传感器良好地融入复杂场景,提升其在复杂条件下的适应性。(2)为降低自供电柔性传感器系统的杨氏模量以提高其灵敏度及延展性,利用磁粉替代磁块,使得其在不同场景下具有更加良好的电磁性能。而磁粉体系量大而杂,对于仿真来说是一项巨大的挑战。首先,基于ANSYS Maxwell及电磁场基本理论,推导出了二元复合材料体系转化为一元体系的等效方程,并从多个维度验证了等效方程的准确性和适用性。其次,基于等效方程分析了以磁体系(磁粉/聚合物)和导电体系(金属铜线圈)为主的多种类型的自供电柔性传感器本身的电磁工作原理,可应用在纤维织物、人体生命体征监测、软体机器人信号检测等领域。最后,根据不同的自供电柔性传感器本身特性,通过调节不同变量来深度分析自供电柔性传感器的电磁表现性能,如线圈匝数、磁粉掺杂比、线圈半径,并进行相关优化。
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