【摘 要】
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柔性传感技术在特殊环境监测与可穿戴设备等领域发挥着重要的作用。随着柔性材料的快速发展,各种高性能的、生物相容性优异的柔性传感器相继问世。聚二甲基硅氧烷(PDMS)是一种高弹性且透光的材料,也是目前最受欢迎的柔性传感器材料之一。PDMS是树脂和固化剂的混合物,在一定温度下固化而成。本文介绍了一种基于PDMS光栅的柔性力传感技术。本文采用商用主光栅制作PDMS光栅,并得出了其弹性模量与固化温度和混合比
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柔性传感技术在特殊环境监测与可穿戴设备等领域发挥着重要的作用。随着柔性材料的快速发展,各种高性能的、生物相容性优异的柔性传感器相继问世。聚二甲基硅氧烷(PDMS)是一种高弹性且透光的材料,也是目前最受欢迎的柔性传感器材料之一。PDMS是树脂和固化剂的混合物,在一定温度下固化而成。本文介绍了一种基于PDMS光栅的柔性力传感技术。本文采用商用主光栅制作PDMS光栅,并得出了其弹性模量与固化温度和混合比的关系。根据光栅方程,当PDMS光栅周期受到拉力而改变时,会造成衍射光斑位置的变化。该方法通过照相机捕捉光斑位移,建立并测试了光斑位移与拉力之间的关系。绪论部分介绍了柔性力传感器的研究意义,并详细地从传感器原理、制作方法、发展现状以及前人的研究情况展开了介绍。本文从中获得了思路,吸取了经验,并进一步提出了新的改进方法。第二章分别从性质和工艺两个方面介绍了PDMS柔性光栅的材料性能和制备方法。此外,本章还详细描述了设备的使用情况,并介绍了拉伸试验来计算材料弹性模量,这为接下来分析力信号和光信号之间的关系提供了敏感元件和理论的支持。在本章的工作中,分别实现了5:1,10:1以及15:1三种混合比和70℃,80℃以及90℃三种固化温度PDMS光栅的制备,并且检测了光栅表面,以确保完好的光栅结构。第三章介绍了基于PDMS柔性衍射光栅的力传感的原理设计,该方法通过衍射光斑位置的变化测量拉伸力的大小,并分别对理论计算、算法原理和实现以及测试装置的选型、搭建和使用进行了介绍。最后,本章整合各方案,设计并实现了一种光栅式的柔性力传感技术。第四章为上述实验的结果展示,主要分成拉伸试验和力测量实验两个方面,分别阐述了弹性模量的变化规律以及力测量效果。实验结果表明,该方法的在0-20N的范围内能保持线性度(2R)大于0.998,灵敏度约为0.5-0.7 N/mm,准确度可达0.05 N。此外,PDMS的弹性模量随着弹性体基底占总质量中比例的增大而减小,而与固化温度呈正相关。第五章是结论,总结并展示了全文的工作内容,指出了这一可调节的柔性力传感技术的优越性,还介绍了目前实验的不足之处和展望。本文根据已有的形变测量的研究,进一步提出了直接对于力的测量方法。此外,本文采用软铸造的制作工艺在很大程度上提高了精度,降低了成本,简化了对设备的需求,并通过改变PDMS光栅的制作工艺参数扩大了力的测量范围,实现力测量性能的调节。
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