应变传感材料、制备方法及应变传感系统技术方案

技术编号:19564109 阅读:19 留言:0更新日期:2018-11-25 01:13
本发明专利技术提供了一种应变传感材料,包括:弹性透明基体;以及无机纳米颗粒,掺杂于所述弹性透明基体中,该无机纳米颗粒采用挡光材料形成;其中,所述应变传感材料在不同应力作用下具有不同的透光率。本发明专利技术还提供了一种应变传感材料的制备方法及应变传感系统。本发明专利技术提供的应变传感材料、制备方法及应变传感系统,利用形变前后透光率变化实现了传感器对物体应变的稳定、实时检测;结构简单、灵敏度高、抗电磁波干扰、体积小、成本低、制作工艺简单、可进行实时监测,有效解决了现有应变传感材料的制作工艺复杂、抗干扰性差等问题。

Strain sensing material, preparation method and strain sensing system

The invention provides a strain sensing material, which comprises an elastic transparent matrix and an inorganic nanoparticle doped in the elastic transparent matrix, which is formed by a light-shielding material, wherein the strain sensing material has different transmittance under different stress. The invention also provides a preparation method of strain sensing material and a strain sensing system. The strain sensing material, the preparation method and the strain sensing system provided by the invention realize the stable and real-time detection of the strain of the object by using the change of transmittance before and after deformation; the structure is simple, the sensitivity is high, the electromagnetic interference is resisted, the volume is small, the cost is low, the manufacturing process is simple, the real-time monitoring can be carried out, and the effective solution is obtained. The problems of complex fabrication process and poor anti-interference of existing strain sensing materials are solved.

【技术实现步骤摘要】
应变传感材料、制备方法及应变传感系统
本专利技术涉及传感
,尤其涉及一种应变传感材料、制备方法及应变传感系统。
技术介绍
近年来,智能可穿戴设备如雨后春笋般快速发展,逐渐受到各界人士的重视。在众多的器件特性中,强拉伸、抗干扰及其重复稳定性成为可拉伸传感器发展的主要方向。如鲍哲南等人制备了透明和可拉伸的电容式传感器,其首先将单壁碳纳米管喷射在硅橡胶表面,通过纵向和横向拉伸使碳纳米管形成波纹状,而碳纳米管在变形时保持好的稳定性,然后以高弹性的共聚酯为介电层,两个带碳纳米管整列的电极面对面层压制备了压力和拉伸电容式传感器,其灵敏度呈良好的线性。但该拉伸传感器最大形变小于300%,且电容式传感器受人体表面静电荷干扰很大。此外,Kahp-YangSuh等人通过紫外固化的方式制备了聚氨酯丙烯酸酯纳米纤维,于其上沉积金属Pt,构建纳米纤维相互咬合的结构,制备的高灵敏度应力传感器能检测出压力、剪切力和扭转力,在以上三种不同的机械负荷下表现出不同的电阻率,但是拉伸强度依然小于300%,且在大形变下,传感器滞后性及其重复稳定性不理想。因此,如何在满足可弯曲、高灵敏、结构简单及其与人体兼容的前提下,提高传感器的抗干扰和稳定重复性具有重要的意义。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题为了解决上述技术问题,本专利技术提供了一种应变传感材料、制备方法及应变传感系统,利用形变前后透光率变化实现了传感器对物体应变的稳定、实时检测;结构简单、灵敏度高、抗电磁波干扰、体积小、成本低、制作工艺简单、可进行实时监测,有效解决了现有应变传感材料的制作工艺复杂、抗干扰性差等问题。(二)技术方案根据本专利技术的一个方面,提供了一种应变传感材料,包括:弹性透明基体;以及无机纳米颗粒,掺杂于所述弹性透明基体中,该无机纳米颗粒采用挡光材料形成;其中,所述应变传感材料在不同应力作用下具有不同的透光率。优选地,所述无机纳米颗粒的材质选自二氧化钛、二氧化硅及钛酸钡的至少其中之一。优选地,所述无机纳米颗粒的颗粒尺寸为10~50nm;和\或,所述无机纳米颗粒的掺杂质量浓度为0.05%~0.75%。优选地,所述弹性透明基体为硅橡胶、聚氨酯弹性体。优选地,所述硅橡胶包括硅酮和/或PDMS。优选地,所述应变传感材料为薄膜结构,其厚度大于0.2mm,小于0.8mm。根据本专利技术的另一个方面,提供了一种应变传感材料的制备方法,包括:将无机纳米颗粒分散于弹性透明基体的溶液中;将上述分散有无机纳米颗粒的溶液刮涂于基材表面,形成复合形变敏感涂层;在复合形变敏感涂层固化并干燥后,从基材表面剥离复合膜层,制得应变传感材料;其中,所述无机纳米颗粒采用挡光材料形成,所述应变传感材料在不同应力作用下具有不同的透光率。优选地,所述将无机纳米颗粒分散于弹性透明基体的溶液中包括:将无机纳米颗粒分散于包含多种组分的弹性透明基体的其中一组分溶液中;加入的弹性透明基体的其他组分溶液。优选地,所述将无机纳米颗粒分散于包含多种组分的弹性透明基体的其中一组分溶液中之后还包括:加入乙醇,借助乙醇分散,通过外界机械搅拌,使所述无机纳米颗粒均匀分散。优选地,所述乙醇与所述无机纳米颗粒的质量比大于或等于40:1。优选地,所述无机纳米颗粒为二氧化钛纳米颗粒;所述硅橡胶为硅酮,包括单体组分和交联剂组分,所述二氧化钛纳米颗粒掺杂于所述单体组分和交联剂组分中的其中任一组分,混匀之后,再加入等量的另一组分。优选地,所述硅酮,包括单体EcoflexA和交联剂EcoflexB,其中,该EcoflexA用于定量分散掺杂物无机纳米颗粒,该EcoflexB用于固化成膜和均匀分散二氧化钛纳米颗粒。根据本专利技术的另一个方面,提供了一种应变传感系统,包括:光源,用于提供一定波长的透射光;所述的应变传感材料,在不同应力作用下对所述透射光具有不同的透光率;光谱检测装置,用于测试透过所述应变传感材料的光强度。根据本专利技术的另一个方面,提供了一种所述的应变传感材料或所述的应变传感系统在人-机交互的智能机器人的应用。根据本专利技术的另一个方面,所述的应变传感系统在应变检测系统中的应用。(三)有益效果从上述技术方案可以看出,本专利技术应变传感材料、制备方法及应变传感系统至少具有以下有益效果其中之一:(1)利用传感器形变导致透光率变化的原理,实现了实时监测外界形变及加载力的大小。(2)应变传感材料利用透光率变化实现对物体应变的检测,为光学原理传感器,相比其他类型传感器具有灵敏度高、响应快、重复稳定性好,抗电磁波干扰,以及可进行实时监测等优点。(3)采用纳米材料掺杂复合膜直接作为应变传感材料,膜上下不需要电极引出,比现有的传感器信号输出电极通过磁控溅射方法镀电极的应变传感材料在稳定性上得到显著的提高、抗干扰能力更强。(4)应变传感材料发生形变引起其透光率变化,不受外界自由电荷影响,稳定性好、抗干扰能力较强,可发生0%至600%的形变。附图说明图1为依据本专利技术实施例应变传感材料结构示意图。图2为依据本专利技术实施例应变传感系统结构示意图。图3为依据本专利技术实施例应变传感材料由0%状态拉伸至500%状态:(a)透光率与加载拉力对应曲线;(b)拉伸过程中,应变传感材料的响应时间图。图4为依据本专利技术实施例应变传感材料对光的响应:(a)当波长分别为480nm,550nm,600nm,730nm时,应变传感材料响应曲线;(b)应变传感材料对不同波长光响应灵敏度曲线。图5选用2.4VLED作为投射激光源,通过光谱仪实时监测应变传感材料不同拉伸状态下的透光率变化:(a)为不掺杂纳米材料的膜,拉伸前后透过光的绝对辐射强度曲线;(b)为应变传感材料在0%至300%拉伸下,其透过光的绝对辐射强度变化图。图6应变传感材料固定于手指关节处,下方植入1.5V平面LED,对其透射光绝对辐射强度测试:(a)应变传感材料对不同程度弯曲手指的响应;(b)应变传感材料对手指伸展-弯曲动作的响应;(c)应变传感材料对手指手势数字“2”及(d)“5”的响应。【符号说明】1-1无机纳米颗粒,1-2弹性透明基体,2-1光谱检测装置,2-2应变传感材料,2-3光源,2-4夹具。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图,对本专利技术进一步详细说明。需要说明的是,在附图或说明书描述中,相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式,为所属
中普通技术人员所知的形式。另外,虽然本文可提供包含特定值的参数的示范,但应了解,参数无需确切等于相应的值,而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语,例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等,仅是参考附图的方向。因此,使用的方向用语是用来说明并非用来限制本专利技术的保护范围。图1为本专利技术实施例应变传感材料结构示意图。如图1所示,本实施例应变传感材料,包括:弹性透明基体1-2;以及无机纳米颗粒1-1,掺杂于所述弹性透明基体中,该无机纳米颗粒采用挡光材料形成;其中,所述应变传感材料在不同应力作用下具有不同的透光率。具体的,所述无机纳米颗粒可选自二氧化钛、二氧化硅及钛酸钡的至少其中之一。优选的,所述无机纳米颗粒的粒径均一。更具体而言,所述弹性透明基体为硅橡胶、聚氨酯弹性体。所述硅橡胶包括本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种应变传感材料,包括:弹性透明基体;以及无机纳米颗粒,掺杂于所述弹性透明基体中,该无机纳米颗粒采用挡光材料形成;其中,所述应变传感材料在不同应力作用下具有不同的透光率。

【技术特征摘要】
1.一种应变传感材料,包括:弹性透明基体;以及无机纳米颗粒,掺杂于所述弹性透明基体中,该无机纳米颗粒采用挡光材料形成;其中,所述应变传感材料在不同应力作用下具有不同的透光率。2.根据权利要求1所述的应变传感材料,其中,所述无机纳米颗粒的材质选自二氧化钛、二氧化硅及钛酸钡的至少其中之一。3.根据权利要求1或2所述的应变传感材料,其中,所述无机纳米颗粒的颗粒尺寸为10~50nm;和\或,所述无机纳米颗粒的掺杂质量浓度为0.05%~0.75%。4.根据权利要求1所述的应变传感材料,其中,所述弹性透明基体为硅橡胶、聚氨酯弹性体。5.根据权利要求4所述的应变传感材料,其中,所述硅橡胶包括硅酮和/或PDMS。6.根据权利要求1所述的应变传感材料,其中,所述应变传感材料为薄膜结构,其厚度大于0.2mm,小于0.8mm。7.一种应变传感材料的制备方法,包括:将无机纳米颗粒分散于弹性透明基体的溶液中;将上述分散有无机纳米颗粒的溶液刮涂于基材表面,形成复合形变敏感涂层;在复合形变敏感涂层固化并干燥后,从基材表面剥离复合膜层,制得应变传感材料;其中,所述无机纳米颗粒采用挡光材料形成,所述应变传感材料在不同应力作用下具有不同的透光率。8.根据权利要求7所述的应变传感材料的制备方法,其中,所述将无机纳米颗粒分散于弹性透明基体的溶液中包括:将无机纳米颗粒分散于包含多种组分的弹性透明基体的其中一组分溶液中...

【专利技术属性】
技术研发人员:杨亚翟庆彬
申请(专利权)人:北京纳米能源与系统研究所
类型:发明
国别省市:北京,11

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