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中国科学院力学所苏业旺团队ACS Nano:柔性大应变传感器基础研究获进展,并在火星工程中应用

  • 分类:行业新闻
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  • 来源:
  • 发布时间:2021-12-30 11:18
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中国科学院力学所苏业旺团队ACS Nano:柔性大应变传感器基础研究获进展,并在火星工程中应用

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  近日,中国科学院力学研究所研究员苏业旺团队设计并制备出无接触电阻式柔性大应变传感器(图1),包含一个偏轴蛇形叠层结构(蛇形聚酰亚胺基底与覆盖层、偏离中心轴的蛇形康铜箔)和两层弹性封装层,其通过偏轴蛇形叠层结构中的拉伸-弯曲-拉伸变换机制实现0-50%的应变传感范围。

  理论分析、有限元模拟与实验测试的结果综合表明,当传感器的圆弧段半径较大、聚酰亚胺基底宽度较窄、直线段较长和封装层较厚时,可以获得较大且稳定的弹性传感范围。在传感过程中,由于敏感材料康铜部分既不产生不稳定的接触电阻,也不涉及非线性本构和几何关系,该传感器保证了高重复性(重复性误差=1.58%)和高线性度(拟合优度>0.999)。

  进一步地,研究利用特殊设计的偏轴蛇形叠层结构和惠斯通电桥电路实现了温度自补偿功能,最终传感器的输出电压温度系数可小至5×10-7°C-1。该传感器可以应用于监测颈部、手指和眼部等的人体实时运动,如眨眼、发声和呼吸等;测量外科手术中组织变形,如全膝关节置换手术;监控柔性航天航空设备的应变状态,如降落伞和高空气球等。

  该传感器被应用于中国首颗火星探测器降落伞地面实验,在风洞内巨大温度变化、高速气流冲击和伞体剧烈晃动的情况下,应用该传感器对缩比降落伞的伞绳应变进行了实时监测,为降落伞优化设计提供了指导意见,为2021年5月15日“天问一号”探测器在火星成功着陆做出了贡献。项目评审组高度评价:“所开发的柔性传感器及配套方案具有实用性、创新性和可扩展性,未来还可进一步用于其他柔性回收着陆设备”。

  相关研究成果以Contact-Resistance-Free Stretchable Strain Sensors with High Repeatability and Linearity为题,近期发表于学术期刊ACS Nano。研究工作获得大连理工大学、北京积水潭医院、航天五院科研人员的帮助和支持,并得到国家自然科学基金委面上项目、中科院基础前沿科学研究计划“从0到1”原始创新项目和北京市科委等的支持。

  论文链接

  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c07645

 

来源:传感器专家(微信公众号

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