本文選題：彼得異蝎　切入點(diǎn)：縫感受器　出處：《吉林大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：應(yīng)變傳感器在各領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用廣泛。作為常見的換能元件,已成為各傳感器中最常見的一類敏感元件。在加速度傳感器、力傳感器、重量傳感器等各類傳感器中,將應(yīng)變量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量輸出。此外,隨著近年來新型智能材料等領(lǐng)域的研究突破,基于新型感知結(jié)構(gòu)、新型敏感材料,以及電子隧穿效應(yīng)、場致發(fā)射效應(yīng)和滲流效應(yīng)等新原理、新工藝的應(yīng)變傳感器成為了研究熱點(diǎn)。隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)等概念的提出以及相關(guān)基礎(chǔ)技術(shù)的進(jìn)步,各類傳感器,特別是柔性傳感器件在可穿戴設(shè)備、高級人機(jī)接口、虛實(shí)融合與自然交互等領(lǐng)域作為基礎(chǔ)技術(shù)和基礎(chǔ)部件,得到了廣泛關(guān)注。在我國近期提出的《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》、《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020年)》和《中國制造2025》等一系列政策性指導(dǎo)文件中,都提出了“發(fā)展自然人機(jī)交互技術(shù)。其中,重點(diǎn)是智能感知與認(rèn)知、虛實(shí)融合與自然交互和可穿戴等技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用”。并且,都將“加強(qiáng)新型傳感技術(shù)與技術(shù)的開發(fā)”、“加快人機(jī)智能交互”列為發(fā)展重點(diǎn)。智能傳感器是感知外界環(huán)境、信息交互和實(shí)現(xiàn)“人機(jī)共融”的智能化、網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的基礎(chǔ)。作為仿生科技的重要一員,仿生傳感器是基于生物學(xué)原理設(shè)計(jì)、可感受待測量,并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換及輸出可用信號的器件或裝置。在新檢測原理、新感知結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,它主要由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件,以及信號調(diào)整電路(或電源)等組成。當(dāng)前,仿生傳感器的設(shè)計(jì)理念主要涵蓋兩方面:一是仿生敏感機(jī)制,包括敏感結(jié)構(gòu)與敏感材料的仿生設(shè)計(jì);二是傳感器功能仿生。仿生敏感結(jié)構(gòu)與仿生敏感材料(也被稱為仿生智能材料)是發(fā)展仿生傳感器的核心與基石。本文選取彼得異蝎(Heterormetrus petersii)為生物模本,結(jié)合耦合仿生學(xué)原理,揭示了蝎子縫感受器的高靈敏振動(dòng)感知機(jī)理;設(shè)計(jì)、制造了簡潔、高效的仿生應(yīng)變感知結(jié)構(gòu),并從理論、試驗(yàn)和應(yīng)用方面進(jìn)行了相關(guān)研究。本文主要研究內(nèi)容如下:首先,對比分析收集到的各類蝎子標(biāo)本,選取彼得異蝎為研究的生物模本。綜合采用掃描電鏡、μ-CT和生物組織超薄切片等多種觀測手段,觀測了縫感受器表面形貌、三維結(jié)構(gòu),得到了縫感受器的裂縫寬度、長度和裂縫間隔等特征結(jié)構(gòu)尺寸。采用納米壓痕儀等研究了蝎子縫感受器生物組織材料的力學(xué)特性,發(fā)現(xiàn)縫感受器外骨骼彈性模量是其皮下組織的9.3倍,呈現(xiàn)外剛內(nèi)柔的材料力學(xué)分布規(guī)律。通過分析彼得異蝎縫感受器生物結(jié)構(gòu)和感知功能,發(fā)現(xiàn)振動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變集中于蝎子縫感受器的裂縫區(qū)域,以此揭示了縫感受器的振動(dòng)感知機(jī)理。然后,結(jié)合縫感受器結(jié)構(gòu)、特征尺寸和材料特性參數(shù),建立了基于蝎子縫感受器的結(jié)構(gòu)—材料耦合的應(yīng)力和應(yīng)變放大模型,即非連續(xù)剛性層與柔性層耦合的應(yīng)力放大模型和磚泥鑲嵌剛?cè)狁詈蠎?yīng)變放大模型。根據(jù)建立的放大模型,揭示了縫感受器振動(dòng)感知的高靈敏機(jī)理,即縫感受器應(yīng)力和應(yīng)變的高效放大機(jī)理。根據(jù)生物原型參數(shù),計(jì)算了其放大效能。接著,根據(jù)提出的蝎子縫感受器結(jié)構(gòu)—材料耦合模型,分別設(shè)計(jì)、制造了兩種仿生應(yīng)變感知結(jié)構(gòu)。在紙基底上掩膜印刷制造了仿生非連續(xù)剛性層與柔性層耦合應(yīng)變感知結(jié)構(gòu),其具有超快反應(yīng)時(shí)間(0.625 ms)、高靈敏系數(shù)(647)、低成本(0.13元/個(gè))和可批量制造的優(yōu)點(diǎn)。在柔性基底貼附鋁膜,激光刻蝕出磚泥圖案,制造了仿生磚泥鑲嵌剛?cè)狁詈蠎?yīng)變感知結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了大變形下(140%)的高靈敏系數(shù)(97.75)。根據(jù)對感知結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)和性能的分析,建立了基于蝎子縫感受器的仿生應(yīng)變感知結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。最后,對仿生應(yīng)變感知結(jié)構(gòu)進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn)。實(shí)現(xiàn)了人體運(yùn)動(dòng)非接觸測量、體征檢測和角度檢測等功能,并設(shè)計(jì)制作了相關(guān)輔助電路。本文設(shè)計(jì)制造的仿生非連續(xù)剛性層與柔性層耦合應(yīng)變感知結(jié)構(gòu)靈敏度高、反應(yīng)時(shí)間短,通過檢測人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)信號,實(shí)現(xiàn)了人體運(yùn)動(dòng)的非接觸檢測。應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果顯示,仿生感知結(jié)構(gòu)可靠、有效。
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【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TP212;Q811

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1 宋洪烈;基于蝎子縫感受器的仿生應(yīng)變感知結(jié)構(gòu)制造及性能研究[D];吉林大學(xué);2017年

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本文編號：1639781