应变重分布的内外结构设计对可拉伸应变传感器的提高。

ty10086 提交于 周三, 08/25/2021 - 16:41
文章英文标题
Sensitivity Improvement of Stretchable Strain Sensors by the Internal and External Structural Designs for Strain Redistribution.
正文
直接织入智能纺织品的光纤应变传感器在可穿戴系统中发挥着重要作用。这些传感器需要很高的灵敏度来检测实际应用中的微妙应变。然而,传统的等直径光纤应变传感器轴向应变分布均匀,限制了传感器灵敏度的提高。为此,提出一种新的内部或外部结构设计策略,以显著提高光纤应变传感器的灵敏度。将用作模板的空心玻璃管与PDMS滴结合,制成直径定向增粗(内部设计)或附着于表面(外部设计)的聚二甲基硅氧烷( PDMS )微珠。纤维的结构改性显著影响传感性能。优化结构参数后,在25 %应变下,内外结构设计的最大规范系数达到123.1。综合分析表明,理想的方案是内部结构设计,其灵敏度高达110,在5 - 20 %的应变下,灵敏度提高了100 %。由于该接口具有足够的鲁棒性,即使在第800周期,光纤传感器仍然具有优异的稳定性能。形貌演化机制表明,电阻增大与峰宽和距离的增大,以及间隙的出现密切相关。基于有限元模拟,不同策略的量化有效贡献与改进后的灵敏度正相关。所提出的光纤应变传感器编织在二维网络结构中,具有良好的位移监测能力,便于十字路口的交通控制。
文章内容(英文)
Fiber strain sensors that are directly woven into smart textiles play an important role in wearable systems. These sensors require a high sensitivity to detect the subtle strain in practical applications. However, traditional fiber strain sensors with constant diameters undergo homogeneous strain distribution in the axial direction, thereby limiting the sensitivity improvement. Herein, a novel strategy of internal or external structural design is proposed to significantly improve the sensitivity of fiber strain sensors. The fibers are produced with directional increases in diameter (internal design) or polydimethylsiloxane (PDMS) microbeads attached to surfaces (external design) by combining hollow glass tubes used as templates with PDMS drops. The structural modification of the fiber significantly impacts the sensing performance. After optimizing structural parameters, the highest gauge factor reaches 123.1 in the internal-external structure design at 25% strain. A comprehensive analysis reveals that the desirable scheme is the internal structural design, which features a high sensitivity of 110 with a 100% improvement at ∼5-20% strain. Because of the sufficiently robust interface, even at the 800th cycle, fiber sensors still possessed an excellent stable performance. The morphology evolution mechanism indicates that the resistance increase is closely related with the increased peak width and distance, and the appearance of gaps. Based on the finite element modeling simulation, the quantified effective contributions of different strategies positively correlate with the improved sensitivity. The proposed fiber strain sensors, which are woven into the two-dimensional network structure, exhibit an excellent capability for displacement monitoring and facilitate the traffic control of crossroads.
来源出处
Journal|[J]ACS Applied Materials & InterfacesVolume 12, Issue 45. 2020.
DOI
https://doi.org/10.1021/acsami.0c13427

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