CN105190923B - 用作应变仪的复合材料 - Google Patents

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Abstract

在一个总体方面，一种设备包括包含非层状混合物的材料，所述非层状混合物包括具有多个空隙的弹性聚合物；以及多个导电填料，其设置在所述弹性聚合物内。所述设备可以产生对应于变形的电气响应，并且因此，用作应变仪。所述导电填料可以包括导电纳米颗粒和/或导电稳定剂。在另一个总体方面，测量压缩应变的方法包括沿着第一轴检测响应于对包括设置在整个弹性聚合物中的导电填料和空隙的均匀复合材料的冲击生成的电气响应，并且根据所述电气响应确定所述冲击的变形。所述冲击可以沿着与所述第一轴不同的第二轴。

Description

用作应变仪的复合材料
交叉引用相关申请
本申请要求于2013年3月15日提交的美国临时申请号61/789,730、于2013年6月8日提交的美国临时申请号61/956,394、于2013年9月9日提交的美国临时申请号61/960,489、于2013年10月28日提交的美国临时申请号61/961,970的优先权和权益，这些申请的全文均包含在本文中，以作参考。
联邦政府资助的研究
根据由美国国家科学基金会授予的授权号码CMMI-1235365，由美国政府同意支持构成本申请。政府可以在本申请中具有某些权利。
技术领域
本描述涉及一种均匀的复合材料，其在动态和准静态加载条件下，响应于变形和放松，显示了压电和/或压阻特性。
背景技术
应变、冲击能量以及力量传感器可以给很多力学和动力学应用提供重要信息。一些应变仪是压阻式，这意味着仪表的导电性在压力下变化。这种应变仪需要电流源来操作，例如，电池。其他应变仪是压电式，这意味着仪表在应变下产生电势，其具有可以测量的电压形式。现有应变仪按照他们可以测量的应变的幅度而受到限制，主要限于1-2％应变的应变范围。此外，很多这种仪表昂贵，并且难以标定，将这种仪表的使用限于实验室设置。此外关注的是偏移现象，其限定为相对于时间或使用量的标定功能的数学变化。
发明内容
提供了一种弹性复合材料，其可以用于应变仪中，经由压电响应测量冲击和变形的程度。该复合材料包括弹性聚合物，具有空隙和导电填料分散在整个弹性聚合物中。复合材料提供了意外的现象、对变形的压电响应以及随着应变的增大而减小电阻。这两个性能在感测应用中具有价值。本材料的主要区别在于显示了可预测并且可重复的机电响应(压电和/或压阻)，具有高达80％或更多的机械应变。复合材料的一些成分没有偏移。由于复合材料具有与很多商业泡沫相似的机械性能，所以复合材料可以作为替代或者嵌入现有商业产品内，而不大幅改变产品的覆盖区域或者产品的机械响应性能。这种替代或嵌入给现有产品增加了感知能力。
在一个总体方面，一种设备包括：材料，其包含非层状混合物，所述混合物具有：弹性聚合物，其具有多个空隙以及多个导电填料，设置在所述弹性聚合物内。所述导电填料可以包括导电纳米颗粒和/或导电稳定剂。在另一个总体方面，制造应变传感器的方法包括混合多个导电纳米颗粒和弹性聚合物，以形成具有空隙的均匀复合材料，所述均匀复合材料响应于变形产生压力。在另一个方面，测量压缩应变的方法包括沿着第一轴检测响应于对包括设置在整个弹性聚合物中的导电填料和空隙的均匀复合材料的冲击生成的电气响应。所述冲击可以沿着与所述第一轴不同的第二轴。该方法还包括根据所述电气响应确定所述冲击的变形。
在下面的附图和描述中，陈述了一个或多个实现方式的细节。从描述和附图中，并且从权利要求中，其他特征显而易见。
附图说明
图1A到1C是根据实现方式的用作应变仪的均匀复合材料的高级示意图；
图1D和1E是根据实现方式的用作应变仪的均匀复合材料的显微图像；
图2是示出与不同量的导电填料混合的聚氨酯泡沫的能量吸收值和体积百分比空气的示图；
图3A到3C是根据实现方式的压电应变仪的示意图；
图4是根据实现方式的示出使用压电应变仪的系统的一个实例的高级方框图；
图5是示出复合材料的一个配方的压电响应与应变量之间的线性关系的示图；
图6是示出通过重复的应变事件的复合材料的一个配方的压电响应的电压特征的恒有度的示图；
图7是示出在复合材料的一个实现方式的冲击负荷之下在压电引起的电压与测量力量和加速度之间的关系的示图；
图8是根据实现方式的示出用于制造压电应变仪的一个实例方法的流程图；
图9是根据实现方式的示出用于制造用作应变仪的均匀复合材料的一个实例方法的流程图；
图10是根据实现方式的示出用于使用用作应变仪的均匀复合材料测量变形的一个实例方法的流程图；
图11是根据实现方式的示出用于使用用作应变仪的均匀复合材料收集用于重复冲击的电压数据的一个实例方法的流程图。
具体实施方式
在一个总体方面，一种设备包括均匀的复合材料，其包括设置在弹性聚合物泡沫内的多个导电纳米颗粒。均匀的复合材料可以响应于变形产生电压。该设备还可以包括设置在均匀复合材料内的至少一个探针以及耦接到探针的电压检测器。该设备可以用作一个应变仪。该设备可以包括一个或多个以下特征。例如，多个导电纳米颗粒可以是主要导电填料，并且均匀的复合材料可以进一步包括次要导电填料。在一些实现方式中，弹性聚合物泡沫是聚氨酯泡沫基。在一些实施方式中，均匀的复合材料进一步包括涂有导电物质的纤维，例如，涂有镍的碳纤维。在一些实现方式中，所述多个导电纳米颗粒包括镍纳米线、镍粉、银纳米导线以及金纳米导线中的至少一个。作为另一个实例，该设备还可以包括：无线控制器，其可操作地耦接至电压检测器；以及计算装置，其可操作地耦接至无线控制器，计算装置被配置为分析由电压检测器收集的数据。在一些实现方式中，电压与应变率和变形对应。
在另一个总体方面，一种设备包括弹性聚合物；多个导电纳米颗粒，其均匀地设置在所述弹性聚合物内；以及多个空隙，其均匀地设置在所述弹性聚合物内。在变形时，所述设备产生沿着第一轴以及沿着与所述第一轴垂直的第二轴可检测的电气响应。所述设备还可以包括一个或多个以下特征。例如，在所述弹性聚合物内沉积所述多个导电纳米颗粒，可以限定纳米结，其根据量子隧穿，产生电气响应。作为另一个实例，该设备还可以包括：探针，其设置在弹性聚合物内；以及电压探测器，其耦接至探针。在一些实现方式中，多个导电纳米颗粒大约是该设备的重量的1％到25％。在一些实现方式中，多个空隙是高达该设备体积的75％，和/或多个空隙可以具有高达1000μm的范围。在一些实现方式中，导电纳米颗粒是主要导电填料，并且该设备还包括均匀设置在弹性聚合物内的次要导电填料。
在另一个总体方面，一种设备包括包含具有多个空隙的弹性聚合物的非层状混合物的材料；多个导电纳米颗粒；以及多个导电稳定剂。该设备可以包括一个或多个以下特征，例如，该材料可以包括具有导电纳米颗粒以及设置在其内的导电稳定剂的中间区域，并且中间区域沿着第一轴以及与第一轴垂直的第二轴可以是均匀的。作为另一个实例，在压缩时，该材料可以造成电阻沿着第一轴减小，并且电阻沿着与第一轴垂直的第二轴减小。在一些实现方式中，导电纳米颗粒是该材料重量的1％到25％，并且导电稳定剂是该材料重量的1％到20％。在一些实现方式中，将多个导电稳定剂的量增大为高达7重量百分比，提高了材料的能量吸收。
在另一个总体方面，一种设备包括均匀复合材料，所述均匀复合材料包含具有多个空隙的弹性聚合物的非层状混合物；以及多个导电填料，其设置在所述弹性聚合物内。该设备可以包括一个或多个以下特征。例如，在一些实现方式中，多个导电填料包括多个导电纳米颗粒。在一些实现方式中，多个导电填料包括涂有导电物质的管体和/或涂有导电物质的纤维。多个导电填料可以包括多个导电涂覆的纤维和多个导电纳米颗粒的组合。在一些实现方式中，在弹性聚合物内沉积多个导电填料，可以形成通过该设备的连续导电路径。在一些实现方式中，在弹性聚合物内沉积多个导电填料，其限定纳米结，该纳米结根据量子隧穿，产生对压缩应变的电气响应。作为另一个实例，该设备还可以包括至少两个探针，其设置在所述材料内；电流产生的装置；以及电阻探测器，其耦接至所述至少两个探针。作为另一个实例，该设备还可以包括至少两个探针，其设置在所述材料内；电压探测器，其耦接至所述至少两个探针；以及存储器，其操作地耦接至所述电压探测器。
在另一个总体方面，一种用于制造应变传感器的方法包括将多个导电纳米颗粒和弹性聚合物混合，以形成具有空隙的均匀复合材料，均匀复合材料响应于变形产生电压。该方法可以包括一个或多个以下特征。例如，该方法还可以包括固化均匀复合材料，操作地耦接固化的材料至电压探测器，并且操作地耦接电压探测器至计算装置。作为另一个实例，该方法可以包括至少一个探针，其耦接至在模具内的导电网格，并且固化在模具内的均匀复合材料，以便均匀复合材料至少部分包围在至少一个探针上的网格。在一些实现方式中，多个导电纳米颗粒表示均匀复合材料的重量的1％到25％。在一些实现方式中，该方法可以包括在将多个导电纳米颗粒和弹性聚合物混合之前，将多个导电稳定剂和弹性聚合物混合。在一些实现方式中，该方法可以包括将多个导电稳定剂和弹性聚合物混合，多个导电稳定剂表示1到25重量百分比。在一些实现方式中，该方法还可以包括将涂有导电物质的多个纤维和弹性聚合物混合。在一些实现方式中，该方法可以包括将涂有导电物质的多个纤维和弹性聚合物混合，该纤维具有在大约0.1到1毫米的范围内的长度。在一些实现方式中，该方法可以包括将涂有导电物质的多个纤维和弹性聚合物混合，导电物质直到涂层纤维的重量的35％。
作为另一个实例，弹性聚合物可以包括第一部和第二部，该方法还可以包括将导电纳米颗粒的第一部分和弹性聚合物的第一部混合，将导电纳米颗粒的第二部分和弹性聚合物的第二部混合，并且由于将弹性聚合物的第一部和弹性聚合物的第二部组合，从而形成空隙。在一些这种实现方式中，第一部分可以小于第二部分和/或与所述第一部到第二部的部分成比例。作为另一个实例，该方法还可以包括将均匀复合材料雕刻成由消费者设备确定的形状。在一些实现方式中，多个导电纳米颗粒在混合之前被筛选，和/或对均匀复合材料固化包括铸造或模制均匀复合材料。在一些实现方式中，均匀复合材料的形状由消费者设备确定和/或均匀复合材料用作在消费者设备内的填料，例如，头盔、鞋内的鞋垫或床垫。
作为另一个实例，该方法还可以包括对均匀复合材料施加具有已知变形的冲击，确定由冲击生成的电压，并且利用具有不同的已知变形的冲击重复进行施加和确定。作为另一个实例，该方法可以包括在第一方向以及与第一方向垂直的第二方向切割均匀复合材料。在一些实现方式中，均匀复合材料可以喷洒或涂饰在子结构上和/或者至少部分覆盖假肢。
在另一个方面，一种用于测量变形的方法包括：沿着第一轴检测响应于对均匀复合材料的冲击生成的电气响应，所述均匀复合材料包括设置在整个弹性聚合物中的导电填料和空隙。所述冲击沿着与所述第一轴不同的第二轴。该方法还包括根据所述电气响应确定所述冲击的变形。
该方法可以包括一个或多个以下特征。例如，该方法还可以包括根据电气响应确定应变率和所述冲击的变形。作为另一个实例，该方法可以包括将表示电压的数据发送给外部计算装置，并且在外部计算装置上确定冲击的变形。作为另一个实例，电压可以是第一电气响应，并且该方法还可以包括沿着与第一轴和第二轴不同的第三轴检测第二电气响应，并且根据第一电气响应和第二电气响应确定冲击的位置。
作为另一个实例，均匀复合材料可以用作在消费者设备内的填料和/或测量高达80％的应力且所述材料不永久变形。在一些实现方式中，在重复检测和确定之后电气响应大体上相同，和/或与冲击的变形具有线性关系。在一些实现方式中，导电材料包括导电涂层纤维，这些导电涂层纤维提高了均匀复合材料的能量吸收能力。在一些实现方式中，该材料可以应用于一部分假肢中，并且该方法还可以包括给用户提供关于冲击的变形的反馈。
在另一个方面，永久性计算机可读介质储存指令，在执行时，所述指令使得计算装置检测响应于对非层状材料的冲击而生成的电压(所述非层状材料包括弹性聚合物泡沫、导电纳米颗粒以及导电稳定剂)，储存表示在存储器内的电压的电压数据，并且发送电压数据。永久性计算机可读介质可以包括一个或多个以下特征。例如，永久性计算机可读介质可以进一步包括储存指令，在执行时，所述指令使得计算装置响应于在外部计算装置上执行的指令，重复进行检测和储存，生成多个电压数据并且将多个电压数据发送给外部计算装置。作为另一个实例，计算机可读介质可以包括指令，其使得计算装置响应于在外部计算装置上执行的指令，将电压数据发送给外部计算装置。在另一个实例中，计算机可读介质可以进一步存储指令，在执行时，所述指令使得计算装置响应于在存储器内储存电压数据，发送电压数据。
在另一个方面，一种用于制造应变传感器的方法包括将多个导电填料和未固化的弹性聚合物混合，在导电填料和未固化的弹性聚合物的混合物内形成空隙，并且固化具有空隙的混合物，以形成应变传感器，应变传感器响应于压缩，产生电气响应。在一些实现方式中，该方法还可以包括将导电填料和未固化的弹性聚合物的混合物引入模具内，并且通过控制引入模具内的混合物的量，调整应变传感器的模数，以使与现有产品内的现有弹性体泡沫的模数匹配。在一些实现方式中，应变传感器用于代替在现有产品内的现有弹性体泡沫。在一些实现方式中，应变传感器是原始应变传感器，并且该方法还可以包括从原始应变传感器中切割多个应变传感器。
图1A是根据实现方式的显现出对压缩和放松的压电响应和/或负压阻效应的复合材料100的高级示意图。复合材料100还显现出响应于拉伸应变的压电响应和/或压阻效应。复合材料100可以包括几个元件：具有一个或多个导电填料(例如，导电纳米颗粒110、导电稳定剂115)的基质105以及空隙120。空隙120和导电填料可以均匀地分散在整个基质上。基质105可以是任何弹性聚合物，例如，基于硅树脂的材料、聚氨酯材料、其他泡沫状材料等，其在变形之后保持其形状并且在整个材料上包括空隙120。换言之，基质105具有弹性、孔隙度以及高破坏应变，通常从50％到1000％的应变。
在一些实现方式中，弹性聚合物基质105可以是基于泡沫的产品，其形成空隙120(例如，通过化学反应、引入泡沫剂、通过气体注射等)。空隙120可以给复合材料100相对较低的重量、相对较低的密度以及相对较高的能量吸收。换言之，与固体材料不同，在复合材料100中，空隙120分散在整个基质105上。例如，与具有空隙相比，没有空隙的用于基质105的弹性聚合物的密度可以大约是2或3.5倍那么大。例如，在一些实现方式中，复合材料100可以具有从350kg/m3到800kg/m3的密度。
由于具有空隙120，所以复合材料100还可以具有孔隙度。可以根据在空隙120的空气的体积分数和空隙的尺寸而限定复合材料100的孔隙度。这些部件中的每个可以受到几个因素的影响，包括用作基质105的弹性聚合物、用于形成空隙120的工艺、在形成空隙和/或固化期间复合材料100的限制(例如，模具的尺寸和形状以及引入模具内的复合材料的量)以及与弹性聚合物混合的导电填料的量以及类型等。例如，导电纳米颗粒的包含物倾向于减小空隙的尺寸。空隙可以是开孔(例如，空隙可以延伸到彼此内或者彼此连接)或闭孔(例如，空隙彼此分开)，并且可以根据多个因素改变尺寸。在一些实施方式中，空隙120的尺寸范围可以高达1000μm。
在一些实现方式中，在固化之前，用作基质105的弹性聚合物能够与导电填料混合。例如，一些弹性聚合物可以是热固性或者通过热量、化学反应或照射不可逆地固化。在固化之前，导电填料可以与未固化的弹性聚合物相结合。例如，通过化学反应固化的弹性聚合物(例如，泡沫)可以包括两个部分，在这两个部分混合或组合时，形成弹性聚合物。一旦组合，这两个部分就化学反应，生成气囊或泡沫的空隙特征，并且硬化。在组合之前，导电填料可以与一个或两个部混合。在固化之前，一些弹性聚合物可以与发泡剂混合。在与发泡剂混合之前，这种弹性聚合物可以与导电填料相结合。空隙可以通过气体注射、通过搅打等形成在弹性聚合物内。一些弹性聚合物可以通过热量固化。可以在混合之后或者在固化之前铸造、模制、喷洒或挤出热固性弹性聚合物。
在一些实现方式中，导电填料可以包括导电纳米颗粒110。导电纳米颗粒110是具有测量为1000纳米或更小并且由导电材料制成的至少一个尺寸的颗粒。这种导电材料的实例包括镍、铂、金、银、铜等。导电纳米颗粒的实例包括纳米导线、粉末以及纳米线。可以包括的一种类型的纳米线是镍纳米线(NiN)。NiN可从Conductive Composites公司(位于UT的Heber市)获得并且由题为“Electrically Conductive Composite Material”的专利号为7,935,415的美国专利以及题为“Electrically Conductive Nanocomposite Material”的专利号为8,361,608的美国专利描述，这两个专利均包含在本文中，以作参考。
导电填料还可以包括多个导电稳定剂115。在形成空隙之前，导电稳定剂115还可以加入未固化的弹性聚合物中。导电稳定剂115可以是用作稳定剂的任何导电材料。在一个实现方式中，导电稳定剂115可以是涂有导电材料的纤维。例如，导电稳定剂115可以是涂有纯镍的碳纤维。在一些实现方式中，纤维可以涂有大约20-40％重量百分比的导电材料。纤维可以切割成短长度，例如，从0.1到1mm。纤维可以具有高达10μm(例如，0.2μm、1μm、5μm、8μm)的直径。在一些实现方式中，纤维可以为空心(例如，管体)。在一些实现方式中，纤维可以是涂有镍的碳纳米管(CNT)或者涂有镍的碳纤维(NCCF)，其也可以从ConductiveComposites公司获得。导电稳定剂115可以增大复合材料100的强度和能量吸收能力。导电纳米颗粒110也可以增大复合材料100的强度和能量吸收能力，但是通常比导电稳定剂115的程度更小。在一些实现方式中，导电纳米颗粒110可以是主要导电填料，并且导电稳定剂可以是次要导电填料。
由于导电填料(例如，导电纳米颗粒110和/或导电稳定剂115)与弹性聚合物基质105混合，从而设置在整个基质中，所以复合材料100是均匀的。换言之，复合材料100以及因此应变仪没有层，并且其成分在宏观(例如，裸眼)的程度上在外表面(外壁)到外表面通常是一致的。复合材料100在宏观的程度上还可以具有各向同性性能，这是因为其未显现出优选的方向性。例如，导电材料100可以沿着在图1A中显示的x轴、y轴以及z轴显现压电响应或压阻。换言之，复合材料100可以显现从材料的一个外表面到另一个外表面可检测的压电响应或压阻，而与使用哪个外表面无关。如图1A中所示，如果没有放大，例如，放大区域150和160，那么导电纳米颗粒110和导电稳定剂115可以不容易看到。在由放大区域150和160显示的微观的程度上，复合材料100的成分可以区分，但是通常通过一致或者均匀的方式沿着任何轴分配。因此，虽然并非完全相同，但是区域150和160的一般成分甚至在微观的程度上相似。
由于包括导电填料(例如，导电纳米颗粒110和/或导电稳定剂115)，所以复合材料100对沿着任何轴(例如，x轴、y轴以及z轴)施加的冲击或其他变形显示了负压阻性和压电响应。换言之，所测量的电气响应在任何方向的相同的距离上是一致的。例如，如果沿着第一轴检测电气响应，那么相同的距离是在以第一轴为直径的球体内的任何距离。因此，在用作应变仪时，复合材料100不限于测量相对于复合材料100从预定的方向到达的冲击。在压缩时，显示压阻效应的材料改变电阻。随着增大的应变，具有负压阻效应的仪表变得具有更低少的电阻，这意味着与流过具有休息状态的材料时相比，电流更容易流过在压缩时的材料。另一方面，在具有更大的应变时，具有正压阻效应的仪表变得具有更大的电阻，这意味着电流更不容易流动。传统的应变仪使用正压阻性测量应变；即，随着应变的增大，电阻增大。由于应变仪材料的泊松稀释(Poisson-thinning)，所以在传统的应变仪中发生增加电阻。在电流产生装置(例如，电池)操作地耦接至材料时，由于材料经受变形，所以可以测量电流的变化。具有负压阻效应的传感器对于很多应用都是可以期待的，这是因为在材料无应变时，该传感器吸引很小或者不吸引电流，可能延长电池供电应用的使用时间。电阻的变化是一种对冲击的电气响应。
另一方面，产生压电响应的材料生成电势，具有可以测量的电压的形式。因此，产生压电响应的材料可以生成可以测量的电压，不需要外部电流产生装置。所生成的电压是另一种类型的对冲击的电气响应。显现压阻效应的材料不会自动产生压电响应，反之亦然。
复合材料100能够在任何方向雕刻，而不影响复合材料的压电响应或压阻效应，这是因为在外壁之间是均匀的。换言之，由于复合材料100不包括层，所以可以在任何方向铸造以及切割或雕刻，而不影响其用作压电或压阻传感器的能力。因此，例如，可以制造大片或大块材料，并且从相同的片中切割很多传感器。而且，一旦固化，复合材料100就不需要充电；压电响应在复合材料100本身内固有。
由于基质105具有弹性，所以复合材料100能够测量80％的应变，而不永久变形。相反，最常用的应变传感器(金属箔拉伸应变仪)由在仪表中使用的金属材料的屈服点限制，仅仅可以测量小应变，至多大约5％的应变。例如，在应变超过7％时，镍合金应变片会永久变形，并损坏仪表。与传统的金属箔应变仪不同，复合材料100可以容易地用于生物学的设置中，这些设置通常经受大约5％到40％的数量级的应变。复合材料将其本身与最新研制的高偏转应变仪(HDSG)相区别，所述HDSG能够通过测量对拉伸应变的压阻响应，来提供高达40％的应变的精确读数。HDSG成功地应用于各种生物机械情况中，但是具体配置为量化拉伸应变，而非压缩应变。这限制了其有用性，因为在很多生物设置中，重要的是，量化压缩或冲击应变。
图1D和1E是通过电子显微镜拍摄的一个实例复合材料100的图像。图像1D示出了具有不同尺寸的空隙120的复合材料100。还在图1D中显示了一个实例导电稳定剂115和导电纳米颗粒110，在图1D中显示的实例中，弹性聚合物是具有相当大的开孔空隙120的硅树脂泡沫。在硅树脂泡沫内的空隙120可以具有10μm到500μm的平均值。图像1E是通过更大的放大拍摄的一个实例复合材料100的示图。图像1E显示了导电纳米颗粒110可以如何均匀地分散和设置为通过基质105。图像1E还显示了导电稳定剂115的尺寸远远大于(例如，大几个数量级)导电纳米颗粒。在图1E的实例中的弹性聚合物是聚氨酯泡沫，该聚氨酯泡沫具有用于图1D的实例中相同的导电填料，但是具有更少的空隙120。在聚氨酯泡沫内的空隙可以具有在80μm与300μm之间的平均值。因此，如图1D和1E中所示，根据材料的配制、混合、形成和/或固化材料的方式，复合材料100可以具有不同的量和尺寸的空隙。
实现方式不限于包括导电纳米颗粒110和导电稳定剂115的复合材料100。图1B示出了包括弹性聚合物基质105、空隙120、以及作为没有导电稳定剂的导电填料的导电纳米颗粒110的复合材料100的一个实现方式。图1C示出了包括弹性聚合物基质105、空隙120、以及作为没有导电纳米颗粒的导电填料的导电稳定剂115的复合材料100的另一个实现方式。在图1A到1C中显示的复合材料100的变形例均显现了压电响应并且具有负压阻性。所使用的导电填料的量和类型影响复合材料100的能量吸收的量、复合材料100的成本、压阻效应的强度、压电响应的强度等。人们认识到，量和比率可以取决于很多因素，例如，作为填料或保护的复合材料的功能、期望成本、预期的冲击幅度等。
图2是示出不同部分的导电填料可以如何在复合材料之中造成能量吸收的变化的示图200。在图2的实例中，基质105是具有设置在其内的各种浓度的导电填料的聚氨酯泡沫。分散在图2的聚氨酯泡沫内的导电填料是镍纳米线(NiN)以及涂有镍的碳纤维(NCCF)。下面的表1显示了用于生成示图200的样品成分。
样品 重量(g) 孔隙度(空气％) 导电填料(重量％)
1 14.35 59.16 12.0
2 15.39 56.20 12.0
3 17.47 55.13 22.0
4 17.32 55.51 22.0
5 17.48 55.10 17.0
6 16.92 56.54 17.0
7 17.14 53.23 12.0
8 17.75 51.57 12.0
9 15.01 59.04 17.0
10 13.99 61.83 17.0
表1
如在曲线图200中所示，在固化之前将更高浓度的导电纳米颗粒110(例如，NiN)和聚氨酯泡沫混合，可以产生复合材料100的更高体积分数的空气(空气是孔隙度的一个组分)。更高浓度的导电稳定剂115(例如，NCCF)可以造成更高的能量吸收。曲线图200示出了不同量的导电纳米颗粒110和导电稳定剂115可以如何影响复合材料100的性能。当然，提供在表1和曲线图200中使用的成分，仅仅作为实例，并且实现方式不限于用于生成曲线图200的量、成分或组成材料。
使导电填料的量和类型不同，还可以影响复合材料的压电响应和压阻特性，例如，在导电填料产生导电颗粒的连续导电路径(渗透网络)以及在那些颗粒之间的纳米级结点时，复合材料100可以显现更好(例如，更显著的)压阻特性，具有随着应变的增大，电阻减小的形式。在导电填料不形成连续路径(例如，用于电荷消散)时，复合材料100可以显现更好的或更显著的压电响应。
图3A是根据实现方式的压电应变仪的示意图。图3A的压电应变仪包括具有设置在复合材料100内的两个探针305和310的复合材料100。探针可以是导线线、具有附接的网筛的导线、或另一种形式的导电材料。探针305和310可以在固化之前在复合材料100内铸造，或者在固化之后可以插入或者设置在复合材料100内。至少一部分探针305和310可以延伸超过复合材料100的外壁。延伸超过外壁的部分可以可操作地耦接至电压探测器(未显示)。在可操作地耦接至一个或多个电压探测器时，探针305和310可以用于检测由与对冲击(在图3A中标记为“F”)的压电响应而造成的电压增大。如图3A中所示，冲击F可以沿着第一轴A。冲击F可以促使复合材料100产生压电响应，该压电响应具有可以沿着轴B使用一个或多个探针305和310检测的电压增大的形式。如图3A中所示，复合材料100沿着与和冲击F相关联的轴A不同的轴B产生可检测的电压。因此，图3A示出了在复合材料100内检测压电响应是与冲击的方向(或轴)无关的。图3B进一步示出了探针305和310不需要沿着水平或垂直轴。相反，探针可以沿着复合材料100的外壁位于任何地方，并且依然用于检测响应于冲击F而生成的电压。当然，探针还可以设置或插入复合材料100的内部。
图3C是除了冲击F的变形以外还可以产生用于确定冲击F的位置的数据的压电应变仪的示意图。在图3C中，应变仪包括复合材料100和设置在晶格或网格内的多个探针305到340。晶格或网格可以是不规则的(例如，不需要垂直或者均匀隔开)并且可以具有随机的但是已知的设置。在晶格或网格内的每个探针(例如，探针305到340)可以用于检测响应于冲击F生成的电压。更接近冲击点的探针(例如，探针305到340)可以测量比离冲击点更远的探针更高的电压。虽然差异轻微，但是可以用于粗略估计冲击发生在复合材料100的外壁上的哪个地方。
虽然图3A-3C的实例讨论了检测压电响应，但是要理解的是，实例也同样适用于检测复合材料的压阻效应。换言之，探针可以检测复合材料100的电阻(而非生成的电压)的变化。同样，实现方式不限于具有所示的探针位置的配置。
图4是根据实现方式而示出使用压电应变仪的系统400的一个实例的高级方框图。系统可以包括设备410。设备410可以包括复合材料100(其包括弹性聚合物基质、空隙以及导电填料)。复合材料100可以是关于图1A到1E描述的复合材料100。设备410可以包括电压探测器432，其操作地耦接至复合材料100。在一些实现方式中，电压探测器432可以通过设置在复合材料100内的一个或多个探针耦接至复合材料100。在一些实现方式中，设备410可以包括多个电压探测器432，每个电压探测器操作地耦接(例如，通过多个探针)至复合材料100。在复合材料100经受应变时(例如，由于冲击)，电压探测器432能够检测由复合材料100生成的电压。在复合材料100经受应变时(例如，由于冲击)，电压探测器432还能够检测电阻的减小。电压探测器432可以是探测或使用电压的任何装置，例如，在检测到电压时照亮的灯具或者产生可以储存的值。在一些实现方式中，电压探测器432还可以包括其他元件(未显示)，例如，存储器和/或处理器(例如，形成在衬底内的处理器)。
电压探测器432可以操作地耦接至存储器434和/或发送器436。存储器434可以是能够储存数据的任何类型的易失性或非易失性存储器。在一些实现方式中，电压探测器432能够将检测的电压转换成储存在存储器434内的值。在一些实现方式中，存储器434可以是电压探测器432的元件。在一些实现方式中，存储器434可以储存具有电压值的附加信息，例如，检测值的日期和/或时间。在一些实现方式中，通过多个电压探测器432，附加信息可以包括检测值的电压探测器的标识符。存储器434还可以储存具有电压值的其他信息。如果有的话，那么电压值和附加信息被视为电压数据。因此，存储器434可以储存在应变事件(例如，由复合材料100接收的冲击)之后检测的电压数据。在一些实现方式中，存储器434可以储存表示多个应变事件的多个电压数据。存储器434可以储存多个电压数据，直到无线地或者通过有线连接发送给计算装置。
在一些实现方式中，存储器434可以操作地耦接至发送器436。发送器436能够无线发送数据或者通过有线连接(例如，通用串行总线(USB)电缆)发送数据。在一些实现方式中，存储器434和发送器436可以包含在无线控制器430内。无线控制器430可以是无线微型控制器，例如，Synapse SNAP。无线微型控制器使设备410能够具有小形状因数，同时依然能够将电压数据发送给具有分析数据的能力的计算装置。电压探测器432、存储器434以及发送器436的小形状因数允许现有产品包括设备410，而无需明显重新设计。小形状因数还使设备410具有高度便携性，使其可用于多个生物设置中。这是超过很多目前可用的高应变传感器的优点，在测量在生物设置内的应变时，这些高应变传感器因为笨重、难于标定并且通常是昂贵的而不合适。在一些实现方式中，发送器436可以响应于计算装置(例如，计算装置450)的命令从存储器发送电压数据。在一些实现方式中，发送器436可以被配置为响应于在存储器内储存的数据而发送电压数据。在一些实现方式中，电压探测器432可以操作地耦接至发送器436，并且存储器434可以是可选的。在这种实现方式中，发送器436一接收电压数据，就可以发送电压数据。
发送器436可以将电压数据发送给计算装置450。计算装置450可以是外部计算装置，与设备410分开。在这种实现方式中，计算装置450可以包括接收器456。在一些实现方式中，计算装置450可以包含在设备410内。计算装置450可以是任何类型的计算装置，例如，控制器(例如，处理器、微控制器等)、平板电脑、膝上型电脑、智能电话、服务器、具有处理器的电视等。计算装置450可以包括压缩冲击分析模块455。压缩冲击分析模块455可以被配置为解释从设备410中接收的电压数据。解释电压数据可以包括确定应变事件的变形，确定一系列应变事件的一系列变形、确定应变率，和/或提供变形和应变率的分析。例如，压缩冲击分析模块455可以访问标定数据452，所述标定数据使得压缩冲击分析模块455能够将电压值转换成表示由材料100所经受的变形的值作为冲击的结果。变形可以表示压缩应变(例如，压缩百分比)、拉伸应变(例如，延伸百分比)、或与作为冲击事件结果的应力、力量、幅度、脉冲(例如，施加的力量以及施加力量的时间量)、和/或吸收的冲击能量相关的其他应变(几何变形)。在一些实现方式中，压缩冲击分析模块455还能够确定冲击事件的应变率。例如，如果复合材料100经受具有相同变形的重复冲击，那么不同的应变率可以造成检测的电压的任何变化。例如，在具有已知变形的冲击以更快的速率发生时，该冲击产生更多电压。在一些实现方式中，压缩冲击分析模块455可以例如通过用户接口(例如，报告、显示器等)给用户提供分析。
计算装置450还可以包括标定数据452。标定数据452可以由压缩冲击分析模块455用于分析和解释电压数据。在一些实现方式中，标定数据452可以提供给计算装置450。在一些实现方式中，计算装置450可以包括收集和储存标定数据452的模块(未显示)。标定数据452可以表示与已知变形和应变率的冲击相关联的电压值。由于复合材料100的成分(例如，导电纳米颗粒的量以及导电稳定剂的量)可以影响复合材料100的压阻和压电性能，所以在每次制造之后，在受控环境外面(例如，在建立的制造流程外面)制造的复合材料100需要标定。然而，在每次制造之后，在受控环境内制造的复合材料100不需要标定。
在一些实现方式中，设备410可以嵌入、插入、植入或者以其他方式设置在头盔内。在这种实现方式中，复合材料100可以作为填料设置在头盔内，并且用作保护性填料以及压缩应变仪。设置在头盔内的设备410可以将电压数据发送给外部计算装置450，以便可以实时分析由复合材料100接收的冲击。这能够允许教练和医务人员几乎在冲击发生的同时(例如)评估脑震荡的风险。在头盔内的设备410还可以储存电压数据(或多个电压数据)，直到外部计算装置450请求数据。通过这种方式，例如，医务人员可以在事故(例如，自行车事故)之后检索数据，以评估所接收的任何冲击的严重性。在一些实现方式中，设备410可以设置在其他类型的保护装置内，例如，拳击手套、击剑上衣或其他设备，例如，吊袋等。设备410还可以在这个设备中用作保护填料，同时还提供关于由保护装置或其他设备接收的冲击的信息。
在一些实现方式中，设备410可以设置在鞋子内，例如，设备410可以是智能鞋垫，该智能鞋垫可以在受控实验室外面的自然环境中分析个人步态。因此，复合材料100可以用作填充嵌件以及压缩应变仪。设备410可以给整形配件、训练以及热量输出等提供反馈。在这种实现方式中，设备410可以储存在用户、外部计算机等请求时发送的与各个的冲击事件对应的多个电压数据。
在一些实现方式中，设备410可以设置在例如假肢的结构上。复合材料100可以用作(例如)人工皮肤，用于给用户提供一种感觉。例如，冲击事件可以是人工手指对抗硬表面的按压(触摸)，并且设备410可以给用用户的神经受体提供关于冲击或触摸的反馈。结构还可以是机器人附件，并且复合材料100通过相同的方式给机器人提供关于触摸的数据。在一些实现方式中，复合材料100可以设置在手柄上(例如，网球拍、高尔夫球杆或棒球棍)，并且设备410可以用于分析用户的握力。
在一些实现方式中，设备410可以包含在床垫内。复合材料100可以用作床垫或床垫褥以及应变仪。该设备可以检测压力的位置并且驱动机构，以降低在所述位置的压力。压力点的减少可以减少褥疮的频率，护理者无需与患者交互。因此，在用户睡眠时，设备410可以使系统能够分析运动。在本文中提供的实例并不具有穷尽性，也并非旨在进行限制。
虽然图4讨论了压缩应变，但是要理解的是，复合材料100还显现了对拉伸应变或其他变形的压阻和压电响应。因此，设备410可以容易地适用于在(例如)衬套配置中检测和测量变形，在配置总，板块被拉开用作自行车的部件。因此，设备410不限于检测和测量压缩应变。
图5是示出复合材料100的一个实例的压电响应与变形或应变量之间的线性关系的示图。由于复合材料应变，所以生成在电压探测器两端产生电压差的压电响应。该响应可以与材料经受的变形量直接相关联，并且相对于变形具有线性，如在图5的上部线中所示。在应变释放时，材料生成相应的电压响应的减小。材料的性能允许标定，以便可以精确地测量稍后的应变。要理解的是，并非复合材料100的所有实现方式可以显现线性响应。一些实现方式可以显现非线性响应，但是通过合适的标定，该响应可以与材料经受的变形量相关联。换言之，通过可以标定以确定稍后的冲击的变形的方式，压电响应随着变形变化。
图6是示出通过重复的冲击事件的复合材料的一些实现方式的压电响应的恒有度(例如，没有偏移)的曲线图。图6示出了复合材料100的一些实现方式的压电响应具有高度的可重复性并且不随着重复的周期偏移。很多压电传感器(包括HDSG)具有偏移，这影响了在更长的时间段内精确测量应变的能力。当仪表的压电响应或压阻由于重复的应变事件随着时间退化时，发生偏移。例如，经受偏移的传感器可以响应于第一次具有1牛顿的力量的冲击产生1安培，响应于第二次1牛顿的冲击产生0.9安培，响应于第三次1牛顿的冲击产生0.8安培等。因此，如果不重新标定，那么传感器在重复的周期之后不能精确地测量冲击的变形。与很多压电和压阻传感器(包括HDSG)不同，图6示出了复合材料100响应于重复应变事件产生一致电压，这对于很多生物设置是理想的。
图7是示出在复合材料的一个实现方式上执行的跌落测试输出的结果的曲线图。在图7的实例中，基质是具有大约3％导电稳定剂和10％导电纳米颗粒的聚氨酯。滑动锤通过加速计而仪表化，其会冲击安装在测压元件顶部的一块复合材料。图7示出了复合材料的这个样品对每次冲击提供一致电压响应，所述冲击由同时测量的力量和加速度而特性化。还表明，在从泡沫移走锤子时，实例复合材料显现了第二响应。
图8是根据实现方式的示出用于制造压电应变仪的一个实例方法800的流程图。方法800产生用作压电或压阻传感器的复合材料以及元件部分，用于测量至少高达80％应变的压缩应变。在805中，至少一个导电填料与未固化的弹性聚合物混合。如上所述，导电填料可以包括导电纳米颗粒和/或导电稳定剂。与未固化的弹性聚合物混合的导电填料的比率和量取决于仪表的期望性能。例如，如果需要额外的能量吸收或更坚硬的泡沫，那么更多的导电稳定剂可以与未固化的弹性聚合物混合。如果需要更大的孔隙度，例如，用于虽然具有更小的尺寸却具有更多空隙的材料，更多的导电纳米颗粒可以与弹性聚合物混合，因为增加的纳米颗粒增加了成核点，这增加了空隙的数量，但是可以以减小空隙的尺寸而告终。如在本文中所讨论的，导电纳米颗粒的数量可以影响材料的孔隙度、纳米结的形成、导电路径的形成等，这可以影响压电和压阻效应。
在810中，在混合物内形成空隙。在将弹性聚合物的两个元件部混合时，由于化学反应，所以可以形成空隙。也可以由于分散气体或者引入发泡剂，而形成空隙。空隙可以形成为弹性聚合物的固化工艺的一部分。空隙的数量(空气的体积分数)和尺寸确定材料的孔隙度。材料的孔隙度可以影响在复合材料内观察的压电和压阻响应。例如，人们发现，具有空气体积分数大约为40％到80％的聚氨酯泡沫基质的复合材料产生可接受的压电响应，但是空气的体积分数高于80％，压电响应会退化。同样，在具有10μm到300μm范围内的空隙的复合材料中，观察到合适的压电响应。在压电计内使用的复合材料的最佳孔隙度还可以取决于所使用的基质的类型以及应变仪的目的。而且，通过保持体积恒定(例如，使用模具)，同时提高材料的量(例如，将与导电填料混合的更多弹性聚合物引入模具内)，在所产生的复合材料内的空隙的减小，促使杨氏模量相应增大。因此，复合材料的模量可以与存在的泡沫匹配，以便复合材料可以嵌入共同对象内，用作应变仪并且在普通的生理设置中聚集数据。
在815中，例如，通过铸造、涂饰、喷洒、挤压或者模制，形成并且固化混合物。一旦形成并且固化，混合物是能够用作压电传感器的复合材料，无需进一步处理。换言之，固化的复合材料不需要充电或者增加其他材料或层用作传感器。因此，复合材料是无需附加的。虽然需要额外元件(例如，探针和电压探测器)检测压电响应，但是复合材料无需添加额外元件即可产生响应。要理解的是，在一些实现方式中，步骤815和810可以组合。换言之，空隙可以与混合物的形成和/或固化同时完成，或者作为固化工艺的结果。
在820中，固化的复合材料或压电应变传感器可以操作地耦接至电压探测器。例如，电压探测器可以通过设置在材料内的一个或多个探针耦接。探针可以与复合材料铸造或者可以在复合材料固化之后插入。如果电压探测器不包括存储器，那么在825中，电压探测器还可以可操作地耦接至存储器。存储器可以储存电压数据，其表示响应于冲击或其他应变引起的事件检测的电压。电压数据可以包括电压值，其表示由电压探测器检测的电压和附加信息，例如，日期/事件、电压探测器标识符等。电压数据可以发送给计算装置，用于分析。
图9是根据实现方式的示出用于制造用作应变传感器的复合材料的一个实例方法900的流程图。工艺900可以是将导电填料和未固化的弹性聚合物混合的一个实例，作为图8的步骤805的一部分。在工艺900的实例中，导电填料包括导电稳定剂和导电纳米颗粒，并且未固化的弹性聚合物包括保持分开的A部和B部，直到形成和固化。这种弹性聚合物的实例包括但不限于硅树脂泡沫、聚氨酯泡沫、乳胶泡沫、乙烯基腈等。在905中，测量未固化的弹性聚合物的期望数量的A部和B。在910中，测量期望数量的导电稳定剂，例如，涂镍的碳纤维。在一个实现方式中，导电稳定剂的量大约是弹性聚合物的重量的1到7％的。在915中，一部分测量的导电稳定剂加入弹性聚合物的A部中。与A部混合的部分可以小于与弹性聚合物的B部混合的部分。在一些实现方式中，将大约40％的经测量的量的导电稳定剂加入A部中，并且将60％加入B部中。在一些实现方式中，与A部混合的部分可以与A部和B部的重量比相关。在一些实现方式中，可以例如通过搅拌和/或通过专门的混合器(例如离心混合器)完成混合。例如，导电稳定剂可以使用玻璃棒与A部混合，然后放入离心混合器内并且混合，以确保导电稳定剂彻底并且均匀地分散在A部内。混合时间取决于所使用的弹性聚合物。例如，硅树脂泡沫可以以2000rpm混合10秒，以允许具有将泡沫引入模具内的时间，而聚氨酯泡沫可以以2000rpm混合20秒。在步骤920中，导电稳定剂的剩余部分可以与未固化的弹性聚合物的B部混合。剩余部分可以通过与在步骤915中描述的相同方式混合。
在步骤925中，测量期望量的导电纳米颗粒。在一些实现方式中，经测量的导电纳米颗粒的重量可以大约是弹性聚合物的重量的大约5到20％。在一些实现方式中，在测量之前，导电纳米颗粒可以筛选。例如，可以推动导电纳米颗粒穿过网格或者在网格之上刮掉，以便经测量的导电纳米颗粒不包括大块。在930中，一部分经测量的导电纳米颗粒与未固化的弹性聚合物的A部混合，并且在935中，剩余部分与未固化的弹性聚合物的B部混合。在一些实现方式中，与A部混合的导电纳米颗粒部分小于与B部混合的部分，例如，40％。与导电稳定剂一样，可以使用离心混合器混合导电纳米颗粒，以在整个未固化的弹性聚合物中完全并且均匀地分散纳米颗粒。
在940中，未固化的弹性聚合物的A部和B部可以混合在一起。通过搅拌、通过摇动、或者通过专门混合器(例如，离心混合器)，这两个部可以混合。在一些实现方式中，根据所使用的弹性聚合物，这两个部可以以2000rpm在心混合器内混合10到20秒。一旦混合，就可以形成复合材料。例如，复合材料可以铸造、模制、喷洒、涂饰等，并且固化。例如，弹性聚合物可以倒入加热模具内，用于形成空隙并且固化。例如，在两部聚合物内，在这两个部混合在一起并且倒入模具内之后，由于形成空隙，所以弹性聚合物可以上升，并且在加热模具内硬化或固化。加热模具可以帮助泡沫上升，并且可以减少固化时间，但是模具不必然需要加热。要理解的是。方法900是一个实例方法，并且可以修改步骤。例如，实现方式可以包括混合导电稳定剂和弹性聚合物的一步并且混合导电纳米颗粒和弹性聚合物的另一部。实现方式还可以包括其他变化。
图10是根据实现方式的示出用于使用用作应变仪的复合材料测量变形的一个实例方法1000的流程图。方法1000可以由系统执行，该系统将上述复合材料用作应变传感器。在1005中，电压探测器可以检测响应于对非层状材料的影响生成的电压，该非层状材料包括具有多个空隙的弹性聚合物以及导电填料。导电填料可以包括导电纳米颗粒、导电稳定剂或这两者的组合，如上所述。非层状材料是能够在固化时生成压电相应而不需要充电、分层或其他增加的元件。在1010中，设备可以将表示电压的数据发送给计算装置。计算装置可以是外部计算装置，并且可以无线发送电压数据。在一些实现方式中，计算装置可以是微控制器。在一些实现方式中，发送可以是有线，例如，通过在包括应变传感器的设置与计算装置之间的通用串行总线连接。在一些实现方式中，可以响应于检测电压而发送数据。换言之，可以实时发送数据。在1015中，计算装置可以针对电压确定变形。在一些实现方式中，变形可以表示所吸收的能量。在一些实现方式中，变形可以表示幅度、脉冲、冲击能量、应变等。计算装置可以将关于变形的信息提供给用户。
图11是根据实现方式示出用于使用显现压电响应的复合材料收集用于重复冲击的电压数据的一个实例方法1100的流程图。方法1100可以由系统执行，该的系统包括复合材料作为应变传感器。在1105中，电压探测器可以检测响应于对非层状材料的冲击生成的电压，该非层状材料包括具有多个空隙的弹性聚合物和导电填料。导电填料可以包括导电纳米颗粒、导电稳定剂或这两者的组合，如上所述。非层状材料是能够在固化时生成压电响应的复合材料而无需充电、分层或其他增加的元件。在1110中，该系统可以在存储器内储存表示电压的电压数据。数据可以包括表示电压、检测电压的日期和/或时间、电压探测器的标识符或者用于检测电压的探针等的值。
然后，在1115中，该系统可以确定是否发送数据。在一些实现方式中，系统可以一储存数据就发送数据。在一些实现方式中，系统可以等待对数据的请求(例如，由用户或者外部计算装置发起的请求)。如果系统确定不发送数据(1115，否)，那么系统可以继续监控冲击事件，并且储存所检测的事件的电压数据。如果系统确定发送数据(1115，是)，那么在1120中，系统可以将多个电压数据发送给外部计算装置。在一些实现方式中，一旦发送数据，那么就可以从存储器中删除数据。在计算装置中，系统可以针对由数据表示的冲击事件分析多个电压数据，以确定变形以及可选地应变率。分析可以包括生成提供给用户的曲线图、图表以及报告，例如，通过显示器或打印机。要理解的是，根据使用应变仪的类型产品可以通过各种方式使用数据。例如，数据可以用于步态分析、矫正定制、伤害评估、握力分析、触感反馈、运动分析，预警碰撞检测(例如，汽车保险杠)、重量敏感开关(例如，启用或禁用汽车安全气囊的重量敏感材料)内。该传感器也可以嵌入到汽车仪表板和门衬垫内，使能够进行事故的第一响应者评估的冲击检测。
返回图4，在一些实现方式中，系统400和计算装置450可以(例如)是有线装置和/或无线装置(例如，Wi-Fi、ZigBee或蓝牙功能的装置)，并且可以(例如)是包括一个或多个处理器、平板装置、电子阅读器等或与其相关联的计算实体(例如，个人计算装置)、服务器装置(例如，网页服务器)、移动电话、触摸屏装置、个人数字助理(PDA)、膝上型计算机、电视。计算装置450可以被配置为根据一个或多个平台(例如，一个或多个类似或不同的平台)操作，所述平台可以包括一种或多种类型的硬件、软件、固件、操作系统、运行时库等。
计算装置450的元件(例如，模块、处理器)可以被配置为根据一个或多个平台(例如，一个或多个类似或不同的平台)操作，所述平台可以包括一种或多种类型的硬件、软件、固件、操作系统、运行时库等。在一些实现方式中，计算装置450的元件可以被配置为在装置的集群(例如，服务器群)内操作。在这种实现方式中，计算装置450的元件的功能和处理可以分配给装置的集群中的几个装置。
计算装置450的元件(例如，计算装置450的压缩冲击分析模块455)可以是或者可以包括任何类型的硬件和/或软件，其被配置为分析电压数据。例如，在一些实现方式中，在图4中的压缩冲击分析模块455一个或多个部分可以是或者可以包括基于硬件的模块(例如，数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、存储器)、固件模块、和/或基于软件的模块(例如，计算机代码模块、在计算机中可以执行的一组计算机可读指令)。例如，在一些实现方式中，计算装置450的元件的一个或多个部分可以是或可以包括软件模块，其被配置为由至少一个处理器(未显示)执行。在一些实现方式中，元件的功能可以包含在与在图4中显示的模块和元件不同的模块和/或不同的元件内。
在一些实施方式中，计算装置450的元件一个或多个可以是或者可以包括处理器，其被配置为处理存储在存储器内的指令。例如，压缩冲击分析模块455(和/或其部分)可以是或者可以包括处理器和存储器的组合，其被配置为执行为与用于实现一个或多个功能的工艺相关的指令。
虽然未显示，但是在一些实现方式中，计算装置450的元件(例如，计算装置450的压缩冲击分析模块455)可以被配置为在(例如)数据中心、云计算环境、计算机系统、一个或多个服务器/主机装置等内操作。在一些实现方式中，计算装置450的元件可以被配置为在网络内操作。因此，计算装置450的元件或设备410可以被配置为在多种类型的网络环境内运行，所述网络环境可以包括一个或多个装置和/或一个或多个服务器装置。例如，该网络可以是或者可以包括局域网(LAN)、广域网(WAN)等。网络可以是或者可以包括无线网络和/或使用(例如)网关装置、网桥、交换机等实现的无线网络。网络可以包括一个或多个部分和/或可以具有基于诸如互联网协议(IP)和/或专有协议等各种协议的部分。网络可以包括互联网的至少一个部分。
在一些实现方式中，存储器434和/或存储器458可以是任何类型的存储器，例如，随机存取存储器、磁盘驱动器存储器、闪速存储器等。在一些实现方式中，存储器434和/或存储器458可以被实现为不止一个存储器元件(例如，不止一个RAM元件或磁盘驱动器存储器)，其与设备410或计算装置450的元件相关联。在一些实施方式中，标定数据452或存储器458(或其一部分)可以是远程数据库、本地数据库、分布式数据库、关系数据库、等级数据库等。如图4中所示，至少一些部分标定数据452和/或传送的电压数据可以存储在计算装置450的存储器458(例如，本地存储器、远程存储器)内。在一些实施方式中，存储器458可以是或者可以包括由多个装置(例如，计算装置450)共享的存储器。在一些实现方式中，存储器458可以与在网络内的服务器装置(未显示)相关联，并且被配置为服务于计算装置450的元件。
在本文中所描述的各种技术的实现方式可以在数字电子电路内或者在计算机硬件、固件、软件或其组合内实现。实现方式可以实现为计算机程序产品，即，有形地实施在信息载体内的计算机程序，例如，在机器可读存储装置(计算机可读介质)内或者在传播的信号内，用于通过数据处理设备处理或者控制数据处理设备的操作，例如，可编程处理器、一个计算机、或多个计算机。计算机程序(例如，上述计算机程序)可以用任何形式的编程语言编写，包括编译或解释语言，并且可以以任何形式部署，包括作为独立程序或作为模块、元件、子程序或适于在计算环境中使用的其他单元。计算机程序可以被部署为在一个站点处的一个计算机上或多个计算机上处理，或者分布在多个地点上，并且通过通信网络互连。
很多方法步骤可以由执行计算机程序的一个或多个可编程处理器执行，以通过在输入数据上操作并且生成输出来执行功能。方法步骤还可以由专用逻辑电路(例如，FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路))执行，并且设备可以作为专用逻辑电路实现。
举例而言，适合于处理计算机程序的处理器包括通用和专用微处理器以及形成在任何类型的数字计算机的衬底内的任何一个或多个处理器。通常，处理器接收来自只读存储器或随机存取存储器或这两者的指令和数据。计算机的元件可以包括：至少一个处理器，用于执行指令；以及一个或多个存储器装置，用于存储指令和数据。通常，计算机还可以包括或者可操作地耦接，以从用于存储数据的一个或多个大容量存储装置(例如，磁盘、磁光盘或光盘)中接收数据和/或将数据发送给一个或多个大容量存储装置。适合于体现计算机程序指令和数据的信息载体包括所有形式的非易失性存储器，举例而言，包括半导体存储器装置，例如，EPROM、EEPROM以及闪存装置；磁盘，例如，内部硬盘或可移动盘；磁光盘；以及CD ROM和DVD-ROM盘。处理器和存储器可以由专用逻辑电路补充或者包含在专用逻辑电路内。
为了提供与用户的交互，实现方式可以在具有显示装置(例如，阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)监视器、或用于向用户显示信息的触摸屏)、以及键盘和定点设备(例如，鼠标或轨迹球)的计算机上实现，通过这些，用户可以给计算机提供输入。其他类型的装置可以用于也提供与用户的交互；例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的传感反馈，例如，视觉反馈、听觉反馈或触觉反馈；可以通过任何形式接收用户的输入，包括声音、语音或触觉输入。
实现方式可以在计算系统中实现，该计算系统包括后端元件(例如，用作数据服务器)、或者包括中间件元件(例如，应用服务器)、或者包括前端元件(例如，具有图形用户界面或网页浏览器(用户通过这些与实现方式交互)的客户端计算机)、或者这种后端、中间件或前端元件的任何组合。元件可以由任何形式或介质的数字数据通信互连，例如，通信网络。通信网络的实例包括局域网(LAN)和广域网(WAN)，例如，互联网。虽然如在本文中所述，说明了所描述的实现方式的某些特征，但是本领域的技术人员现在想到很多修改、替换、变化以及等同物。因此，可以理解的是，所附权利要求旨在覆盖落入实施方式的范围之内的所有这些修改和变化。应当理解的是，仅仅通过举例而非限制的方式提出，并且可以在形式和细节上进行各种变化。在本文中描述的设备和/或方法的任何部分可以在任何组合内组合，除了互相排斥的组合以外。在本文中描述的实施方式可以包括所描述的不同实施方式的功能、元件和/或特征的各种组合和/或子组合。

Claims (22)

1.一种应变传感设备，包括：
均匀复合泡沫，包含非层状混合物，所述混合物具有：
聚合材料，具有多个空隙；以及
多个导电填料，设置在所述聚合材料内，所述均匀复合泡沫响应于受到变形产生压电电压而不需要外部电流产生装置，
其中，所述多个导电填料包括导电纳米颗粒和导电稳定剂中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，在重复的变形周期，所产生的压电电压是能够测量的，而无需重新标定。
3.根据权利要求1或2所述的设备，所述设备测量高达80％的应变而不永久变形。
4.根据权利要求1或2所述的设备，所述均匀复合泡沫在变形时表现出电阻减小且产生所述压电电压。
5.根据权利要求4所述的设备，进一步包括：
第一探针和第二探针，设置在所述均匀复合泡沫内；
电压探测器，耦接至所述第一探针和所述第二探针，其中，所述电压探测器被配置为经由所述第一探针和所述第二探针检测电阻的减小，并检测所产生的所述压电电压；以及
存储器，操作地耦接至所述电压探测器。
6.根据权利要求1或2所述的设备，其中，在所述聚合材料内的所述多个导电填料的沉积限定纳米结，所述纳米结根据量子隧穿，产生对压缩应变的所述压电电压。
7.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述压电电压与应变率和变形对应。
8.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述多个导电填料为所述设备的重量的1％～25％。
9.一种用于测量压缩应变的方法，包括：
沿着第一轴检测响应于对均匀复合材料的冲击而生成的电势或沿着第一轴检测响应于对均匀复合材料的冲击的电阻的减小，所述均匀复合材料包括聚合泡沫以及设置在整个所述泡沫中的导电填料，所述冲击沿着与所述第一轴不同的第二轴，响应于所述冲击，所述均匀复合材料表现出电阻减小且产生电势；以及
根据所述电势或电阻的减小确定所述冲击的变形，
其中，所述导电填料包括导电纳米颗粒和导电稳定剂中的至少一种。
10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括经由电压探测器检测所述电势，且经由电压探测器检测电阻的减小。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中，所述均匀复合材料用作在消费者设备中的填料。
12.根据权利要求9或10所述的方法，其中，所述材料应用于一部分假肢中，并且所述方法进一步包括为用户提供关于所述冲击的所述变形的反馈。
13.根据权利要求9或10所述的方法，进一步包括：
将表示所述电势的数据发送给外部计算装置；以及
在所述外部计算装置上，确定所述冲击的变形。
14.根据权利要求9或10所述的方法，其中，所述均匀复合材料测量高达60％的应变且所述材料不永久变形。
15.根据权利要求9或10所述的方法，进一步包括根据所述电势，确定所述冲击的应变率和变形。
16.一种用于制备应变传感器的方法，包括：
将多个导电填料与未固化的聚合基质材料混合，其中，所述多个导电填料包括导电纳米颗粒和导电稳定剂中的至少一种；
在所述导电填料与所述未固化的基质材料的混合物中形成空隙以及
固化具有所述空隙的所述混合物以便形成均匀复合泡沫作为所述应变传感器，所述均匀复合泡沫响应于压缩产生压电电压而不需要外部电流产生装置。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述未固化的基质材料是未固化的弹性聚合物，并且所述方法进一步包括：
将所述导电填料与所述未固化的弹性聚合物的混合物引入到模具中，以及
通过控制引入到所述模具中的所述混合物的量调整所述应变传感器的模数以便与现有产品中的现有的弹性泡沫的模数匹配。
18.根据权利要求16所述的方法，进一步包括：
将所述均匀复合泡沫切割成多个离散的应变传感器。
19.根据权利要求16所述的方法，进一步包括：
沿着第一轴检测响应于施加到所述应变传感器的冲击而产生的电压，所述冲击沿着不同于所述第一轴的第二轴；以及
根据所述产生的电压确定所述冲击的变形，
其中所述产生的电压在重复检测和确定之后是相同的。
20.根据权利要求16所述的方法，其中所述电压与所述压缩的变形具有线性关系。
21.根据权利要求16所述的方法，进一步包括：将所述均匀复合泡沫雕刻成消费者设备确定的形状。
22.根据权利要求16所述的方法，其中所述均匀复合泡沫用作消费者设备中的填料。
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