CN113295262A - 一种基于磁性液体的柔性可穿戴传感装置 - Google Patents

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谢君
鲁妍池
何新智
李德才
刘宇童
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01H11/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties
    • G01H11/06—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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Abstract

一种基于磁性液体的柔性可穿戴传感装置，适用于噪声、振动、拉伸和磁场等多重信号的传感测量。该装置包括：磁性液体(1)，硅胶内膜(2)，铜丝电极(3)，共聚酯凝胶外膜(4)，微型灵敏电流计(5)。在外加磁场、噪声和振动等的激励下，磁性液体(1)将发生表面不稳定产生尖峰，尖峰将与硅胶内膜(2)发生摩擦，硅胶内膜(2)与磁性液体(1)的接触表面会产生等量的正负电荷，当外加激励消失，磁性液体(1)的尖峰与硅胶内膜(2)分离，积累的电荷将经过微型灵敏电流计(5)传导至接地电极，该装置具有自供电特性和便携特性，且具有良好的延展性能和防水性能，能够实现对多重危险信号的同步测量。

Description

一种基于磁性液体的柔性可穿戴传感装置
技术领域
本发明属于传感器领域，适用于噪声、振动、拉伸和磁场等多重信号的传感测量。
背景技术
目前随着机器人技术和无人探测技术的发展，基于新材料的可穿戴式智能可变形传感装置逐渐成为研究的热点，外界的强磁场、高噪音和大振动等危险信号将对人类健康和设备安全运行产生不利影响，因此开发一种能够同步测量各类危险信号的柔性可穿戴传感装置十分必要。
目前对柔性传感器的研究主要集中在利用液态金属、柔性纺织材料等方面，但是该种类型的柔性传感器往往拉伸性能不强，因此摩擦纳米发电机技术作为一种新型的传感测量技术逐渐成为研究的热点，该技术能够保证设备自供电，且具有良好的柔性和拉伸性能，非常适合可穿戴设备。例如专利“一种基于摩擦纳米发电机与电磁感应的三维振动传感器”，申请号为201911379336.2，专利“基于摩擦纳米发电机的自供能无线传感系统”，申请号为201910476553.7，专利“传感式摩擦纳米发电机、轮胎的传感装置及力检测系统”，申请号为201910476553.7等，都对摩擦纳米发电机在传感领域的应用提出了新的思路，然而，以上摩擦纳米发电机结构所能测量的物理信号是单一的，难以满足智能可穿戴设备的发展要求，而人类或者机器人在工作过程中的危险信号是多种多样的，这就对多重危险信号的同步测量提出了更高的要求。
发明内容
本发明需要解决的技术问题：现有的柔性可穿戴传感装置测量信号单一的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于磁性液体的柔性可穿戴传感装置，该装置包括：磁性液体，硅胶内膜，共聚酯凝胶外膜，铜丝电极，微型灵敏电流计。
该装置各部分之间的连接：
将磁性液体注入空心圆饼状的硅胶内膜后使用防水胶密封填充口，再将铜丝电极按S型盘绕在硅胶内膜上侧表面，然后将共聚酯凝胶覆盖在硅胶内膜和铜丝电极表面后在100℃条件下固化，形成覆盖铜丝电极的共聚酯凝胶外膜，然后将铜丝电极一端与微型灵敏电流计相连，并将微型灵敏电流计另一端接地。当不存在外界激励时，磁性液体静止在硅胶内膜内，微型灵敏电流计输出电流为零，即没有电荷转移。
在外加磁场的激励下，磁性液体在磁场梯度的作用下将发生表面不稳定产生尖峰，此时磁性液体产生的尖峰将与硅胶内膜发生摩擦，根据摩擦纳米发电机原理，硅胶内膜与磁性液体的接触表面会产生等量的正负电荷，当外加磁场消失，磁性液体的尖峰与硅胶内膜分离，由于铜丝电极与地面存在电势差，积累的微弱电荷将经过微型灵敏电流计传导至接地电极，通过采集分析微型灵敏电流计的示数可以检测周围是否存在强磁环境；在外界强噪声或大振动的激励下，磁性液体将发生振动，造成磁性液体与硅胶内膜接触并摩擦起电，硅胶内膜进一步使共聚酯凝胶外膜和铜丝电极带电，当外界噪声消失，磁性液体的尖峰与硅胶内膜分离，由于铜丝电极与地面存在电势差，电荷将经过微型灵敏电流计传导至接地电极，通过采集微型灵敏电流计的示数可以间接测定声波和振动的强度。
本发明的有益效果：
磁性液体对强磁场、高噪音和大振动的响应特性保证了传感器的自供电特性和便携特性，实现了对多重外界危险信号的智能化同步监测，此外，共聚酯凝胶外膜和硅胶内膜具有优异的延展性和防水能力，能够在弯曲和扭转等变形中保持结构的完整性，能够满足穿戴式传感器的相关要求。
附图说明
图1一种基于磁性液体的柔性可穿戴传感装置。
图中：磁性液体1，硅胶内膜2，铜丝电极3，共聚酯凝胶外膜4，微型灵敏电流计5。
具体实施方式
以附图1为具体实施方式对本发明作进一步说明：
一种基于磁性液体的柔性可穿戴传感装置，该装置包括：磁性液体1，硅胶内膜2，铜丝电极3，共聚酯凝胶外膜4，微型灵敏电流计5。
该装置各部分之间的连接：
将磁性液体1注入空心圆饼状的硅胶内膜2后使用防水胶密封填充口，再将铜丝电极3按S型盘绕在硅胶内膜2上侧表面，如图1(c)所示，然后将共聚酯凝胶覆盖在硅胶内膜2和铜丝电极3表面后在100℃条件下固化，形成覆盖铜丝电极3的共聚酯凝胶外膜4，然后将铜丝电极3一端与微型灵敏电流计5相连，并将微型灵敏电流计5另一端接地。当不存在外界激励时，磁性液体1静止在硅胶内膜2内，微型灵敏电流计5输出电流为零，即没有电荷转移，如图1(a)所示。
在外加磁场的激励下，磁性液体1在磁场梯度的作用下将发生表面不稳定产生尖峰，此时磁性液体1产生的尖峰将与硅胶内膜2发生摩擦，如图1(b)所示，根据摩擦纳米发电机原理，硅胶内膜2与磁性液体1的接触表面会产生等量的正负电荷，当外加磁场消失，磁性液体1的尖峰与硅胶内膜2分离，由于铜丝电极3与地面存在电势差，积累的微弱电荷将经过微型灵敏电流计5传导至接地电极，通过采集分析微型灵敏电流计5的示数可以检测周围是否存在强磁环境；在外界强噪声或大振动的激励下，磁性液体1将发生振动，造成磁性液体1与硅胶内膜2接触并摩擦起电，硅胶内膜2进一步使共聚酯凝胶外膜4和铜丝电极3带电，当外界噪声消失，磁性液体1的尖峰与硅胶内膜2分离，由于铜丝电极3与地面存在电势差，电荷将经过微型灵敏电流计5传导至接地电极，通过采集微型灵敏电流计5的示数可以间接测定声波和振动的强度。
磁性液体1对强磁场、高噪音和大振动的响应特性保证了传感器的自供电特性和便携特性，实现了对多重外界危险信号的智能化同步监测，此外，共聚酯凝胶外膜4和硅胶内膜2具有优异的延展性和防水能力，能够在弯曲和扭转等变形中保持结构的完整性，能够满足穿戴式传感器的相关要求。

Claims (1)

1.一种基于磁性液体的柔性可穿戴传感装置，其特征在于：
该装置包括：磁性液体(1)，硅胶内膜(2)，铜丝电极(3)，共聚酯凝胶外膜(4)，微型灵敏电流计(5)；
将磁性液体(1)注入空心圆饼状的硅胶内膜(2)后使用防水胶密封填充口，再将铜丝电极(3)按S型盘绕在硅胶内膜(2)上侧表面，然后将共聚酯凝胶覆盖在硅胶内膜(2)和铜丝电极(3)表面后在100℃条件下固化，形成覆盖铜丝电极(3)的共聚酯凝胶外膜(4)，然后将铜丝电极(3)一端与微型灵敏电流计(5)相连，并将微型灵敏电流计(5)另一端接地。
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