传统温度传感器 中国农大设计柔性可变形温度传感器，可识别植物01℃的温度变化

中国农大设计柔性可变形温度传感器，可识别植物01℃的温度变化

近年来，柔性传感器因其可实现实时监测植物生理信号等方面的优势，在智慧农业、智慧医疗中发挥着越来越重要的作用。然而，复杂曲面广泛存在于人体器官和植物体表面，是柔性电子器件结构和功能设计中无法忽视的环境因素。

目前，研究人员通常通过减小器件尺寸的策略，来提高其对复杂曲面的适应能力。但是，小曲率的曲面由于器件最小尺寸的限制，通过以往的策略并不可行。

图丨柔性温度传感器工作示意图（来源：中国农业大学）

基于智慧农业对植物体表温度进行实时、精准监测的需求，中国农业大学团队设计了一种可变形柔性温度传感器，该器件可适应植物体表平面和复杂曲面，并借助传统的平面微纳加工工艺制备而成。其在失稳变形后，可对同尺度曲面进行完美包裹，并同时实现了对植物体表温度的精准在线监测。

图丨相关论文（来源：Advaced Materials Technologies）

近日，相关论文以《设计用于不规则表面微环境温度监测的柔性和可变形植物传感器》（Flexible and Shape-Morphing Plant Sensors Designed for Microenvironment Temperature Monitoring of Irregular Surfaces）为题发表在 Advaced Materials Technologies 上 [1]。

中国农业大学理学院力学系硕士研究生董凯如为该论文第一作者，赵倩副教授为论文通讯作者。

图丨柔性可变形温度传感器的结构示意图（来源：Advaced Materials Technologies）

该团队设计出一种环状旋转对称结构，巧妙地借助该结构的失稳特性，实现了器件对不可展曲面的自然包裹。该结构展现了较高的灵活性与适应性，特别是对于曲率半径与器件几何尺寸相当的复杂曲面，都可实现贴附效果。

经研究人员验证，在维度转换过程中，结构变形产生的应变可控制在 0.1% 以内。与此同时，对于球形果实的生长变形，该结构也体现了较好的适应性。

（来源：Advaced Materials Technologies）

那么，该传感器具体可满足平面和复杂曲面的哪些实际需求呢？

为了验证结构设计的有效性，该团队首先针对常规平面应用场景和特殊的等尺度球面场景，在不同测试温度下的传感性能进行比较。实验证明，集成于球面上的器件传感性能几乎没有损失。

其次，在等尺度球面上进行了更大温度测量范围内的准确度评估。最后，他们验证了集成于果实表面的器件，对被测物体表面动态温度变化的识别能力。

这种新型结构的提出，为基于平面微纳加工工艺制备三维柔性电子器件提供了重要的解决手段，突破了曲面应用场景对器件尺寸的限制，极大拓展了现有平面柔性电子器件的应用空间。

图丨集成于多种果实表面的器件实物图（来源：Advaced Materials Technologies）

另外，考虑该结构的稳定性问题，针对常规的平面应用场景，研究人员还提出了适用于常规平整叶片的温度传感器。该器件使用低等效模量多孔基底结构设计，减小了器件在长期监测的应用中对叶片自由生长的束缚，也在一定程度上提升了器件的延展率。

同时，基底上的孔洞也为叶片进行正常生理活动提供了通道，包括与环境的热量交换以及物质交换（各种挥发性有机物、二氧化碳、氧气等）。

值得关注的是，该器件十分小巧，整体只有 0.35mm 厚、27mg 重。其基底材料为聚二甲基硅氧烷，传感器部分为金薄膜材料，线性度较高。

据介绍，该传感器工作寿命较长，根据相关实验，在集成 20 天后，其可连续 24 小时同时检测微环境温度，而不会因生长导致功能障碍。

值得关注的是，该器件具备较高的灵敏度，可识别 0.1℃ 的温度变化，且对温度变化的响应时间在 10 秒以内。此外，该研究对户外应用场景中器件受风吹扰动而产生的应变噪声，也进行了评估。

图丨 a、柔性叶片温度传感器系统；b、传感器结构示意图（来源：Advaced Materials Technologies）

图丨集成于被测叶片表面的器件实物图（来源：Advaced Materials Technologies）

从功能角度来看，该器件兼顾了生物兼容性和结构设计的科学性，该研究为柔性电子技术在植物生理监测方面中所面临的问题和挑战提出了初步解决策略。

总地来说，实时在线采集的监测数据，对精准获取植物的生长状态、预测生理活动趋势等具有重要的科学意义。

参考资料：

1.Kairu Dong, Yichao Wang, Ruiping Zhang, Zhouheng Wang, Xingwei Zhao, Zheng Chang, Bingwei Lu, Qian Zhao. Flexible and Shape-Morphing Plant Sensors Designed for Microenvironment Temperature Monitoring of Irregular Surfaces. Advaced Materials Technologies (2022). https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admt.202201204

温度传感器原来是这样的

温度传感器是工业生产中最常见的一种传感器。它将物体的温度转化为电信号输出，具有结构简单，测量范围宽，稳定性好、精度高等优点。不同的温度传感器制作方法不同，常见的有热敏电阻、热电偶和集成型产品。其发展大体经历了从分体式、模拟集成到智能型的阶段。

现在的温度传感器不仅温度信号输出，还可以集成湿度测量，信号输出也由原来的单一信号变成多样化的输出形式，可以进行远距离通信，数据可以根据需要进行记录、上限报警和自控控制等多种功能。

温度传感器

　　热电偶有标准热电偶和非标准热电偶两种，标准热电偶严格遵循热电势与温度之前的关系，并有统一的分度号，其误差也在允许范围之内。非标准热电偶通常是根据特殊测量需要制作而成的，它在测量范围上没有统一的标准，也没有分度号。

　　热电阻用得最多的当属铂电阻和铜热电阻，铂电阻测量温度范围更大，精度更高。铂金电阻和铜热电阻其电阻和温度变化值都有统一的标准。Rt=R0[1+α(t-t0)]，它只跟初始温度和材料温度系数有关。

　　现在用的智能集成型温度传感器采用单片机技术，里面装有多位模数信号转换器，其测量精度更高，分辨率更是高达0.03度，里面还可以集成日历时钟，实现多种测量模式之间切换，输出更具规范化和标准化，可以有效抑制周围环境对温度信号输出的干扰，使得测量值更加精确。

　　温度传感器输出的温度不是待测物现在的温度，通常会有一定的误差。对于需要精确测量的场合，需选用响应速度更快的传感器。在测量过程要保护好探头，探头的寿命远远低于整个测量系统的寿命，当输出不正确的时候要及时更换。在响应时间要求不高的场合，可以用专用套管将探头包裹起来，主要可以延长探头的使用时间，不过这样会影响测量精度，两者之间需权衡好。很多热敏电阻表面都有涂敷层，要保护涂敷层不被损坏，涂敷层具有传温和保护里面元件的作用，可以防潮防腐蚀。

在传感器技术突飞猛进的今天，多家现代传感器企业提供的新型数字温度传感器，比如聚英电子的0800-NTC温度采集模块，与传统温度传感器相比，具有性价比高、性能优越、可靠性高、使用方便、体积小、灵敏度高和控制电路简单等特点。完全可以替代传统热敏电阻和电阻式温度检测器。

产品参数

　　数字温度传感器也叫热电偶，是将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。其优点是：(1)测量精度高;(2)测量范围广;(3)构造简单，使用方便。

　　应用场景

　　新型数字温度传感器的应用范围很广，不仅广泛应用于寻常百姓的日常生活中，而且也大量用于现代工业生产的自动化控制和生产过程检测控制系统。

　　新型数字温度传感器在实际应用中要注意下面几个问题：

　　为防止环境干扰，的电源同地线之间要并接容值大于0.1μF的钽电容;

　　感温器件在芯片内部，因此芯片表面要被测物体紧密接触;由于芯片自耗电的存在，工作时的自身温升约为0.2，所以在精确测温时应采取低功耗的工作方式;

　　输出端的上拉电阻的阻值越大，流入的电流越小，其温升也越小，但上拉电阻最大不能超过30kΩ，通常选10kΩ;

虽然新型数字温度传感器有诸多优点，但在实际应用时，由于采用单线数据传输方式，对读写的操作时序要求严格。合理应用新型温度传感器构建的测温系统，具有结构简单控制工程网版权所有，测温精度高，连接方便，占用口线少，转换速度快，与微处理器的接口简单，给硬件设计工作带来了极大的方便，能有效地降低成本，缩短开发周期。

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