剪力传感器 传感器技术之柔性压力传感器
传感器技术之柔性压力传感器
传感器技术是机器人技术持续发展的重要推手，随着机器人技术的发展，面对越来越多的特殊信号和特殊环境，对各种传感提出更高的要求，同时希望传感器还能够具有透明、柔韧、延展、可自由弯曲甚至折叠、便于携带、可穿戴等特点。随着柔性基质材料的发展，满足上述各类趋势特点的柔性传感器在此基础上应运而生。
作为传感器界的"元老"，压力传感器是其领域内的重要组成。而柔性压力传感器具有出色的机械和电气特性，例如高灵活性，高灵敏度，高分辨率和快速响应等，因此具有广泛的应用。
根据压力传感器的工作机制，可以将其大致分为以下几类：压阻式、电容式、压电式和其它类型的压力传感器。
压阻式柔性压力传感器
压阻式柔性压力传感器基于压阻效应的传感器在外力作用下活性材料会变形，并间接改变内部导电材料的分布和接触状态，从而导致活性材料的电阻有规律地变化。
压阻式传感器常见的传感机理及代表性装置示意图[1]
与电容式和压电式压力传感器相比，它们不需要复杂的传感器结构，且功耗较低，测试压力范围广，制造过程简单。它们可用于医学检查、密封检查、体育锻炼等。市场上已经有一些商业化的产品如智能衣服，它可以通过电阻变化来监测心跳，以预防心脏病等疾病的发生。
Kim型压阻式压力传感器（来源[3]）
Kim 等人提出了一种基于 PDMS 矩阵的压阻式压力传感器。这种压力传感器灵敏度高、
结构简单且具有可穿戴功能。这个传感器展现了良好的传感性能，其灵敏度高达0.3 kPa-1，响应时间为162 ms，这保证了其可以用来检测人体关节的运动[3]。
电容式柔性压力传感器
电容式柔性压力传感器是一种基于平行板电容原理的装置，具有灵敏度高、响应快、动态范围广等优点。其工作机理是在施加外力时，通过改变平板电容器之间的距离来改变传感器的电容，其传导机理及代表性装置示意图如下图。
电容式传感器常见的传感机理及代表性装置示意图[1]
近年来，精密电容传感器的发展引发了人们很大的关注。对这种器件的设计、特性、操作和可能的应用做了不同的研究。
由 Kentaro Noda等人提出柔性的可检测三维压力的电容式传感器，传感器可检测出正向力或是剪力。当传感器被拉伸或压缩时，会改变传感器的输出状况，此传感器是由 4 个压力感测单元与有导电液体的拉伸感测单元所组成，传感器不仅能检测压力也能显示出目前传感器被拉伸的情形，可由电容得知力量大小，由电阻得知传感器拉伸的情形，所示，所以就能对传感器拉伸的部分进行补偿，因此可应用于会随动作不同而有拉伸或压缩情况的机器人关节[4]。
kentaro电容式柔性传感器（来源[4]）
压电式柔性压力传感器
当某些介电材料沿某一特定方向上受到外界的作用力时，其内部就会发生极化，导致在它的两个相反的表面上会出现相反的电荷，或者产生潜在的差异，这种现象就被称为正/逆压电效应。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为压电传感器。
压电式传感器常见的传导机理及代表性装置示意图（来源[1]）
压电材料在发生形变时能发电，反之亦然。压电材料的这种双重功能为越来越多的应用特别是可穿戴或植入式系统提供了基础。具体的例子包括消费电子产品中的可持续电源和用于测量血压的传感器等生物医学设备。材料科学、力学和制造业的发展促使超薄的、柔性的和机械可伸缩的压电器件的构造成为可能。
Chen 等人提出了一种具有纳米线/Graphene 异质结构的新型静态测量压力传感器。与传统的单纯纳米线或 Graphene 基压电压力传感器相比，该器件可测量静压力，灵敏度可达9.4×103kPa，响应时间低至 57 ms。该压力传感器在电子皮肤和可穿戴设备上有着十分广阔的应用潜力。
新型静态测量压力传感器 （来源[6]）
在过去的十年中，对柔性可穿戴传感器设备的研究迅速增长，随着智能机器人和可穿戴电子设备的蓬勃发展，各种顺应任意曲线曲面的基于柔性压力传感器的新型设备研究也正在快速进行，未来柔性传感技术会发挥着越来越重要的作用。
[1]Xu F., Li X., Shi Y., et al. Recent developments for flexible pressure sensors: A review.
Micromachines-Basel, 2018, 9 (11): 580.
[2]刘伟杰. 基于压力传感器和致动器的智能感知器件研究[D].华中科技大学,2019.
[3]90Kim K.-H., Hong S. K., Jang N.-S., et al. Wearable resistive pressure sensor based on
[4]highly flexible carbon composite conductors with irregular surface morphology. ACS Appl.
Mater. Interfaces, 2017, 9 (20): 17500~17508.
[5]Zhu B, Niu Z, Wang H,et al. Microstructured graphene arrays for highly sensitive flexible tactile sensors[J]. Small, 2014, 10(18): 3625-3631.
[6]Chen Z., Wang Z., Li X., et al. Flexible piezoelectric-induced pressure sensors for static measurements based on nanowires/graphene heterostructures. ACS Nano, 2017, 11 (5): 4507~4513.
他们的春运，比日历上早一个月……
2020年1月10日春运首日而铁道科学院的这支团队早已为此奋战了31天
长城内外，大江南北，一身风雪不计抖落，满腔热血拼尽心力。春运，看铁科院车辆运行品质轨边动态监测系统（TPDS）团队如何抢跑在时间前面。
护航春运行车安全
我们早了30天
铁科院集团公司自主研发的TPDS，利用设在铁路线上的轮轨力监测系统，实时监测轮轨间的多种参数，及时发现危及行车安全的潜在问题。目前，全路TPDS铁路普速线在役141台，形成了全路性的监测网络，年监测量超过1亿辆次，为机车、客车和货车运行安全奠定了坚实的基础。
春运期间，由于车次增多，TPDS监测工作量巨增。为了巡检在役设备状态，做到“有故障早发现早解决，不把隐患留到春运”，早在2019年12月10日，铁科院集团公司铁建所组建的TPDS春运保障团队，就深入运输一线，整整提前一个月进入春运工作状态。
2019年12月11日 哈尔滨
零下25摄氏度
哈尔滨局集团公司拉古TPDS探测站，漫天飞雪中，客服大区经理梁士杰挥舞着铁锹，奋力清除着维修小道上厚重的积雪。冰雪冻胀，会对TPDS系统运维带来不小的麻烦。
梁士杰已经连续参加了13年的春运保障，一出门就是大半个月，说不惦记家里是不可能的。每次结束春运任务后，他都向妻子深表歉意，态度极其诚恳。可第二年请战时，依旧一马当先最积极。
2019年12月16日 沈阳
零下6摄氏度
沈阳局集团公司山城镇TPDS探测站，年轻的赵鹏鹏和朱新强冒着风雪，给板式传感器做除冰封胶，确保传感器处于最佳工作状态，轮轨力检测准确有效，实现车辆故障精准预警。
俩“95后”小伙毕业参加工作的第一年。初出茅庐，对服务春运，从最初的好奇，到激动，到跟着前辈同事们学会了沉下身子……在冰点之下迅速成长起来的他们，骄傲地说：战风雪、斗严寒，这是一段非常珍贵的回忆。
2020年1月7日 上海
雨夹雪
上海局集团公司三塔TPDS探测站，江南的雪花裹挟着阴冷的湿气，直钻到人的骨子里，山东汉子程冠龙不禁打了个激灵。春运前最后一个天窗，程冠龙带队进行系统技改收尾工作——水平力标定，保证系统轮轨力在线检测精度的关键工序。
工作了近7年，踏实肯干的程冠龙，已升任客服大区经理。他用双手护航TPDS设备，护航春运，也收获了自己奋斗的幸福。
上海局集团公司利国TPDS探测站，由于靠近济南局集团公司交接口，作业天窗很难申请。申振华和赵鹏鹏终于赶上了一个难得的天窗，顾不得阴雨路滑，抓紧时间进行传感器配线，尽量缩短系统技改停机时间，确保系统早日投入运用、发挥车辆状态监控作用。
南来北往，行色匆匆，风雪从来压不垮他们高昂的斗志。身手敏捷、步履矫健的小伙子们，最爱吹的牛莫过于：咱们国家铁路能到的地方，我都去过。
2020年1月10日 沈阳
零下22摄氏度
沈阳局集团公司八面城TPDS探测站，一只剪力传感器出现故障，影响预报准确度，需要立刻修复。冰天雪地里，梁士杰和李延林，不顾严寒，凭借娴熟的技术，及时完成故障修复。
夫行千里妻担忧，离家一个月的梁士杰知道家里的牵挂，收工后立刻给妻子发微信报平安。
2020年1月10日 北京
春运开始
运筹帷幄，决胜千里。春运开始了，铁建所综合监测中心，值班员紧张有序地忙碌着。
随着一阵急促的电话铃声，隋添娇接到了沈阳局八面城TPDS探测站打来的求助电话。麻利地打开国铁集团TPDS联网系统，熟练地确认了八面城数据正常后，隋添娇清晰地向电话那头传递了准确的信息。虽然才入职16个月，但经历过2019年春运保障的她，已经是一名独挡一面的女战士了。
去年11月底，为了打磨远程故障处理技能，隋添娇主动请缨参与现场TPDS仪表安装工作。彼时的石景山，北风呼啸，天寒地冻，同事们细心地给她找来了军大衣和围脖，团队的和谐友爱温暖了她的心田，也促进了她的成长。
不负韶华，只争朝夕。铁科院最早出发的人，胸怀敬畏，肩负使命，与时间赛跑，与风雪争先，奔跑于全国各地，奋战在春运路上。他们说，让风雪归我，安宁归你……春运期间，他们日夜值守，和全路TPDS设备一道，为护航铁路行车安全持续提供强有力的科技支撑。
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