应变式多维力传感器结构优化设计方法研究

MEMS应变传感器的设计与制备技术研究随着科技的不断发展，MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）技术在各个领域得到了广泛应用。

其中，MEMS应变传感器作为一种重要的微纳传感器，具有灵敏度高、尺寸小、功耗低等优点，被广泛应用于工业、医疗、军事等领域。

本文将探讨MEMS应变传感器的设计与制备技术研究。

一、MEMS应变传感器的工作原理MEMS应变传感器是通过测量材料在受力作用下产生的应变来实现对力的测量。

其工作原理基于材料的应变敏感性，当材料受到外力作用时，会发生微小的形变，进而导致电学性能的变化。

通过测量这种电学性能的变化，可以间接地得到外力的大小。

二、MEMS应变传感器的设计MEMS应变传感器的设计是整个研究的核心。

设计过程中需要考虑传感器的尺寸、灵敏度、可靠性等因素。

首先，传感器的尺寸应尽可能小，以适应微纳制造的要求。

其次，传感器的灵敏度应高，能够检测到微小的应变变化。

最后，传感器的可靠性是非常重要的，需要经受长期使用和恶劣环境的考验。

在设计过程中，需要选择合适的材料和结构。

常用的材料包括硅、聚合物等，这些材料具有良好的机械性能和电学性能。

而结构的选择则需要考虑到应变传感器的工作原理和实际应用需求。

三、MEMS应变传感器的制备技术MEMS应变传感器的制备技术是实现设计要求的关键。

常用的制备技术包括光刻、薄膜沉积、离子刻蚀等。

首先，通过光刻技术可以制备出微米级的图案，用于定义传感器的结构。

其次，薄膜沉积技术可以在基底上沉积出薄膜材料，用于构成传感器的敏感层。

最后，离子刻蚀技术可以实现对薄膜的精确加工，进一步定义传感器的结构。

制备过程中需要注意工艺参数的控制，以保证传感器的性能。

例如，薄膜的厚度、光刻的曝光时间等都会对传感器的灵敏度和可靠性产生影响。

因此，制备技术的研究和优化是非常重要的。

四、MEMS应变传感器的应用前景MEMS应变传感器的应用前景非常广阔。

在工业领域，它可以用于测量结构的变形和应力分布，从而实现对结构安全性的监测。

纺织结构压力及应变传感器性能优化1. 引言1.1 研究背景纺织结构压力及应变传感器是一种能够在纺织品表面测量压力和应变的传感器技术，具有在医疗、运动、安防等领域的潜在应用前景。

随着人们对生活质量和安全性的要求越来越高，传感器技术在纺织品中的应用也日益受到关注。

目前纺织结构压力及应变传感器仍然存在着一些问题，比如灵敏度不高、稳定性差、耐用性低等。

对纺织结构压力及应变传感器进行性能优化和集成设计是非常有必要的。

传统的压力和应变传感器通常由硅芯片或金属片制成，但这些传感器在柔性、透气性和舒适性方面无法满足纺织品的要求。

开发基于纺织结构的压力及应变传感器成为一种新的趋势。

通过利用纺织品的柔软性、弹性和适应性，可以实现对不同场合下的压力和应变的实时监测，从而实现更多的应用场景与需求。

通过对纺织结构压力及应变传感器的性能进行优化和集成设计，可以提高传感器的灵敏度、稳定性和耐用性，进一步拓展其在医疗、运动、安防等领域的应用。

本文旨在探讨纺织结构压力及应变传感器的优化设计及性能分析，为其应用前景展望提供理论基础和技术支持。

1.2 研究目的研究目的是为了通过优化设计纺织结构压力传感器和应变传感器，提高其性能指标和传感准确度，从而实现在纺织结构中实时监测压力和应变的功能。

通过集成设计压力和应变传感器，可以实现同时监测纺织结构的压力和应变变化，为纺织结构的性能分析与优化提供更全面的数据支持。

本研究旨在探讨纺织结构压力及应变传感器在工程实践中的应用前景，为纺织结构的智能化、智能监控和健康管理打下基础。

通过本研究的开展，可以推动纺织结构传感领域的发展，为智能纺织产品的研发提供技术支持，进一步提升纺织结构的科研水平和产业竞争力。

1.3 研究意义纺织结构压力及应变传感器在现代工业生产中起着至关重要的作用。

研究纺织结构压力及应变传感器的性能优化，具有重要的意义和价值。

优化纺织结构压力传感器的设计可以提高其灵敏度和稳定性，确保其准确度和可靠性。

提高应变式压力传感器的性能研究提要：压力传感器是比较常见的测力传感器之一，但传感器的性能包括灵敏度和精度等也都不尽相同，文章阐述了提高传感器性能的有效方法。

标签：压力传感器；应变片；轮辐；切应力压力传感器的种类很多，在工业领域应用也较为广泛，可以适用于各种工业自动控制系统中，石油石化、水利水电、铁路公路、油井、船舶，核电管道等众多行业，应用原理也有区别，有压磁式的，有压电式的，但最常见也是最稳定的还是应变片式的压力传感器。

1 电阻应变式压力传感器机构及测量电路电阻应变片是由基底、敏感栅及引线组成，黏贴在被测点的位置上，由敏感栅感应被测点压力的变化，进而转化为敏感栅上电阻阻值的改变，通过搭建电桥，转化为电压的变化。

电阻应变片制作精巧，安装简单方便，能够在种种恶劣的条件下工作。

此种电测方法具有线性特性好、灵敏度高、大大地提高了测量的准确度。

敏感元件的选择也决定了压力传感器的性能好坏，广泛使用的弹性敏感元件一般有圆柱式、圆环式、等截面或等强度悬臂梁式，实际根据我们在机械压力测试中的使用环境及测试规程，最常用的就是柱式弹性敏感元件。

电阻应变片通过基底上引线搭建的电路可以分为单臂式电桥，差动式半桥及差动式全桥电路，其中差动全桥可提高电桥的灵敏度，消除电桥的非线性误差，还可消除温度误差等共模干扰[1]。

为了提高测量的灵敏度及减小测量的非线性误差，常用的是由4片应变片搭建的差动式全桥电路，而且也必须通过对被测点结构的分析来合理安排4片应变片的安装位置，确保获得最高的测量精度。

如图1所示，差动式全桥测量电路中，其中电阻应变片R1和R4沿着圆柱体的轴向中心位置呈相对安装，另外两片电阻应变片R2和R3沿着圆柱体的径向中心位置亦呈相对安装，为了焊线的方便，同侧的轴向与径向的安装位置应该尽量保持紧凑。

这种黏贴方式能够确保在相同的压力作用下，4片电阻应变片会产生最大的应变值，测量电路的灵敏度最大。

例如，在压力机标定试验中，当压力作用在弹性敏感元件上，通过有限元软件Ansys分析可知，在轴向中心位置为正向应力最大值，相反在径向中心位置为负向应力最大值。

本文主要介绍应变式力传感器的设计及应用。

当今时代，传感器技术已形成为电子工业基础产品的一个独立门类，是信息社会的重要技术基础，应变式力传感器用作静态、动态条件下测力或称重，在我国工业生产过程检测与控制、自动计量等领域已大量应用。

随着技术进步以及用现代电子信息技术改造传统产业的深入，其需求量日趋增加。

在本文中主要介绍传感器的工作原理，电阻应变片的基本工作原理，传感器的选择材料，弹性元件的选择，应变式传感器的结构与设计。

以及简单介绍电阻应变式力传感器的两种应用形式，柱式力传感器，梁式力传感器及它们胶的粘贴类型及工艺原理，最后介绍温度补偿方法等。

关键词：力传感器；电阻应变片；电桥；线性度1 引言 (4)1.1 课题研究背景 (4)1.2 国内外发展动态 (4)1.3 传感器概念 (5)1.4 传感器的工作原理 (5)1.5 传感器的组成结构 (6)2 电阻应变片的相关知识 (8)2.1 电阻应变片的结构和工作原理 (8)2.2 电阻应变效应 (8)2.3 电阻应变片的种类及材料 (10)2.3.1 电阻应变片的种类 (10)2.3.2 电阻应变片的材料 (12)2.4 金属应变片的主要特性 (14)2.5 柱形应变式力传感器 (18)2.5.2 利用拉伸与压缩应力的称重传感器 (19)2.5.3 柱式称重传感器的误差来源 (22)2.6 梁式力传感器 (22)3 粘贴技术及稳定处理 (26)3.1 应变片粘贴技术 (26)3.1.1 粘结剂的选择 (26)3.1.2 应变计的粘贴 (26)3.2 弹性元件材料的稳定处理 (27)4电阻应变式传感器的信号处理电路 (29)4.1 转换电路 (29)4.2 直流电桥 (29)结论 (34)参考文献 (35)致谢 (36)1 引言1.1课题研究背景现代信息技术的三大基础是信息的拾取、传输和处理技术，也就是传感技术、通信技术和计算机技术，它们分别构成了信息技术系统的“感官”、“神经”、“大脑”。

多孔结构柔性应变传感器的研究进展何崟1，2，乔惠惠1，刘丽妍1，2，刘皓1，2（1.天津工业大学纺织科学与工程学院，天津300387；2.天津工业大学智能可穿戴电子纺织品研究所，天津300387）摘要：随着智能可穿戴柔性电子技术的发展，兼具高灵敏度和宽检测范围的柔性应变传感器的研发需求日益增长。

多孔结构的材料中本身大量孔隙的存在便于构造复杂的导电网络，可实现灵敏度的有效提高；同时材料内部孔隙的存在导致自身杨氏模量降低，材料表现出更好的压缩性。

对多孔结构柔性应变传感器的研究进展进行了全面概述，简要介绍了基于多孔结构柔性应变传感器的材料和类型，详细综述了多孔结构柔性应变传感器敏感材料常见的多孔结构和制备方法，总结了这些传感器在人体运动监测、生理信息监测和能量收集器等方面的应用，讨论了多孔结构的柔性应变传感器目前面临的一些挑战和未来发展的方向。

关键词：多孔结构；柔性应变传感器；静电纺丝；3D 打印；脉搏；心跳监测中图分类号：TB381文献标志码：A文章编号：员远苑员原园圆源载（圆园23）园3原园园28原08收稿日期：2022-02-14基金项目：国家自然科学基金资助项目（51473122）；中国博士后科学基金项目（2021M691699）；天津市教育委员会科研项目（2019KJ001）通信作者：何崟（1985—），女，副教授，主要研究方向为智能服装服饰、可穿戴传感材料及电子器件。

E-mail ：******************.cn Research progress of flexible strain sensor with porous structureHE Yin 1，2，QIAO Hui-hui 1，LIU Li-yan 1，2，LIU Hao 1，2（1.School of Textile Science and Engineering ，Tiangong University ，Tianjin 30087，China ；2.Institute of Smart Wearable Electronic Textiles ，Tiangong University ，Tianjin 300387，China ）Abstract ：With the development of intelligent wearable flexible electronic technology袁the research needs of flexible strainsensors with high sensitivity and wide dynamic range are growing.The existence of a large number of pores in the porous materials contributes to fabricating a complex conductive network袁which leads to an effective increase in sensitivity曰meanwhile袁Young忆s modulus will decrease袁and the material shows better compressibility.The research progress of porous flexible strain sensor is comprehensively reviewed.The materials and types of porous flexible strain sensors are briefly introduced袁and the preparation methods of porous flexible strain sensor areoverviewed in detail.The applications of these sensors in human movement monitoring袁physiological informationmonitoring and energy collector are summarized.Finally袁current challenges and future opportunities forporous flexible strain sensors are discussed.Key words ：porous structure曰flexible strain sensor曰electrospinning曰3D printing曰pulse曰heartbeat monitoring高性能柔性应变传感器具有柔软且贴合人体皮肤的显著优点，它可以将外部力信号转化为电信号，是人体运动检测、人机交互、软机器人、电子皮肤等系统的重要组成部分，也是未来人类医疗保健监测和人工智能领域的关键技术[1-2]。

一种小型电阻应变式三维力传感器的仿真设计吴强;俞志伟;吉爱红;戴振东【摘要】研制了一种小型电阻应变式三维力传感器,其弹性体由主弹性体和附加弹性体组成,主弹性体上开有若干槽孔,电阻应变片贴于附加弹性体上,而附加弹性体与主弹性体通过物理方式连接.采用有限元方法进行仿真分析,将弹性体的位移变化转变成应变片的应变量,利用静力不同时应变不同的原理分析了弹性体的解耦性能.有限元分析计算和静力实验结果表明,所研制的传感器具有较高的灵敏度,并能够较好地消除各维间的耦合.%The paper developed a miniature three dimensions force sensor of resistance strain type. It used strain gauge as sensing element for the detection of force. The elastomers were composed with central and additional elastomers. Central elastomer having some cutting slots was joined physically with additional elastomer adhering to resistance strain. The displacement variables of elastomers were translated into dependent variable of strain type. It was analyzed based on different decoupling capabilities of the elastomers under different static forces by ANSYS simulator. Experimental results have indicated three dimensional force sensor has desirable sensitivity and can remove coupling in different dimensions.【期刊名称】《中国机械工程》【年(卷),期】2011(022)011【总页数】6页(P1288-1293)【关键词】电阻应变;力传感器;仿真设计;有限元法【作者】吴强;俞志伟;吉爱红;戴振东【作者单位】南京航空航天大学,南京,210016;南京航空航天大学,南京,210016;南京航空航天大学,南京,210016;南京航空航天大学,南京,210016【正文语种】中文【中图分类】TP212.12传感器在现代科学技术中的重要作用已被人们所充分认识,无论是在工业与国防领域,还是在生物工程、医疗卫生、环境保护等领域,处处都离不开传感器的应用[1]。

力传感器设计与性能优化力传感器是一种广泛应用于工业自动化领域的重要设备，它能够测量物体受到的力的大小和方向。

在工业生产中，力传感器的设计和性能优化对于提高生产效率和质量至关重要。

本文将从传感器设计的原理和优化的方法两个方面进行探讨。

一、传感器设计原理力传感器的设计原理主要基于弹性体的变形原理。

当外界施加力量作用于弹性体上时，弹性体会发生变形，其变形程度与施加力的大小成正比。

传感器通过测量弹性体的变形来间接测量外界施加的力。

在传感器的设计中，弹性体的选择十分重要。

一般来说，金属材料常常被用作传感器的弹性体，因为金属具有较高的弹性模量和抗腐蚀性能。

此外，传感器的结构和形状也会影响其灵敏度和测量范围。

例如，采用薄片状的弹性体可以提高传感器的灵敏度，而选择合适的结构形式可以扩大传感器的测量范围。

二、性能优化方法为了提高力传感器的性能，可以从多个方面进行优化。

1. 灵敏度优化传感器的灵敏度是指传感器输出信号与输入力之间的比例关系。

提高传感器的灵敏度可以使其对微小力的测量更加精确。

在设计过程中，可以通过增加弹性体的长度或改变其形状来提高传感器的灵敏度。

此外，还可以采用电桥等电路结构来放大传感器的输出信号，从而提高灵敏度。

2. 频率响应优化传感器的频率响应是指传感器对不同频率力的响应能力。

在某些应用中，如振动测量，传感器的频率响应至关重要。

为了优化传感器的频率响应，可以通过选择合适的材料和结构来提高传感器的自然频率。

此外，还可以采用滤波器等电路来调整传感器的频率响应。

3. 温度补偿优化温度对传感器的性能有较大影响，因为温度变化会导致弹性体的物理特性发生变化。

为了优化传感器的温度补偿性能，可以采用温度传感器来测量环境温度，并通过软件或硬件的方式进行温度补偿。

此外，还可以选择具有较小温度系数的材料来制作传感器的弹性体，以减小温度对传感器的影响。

4. 噪声抑制优化传感器的输出信号中常常存在各种噪声，如电磁干扰、机械振动等。

提高电阻应变式测力传感器灵敏度的设计方法电阻应变式测力传感器作为一种高精度、高灵敏度的传感器，广泛应用于工业生产、科学研究以及医疗领域。

提高传感器的灵敏度是优化传感器性能的重要方面之一以下是提高电阻应变式测力传感器灵敏度的一些设计方法：1.优化应变片结构：应变片是电阻应变式测力传感器的核心部件，对传感器的灵敏度有决定性影响。

优化应变片的结构，例如增加应变片的长度、宽度或厚度，采用异形或非均匀形状的应变片，可以提高传感器的灵敏度。

2.使用高灵敏度的材料：选用高灵敏度的材料制作应变片，如采用高强度、高弹性系数的材料，可以提高应变片的灵敏度。

3.优化应变片布局：合理布置应变片的位置和数量，使其受力均匀、对称，减小非轴向力对传感器的影响，提高灵敏度。

4.优化电桥电路设计：采用恰当的电桥电路设计，如使用全桥、半桥或串联电桥等不同的电桥形式，选择合适的电阻值，可以提高传感器的灵敏度。

5.提高初始电阻值：传感器的初始电阻值越高，对应变量的变化响应越敏感。

通过增加应变片的厚度、增加电阻片的数量或调整电阻片的尺寸，可以提高传感器的初始电阻值。

6.降低噪声和干扰：对电阻应变式测力传感器的电路进行屏蔽，减少干扰源对信号的影响，采用抗干扰算法或滤波技术来降低噪声对灵敏度的影响。

7.使用温度补偿技术：温度变化对电阻应变式测力传感器的灵敏度有较大影响。

采用温度传感器测量环境温度，并进行温度补偿，可以提高传感器的灵敏度。

综上所述，通过优化应变片结构、使用高灵敏度材料、优化应变片布局、优化电桥电路设计、提高初始电阻值、降低噪声和干扰以及使用温度补偿技术等方法，可以提高电阻应变式测力传感器的灵敏度，进而提高其精度和可靠性。

在实际设计和应用中，可以根据具体要求和实际情况选择合适的方法组合来达到最佳效果。

1前言1.1研究课题背景及意义应变式测力传感器早已在众多测控领域中得到了广泛的应用，尤其在测量重量方面，其技术已非常成熟。

所以，国内外众多科技人员努力争取更大的突破。

得到更优良的弹性体结构，非常合适的弹性体材料，合乎测量要求的应变片，完善的测量电路及补偿电路是需要努力的。

当然，非常好的外观质量也是一大竞争力。

现已有的应变式测力传感器大致有这么几种：桥式、剪切梁式、单点式、柱式、轮辐式、板式、平行梁式、S型。

它们主要用于称重领域。

国外企业在以下几个方面进行了许多研究和实验工作，如结构设计、制造工艺、电路补偿及调整、稳定性方面。

并取得了一定的进展。

这些进展主要包括在设计和计算过程中引入了先进的分析方法，如用计算机拟实技术进行动态仿真和动力学分析及工艺设计过程里运用虚拟技术，对生产工艺进行仿真检验。

在弹性体加工方面，使用先进制造技术，将刚性制造转为柔性制造，加工中心、柔性制造系统和柔性制造单元得到普遍采用。

在生产过程中尽量采用半自动和自动控制、自动检验程序和计算机网络技术。

改进了工艺装备也是主要成就之一。

最终提高了应变式测力传感器的稳定性和可靠性。

转子在高速运转过程中，由于种种原因，诸如转子的偏心问题，会产生不容忽视的径向力，使转轴的径向误差加大。

在自动控制系统中，便需要得到径向力这个信号，然后对执行机构才能进行控制。

要得到理想的控制刚度，不仅需要控制系统的稳定可行，测试系统的重要性同样不可忽视。

所以，传感器性能的好坏和选取的是否恰当是个非常关键的问题。

在现有的径向力测量中，人们并不是直接去测径向力的值，而是将其转化为其它量，比如位移量。

然后使用位移传感器进行测量，控制径向位移量便使得径向力引起的问题得到解决。

在高速运转的系统中，如磁悬浮系统，人们便广泛采用这样一些位移传感器：电容式传感器、电涡流式传感器、电感式传感器。

并都取得了不错的测量控制效果。

但是，还不能忽视他们的缺点。

电容式传感器，其电容小，容易受到外界诸多因素的影响，在高速旋转的转子系统中其可靠性大大降低。

一种应变式多维力传感器的优化设计
干方建;刘正士;任传胜;张平
【期刊名称】《传感器与微系统》
【年(卷),期】2007(026)001
【摘要】针对一种十字梁多维力传感器进行了应力-应变分析,建立了这种传感器的应力-应变模型,并对这种传感器的结构尺寸和应变计贴片位置进行了优化设计,优化设计以传感器获得最大精度为目标,结果显示:传感器优化后其顺应矩阵的条件数下降,传感器测量精度提高.
【总页数】4页(P56-59)
【作者】干方建;刘正士;任传胜;张平
【作者单位】中国科学技术大学,精密机械与精密仪器系,安徽,合肥,230026;合肥工业大学,机械与汽车学院,安徽,合肥,230009;中国科学技术大学,精密机械与精密仪器系,安徽,合肥,230026;中国科学技术大学,精密机械与精密仪器系,安徽,合肥,230026【正文语种】中文
【中图分类】TP212.6
【相关文献】
1.一种四柱式高精度电阻应变式力传感器 [J], 赵印明;陈柯行;柴继新;王玲璐
2.基于MEMS技术的金属应变式压力传感器优化设计 [J], 于留波;赵湛;方震;杜利东;丁国杰
3.应变式多维力传感器结构优化设计方法研究 [J], 吴宝元;申飞;吴仲城
4.2-维应变式力传感器的优化设计 [J], 文智平;吉爱红;王金童;戴振东
5.应变式多维力传感器的故障诊断方法与实现 [J], 杨双龙;徐科军;舒张平;许伟因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

新型应变传感器的设计与实现研究随着科技的不断发展，传感器作为一种重要的物联网技术，对我们生活的各个方面起到了越来越重要的作用。

在此背景下，新型应变传感器的设计与实现研究逐渐受到了人们的关注。

本文将围绕这个主题展开，探究这一领域的最新进展，分析其应用前景，并提出自己的一些思考。

一、新型应变传感器的概念和分类应变传感器是一种测量物体受力后形变的传感器。

目前市场上有多种应变传感器，其中最常见的是金属应变片和半导体应变片。

而新型应变传感器则是指那些采用了新型材料或新型结构设计的应变传感器。

这些新型应变传感器通常具备以下特点：1、高精度：新型应变传感器通过采用先进的技术，可以实现高精度的应变测量。

2、低成本：相比传统应变传感器，新型应变传感器通常具有更加合理的设计结构，使得成本更加低廉。

3、灵敏度高：新型应变传感器具有更加灵敏的特点，更能快速反应物体受力变形的瞬间。

根据不同的应用场景，新型应变传感器可以分为多种类型。

例如，有基于光纤的应变传感器、基于压电陶瓷的应变传感器、基于纳米材料的应变传感器等。

这些新型应变传感器在应用上有很多的优点，可以更好地满足人们的需求。

二、新型应变传感器的设计与实现研究的最新进展新型应变传感器的设计与实现研究是当前热点领域之一。

近年来，通过吸取先进工艺，结合自身特点进行改进设计，新型应变传感器在设计与实现领域不断取得新的突破。

这里主要讲述两个方面的进展：1、压电陶瓷类传感器示范目前，基于压电陶瓷的传感器在实际应用领域内，已经进行了多项示范。

例如，利用国内先进的微加工技术，设计出可用于机器人、液压机及无人机等多种领域的碟形和型谐振压电陶瓷传感器。

由于采用了更为先进的制造工艺，这些传感器具有体积小、灵敏度高等优点。

同时，近年来还有一种基于声共振的新型应变传感器被提出，该传感器采用了微弯曲层状导电薄膜技术，利用声共振测量被测物体的应变，具备响应速度高、灵敏度高等特点。

这一新技术的推广应用，不仅有助于传感器领域的发展，也可以为人们提供更加便捷的测量方法。