新的稱(chēng)重傳感技術(shù)融合了新材料、微機(jī)電、微納米等前沿學(xué)科，是精確農(nóng)業(yè)、智能物流、智能零售等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。新一代稱(chēng)重傳感器的發(fā)展趨勢(shì)和主要研究方向是智能化、小型化、平面化、低成本、高靈敏度和高可靠性。碳素材料具有優(yōu)異的力學(xué)和電學(xué)特性，在稱(chēng)重測(cè)力傳感裝置中具有很大的應(yīng)用前景。近年來(lái)，碳基傳感材料和傳感器的研究方興未艾，為重測(cè)力傳感技術(shù)的深入開(kāi)發(fā)和應(yīng)用帶來(lái)了新的機(jī)遇。
近年來(lái)，隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，稱(chēng)重傳感器的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。工業(yè)模式的不斷創(chuàng)新給稱(chēng)重傳感器技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了許多新的挑戰(zhàn)。目前，稱(chēng)重傳感器的技術(shù)局限主要集中在提高傳感器的穩(wěn)定性、抗干擾性、耐腐蝕性、小型化和平面化。在過(guò)去的20年里，基于金屬箔應(yīng)變片的稱(chēng)重傳感器在許多行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了顯著的進(jìn)展。然而，由于金屬應(yīng)變片本身的特性(靈敏度低、過(guò)載能力低、易腐蝕)決定了其不能滿(mǎn)足日益嚴(yán)格的工業(yè)需求。
隨著材料的進(jìn)步，人們可以設(shè)計(jì)和使用各種功能材料來(lái)制造性能優(yōu)異的傳感器。碳素材料在許多新材料中具有優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性、耐腐蝕性和抗干擾性，因此碳基傳感材料越來(lái)越受到人們的重視。特別是近30年來(lái)，科研界流行的石墨烯和碳納米管材料，由于其優(yōu)異的機(jī)械、電和熱性能，近30年來(lái)出現(xiàn)了各種傳感技術(shù)，有效解決了傳統(tǒng)傳感材料中的諸多問(wèn)題。主要介紹幾種常用的碳基傳感材料，介紹了一些新型傳感材料在力傳感器方面的主要研究進(jìn)展，希望能為新型稱(chēng)重傳感技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展前景提供參考。
石墨制品具有良好的耐高溫、電、化學(xué)和可塑性、耐熱震等特殊性能，是工業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的高性能廉價(jià)材料。石墨、炭黑等碳基材料廣泛應(yīng)用于柔性測(cè)力傳感器中。將炭黑、石墨等低電阻碳系微納米材料填充到絕緣聚合物基體中，可形成半導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料。以二甲基硅油為稀釋劑和增塑劑，將導(dǎo)電炭黑納米粒子注入有機(jī)硅彈性體復(fù)合材料中，制備潛在的應(yīng)變傳感器。本文以改性石墨/PU復(fù)合膜為基礎(chǔ)，制備了成本低、靈敏度高、重現(xiàn)性好、工藝簡(jiǎn)單的柔性測(cè)力傳感器。
碳纖維復(fù)合材料因其強(qiáng)度高、重量輕、耐腐蝕、抗疲勞等優(yōu)點(diǎn)，在工程承載中得到了廣泛的應(yīng)用。研究和實(shí)驗(yàn)表明，CFRP也具有良好的電阻應(yīng)變效應(yīng)，是一種新型傳感材料。
傳感器性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括：非線性、遲滯、重復(fù)性、蠕變、零點(diǎn)溫度特性、靈敏度、溫度特性等。此外，在物聯(lián)網(wǎng)的許多應(yīng)用中，還需要考慮靈敏度高、測(cè)量范圍廣、響應(yīng)時(shí)間快的感應(yīng)材料。因此，為了開(kāi)發(fā)一種具有實(shí)用價(jià)值的新型稱(chēng)重力傳感裝置。
基于碳的傳感器主要有壓阻、電容、壓電、諧振、光纖等。根據(jù)敏感材料電阻率的變化，壓阻式測(cè)力傳感器將力學(xué)量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。壓阻傳感技術(shù)因其工藝簡(jiǎn)單、成本低而得到廣泛應(yīng)用。容式測(cè)力傳感器可視為兩個(gè)平行電極之間以空氣為介質(zhì)的變參量電容器。在壓力的作用下，平行電極之間的距離變化會(huì)導(dǎo)致電容信號(hào)的變化，從而獲得相應(yīng)的應(yīng)力信息。電容傳感器的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，能檢測(cè)出能量低的微小靜態(tài)力。在此基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了碳基傳感器，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了碳基傳感器元件。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，碳基傳感材料靈敏度高，在動(dòng)態(tài)測(cè)量和小力值測(cè)量方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。目前主要問(wèn)題是碳基傳感器或其原材料的制備大多涉及蒸鍍、光刻等微納加工方法。目前成本高，工藝復(fù)雜，不利于稱(chēng)重測(cè)力傳感器的應(yīng)用和推廣。目前，碳基稱(chēng)重力傳感器性能的影響因素仍然缺乏系統(tǒng)地研究，尤其是如何構(gòu)建高靈敏度、穩(wěn)定性、高精度的稱(chēng)重傳感器元件。因此，系統(tǒng)研究影響測(cè)力傳感器性能的因素，對(duì)低成本、適合大規(guī)模生產(chǎn)的制備和包裝方法具有重要的科學(xué)和實(shí)用價(jià)值。
當(dāng)前，新一輪的技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型蓄勢(shì)待發(fā)，學(xué)科交叉、融合、滲透，新一輪的傳感設(shè)備必將進(jìn)入一個(gè)重要的發(fā)展時(shí)期。碳基傳感材料具有一系列適用于測(cè)力傳感器應(yīng)用的優(yōu)異性能，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)其進(jìn)行了大量研究，取得了良好的進(jìn)展。雖然高性能碳基傳感材料和器件的研發(fā)仍然面臨許多挑戰(zhàn)，但我們相信未來(lái)將有更多的新材料用于稱(chēng)重傳感器技術(shù)，以促進(jìn)稱(chēng)重傳感器技術(shù)的發(fā)展。
- 深圳市力準(zhǔn)傳感技術(shù)有限公司專(zhuān)業(yè)研發(fā)生產(chǎn)力值傳感器。主要產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于多種新型和智能化高端領(lǐng)域，包括工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線、3C、新能源、機(jī)器人、機(jī)械制造、醫(yī)療、紡織、汽車(chē)、冶金以及交通等領(lǐng)域，其中有有微型傳感器、拉壓力傳感器、測(cè)力傳感器、柱式傳感器、軸銷(xiāo)類(lèi)傳感器、稱(chēng)重傳感器、位移傳感器等力控產(chǎn)品達(dá)千余種產(chǎn)品。
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