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基于压电薄膜传感器的机器人触觉识别系统

浙江大学学报（工学版） 2022年第4期56卷 702-710页

作者：王云灏孙铭会辛毅张博宣吉林大学计算机科学与技术学院吉林长春130012 吉林大学仪器科学与电气工程学院吉林长春130061 美国波特兰州立大学工程与计算机科学学院俄勒冈州波特兰97201

为了使机器人通过触觉感知外部环境信息,弥补视听交互信息缺失的不足,根据聚偏氟乙烯(PVDF)材料的压电效应设计开发基于触觉传感器和卷积神经网络的机器人触觉识别系统,能够根据所采集的触觉信号识别出材质类型.提出基于渐进式级联卷积... 详细信息

为了使机器人通过触觉感知外部环境信息,弥补视听交互信息缺失的不足,根据聚偏氟乙烯(PVDF)材料的压电效应设计开发基于触觉传感器和卷积神经网络的机器人触觉识别系统,能够根据所采集的触觉信号识别出材质类型.提出基于渐进式级联卷积神经网络的触觉识别算法.该算法基于卷积神经网络提取机器人传感器的信号特征,包括经过短时傅里叶变换的触觉数据频谱图和信号表征周期内的时域特征.为了解决特定材质识别混淆的问题,利用K-Medoids聚类算法和动态时间规整(DTW)距离度量算法将分类过程区分为粗、细2个层次,构建渐进式分类模型.实验表明,设计的触觉传感器对物体材质的平均识别正确率约为97%,机器人能够成功识别触摸到的真实材质,为下一步的探索交互任务奠定基础.

关键词：机器人触觉聚偏氟乙烯(PVDF) 压电薄膜卷积神经网络传感器聚类算法

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pBT PVDF压电薄膜的制备及其应用

现代纺织技术 2023年第4期31卷 84-92页

作者：洪莹吴夏琼吴明华王诗雯浙江理工大学纺织科学与工程学院(国际丝绸学院) 杭州310018 浙江理工大学先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室杭州310018 嘉兴市方圆检测技术有限公司浙江嘉兴314000

为解决钛酸钡(BT)纳米颗粒在聚偏氟乙烯(PVDF)基体内部团聚问题,采用聚多巴胺(PDA)对BT纳米颗粒进行表面改性,制备具有核壳结构的聚多巴胺钛酸钡(pBT)纳米颗粒,并与PVDF复合,通过静电纺丝法制备pBT PVDF复合压电薄膜;采用FT-IR、SEM和XR... 详细信息

为解决钛酸钡(BT)纳米颗粒在聚偏氟乙烯(PVDF)基体内部团聚问题,采用聚多巴胺(PDA)对BT纳米颗粒进行表面改性,制备具有核壳结构的聚多巴胺钛酸钡(pBT)纳米颗粒,并与PVDF复合,通过静电纺丝法制备pBT PVDF复合压电薄膜;采用FT-IR、SEM和XRD等表征pBT纳米颗粒和pBT PVDF复合压电薄膜的结构和形貌,并测试pBT PVDF复合压电薄膜的压电常数;将pBT PVDF复合压电薄膜组装成三明治结构的压电纳米发电机,测定pBT PVDF压电纳米发电机的输出电压。结果表明:经PDA改性后,pBT纳米颗粒在PVDF基体内部的团聚得到明显改善,当pBT纳米颗粒的质量分数为3%时,pBT PVDF复合压电薄膜的压电常数从改性前的(13±3)pc N增加到(20±3)pc N。pBT PVDF压电纳米发电机的输出电压从改性前的1.0 V提升到1.2 V。研究结果可为解决BT纳米颗粒在PVDF中的分散性问题提供了一种简便方法。

关键词：聚多巴胺(PDA) 静电纺丝钛酸钡(BT) 聚偏氟乙烯(PVDF) 分散性压电薄膜压电纳米发电机

结构对钙钛矿压电薄膜电学性能影响的研究进展

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材料导报 2021年第15期35卷 15065-15071页

作者：米庆博邢志国王海斗金国郭伟玲黄艳斐唐诗哈尔滨工程大学表面技术与腐蚀工程研究所材料科学与化学工程学院中国人民解放军陆军装甲兵学院装备再制造技术国防科技重点实验室中国石油集团安全环保技术研究院

钙钛矿结构的压电陶瓷具有压电系数高、机电耦合性能良好、性能稳定可靠等优点,其应用环境广泛,是当前重要的商用传感器及半导体元件制造材料之一。其中薄膜结构的钙钛矿压电材料的尺寸小,有利于集成复杂电路结构,在精密电子元件的制造... 详细信息

钙钛矿结构的压电陶瓷具有压电系数高、机电耦合性能良好、性能稳定可靠等优点,其应用环境广泛,是当前重要的商用传感器及半导体元件制造材料之一。其中薄膜结构的钙钛矿压电材料的尺寸小,有利于集成复杂电路结构,在精密电子元件的制造上具有不可替代的优势。然而,宏观上的尺寸降低、界面间的晶格失配以及成型过程中产生的气孔缺陷限制了畴壁的运动,致使薄膜材料表现出较低的铁电、压电、介电特性。近年来,研究者不断调整基体的种类并探索压电薄膜成型工艺的改进方法,试图优化压电薄膜因受结构特点限制而降低的电学性能。研究认为,(100)、(110)、(111)是能够有效促进薄膜电学特性提升的晶粒取向,同时柱状的晶粒形状和大的晶粒尺寸能够进一步保证薄膜获得良好的电学性能。晶粒形状和晶粒尺寸强烈依赖于薄膜的厚度,而薄膜厚度的增加有利于各项电学性能的提升。另外,晶粒尺寸与薄膜厚度类似,二者均存在一临界值,在该值以下,电学响应几乎消失。界面处的失配应变导致的失配位错限制了电畴的运动,低介电常数层降低了薄膜的静电存储能力,是导致薄膜的电特性下降的重要因素。薄膜中孔隙的钉扎效应提高了新畴形核长大的能量势垒,同时也将抑制压电薄膜中四方相向菱形相的转变,这使得孔隙在降低压电薄膜压电系数(d33)的同时,也有可能增强薄膜的热稳定性。此外,近年来的研究发现,薄膜的机械耦合性能与孔隙率存在正相关关系。文中针对压电陶瓷薄膜结构及结构特征产生的应力对其性能的影响进行论述,阐述了薄膜晶体结构、几何结构及缺陷分别对材料电学性能的影响,分析了薄膜内部微区结构对畴壁运动的作用机制。随着智能制造行业的快速发展,压电陶瓷薄膜势必向着尺寸更小、结构设计更复杂、使用范围更广泛、功能更全面、集成度更高的方向发展。

关键词：压电薄膜晶粒取向尺寸晶格失配缺陷

聚偏氟乙烯/导电TiO2复合压电薄膜的制备

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纺织学报 2017年第6期38卷 6-10,22页

作者：刘婉婉高强王阳毅龙啸云葛明桥生态纺织教育部重点实验室(江南大学) 江苏无锡214122

为探究提高聚偏氟乙烯压电性能的方法,采用静电纺丝结合填料共混的方法制备了聚偏氟乙烯/导电TiO_2复合纳米纤维压电薄膜,并讨论了不同添加量的导电二氧化钛晶须对纤维薄膜直径、形貌、结晶形态和β相和γ相含量的影响。用扫描电子显微... 详细信息

为探究提高聚偏氟乙烯压电性能的方法,采用静电纺丝结合填料共混的方法制备了聚偏氟乙烯/导电TiO_2复合纳米纤维压电薄膜,并讨论了不同添加量的导电二氧化钛晶须对纤维薄膜直径、形貌、结晶形态和β相和γ相含量的影响。用扫描电子显微镜、傅里叶变换红外光谱和差示扫描量热仪测试方法表征纤维薄膜材料的微观形态结构和结晶结构。对复合纳米纤维薄膜的压电性能测试结果表明:静电纺丝是提高聚偏氟乙烯中β相含量的有效方法。导电TiO_2的添加除了诱导结晶取向,促进更多β相和γ相的形成,而且有助于将纺丝过程中形成的构相固定起来,从而达到提高产物压电性的目的。除此之外,添加导电TiO_2后,聚偏氟乙烯纤维膜的力学性能也有一定的提高。

关键词：聚偏氟乙烯导电二氧化钛纳米晶须静电纺丝压电薄膜

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一种采用PVDF压电薄膜的弯张换能器

振动与冲击 2016年第3期35卷 129-134页

作者：刘静静秦雷王丽坤谷传新仲超张彬龙丹北京信息科技大学理学院传感技术研究中心北京100101

提出了一种采用PVDF压电薄膜代替弯张换能器的金属外壳的新型弯张换能器,即一种采用PVDF压电薄膜的弯张换能器。用阻抗分析仪、激光扫描测振仪和水声测量系统分别测量了采用PVDF压电薄膜的弯张换能器的谐振频率、带宽、发送电压响应、... 详细信息

提出了一种采用PVDF压电薄膜代替弯张换能器的金属外壳的新型弯张换能器,即一种采用PVDF压电薄膜的弯张换能器。用阻抗分析仪、激光扫描测振仪和水声测量系统分别测量了采用PVDF压电薄膜的弯张换能器的谐振频率、带宽、发送电压响应、水平指向性。通过对比分析实验结果,可以看出该新型换能器与传统换能器一样可以将压电晶堆纵的振动转化为壳体的径向振动。

关键词：弯张换能器压电薄膜 PVDF

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织物电极对聚偏氟乙烯压电薄膜性能的影响

棉纺织技术 2022年第6期50卷 14-18页

作者：杨云飞许君徐磊赵冰郑瑞平天津工业大学天津300387 天津工业大学智能可穿戴电子纺织品研究所天津300387 青岛即发集团股份有限公司山东青岛266200

研究织物电极对聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜性能的影响。以丝网印刷方式制备面电阻为3.5Ω·cm^(2)的银浆丝网印刷涤纶织物,并选用相同面电阻的镀银涤纶织物和铜网织物,将3种织物作为电极同PVDF压电薄膜封装制成柔性压电传感器,测试了3种... 详细信息

研究织物电极对聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜性能的影响。以丝网印刷方式制备面电阻为3.5Ω·cm^(2)的银浆丝网印刷涤纶织物,并选用相同面电阻的镀银涤纶织物和铜网织物,将3种织物作为电极同PVDF压电薄膜封装制成柔性压电传感器,测试了3种织物压电传感器的介电接触性能、灵敏度和耐久性。结果表明:在频率4 kHz以下,镀银织物和铜网织物电极介电阻抗较稳定,在频率为1×10^(4)Hz左右时银浆丝网印刷织物电极相对介电常数波动明显,在高频条件下明显高于其他2种织物电极,镀银织物电极的介电性能接近铜网织物电极;3种电极都具有一定的压电灵敏度,银浆丝网印刷织物电极和铜网织物电极灵敏度略高;经过2000次按压后,镀银织物电极和铜网织物电极仍能持续输出锯齿方波信号,银浆丝网印刷织物电极出现明显的基线漂移现象。认为:铜网织物作为电极封装的柔性压电传感器总体性能较好,镀银织物的介电性能和耐久性较好,银浆丝网印刷织物的灵敏度较优。3种织物可作为制作传感器的电极材料,但存在的运动伪影等问题仍需进一步研究。

关键词： PVDF 织物电极压电薄膜镀银织物丝网印刷柔性压电传感器

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基于压电薄膜的免耕播种机播种深度控制系统

农业机械学报 2015年第4期46卷 1-8页

作者：黄东岩朱龙图贾洪雷于婷婷吉林大学工程仿生教育部重点实验室长春130025 吉林农业大学信息技术学院长春130118

为使免耕播种机在秸秆覆盖地作业时自动保证播种深度的一致性和稳定性,设计了一种主动作用式播种深度自动控制系统。采用聚偏二氟乙烯（Polyvinylidence fluoride,PVDF）压电薄膜传感器将免耕播种机限深轮的胎面形变量转换为电压信号,... 详细信息

为使免耕播种机在秸秆覆盖地作业时自动保证播种深度的一致性和稳定性,设计了一种主动作用式播种深度自动控制系统。采用聚偏二氟乙烯（Polyvinylidence fluoride,PVDF）压电薄膜传感器将免耕播种机限深轮的胎面形变量转换为电压信号,信号处理电路对传感器产生的信号放大滤波,提取信号峰值,系统根据峰值信号实时监测播种单体对地表的压力,控制信号形成电路在压力不足时发出控制信号,控制安装在播种机机架与播种单体四连杆间的空气弹簧产生推力,使播种单体能够产生对地表的压力,从而保证播种深度的一致性。试验结果表明,所设计的主动作用式播种深度自动控制系统能够精确控制开沟深度,仿形性能可靠,作业速度为5～8 km/h时,播深合格率达到90%,作业速度大于8 km/h时,播深合格率明显高于被动作用式播种深度控制装置。

关键词：免耕播种机播种深度自动控制压电薄膜单片机

基于压电薄膜的多功能柔性触觉传感器阵列的制备及研究

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基于压电薄膜的多功能柔性触觉传感器阵列的制备及研究

作者：林伟康哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

皮肤是人体触觉系统中的一个重要部分,其主要作为传感器,将各种外界刺激转换为电信号,然后电信号通过神经纤维传输至大脑。然而对于肢体缺失者,智能假肢集成传感器可以帮助残疾人恢复人体触觉系统,这是改善其生活质量的重要途径。但是... 详细信息

皮肤是人体触觉系统中的一个重要部分,其主要作为传感器,将各种外界刺激转换为电信号,然后电信号通过神经纤维传输至大脑。然而对于肢体缺失者,智能假肢集成传感器可以帮助残疾人恢复人体触觉系统,这是改善其生活质量的重要途径。但是目前的传感器往往只具备单一的功能,只能检测一种特定的刺激,难以满足目前的需求。触觉传感器对于多种外部刺激的实时检测和区分仍然是一个巨大的挑战,并在很大程度上限制了电子皮肤的发展。本文设计并制备了一款基于人体皮肤启发的具有多层结构、横纵电极布线模式的压电触觉传感器阵列。使用软件仿真分析了传感器受到不同外界刺激时的应力分布,并对传感器进行参数调优。使用磁控溅射和丝网印刷制备了高精度的图案化电极。搭建了实验所需的专用测试平台和测试系统,用以测试该传感器阵列的性能,分别对传感器阵列对于正压力、弯曲、多点触摸进行测试。为实现传感器对不同外界刺激的区分,设计了一套逻辑算法,用于传感器阵列的信号处理。实验测试结果表明,本文设计的传感器阵列在正压力测试下,具有高灵敏度（7.7mV/kPa）,长期耐用性（80000次循环测试）以及快速响应时间（10ms,小于人类皮肤响应的时间）的特性。在弯曲测试下,该传感器不仅可以检测弯曲的曲率半径还可以检测弯曲的方向。在多点测试中,独特的结构设计克服了其他传感器中存在的串扰问题,实现了零串扰。经过信号处理后,可以实现实时检测和区分各种外部刺激的大小,位置和模式,包括轻微的滑动,触碰和弯曲。该传感器成功应用于人体颈部脉搏的实时监测,微小动物运动的检测,机械手的力反馈控制和温度变化的检测。应用测试结果表明了本文提出的触觉传感器在医疗、工业等领域具有很大的潜力。

关键词：触觉传感器阵列压电薄膜压力和弯曲测量无串扰实时监测

基于PVDF压电薄膜的入水冲击压力测试技术

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舰船科学技术 2021年第5期43卷 20-23页

作者：张哲李振旺吴文婷李巍李博中国船舶科学研究中心江苏无锡214082

本文针对入水冲击压力测试问题展开研究,自行设计了基于PVDF压电薄膜的传感器和用于标定该传感器的立式Hopkinson压杆标定系统,对PVDF压电薄膜传感器进行标定。在此基础上进行入水冲击压力测试试验,测得了不同入水速度下的入水冲击压力... 详细信息

本文针对入水冲击压力测试问题展开研究,自行设计了基于PVDF压电薄膜的传感器和用于标定该传感器的立式Hopkinson压杆标定系统,对PVDF压电薄膜传感器进行标定。在此基础上进行入水冲击压力测试试验,测得了不同入水速度下的入水冲击压力,并结合数值计算的结果对试验数据进行了对比验证,基本验证了基于PVDF压电薄膜的入水冲击压力测试技术的可行性。本文研究成果可以为射弹入水冲击压力的预报及测试提供一种技术手段,为结构设计提供一定基础。

关键词： PVDF 压电薄膜 Hopkinson压杆入水冲击压力