具有自主温度补偿的多通道柔性应变传感系统*

代 宇，张 婕，2

（1.江南大学 机械工程学院，江苏 无锡 214122；2.江苏省食品先进制造装备技术重点实验室，江苏 无锡 214122）

0 引言

随着“物联网＋”时代的推进，人机相连、物—物相连所需要的信息的采集及传递已成为科技发展的重要环节。这些需求极大的促进了印制柔性电子的创新与发展，也得到业界的日益关注。为实现并提高柔性电子元件及电路的稳定性与功能性，导电油墨及印刷工艺的稳定性和可重复性对于印刷电子技术的发展起到了决定性的作用，关于高导电性油墨的研究也日益受到青睐［1～3］。导电油墨的使用，可以采用更便利地方式直接印刷导电电路，从而缩减成本、节约原料，高效率的生产并且利于环保［4，5］。物联网是通过在各类物体上装置各类传感器、二维码等搜集物体信息，并与无线网络相连接，从而赋予物体智能，方便人们对物体了解和管理。它能够实现人与物体或者物体与物体的沟通和对话［6］智能传感器技术是物联网技术发展的关键，它可以感知热、力、光、电、声、位移等信号［7～9］，通过数据采集系统对数据进行及时处理、传输、分析和反馈提供最即时的信息。大量的智能传感器在不同环境中感受物质世界的变化，在生理状态监测［10］、桥梁结构健康监测［11］都有很广泛的应用，这些需求对数据采集系统成本、尺寸、使用范围、精确度提出更高的要求。

本文基于如今多点采集的需求，设计了轻量级的多通道柔性应变传感系统，将印刷应变器件的特性与惠斯通电桥电路相结合设计出了具有自主温度补偿的多通道柔性应变传感系统，主要用于在不同温度环境下的多个应变的测量。

1 实 验

1.1 材料与印刷方法

两种导电碳浆（50 Ω 方阻和50 kΩ 方阻）及其稀释剂（温州灏特贸易有限公司）；导电银浆（深圳市艾格曼科技有限公司）；聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate，PET）（杜邦公司）薄膜厚度为125 μm，有良好的力学性能，冲击强度是其他薄膜的3～5倍，耐折性好。

多通道惠斯通电桥电路制作过程如图1 所示，主要可分为三步：1）如图1（a）所示将低阻油墨与高阻油墨以质量比9∶1混合均匀，加入油墨稀释剂（碳浆与稀释剂质量比为20∶1）后，搅拌30 min放入真空干燥箱中抽去碳浆中多余气泡，用作印刷电桥中各个桥臂；同时，将银浆与银浆稀释剂按照质量比为100∶1形成导电银浆用于印刷电桥中导电线路；2）图1（b）为丝网印刷工艺，使用图1（c）所示的聚酯丝网完成套印；3）使用碳浆印刷完后将PET 放在130 ℃烘箱中加热20 min固化成形。使用银浆印刷导电线路后则放在120 ℃烘箱中加热30 min，以形成如图1（d）所示多通道电桥电路。

图1 多通道惠斯通电桥电路制备流程

1.2 柔性多通道应变传感原理

该应变监控系统包含4 个通道，是由4 个带有温度补偿的电桥构成。如图2所示，电阻R5、R6 是固定在PET上的标准电阻，其余8个电阻组成系统中4 个测量通道，其中R1、R2、R3、R4 为接入的温度补偿片不参与应变，S1、S2、S3、S4作为应变片参与应变。通过控制多路模拟开关的每个通道依次导通来采集每个通道的应变信息，当多路模拟开关1，2导通时，被接入电路的有固定电阻R5、R6，应变片S1、温度补偿片R1，形成了带有温度补偿的惠斯通单臂电桥，采集M1与M2之间的差分电压求出应变片S1 的应变情况。

图2 多通道应变传感原理

1.3 测试与表征

本实验采用测力计（艾德堡仪器有限公司，HP—200），程控移动平台（北光世纪仪器有限公司，MVS313），控制测试过程中应变片应变量。温湿箱（广州五所环境仪器公司，DQ300L）控制环境的温湿度。LCR 测试仪（HIOKI，IM3536）和计算机，记录应变片在不同应变条件下电阻变化，以及温度补偿片与应变片在不同环境下电阻变化。

2 结果与讨论

2.1 系统设计

开发的多通道柔性应变传感系统由印刷柔性电路、应变传感信号调理电路板、STM32 板和便携式电源构成，如图3所示。这里，在STM32 板上使用12 位模／数转换器（ADC）对传感器信号进行数字化，利用按键开关选择需要采集的通道的应变数据，实现实时监测。

图3 传感器硬件系统与机电表征图

当只需要对于某一个通道的应变进行测量时，通过按键发出命令，然后利用STM32 控制相应的GPIO 端口做出相应的电平变化来改变模拟开关的通断，从而实现通道的断开与导通。当其中一个通道导通时，4个印刷电阻器构成1个惠斯通单臂电桥然后将电桥输出的差分电压经过放大、滤波后将信号接入STM32 的ADC（PC1）端口。由于印刷工艺偏差导致4 个桥臂的电阻值大小存在一定零点漂移，在采集信号初记录其初始值，后面采集的数据与初始值作差提高数据的准确性，控制流程如图4所示。

图4 多通道应变系统原理

2.2 应变传感器性能测试

通道1应变传感器循环加载试验结果如图5 所示，包括不同的加载力和加载频率，共进行100 次循环加载卸载试验。在加载频率为100 Hz的情况下，对应变片施加5%、10%、15%三种不同的应变，测量应变传感器产生的电阻变化率（ΔR／R0）。如图5（a）所示，ΔR／R0的大小随着应变量的增大而增大。在应变为5%时，应变传感器的相对电阻变化约为5.0%，应变为10%时，电阻相对变化为8%，应变为15%时，电阻相对变化为10.5%。相同应变条件下，3次加载ΔR／R0的值基本相同。结果表明，所研制的应变传感器在循环加载试验下具有较好的动态响应和稳定性。对于不同加载频率下的加载力，相对电阻变化（ΔR／R0）如图5（b）所示，可以看出，在同样5%的应变下，加载频率提高了1.5倍，应变传感测得的ΔR／R0基本保持在5%。

图5 应变传感标定测试结果

为了进一步验证应变传感器的耐久性与重复性，在10%应变、加载频率100 Hz 的情况下，进行长期连续循环加载和卸载试验。试验时间约为16 200 s，共进行了100 个加载和卸载循环。图5（d）为相对电阻的变化响应，可以看出，在前20 个循环下电阻变化逐渐减小并趋于稳定，这可能归因于应变材料的机械迟滞，后面每个周期的电阻相对变化值几乎保持在相同的值7.5%左右。上述结果表明，该应变传感器具有良好的耐久性和可重复性，可长期使用。

应变传感器的温敏性至关重要，不规律的温度变化特性会给输出信号带来极大的干扰。在温度循环实验中，首先将应变传感器从20 ℃加热到60 ℃，然后再冷却到20 ℃，测试4 次。在温度循环的试验中，应变传感器测得的电阻相对变化如图5（c）所示。由此观察到应变传感器测量到的相对电阻变化也是随着温度的升高而增加，并且每个周期的最大值几乎保持相同为10.3%，说明了应变传感器随温度变化也呈现规律性变化。

2.3 力和温度传感特性

上一节针对印刷在PET上应变传感器的温度变化的特性进行了表征。为了能准确地测试应变，需要对应变传感器的温度进行补偿，否则在温度变化较大时干扰应变量值。为了方便应变电阻测试，设计了如图6（a）所示的惠斯通电桥电路来表征通道1 的温度补偿特性，其中4 个桥臂电阻均是由相同材料相同工艺制备而成，4 个电阻器对于温度敏感性一致，并且通过简单的调节电路中接入的阻值可以使得4个电阻器的阻值几乎相同减小印刷偏差。电桥中V ＋／V－用于接入5 V电压输入，Vg＋／Vg－用于输出差分电压，利用4个桥臂具有相似的温度特性来消除由于温度信号引起输出电压的波动。

图6 力和温度传感特性测试

首先，对传感器进行加热和施加力时的测试。由RF（应变片）和RT（温度补偿片）构成惠斯通电桥电路，可以通过测量未加输入电压时电桥中的RF和RT在温湿箱中（变温环境中）施加一定应变，可以作为参考验证温度和力对传感器的联合作用。将传感器由25 ℃加热至40 ℃，测量2 个电阻RF和RT产生的相对电阻，如图6（b）所示。当加热温度至35 ℃时，在应变片RF上施加10%的应变，然后释放。如图6（b）所示，当加热到35 ℃时，RF和RT的相对电阻变化分别增加到2.0%、1.95%，这2 个电阻的增量几乎相同。当在RF上施加10%的应变时，RF的相对电阻值显著增加到10.1%，而RT的相对阻值为2.1%。与RF相比，作用在RT上的力几乎可以忽略不计。在整个升温过程中2个电阻保持几乎完全一致的温度特性，因此在相同工艺下制备的补偿片基本上可以补偿温度对于输出电压的影响。

下面的实验验证了所设计的电路可以消除温度变化对输出电压的影响。如图6（c）所示，在温度为30 ℃，对应变片RF施加3次10%的应变，测量电路输出的电压分别为144，140，137.5 mV。随后在40 ℃时对应变片RF施加3 次10%的应变测量输出的电压变化基本与30 ℃相同，因此可以通过测量电路输出的电压来实现应变传感，并实现对于温度的补偿。

为了分析惠斯通电桥对于应变的电气响应，给电桥5 V激励，通过3个加载—卸载的机械循环对图6（a）所示单臂电桥进行了机电试验，其印刷电阻的参数为R0＝1.761 0 kΩ，R0＝1.755 0 kΩ，RF＝1.454 6 kΩ，RT＝1.527 5 kΩ。结果表明，惠斯通电桥的输出电压Vg随试样的机械变形而变化，其中Vg为减去电桥的初始值后除以输入电压后的值。如图7 所示单臂电桥显示了一个较高的灵敏度约为0.916 mV／V×ε，其R2＝0.962 98表明具备良好的线性度。

图7 单臂电桥的灵敏度

2.4 系统弯曲应变测试

基于丝网印刷多通道应变传感器，本文对每一个通道的应变片依次施加弯曲应变，测试结果如图8 所示，系统对于每个通道的应变展示了一个良好的响应。当对应通道的应变片产生弯曲时，由此应变片电阻变化率增大，打破电桥平衡输出电压发生改变，而其余不产生应变的通道其输出电压仍旧保持不变。系统中4个通道共用一个处理电路以减小系统的复杂性同时利用多路开关切换速度快（纳秒（ns）级）的优势在短时间内（本文切换时间设置为10 ms）获取每个通道的应变数据达到“并行输出”，以便于后续可以将该套系统应用于多点监测人体运动和健康的可穿戴设备中。

图8 多通道输出应变电压

3 结论

综上所述，通过丝网印刷制备了4 个应变单臂电桥，并利用系统中的多路复用开关控制对应通道的关断与导通。通过实验验证了印刷应变片在不同应变、频率下都具有良好的响应性、重现性。单个电桥在25～45 ℃之间具有良好的温度补偿作用，主要由于应变片与温度补偿片作为电桥的临臂两者具有基本一致的温度特性。最后将柔性电桥与硬件系统进行互联实现了信号的放大、滤波以及软件较零，并对每个通道进行了测试、验证，表明该系统对于应变具有良好的响应。本文研究中，柔性电路具有制备简单、可重复性高、成本低廉的特点，通过增加多路复用开关的数量和印刷桥臂来提高采集通道的数量将为可穿戴电子提供潜在的应用。