电容传感器

背景介绍

  去年，博后师兄从新西兰购买了一款电容传感器，能够对大变形进行测量，可以用来人体动作捕捉，在智能穿戴、医疗复健等领域具有广阔的应用前景，本推文对相关内容进行介绍，具体如下图所示：

  电容传感器主要包含两部分内容：1、传感器部分：师兄对电容传感器进行了优化改进，减弱了外界电场对传感器性能的影响，提高了传感器的可靠性与稳健性，并且对传感器加工工艺进行了优化，实现了批量化生产，具有相对较低的成本~；2、数据采集模块：能够对电容的变化量进行测试，通过相应的蓝牙模块，实现传感器与手机APP之间的数据共通；

补充材料

1、电容传感器简介

  传感器的尺寸可以定制，实验测试中传感器的长度为10cm，宽度为2cm，左下图表述传感器伸长量与电容之间的关系，从图中可知，随着传感器不断伸长，电容逐渐增大，两者之间呈现明显的非线性关系，分析可知材料泊松比是产生非线性主导因素（有兴趣了解具体推导过程可以在后台留言），后期对导电编织材料进行优化设计，可以有效地避免该情况的发生，提高传感器的线性度。

  电容传感器结构简单，动态特性好，能够对位移、压力等信号进行测试，其电容大小主要与介电系数、极板重合面积以及平行板之间的距离有关，具体为：

当传感器拉伸变形后，其电容变化为：

从上式可知，传感器的灵敏系数与介电层跟极电层的泊松比有关，具体为：

2、传感器性能指标：

  本部分对电容传感器静态特性和动态特性进行了验证，为传感器在实际生活中的提供前期的技术支撑（医疗监护、智能穿戴等），主要验证的指标有：可拉伸性、灵敏度（GF）、线性度、反应时间、循环特性、零点漂移、过载特性等，具体内容如下所示：

  上图为电容传感器的实物图；下图为传感器测试过程原理简图，首先，把传感器夹持在拉伸机两端，开始试验时，一方面控制拉伸机夹头缓慢的上升，导出位移、载荷等测试数据，另一方面通过专用的仪表对电容数据进行实时测试。

  传感器主要由导电布和介电介质两种材料构成，左图表述发生120%后，各种材料变形后的轮廓示意图，从图中可以看出，由于泊松比的影响，拉伸后试样呈现明显的颈缩现象，实验中通过添加Ecoflex胶水，对织物的力学性能进行调控，改变其泊松比，使得传感器拉伸变形后截面尽可能保持一致。

  从测试结果可知，传感器在100%的变形下具有非常好的线性度，并且具有相对较好的可重复性（随着循环周次的不断增加，电容变化量会有些许的减小）

  左图表述在施加动态载荷（速度为24mm/s）后，电容传感器的响应结果，从图中可以看出，传感器的输出信号具有些许的滞后效应；右图表述不同外载荷频率（1-30Hz）作用下，传感器输出信号的幅值情况，从图中可以看出，信号输出幅值与外载荷频率基本无关，具有良好的测试效果。

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  附1：柔性传感器具有广阔的应用前景，在医疗看护，远程诊断等，大大提高了病人信息采集的难易程度，具有人性化等特征。