1.课题背景

1.1关于“科探方舟”

  在当下教育致力于培养学生创新与实践能力的大趋势下，徐州一中与中科院京区科协携手推出了 “科探方舟” 项目，这一项目承载着为学生搭建优质实践平台、深度挖掘并培养学生科研兴趣与能力的重要使命。“科探方舟” 以探究性科学实验装置为支柱，在专业探究课程专家的指导下完成 “小课题研究” ，帮助同学们涵养科学精神、提高科学素养。

该项目开展形式极为多元，线上部分，学校依托精心设置的探究性学习导论等课程，这些课程内容涵盖科学研究的基本方法、学术规范以及前沿科学知识等。学生可在课余时间，依据自身学习节奏登录线上学习平台，通过观看教学视频、参与线上讨论等方式，自主学习科学研究相关知识。线下，则主要以小组合作形式开展课题探究实验，项目覆盖了生物、物理、化学等多学科领域。

“科探方舟” 让同学们从书本知识走向实际科研，学会提出问题、解决问题，团队协作能力也大幅提升。主要目的在于培养学生的创新思维、合作精神、沟通能力，以此提高科学素养。高中是培养学生创新思维的黄金时期，而小课题研究又是一项缜密的科学实验活动，应该让同学们从高中开始，就养成像科学家一样思维的习惯。通过自主学习、动手实验、成果汇报和答辩的形式，达到开阔视野、启迪灵感、增强创新意识和动手实践能力，提高综合科学素养，为将来成为未来社会急需的创新型人才打下基础。如今，“科探方舟” 已成为徐州一中特色教育标志性项目，为学生打开科学实践之窗，激励着一届又一届学生在科研中突破自我，源源不断地为中国科技事业注入新生力量。

1.2课题研究背景

柔性压力传感器广泛应用于可穿戴设备^[1]、电子皮肤和人机交互等领域。其性能如灵敏度、线性度、迟滞和重复性等直接影响其应用效果。本研究通过制作不同尺寸的柔性压力传感器，探究传感器面积对其压电性能的影响，进一步理解传感器的基本工作原理及相关应用参数。在课题研究前我进行了一些相关基础知识的普及：

（1）柔性压力传感器^[2]：一种能够弯曲和变形的传感器，通常由柔性材料制成，可以感知压力变化并将其转换为电信号。

（2）压敏导电纸：柔性传感器的核心材料，当外界施加压力时，其内部的微观结构发生变化，导致电阻值变化。

（3） 压阻效应：传感器根据外力作用下电阻的变化来感知压力的变化。

（4）灵敏度：指传感器输出相对变化（如电阻或电压变化）与输入压力变化之间的关系。高灵敏度意味着小压力变化即可导致显著的电信号变化。

（4） 线性度：衡量传感器输出信号与输入压力之间的线性关系程度。

（6） 迟滞：传感器在加载与卸载过程中输出信号的差异。

（7） 重复性：指在多次相同的条件下，实验中传感器能否产生一致的输出信号。

（8）分辨力/分辨率：传感器能够检测到的最小压力变化。

1.3研究目的及意义

本研究探讨传感器的尺寸大小^[3]对柔性压力传感器性能的影响，特别关注灵敏度和线性度等指标，探析这些参数的变化如何影响传感器在不同应用场景中的表现。假设传感器的面积增大会导致灵敏度的增加，但线性度可能会受到影响。尺寸大小可能会影响传感器的迟滞和重复性。

通过设计和制作不同尺寸的柔性压力传感器，测试其压电性能，探讨传感器尺寸对其灵敏度、线性度、迟滞和重复性的影响，优化传感器设计。深入了解传感器尺寸对传感性能的影响有助于优化柔性传感器的设计，使其在可穿戴设备、智能机器人等领域中的应用更加高效和精准。

2.实验过程

2.1 柔性压力传感器的制作

2.1.1 材料准备

柔性压力传感器的制作需要以下材料：

压敏导电纸: 尺寸为1.5cm x 1.5cm。压敏导电纸是传感器的核心敏感材料，它在外界压力作用下能够改变其电阻值，从而实现压力检测。

铜箔胶带: 需要裁剪成1.3cm x 1.3cm的方形，其中一侧的接线端应延长至6.0cm，以便于连接和信号输出。铜箔胶带的作用是作为电极，与压敏导电纸形成电路，从而读取电阻变化。

PET薄膜: 尺寸为3.5cm x 3.5cm。PET薄膜起到支撑和隔离的作用，确保传感器的结构稳定，并防止上下两层铜箔直接接触导致短路。

2.1.2 制作步骤

裁剪材料: 首先使用直尺和剪刀裁剪出所需尺寸的压敏导电纸（1.5cm x 1.5cm）和铜箔胶带（1.3cm x 1.3cm），确保铜箔胶带的接线端长为6.0cm。裁剪前，可以在铜箔胶带背面的离型纸上绘制好所需裁剪的形状以提高精度。

铜箔胶带固定: 将裁剪好的铜箔胶带固定粘贴在PET薄膜的中心位置。铜箔胶带应略小于压敏导电纸的尺寸，避免上下两层铜箔直接接触而发生短路。固定时要确保铜箔胶带接线端的方向一致，便于后续电路连接。

传感器组装: 将裁剪好的压敏导电纸放置在PET薄膜上的铜箔胶带之间，使其类似于夹心饼干的结构。然后使用双面胶将上下两层PET薄膜的边缘粘合，确保压敏导电纸在中间固定。这种夹层结构有助于增强传感器的灵敏度和稳定性。组装完成后，确保压敏导电纸和铜箔胶带之间没有松动。

2.2 装置搭建

2.2.1 硬件部分

电路搭建^[4]: 使用Arduino UNO开发板与柔性压力传感器连接，以便采集电阻数据。连接时，传感器与一个已知阻值的电阻构成分压电路，用于测量传感器的电阻变化。具体连接如下：

传感器的一个接线端连接Arduino UNO板上的接地端（GND）。另一个接线端同时连接到已知电阻的一端以及Arduino UNO板上的模拟输入引脚（A0）。已知电阻的另一端连接到Arduino UNO板上的5V电压引脚。这样的电路设计可以将传感器的电阻变化转换为电压变化，并通过模拟输入引脚进行读取。

2.2.2 软件部分

安装Arduino开发环境: 访问Arduino官方网站（https://www.arduino.cc/ en/Main/Software ?setlang-cn）下载适用于Windows系统的Arduino软件安装包，并根据提示进行安装。在安装过程中，确保正确安装Arduino的驱动程序。

开发板连接和测试: 将Arduino UNO开发板通过USB线连接到电脑。打开Arduino开发环境，选择工具菜单中的开发板类型为“Arduino/Genuino UNO”，并选择正确的端口号（通常为COM端口）。载入基础的“Blink”程序，上传到开发板，并观察连接到13号引脚的LED是否每隔1秒闪烁一次。此步骤旨在验证Arduino开发板与电脑之间的连接是否正常，并确保硬件和软件均能正常工作。

2.3 正式实验

2.3.1 实验准备

将柔性压力传感器使用双面胶固定在水平桌面上，以确保传感器在实验过程中不会移动。使用美纹纸胶带固定传感器的接线端，避免接线端在实验过程中晃动，从而影响传感器的读数。打开Arduino开发环境的串口监视器，等待约2分钟，确保传感器读数相对稳定。此时可以记录下无外加压力时传感器的基准电阻值。

2.3.2 实验步骤

初始加载: 将一个圆形垫板和空的圆柱形塑料容器依次叠放在传感器的上方，确保圆形垫板的圆心对准传感器的中心。等待约2分钟后，记录传感器的电阻值作为初始加载值。

逐步加载: 逐次向塑料容器中加入已知重量的水或沙子（例如每次100g）。每次加载后，等待约2分钟，直至传感器的电阻值稳定。使用Arduino开发环境的串口监视器读取并记录此时的电阻值。

卸载实验: 如果需要研究传感器的迟滞特性，可以逐步移除加载。每次移除100g左右的水或沙子，等待传感器的电阻值稳定后读取并记录。

2.4公式分析

公式1: 灵敏度公式^[5]

其中，为电阻变化量，为初始电阻值，为施加的压力变化。

公式2: 线性度误差

其中，为输出量与拟合直线的最大偏差， 为满量程输出。

公式3: 迟滞

其中，为最大迟滞误差，为满量程输出值。

公式4: 重复性误差

其中，为最大不重复误差，为满量程输出值。

3.代码实现

下面是用于采集传感器数据的Arduino代码示例：

```cpp

// Arduino代码示例，用于柔性压力传感器的数据采集

const int sensorPin = A0; // 压力传感器连接到模拟输入A0

const float knownResistor = 10000.0; // 10kΩ已知电阻

void setup() {

Serial.begin(9600); // 初始化串口通讯

}

void loop() {

int sensorValue = analogRead(sensorPin); // 读取传感器电压

float sensorVoltage = sensorValue (5.0 / 1023.0); // 将传感器值转换为电压

float sensorResistance = (knownResistor (5.0 - sensorVoltage)) / sensorVoltage; // 计算传感器电阻

Serial.print("Sensor Resistance: ");

Serial.print(sensorResistance);

Serial.println(" ohms");

delay(1000); // 每秒读取一次

}

4.实验结果分析

本研究通过柔性压力传感器的实验数据，系统分析了传感器电阻随外加压力变化的趋势。以下是实验结果的详细分析：

灵敏度: 通过计算电阻变化率随压力变化的斜率，得出不同尺寸传感器的灵敏度<sup>[6]</sup>。结果显示，较大面积的传感器在低压力下表现出更高的灵敏度，然而在高压力下，这种优势逐渐减弱。

线性度: 通过拟合电阻变化与施加压力之间的关系曲线，评估传感器的线性度。实验结果表明，随着传感器尺寸的增加，线性度可能会有所下降，特别是在高压力条件下。

迟滞现象: 通过对比加载和卸载过程中传感器电阻变化，分析迟滞现象。数据表明，传感器尺寸增大会导致迟滞效应更明显，这对传感器的精度和可重复性产生一定影响。

重复性: 在相同条件下多次加载和卸载后记录电阻值，评估传感器的重复性。实验发现，较小尺寸的传感器表现出更好的重复性，而较大尺寸的传感器在多次实验中的电阻变化较大。

5.结 论

实验数据表明，柔性压力传感器的面积对其性能有显著影响：

灵敏度: 传感器面积的增大通常会提高灵敏度，特别是在低压力条件下。较大的传感器提供了更大的接触面积，能够更敏感地响应施加的压力变化。

线性度: 随着传感器面积的增加，线性度有可能下降。较大的传感器在高压力下的电阻变化可能不再保持线性，这会限制其在高精度测量中的应用。

重复性: 较小面积的传感器表现出更高的重复性，这可能是由于较小的敏感区域更容易保持均匀的压力分布，减少了随机误差的影响。

迟滞现象: 面积增大的传感器在加载和卸载过程中表现出明显的迟滞现象。这种现象可能源于大面积传感器的结构形变或材料特性，在实际应用中需要特别注意。

6.讨 论

本研究结果与现有文献中的类似研究结果基本一致，即传感器面积增大会提高其灵敏度，但同时也可能导致线性度下降和迟滞效应增加。例如，梅海霞等人<sup>[7]</sup>发现增加传感器的厚度或使用多层结构可以有效提高灵敏度，而不显著影响线性度。相比之下，本研究中观察到的较大传感器迟滞效应更为明显，这可能与所使用的材料和结构设计有关。

6.1本研究的优缺点及改进建议

优点: 本实验成功验证了传感器尺寸对其性能的影响，并采用不同的可视化方法展示了数据的变化趋势。通过对不同尺寸传感器的灵敏度、线性度、迟滞和重复性进行系统分析，为优化传感器设计提供了有价值的数据。

缺点: 本实验主要关注传感器尺寸对其性能的影响，而未考虑材料特性、厚度、传感器形状等因素的综合作用。此外，实验中的数据采集方法相对简单，存在一定的测量误差。

改进建议: 可以通过使用高精度的数据采集系统和更复杂的实验设计来提高实验的准确性。例如，采用多次重复测量并取平均值的方法，以减少随机误差的影响。此外，可以引入不同材料或多层结构的传感器进行对比研究，以进一步探索如何在提高灵敏度的同时保持良好的线性度和重复性。

6.2下一步研究方向

下一步的研究可以集中在以下几个方面：

材料选择: 研究不同材料（如石墨烯、碳纳米管、导电聚合物等）对传感器性能的影响，探索其在提高灵敏度和线性度方面的潜力。

传感器结构设计: 探索不同形状和层次结构的传感器（如多层结构、微纳结构）的性能，分析其在不同压力条件下的表现。

数据采集和信号处理: 开发更先进的数据采集系统和信号处理算法，提高数据的准确性和实时性，减少迟滞效应和其他非线性因素对测量结果的影响。

参考文献

[1] 宋锐,罗海军,王雪.用于人体运动监测的微球结构柔性压力传感器[J].传感器与微系统,2024,43(08):83-86.DOI:10.13873/J.1000-9787(2024)08-0083-04.

[2] 宿荣芳,文心仪,王俊,等.智能可穿戴柔性压力传感器的研究进展[J].材料工程,2024,52(08):98-108.

[3] 杨焜宇,郭伟东,尹锡轩,等.基于STM32的柔性传感器信号检测系统研究[J].现代信息科技,2024,8(12):178-182+187.DOI:10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.12.038.

[4] 侯星宇,郭传飞.柔性压力传感器的原理及应用[J].物理学报,2020,69(17):70-85.

[5]李凤超,孔振,吴锦华,等.柔性压阻式压力传感器的研究进展[J].物理学报,2021,70(10):7-24.

[6]于江涛,孙雷,肖瑶,等.压阻式柔性压力传感器的研究进展[J].电子元件与材料,2019,38(06):1-11.DOI:10.14106/j.cnki.1001-2028.2019.06.001.

[7]梅海霞.基于压敏硅橡胶的柔性压力传感器及其阵列的研究[D].吉林大学,2016.