1.课题背景

1.1“科探方舟”

“科探方舟”项目以探究性科学实验装置为核心支撑，组织学生在专业探究课程专家的指导下开展 “小课题” 研究工作，为学生构建了一个实践与探究的 “微型科学实验室”。

该项目是一套探究性学习的 “教具集成包”，每套教具盒均配备与课程相配套的线上课程以及特制教具。通过 “科学导师 + 线上课程 + 动手探究实验” 的模式，助力学生探索科学奥秘。

课程研发覆盖基础科学、生命科学、工程技术、资源环境、人文科学、未来科学技术等六大领域，设置十个不同方向的课题。学生能够完整地体验选题、研究、结题、评价、展示等科研流程，并接受科学方法、文献综述、课题申报、科学表达以及论文撰写等方面的系统学术训练。

此项目有助于培育学生的创新思维与合作精神，提升学生的科学素养，引导学生转变学习方式，养成创新思维习惯，契合学校 “明德笃学、力行尚美，培养创新型人才” 的育人目标，为国家创新型人才培养贡献力量。

1.2课题简介

传感器作为一种信息检测与传递的装置,能够把被测量的信息按一定规律和方式转换成电信号或其他形式的信号输出,从而实现信息的收集、传输、处理、分析、显示等。压力传感器是将外界的压力信号转换成其他便于检测的物理信号(如电阻电压、电容等)，以测试绝对压力值或压力变化。压力传感器在触觉感知、指纹识别、医疗监护、人机界面、物联网等领域有着广泛的应用前景。传统压力传感器以金属、半导体、压电晶体等为主，这些材料大多属于刚性材料。虽然采用这些材料制备压力传感器的技术已经十分成熟，能够精确测量较大范围内的压力值，但是随着科技的发展和人类需求的提高,其缺点也越来越明显，例如器件体积较大、较重，不能承受较大的形变等。这些缺点阻碍了它们在柔性人机交互、便携式检测、智能机器人等场景下的应用。与传统的刚性压力传感器相比,柔性压力传感器因其材料具有可弯曲、可变形的特点,在许多方面有广泛的应用。例如它可以用于可穿戴电子设备中，监测人体的脉搏、心跳等生理信号。同时，它还是机器人具备触觉感知能力的重要元件。在假肢表面贴附柔性压力传感器，有望使肢体残疾人士恢复触觉。还可以把传感器和衣物相结合，既能够实时监测人体的健康和运动信号，又简化了使用过程。

2.实验过程

2.1实验内容

课题一:不同传感器大小对传感器传感性能的影响研究

实验目的:通过亲手制作柔性压力传感器，探究传感器面积对柔性压力传感器压电性能的影响，以便于更好地理解传感器的基本工作原理以及传感器应用需考虑的如灵敏度、分辨率、偏差等重要参数的意义。

自变量:传感器尺寸大小

因变量:灵敏度、线性度等(如果做卸载实验，还可以讨论“迟滞”和“重复性”两个指标)

课题二:不同压敏导电纸层数对传感器传感性能的影响研究

实验目的:探究压敏导电纸层数对柔性压阻式压力传感器压电性能的影响，为传感器的优化设计提供参考。

自变量:压敏导电纸层数

因变量:灵敏度、线性度、可测压力范围等(如果做卸载实验，还可以讨论“迟滞”和“重复性两个指标)

课题三:柔性压阻式压力传感器的应用--以手指点击力测试为例

实验目的:探索柔性压阻式压力传感器在实际应用中的性能。以鼠标手指点击力测试为例，鼠标内的微动开关需要一定大小的力才能被触动工作。这个力到底有多大?食指点击鼠标左键和中指点击鼠标右键的力度差别大吗?下面让我们用自制的柔性压阻式压力传感器测试一下。

2.2结果分析

本实验聚焦柔性压力传感器，通过改变传感器大小与压敏导电纸层数制作多种传感器，利用 Arduino UNO 板采集电阻数据展开研究。结果显示，1.5cm1.5cm 大小、1 层压敏导电纸的传感器线性度良好（eL=7.44%）且稳定，迟滞仅 2.69% ；1.5cm1.5cm 大小、3 层压敏导电纸的传感器综合性能最佳，线性度最小、迟滞较低、灵敏度最高。该成果为柔性压力传感器实际应用提供理论依据。此外，经调整装置，测量了鼠标左右键点击力，验证了实用性。

3. 课题报告

性压力传感器制备及其性能研究

史雨函 刘宇轩 林学润 张宝嫱

【摘要】本实验旨在研究柔性压力传感器的制备和提高其性能的方法。从传感器大小和层数两方面出发，制作柔性压力传感器，用笔记本电脑连接Arduino UNO 板采集电阻数据，展开实验。结果表明：1）控制压敏导电纸层数为1层，其中1.5cm*1.5cm大小的柔性压力传感器具有良好的线性度（eL=7.44%），且较为稳定，迟滞仅为2.69%。2）控制柔性压力传感器大小为1.5cm*1.5cm，压敏导电纸为1层及3层时数据较为稳定。结果提示，本实验条件下，柔性压力传感器较小时，数据不准确，较大时虽然精确度高但电阻大小不稳定；压敏导电纸层数适当可提高装置性能，降低线性度。

【关键词】柔性压力传感器、传感器大小、压敏导电纸层数、线性度、性能

1 引言

1.1 传感器的定义

传感器是能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求的检测装置。传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，是人类五官的延长，是实现自动检测和自动控制的首要环节。其中，由压力敏感元件和信号处理单元组成的压力传感器能感受压力信号，并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的电信号输出。

1.2 柔性压力传感器的优点

传统压力传感器以金属、半导体、压电晶体等为主，这些材料大多属于刚性材料。虽然采用这些材料制备压力传感器的技术已经十分成熟，能够精确测量较大范围内的压力值，但是随着科技的发展以及人类需求的提高，其缺点也越来越明显。例如器件体积较大、较重，不能承受较大的形变等。这些缺点阻碍了它们在柔性人机交互、智能机器人、便携式检测等场景下的应用。相比之下，柔性压力传感器因其材料具有可弯曲、可变形的特点，而且结构形式灵活多样，能够适应复杂的非平整的表面，因此可根据测量条件的要求任意布置，对复杂被测量进行检测。

1.3 柔性压力传感器的研究现状

近年来，柔性压力传感器在触觉感知、指纹识别、医疗监护、人机界面、物联网等领域有着广泛的应用前景。可见，研究柔性压力传感器具有重要意义。目前，西北工业大学黄维院士团队王学文教授课题组的研究提出了基于应变效应的新型压力传感器，在45Pa至4.1MPa的压力范围内表现出稳定的正电阻响应，且灵敏度随压力增大而增长，打破了柔性压力传感器在高灵敏度和广泛压力检测范围之间的制约关系。清华大学深圳国际研究生院的科研团队设计出基于毛发状微结构的高灵敏脉搏检测柔性传感器，兼具高灵敏度和宽压力监测范围。但关于影响柔性压力传感器性能的因素的研究较少。

1.4 实验目标

本实验创新性地采用了Arduino搭建电阻数据采集系统进行多次实验，旨在探究柔性压力传感器大小与压敏导电纸层数对传感器线性度、迟滞、灵敏度等性能的影响，为实际应用提供有效理论基础。

2 实验材料

铜箔胶带、压敏导电纸、PET薄膜、双面胶、铅笔、直尺、剪刀、胶带、记号笔、Arduino UNO板、导线、10kΩ电阻、电子秤、圆形垫板、1000ml烧杯、100ml量筒、笔记本电脑（未展示）

实验材料展示如下：

3 实验过程

3.1 柔性压力传感器的制作

以1.5cm*1.5cm大小，压敏导电纸为1层的传感器制作为例，首先借助直尺、铅笔、记号笔和剪刀裁剪一块边长为1.5cm的正方形压敏导电纸，然后裁剪两块边长为1.3cm（铜箔尺寸应略小于压敏导电纸的尺寸，避免上下两层直接接触造成短路），接线端长6.0cm的铜箔胶带，再裁剪2块边长为3.5cm的正方形PET薄膜（PET薄膜尺寸应略大于压敏导电纸的尺寸，保证压敏导电纸放置在PET薄膜中心位置时，其各个边到对应的PET薄膜的边的距离大于5mm，上以5mm为例），最后以PET薄膜-铜箔胶带-压敏导电纸-铜箔胶带-PET薄膜的顺序用双面胶粘贴，并用胶带固定在桌面上，注意保留铜箔胶带接线端背面的离型纸。

成品如下：

同理，制作1.0cm*1.0cm、2.0cm*2.0cm大小，压敏导电纸层数为1层；及1.5cm*1.5cm大小，压敏导电纸层数分别为1层、2层、3层、4层、5层的柔性压力传感器。

3.2 电阻数据采集系统的搭建-硬件部分

连接电路，传感器一接线端与Arduino板上的接地电极（GND）连接，另一接线端同时连接电阻一端与Arduino板上的模拟引脚A0，电阻的一端与Arduino板上的5V电压引脚连接。

如下图所示：

3.3 电阻数据采集系统的搭建-软件部分

下载Arduino的Windows安装包，根据系统提示安装。将UNO开发板和电脑用USB线连接，然后观察屏幕右下角是否提示驱动安装成功（如果失败可到官网搜索查看解决办法）。双击桌面图标启动Arduino，选择开发板的类型：工具-开发板-Arduino，并选择端口号：工具-端口-COM“Arduino”，使IDE编译代码发送到Arduino UNO开发板上。

载入Blink程序并运行，若与13号引脚相连的LED闪烁，则表明Arduino的硬件和软件均工作正常。

3.4 传感数据的采集

在电脑上启动Arduino IDE，新建文件，在程序编辑窗口粘贴如下代码：

const float referenceVolts=5.0;

const int voltagePin=0;

void setup(){

Serial.begin(9600);//波特率设置为9600

}

void loop(){

Serial.print("R:\t");

int val=analogRead(voltagePin);

float volts=(val/1023.0)*referenceVolts;//输出柔性压力传感器的两端电压

float R1=10000.0;

float R2=R1*volts/(5.0-volts);//计算柔性压力传感器的电阻

Serial.println(R2);//输出柔性压力传感器的电阻

delay(1000);//等待1000ms，可根据实际测量需求自行设置

}

保存程序到电脑（注意程序文件名称与所存储的文件夹名称尽量用英文，以避免程序运行时报错），点击编译按钮，若未出现“编译成功”则需根据提示查找并修复存在的问题。编译成功后，上传程序。

打开串口监视器，设置波特率为9600，用手指按压压力传感器，若发现传感器阻值随着压力的增大而减小，则说明传感数据采集系统正常工作，否则应检查电路是否连接良好。

3.5 数据采集方法

在不施加载荷的情况下，打开串口监视器，等待2min后读数（使读数相对稳定，传感器数值会在一个小范围内来回波动，读取中间值即可）。等待期间，用电子秤称量圆形垫板与烧杯的总质量，适量加水，调整质量达到100g，第一次读数后施加载荷，等待2min。等待期间用量筒量取100ml清水（约100g），第二次读数后将水加入到烧杯中，等待2min。

此后重复进行加载100g-等待2min-读数-加载100g，记录下数据（电阻R）。加载后进行卸载实验，重复卸载100g-等待2min-读数-卸载100g，记录数据。

3.6 数据的记录与处理

经过长时间的多次实验，我组分别测量了1.0cm*1.0cm、1.5cm*1.5cm、2.0cm*2.0cm大小，压敏导电纸层数为1层；及1.5cm*1.5cm大小，压敏导电纸层数分别为1层、2层、3层、4层、5层的柔性压力传感器的加载-卸载实验数据，记录在Excel中，计算电阻R（Ω）对应的电导（1/Ω）数值，下面将对数据进行分析。

4 实验结果分析与结论

4.1 传感器的静态特性

①线性度：为了应用上的方便，在总体误差允许的条件下，用拟合直线近似地代表实际曲线，实际输出量与输入量的特性曲线与拟合直线之间的最大偏差称为线性度，即

eL=±△max/yFS×100%

式中

eL——线性度

△max——输出平均值与拟合直线之间的最大偏差

yFS——理论满量程输出值

②迟滞：传感器在正向和反向行程中输出-输入特性曲线不重合的程度称为迟滞，即

eH=±Hmax/yFS×100%

式中

eH——迟滞

Hmax——正向和反向行程间输出的最大绝对误差值

③灵敏度：传感器输出量的变化量△y与引起该变化量的输入量的变化量△x之比，该常数值等于传感器特性曲线的斜率。

4.2 传感器的特性曲线研究

以1.5cm*1.5cm大小，压敏导电纸层数为1层的实验数据为例。

由此可见，电导-载荷图像更具有良好的线性度，由此得到斜率k=0.0013，计算出灵敏度S=0.000030（Ω·kPa）^-1，线性度eL =7.44%，迟滞eH =2.69%，同理，计算并整理其余实验数据。

4.3 传感器大小对传感器传感性能的影响研究

控制压敏导电纸层数为1层，改变柔性压力传感器大小，数据记录在下面的三线表中：

可见，当传感器大小为1.5cm*1.5cm时，传感器的线性度最小，迟滞最小，灵敏度最大，因此具有最好的静态特性。可以证明当传感器面积较小时，数据不准确；而传感器面积较大时，虽然数值更为精确但变得及其不稳定。所以选取传感器时，面积不宜过大，也不宜过小。

4.4 压敏导电纸层数对传感器传感性能的影响研究

控制传感器大小为1.5cm*1.5cm，改变压敏导电纸层数，数据记录在下面的三线表中：

经过分析得出，压敏导电纸层数为1层时迟滞最小，说明此时数据比较稳定，而2层迟滞数据增加到29.95%，说明在此情况下需要对装置进行更精细的校准。4层与5层的灵敏度较1、2层有明显提高，但准确性较低。最后可以发现，压敏导电纸数为3层时线性度最小、迟滞较低、灵敏度最高，在这5组数据中综合性能最佳。

4.5 关于实验问题的分析

①实验误差问题：传感器灵敏度较高导致人为误差较大，误差在几十到几千欧姆不等。若在加载后2min时读数，电阻仍波动地下降，读数并不十分准确。

【解决办法:延长等待时间，多次进行测量实验】

②数据波动问题：在进行卸载时，需要将烧杯拿下圆形垫板倒水再放回测量，这就导致电阻数据急剧增大，后又再次波动地下降，需要较长时间才能下降至真实值附近。

【解决办法：使用移液装置，卸载时不移动烧杯】

③公式计算问题：电导-压强拟合直线的斜率 k值过小，并且误差较大，数据处理不方便，难以得出直线的函数公式。

【解决办法：在本实验中，当传感器受压面积一定时，压强与载荷成正比，因此可用电导-载荷图像的拟合直线公式辅助计算电导-压强的拟合直线公式】

5 应用测试及未来计划

5.1 测量鼠标左右键点击力

完成上述实验后，我组对装置进行了进一步调整，得到了较为准确的计算公式，已经可以投入实际测量。我组决定，通过测量鼠标左右键点击力的大小以验证装置的实用性。

经过测量，共得出三组有效数据，并通过不同装置对应公式计算出点击鼠标的压力大小：

其中1、2号鼠标属于市面上多使用的0.74N微动开关型号，第一组数据存在约0.1N的测量误差，而第二组数据十分精确，考虑到按动压力应略大于微动开关触发力，其与实际压力极其接近。3号鼠标为1.47N微动开关型号，所测量出的数据均在正常范围内。

5.2 未来计划

首次测量实践较为成功，我组成员对运动健康领域产生了浓厚的兴趣，并交流了各自的想法，比如在跑鞋中加入柔性压力传感器以监测跑步者的步态、足底压力分布等信息，将跑步数据传输到手机APP上进行分析，帮助跑步者了解自己的跑步姿势和习惯，预防运动损伤。同时，这些数据也为跑鞋的设计和改进提供支持。这些设想很有研究意义，并且有商业前景，但目前仍然无法解决实验装置昂贵的问题。未来，我组将在柔性压力传感器的材料选择和应用方面进行进一步的研究。

6 总结与展望

通过本次对柔性压力传感器的研究，我们发现传感器大小为1.5cm*1.5cm，压敏导电纸层数为3层时传感器的综合性能最好。这次难得的科探机会培养了我们的科学探究精神，增强了成员们的合作探究能力，在此，我对给予大力支持的校方和悉心教导我们进行实验的郑老师表示衷心的感谢，同时对有序组织实验的组长和积极配合的组员们表示感谢。未来，我们会继续研制出综合性能更好的柔性压力传感器，并尝试更好减小误差与处理数据波动的方法，为其在运动健康领域的应用提供理论支撑，让科技走进千家万户，让更多人了解柔性压力传感器。

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