摘要
摘要
针对柔性应变传感器在人体健康检测等方面表现出卓越的特性，但在研究过程中
由于其制作成本比较高、制备过程比较复杂、灵敏度低等一系列问题，导致其应用及
发展受到一定程度的约束。因此，研究一种制作过程简单、价格便宜且能够大批量生
产的的柔性应变传感器成为一种需求。
本文提出了一种柔性传感器的制备方法，通过刮涂法制备了石墨烯柔性应变传感
器，然后对石墨烯柔性应变传感器的性能进行测试并对石墨烯柔性传感器在体运动中
的信号检测等方面展开研究。
本文主要研究内容如下：
（1）石墨烯柔性应变传感器测试系统的搭建。石墨烯柔性应变传感器实验系统包
括硬件及软件设计。通过SolidWorks软件绘制了测试所需要的夹具及稳定性测试仪，
并通过3D打印制备了所需夹具，满足实验条件。通过LABVIEW软件编写上位机程
序，对石墨烯柔性应变传感器进行信号的采集、处理与分析以及信号的存储。最后，
为了降低信号采集在过程中噪声对信号的影响，介绍了三种不同的滤波电路。此外，
设计了运算放大电路，并通过NIMultisim软件进行仿真验证。
（2）针对柔性传感器制备过程复杂、耗能，制备成本高等问题，采用刮涂法分别
制备了浓度为1%，3%，5%的石墨烯柔性应变传感器，并通过SEM对石墨烯柔性应变
传感器表面形貌进行表征。最后，针对不同浓度的石墨烯柔性传感器的应力-应变、灵
敏度以及稳定性性能进行测试。结果表明：采用刮涂法得到的PDMS/GNP复合材料是
均匀的，没有出现聚集现象。对于不同浓度下石墨烯柔性应变传感器的应力与应变呈
现良好的线性关系，其线性相关系数分别为0.99706，0.99819，0.99826。石墨烯浓度
为1%，3%，5%，柔性应变传感器的灵敏度分别为24，6，3。随着石墨烯含量的增加，
灵敏度逐渐降低。此外，通过100次循环拉伸/放缩实验，石墨烯柔性应变传感器具有
较好的稳定性。
（3）通过刮涂法制备了三种浓度相同而厚度不同的石墨烯柔性应变传感器并通过
M330-HK830显微镜对其表面形貌进行特征描述。然后对三种不同厚度的柔性应变传
感器分别进行应力-应变性能、弹性模量、韧性、灵敏度及温度对其性能的影响。结果
表明：随着基底厚度的增加柔性传感器的应变范围先降低后增加，弹性模量先增加后
降低，韧性随着基底厚度的增加先降低后增加。三种不同厚度下的石墨烯柔性应变传
感器灵敏度相差不大，表明改变基底厚度不会影响石墨烯柔性应变传感器的灵敏度。
而随着温度的升高，石墨烯柔性应变传感器电阻变化率逐渐增大。
（4）通过将石墨烯柔性应变传感器贴附在人体膝盖、手指关节、咽喉和手腕等部
位，对人体运动进行检测，并通过傅里叶变换分析采集到的信号频谱图。结果表明：
通过傅里叶变换对采集的屈膝信号进行频谱分析，通过滤波去除高频噪声信号。石墨
烯柔性应变传感器对人体屈膝运动、手指关节运动、人体声音说话以及手腕弯曲运动
I
西安工程大学硕士学位论文
进行检测，随着人体重复运动，得到了具有周期性的运动信号波形图，该石墨烯柔性
应变传感器可以检测人体运动状态。
关键字：柔性传感器；石墨烯；性能；厚度；人体运动
论文类型：应用研究
II
目录
目录
第1章绪论1
1.1引言1
1.2柔性传感器材料介绍2
1.2.1基底材料2
1.2.2导电材料2
1.3柔性传感器的分类及制备方法3
1.3.1柔性传感器的分类3
1.3.2柔性传感器的制备方法5
1.4柔性应变传感器的应用8
1.4.1健康监测8
1.4.2运动监测9
1.4.3人机交互9