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服役载荷作用下界面损伤导致柔性电极信号漂移机理及校正方法

批准号:
12072323
项目类别:
面上项目
资助金额:
62.0 万元
负责人:
朱海斌
学科分类:
实验固体力学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
朱海斌

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
柔性电极传感器受复杂循环力作用会产生信号漂移,目前尚不清楚这类传感器力致信号漂移的机理,缺乏表征服役载荷与信号漂移的关系模型。因此无法发展有效的信号漂移校正方法。项目以柔性电极/皮肤界面为研究对象,研究服役载荷影响界面损伤以及损伤影响电信号的机理和规律,进而以界面损伤为桥梁,建立服役力载荷与柔性电极电信号漂移的定量关系模型,并基于模型发展对应的信号漂移校正方法。项目主要研究内容包括:1)柔性电极/皮肤界面复杂加载及损伤测量实验系统研制;2)服役载荷作用下柔性电极/皮肤界面损伤规律实验研究;3)损伤导致柔性电极/皮肤界面电压信号漂移模型研究;4)长期服役条件下柔性电极/皮肤界面电压信号校正方法研究。项目将研制一类可用于对柔性电极/皮肤界面模型进行复杂加载和损伤测量的实验系统,提出电极传感器力致电信号漂移的校正方法,为改进柔性电极类传感器信号稳定性和精确性提供新的设计思路。
英文摘要
Flexible electrode sensors are subjected to complex cyclic forces, which can lead to significant signal drift. Currently, the mechanism of force-induced signal drift of such sensors is unclear, leading to the lack of a model to characterize the relationship between service load and signal drift. Therefore, it is impossible to develop an effective signal drift correction method. The present project chooses the flexible electrode/skin interface as the research object, and investigates the mechanism and law of service load affecting interface damage and damage affecting electrical signals. The present project establishes a quantitative relationship model between service force and flexible electrode electrical signal drift through the bridge role of the interface damage, and then to develop a signal drift correction method based on the model. The main research contents of the project include: 1) to develop a flexible electrode/skin surface complex loading and damage measurement experimental system; 2) to experimentally investigate the flexible electrode/skin surface damage law under the service conditions; 3) to investigate the damage-induced voltage signal drift model of the flexible electrode/skin interface; 4) to investigate the voltage signal correction method of flexible electrode/skin interface under long-term service conditions. The project will develop a kind of experimental systems that can be used for complex loading and damage measurement of flexible electrode/skin interface models, and will propose a correction method for force-induced signal drift of flexible electrode sensors. Finally, it will provide new design ideas for improving signal stability and accuracy of flexible electrode sensors.
针对柔性电极传感器在服役过程中存在的信号漂移问题,本项目从力学行为、损伤演化规律、电信号衰减机制及校正方法等方面进行了深入研究,取得了以下主要成果:.1.柔性电极/皮肤界面结构复杂加载及损伤测量实验系统研制.研制了拉、压、弯、扭等多工况的柔性电极/皮肤界面结构加载装置,实现了对界面的复杂载荷加载测试。研发了基于电信号衰减表征的损伤测量装置,能够在加载过程中准确测量柔性电极的电压信号。加载装置与电信号测量系统可以为后续的损伤规律研究和信号漂移模型研究提供技术支撑。.2. 服役载荷作用下柔性电极/皮肤界面损伤演化规律实验研究.为了研究服役载荷下柔性电极/皮肤界面的损伤规律及其对电信号的影响,本研究基于柔性电极/皮肤界面的弹性和粘性特性,结合粘合层的导电性,将柔性电极/皮肤异质层模型等效为粘弹性结构。在此基础上,建立了一种速率依赖的机电内聚区模型(Cohesive Zone Model, CZM),并通过该模型对典型ECG电极/皮肤异质结构的变形和电信号衰减进行了仿真分析。结果表明,该模型能够有效表征循环载荷下ECG电极的疲劳损伤和电信号衰减行为,揭示了损伤演化与电信号漂移之间的内在联系。.3. 损伤导致柔性电极/皮肤界面电压信号漂移模型研究.针对柔性传感器在机械载荷和变形作用下的电性能偏差问题,本研究设计并研制了实验装置,结合有限元仿真分析,系统研究了柔性电子系统在不同加载历程和加载方式下的电性能偏移规律。研究揭示了多种作用力对传感器电性能的影响特征,并通过柔性电子微系统在弯曲循环载荷下的失效测试与分析,进一步验证了力致电性能偏差的机理。这些研究成果为柔性传感器的优化设计提供了重要的实验依据。.4.服役条件下柔性电极/皮肤界面电压信号校正方法研究.基于柔性传感器力致电性能偏差的机理,设计标准实验装置,发展服役条件下界面电压信号校正方法。利用试验机加载方式模拟标准心电测试实验,根据载荷数据及实测电信号反演获得电压信号漂移模型的校正参数。在此基础上,发展了一种柔性传感器力致电性能偏差的校正算法,有效降低了力致系统误差,提高了测量精度。.本项目相关研究成果不仅为柔性传感器的设计和结构优化提供了理论支持,也为其在医疗监测等领域的应用奠定了技术基础。
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