Композиционный материал, используемый в качестве тензометрического датчика

Изобретение относится композиционному материалу, проявляющему пьезоэлектрические и/или пьезорезитивные свойства при деформации. Сущность: датчик деформации представляет собой однородную композиционную пену, содержащий неслоистую смесь из высокоэластичного полимерного материала с множеством пор и множество токопроводящих наполнителей, распределенных в полимерном материале. В качестве токопроводящих наполнителей могут использоваться токопроводящие наночастицы и/или токопроводящие стабилизаторы. Способ измерения деформации сжатия включает фиксацию вдоль первой оси электрического отклика по факту ударного воздействия на однородный композиционный материал, который содержит токопроводящие наполнители и поры, распределенные по всему высокоэластичному полимеру, и определение степени деформации при ударном воздействии по электрическому отклику. Ударное воздействие может оказываться вдоль второй оси, отличной от первой. Технический результат: повышение чувствительности, снижение дрейфа, высокая по точности повторяемость при механической деформации до 80% и более. 4 н. и 25 з.п. ф-лы, 11 ил., 1 табл.

 

Ссылка на родственные заявки

По настоящей заявке испрашивается приоритет в соответствии с предварительной заявкой на выдачу патента США №61/789,730 поданной 15 марта 2013 года, предварительной заявкой на выдачу патента США №61/956,394, поданной 08 июня 2013 года, предварительной заявкой на выдачу патента США №61/960,489, поданной 09 сентября 2013 года и предварительной заявкой на выдачу патента США №61/961,970, поданной 28 октября 2013 года, содержание которых полностью включено в настоящий документ посредством ссылки.

Исследование, финансируемое из федерального бюджета

Настоящее изобретение было создано при государственной поддержке правительства США в виде федерального гранта No. CMMI-1235365, который был выделен Национальным научным фондом. Правительство США обладает определенными правами на данное изобретение.

Область техники

Настоящее изобретение относится к однородному композиционному материалу, который проявляет пьезоэлектрические и/или пьезорезистивные свойства при деформации и ослаблении деформации, как в условиях динамического нагружения, так и в условиях квазистатического нагружения.

Уровень техники

Тензометрические, ударные и силовые датчики могут предоставить важную информацию при различных динамических и механических воздействиях. Одни тензометрические датчики представляют собой пьезорезистивные устройства, т.е. устройства, электропроводимость которых под воздействием давления изменяется. Для работы таким датчикам требуется постоянный источник питания, например, аккумуляторная батарея. Другие тензометрические датчики представляют собой пьезоэлектрические устройства, т.е. устройства, которые при деформации создают электрический потенциал в виде напряжения, которое можно измерить. Применяемые в настоящее время тензометрические датчики имеют ограниченные возможности в части величины деформации, которую они могут измерить, т.е. они ограничены, в основном, диапазоном 1-2% деформации. Кроме того, многие такие датчики дорого стоят и характеризуются сложностью калибровки, что ограничивает их использование в лабораторных условиях. Еще одной проблемой является такое явление как «дрейф», которое определено как изменение математики калибровочной функции во времени и/или в зависимости от объема использования.

Краткое раскрытие настоящего изобретения

Настоящим изобретением предложен высокоэластичный композиционный материал, который может быть использован в качестве тензометрического датчика для измерения интенсивности ударного воздействия или деформации за счет пьезоэлектрического отклика. Описываемый композиционный материал сдержит высокоэластичный полимер с порами и токопроводящими наполнителями, распределенными в его толще. Композиционный материал характеризуется такими уникальными свойствами, как пьезоэлектрический отклик на деформацию и уменьшение электрического сопротивления при увеличении деформации. Оба этих свойства имеют большое значение в тех сферах, где требуется высокая чувствительность. Основная особенность указанного материала заключается в том, что он демонстрирует прогнозируемый электромеханический отклик (пьезоэлектрический и/или пьезорезистивный) с высокой по точности повторяемостью при механической деформации до 80% и более. Композиционные материалы определенного состава не подвержены «дрейфу». Поскольку композиционный материал обладает механическими свойствами, схожими с характеристиками различных пен промышленного типа, он может служить заменой имеющимся на рынке продуктам или включаться в них без существенного изменения объема, занимаемого такими продуктами, или свойств их механического отклика. Такая замена или заделка повышает чувствительность используемых в настоящее время продуктов.

Согласно одному из общих свойств настоящего изобретения описываемое устройство включает однородную композитную смесь высокоэластичного полимера с множеством пор и множеством токопроводящих наполнителей, распределенных в толще высокоэластичного полимера. Токопроводящие наполнители могут представлять собой токопроводящие наночастицы и/или токопроводящие стабилизаторы. Согласно другому общему аспекту настоящего изобретения описываемый способ создания тензометрического датчика включает в себя смешивание множества токопроводящих наночастиц с высокоэластичным полимером с образованием однородного композиционного материала с порами; при этом однородный композиционный материал генерирует напряжение по факту появления деформации. Согласно еще одному общему аспекту настоящего изобретения способ измерения деформации включает в себя обнаружение по первой оси электрического отклика, сгенерированного по факту воздействия на однородный композиционный материал, содержащий токопроводящие наполнители и поры, распределенные в толще высокоэластичного полимера. Воздействие может оказываться по второй оси, отличающейся от первой. Описываемый способ также включает в себя определение деформационного воздействия по электрическому отклику.

Подробные данные по одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения указаны на прилагаемых чертежах и описаны ниже. Прочие признаки станут понятными из описания, чертежей и пунктов формулы изобретения.

Краткое описание чертеже

На фиг. 1А-1С представлены высокоуровневые структурные схемы однородного композиционного материала, который выполняет функцию тензометрического датчика согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.

На фиг. 1D и 1Е показаны изображения микроструктуры однородного композиционного материала, который выполняет функцию тензометрического датчика согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.

На фиг. 2 представлен график, иллюстрирующий значения энергопоглощения и объемной процентной доли воздуха в полиуретановой пене, смешанной с разным объемом токопроводящих наполнителей.

На фиг. 3А-3С представлены схематические изображения пьезоэлектрического тензометрического датчика согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.

На фиг. 4 представлена высокоуровневая блок-схема, иллюстрирующая один из примеров системы, в которой используется пьезоэлектрический тензометрический датчик согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.

На фиг. 5 показан график, иллюстрирующий линейную зависимость пьезоэлектрического отклика одного из составов композиционного материала от величины деформации.

На фиг. 6 показан график, иллюстрирующий постоянство вольтовых характеристик пьезоэлектрического отклика одного из составов композиционного материала при повторяющихся деформирующих нагрузках.

На фиг. 7 показан график, иллюстрирующий соответствие между напряжением, наведенным пьезоэлектрическим способом, и измеренной силой и ускорением при динамической нагрузке на композиционный материал согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.

На фиг. 8 представлена блок-схема, иллюстрирующая один из примеров способа создания пьезоэлектрического тензометрического датчика согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.

На фиг. 9 представлена блок-схема, иллюстрирующая один из примеров способа создания однородного композиционного материала, выполняющего функцию тензометрического датчика, согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.

На фиг. 10 представлена блок-схема, иллюстрирующая один из примеров способа измерения деформации с использованием однородного композиционного материала, выполняющего функцию тензометрического датчика, согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.

На фиг. 11 представлена блок-схема, иллюстрирующая один из примеров способа сбора данных о напряжении при повторяющихся динамических нагрузках с использованием однородного композиционного материала, выполняющего функцию тензометрического датчика, согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.

Подробное раскрытие настоящего изобретения

Согласно одному из общих аспектов настоящего изобретения описываемое устройство содержит однородный композиционный материал, содержащий множество токопроводящих наночастиц, распределенных в высокоэластичном пенополимере. При давлении на этот однородный композиционный материал он может генерировать напряжение. Это устройство может также содержать, по меньшей мере, одну измерительную головку, расположенную в однородном композиционном материале, и детектор напряжения, соединенный с указанной измерительной головкой. Описываемое устройство может функционировать в качестве тензометрического датчика. Это устройство может характеризоваться одним или несколькими признаками. Например, множество токопроводящих наночастиц может представлять собой первичный токопроводящий наполнитель; при этом однородный композиционный материал может дополнительно содержать вторичный токопроводящий наполнитель. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения высокоэластичный пенополимер представляет собой полиуретановую пену. В некоторых вариантах реализации заявленного изобретения однородный композиционный материал содержит волокна, покрытые токопроводящим материалом, например, углеродные волокна, покрытые никелем. В некоторых других вариантах осуществления настоящего изобретения множество токопроводящих наночастиц содержит, по меньшей мере, или никелевые нанонити, или никелевый порошок, или серебряные нанопровода, или золотые нанопровода. В другом примере описываемое устройство может также включать в себя беспроводной контроллер, функционально связанный с детектором напряжения и вычислительное устройство, функционально связанное с беспроводным контроллером; при этом указанное вычислительное устройство выполнено с возможностью анализа данных, собранных детектором напряжения. В некоторых вариантах реализации заявленного изобретения напряжение соответствует скорости деформирования и степени деформации.

Согласно еще одному общему аспекту настоящего изобретения описываемое устройство представляет собой высокоэластичный полимер, в толще которого равномерно распределено множество токопроводящих наночастиц и множество пор. Это устройство генерирует электрический отклик, фиксируемый при деформации по первой оси и по второй оси, перпендикулярной первой. Описываемое устройство может также характеризоваться одними из следующих особенностей. Например, распределение множества токопроводящих наночастиц в толще высокоэластичного полимера может задавать нанопереходы, генерирующие электрический отклик на основе квантового туннелирования. В другом примере указанное устройство может также содержать измерительную головку, расположенную внутри высокоэластичного полимера, и детектор напряжения, соединенный с этой измерительной головкой. В некоторых вариантах реализации завяленного изобретения весовая доля множества токопроводящих наночастиц в устройстве составляет от одного до двадцати пяти процентов. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения множество пор занимает до 75% объема устройства; и/или длина множества пор может лежать в диапазоне до 1000 мкм. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения токопроводящие наночастицы представляют собой первичные токопроводящие наполнители; при этом описываемое устройство также содержит вторичные токопроводящие наполнители, равномерно распределенные в толще высокоэластичного полимера.

Согласно еще одному общему аспекту настоящего изобретения описываемое устройство представляет собой материал, содержащий неслоистую смесь высокоэластичного полимера с множеством пор, множества токопроводящих наночастиц и множества токопроводящих стабилизаторов. Указанное устройство может характеризоваться одним или несколькими следующими признаками. Например, материал может содержать центральную область с распределенными в ней токопроводящими наночастицами и токопроводящими стабилизаторами; при этом указанная центральная область может характеризоваться однородностью по первой оси и по второй оси, перпендикулярной первой. В другом примере сжатие материала может вызвать уменьшение электрического сопротивления по первой оси и уменьшение электрического сопротивления по второй оси, перпендикулярной первой. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения весовая доля токопроводящих наночастиц в материале составляет от одного до двадцати пяти процентов, а весовая доля токопроводящих стабилизаторов - от одного до двадцати процентов. В некоторых вариантах реализации заявленного изобретения повышение объема множества токопроводящих стабилизаторов до семи весовых процентов повышает поглощение энергии материалом.

Согласно еще одному общему аспекту настоящего изобретения описываемое устройство представляет собой однородный композиционный материал, содержащий неслоистую смесь высокоэластичного полимера с множеством пор и множеством токопроводящих наполнителей, распределенных в толще высокоэластичного полимера. Описываемое устройство может характеризоваться одним или несколькими следующими признаками. Например, в некоторых вариантах реализации заявленного изобретения множество токопроводящих наполнителей представляет собой множество токопроводящих наночастиц. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения множество токопроводящих наполнителей представляет собой трубки, покрытые токопроводящим материалом, и/или волокна, покрытые токопроводящим материалом. Множество токопроводящих наполнителей может представлять собой сочетание множества волокон, покрытых токопроводящим материалом, с множеством токопроводящих наночастиц. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения распределение множества токопроводящих наполнителей в толще высокоэластичного полимера может образовывать сплошной токопроводящий канал, проходящий через устройство. В некоторых вариантах реализации заявленного изобретения распределение частиц токопроводящего наполнителя внутри высокоэластичного полимера задает нанопереходы, которые генерируют электрический отклик на деформацию при сжатии на основе квантового туннелирования. В другом примере описываемое устройство может также включать в себя, по меньшей мере, две измерительные головки, расположенные внутри материала; токогенерирующее устройство; и датчик сопротивления соединенный, по меньшей мере, с двумя измерительными головками. В еще одном из примеров описываемое устройство может также включать в себя, по меньшей мере, две измерительные головки, расположенные внутри материала; детектор напряжения, соединенный, по меньшей мере, с двумя измерительными головками; и память, функционально связанную с детектором напряжения.

Согласно еще одному общему аспекту настоящего изобретения способ создания тензометрического датчика включает в себя смешивание множества токопроводящих наночастиц с высокоэластичным полимером для формирования однородного композиционного материала с порами; при этом указанный однородный композиционный материал генерирует напряжение по факту деформации. Описываемый способ может характеризоваться одним или несколькими следующими признаками. Например, этот способ может также включать в себя отверждение однородного композиционного материала, функциональное соединение отвержденного материала с детектором напряжения и функциональное соединение детектора напряжения с вычислительным устройством. В другом примере описываемый способ может включать в себя введение в форму для отливки, по меньшей мере, одной измерительной головки, соединенной с проводящей сеткой; и отверждение однородного композиционного материала в форме для отливки так, чтобы однородный композиционный материал, по крайней мере, частично охватывал сетку, по меньшей мере, вокруг одной измерительной головки. В некоторых вариантах реализации заявленного изобретения на долю множества токопроводящих наночастиц приходится от одного до двадцати пяти процентов массы однородного композиционного материала. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения описываемый способ может включать в себя смешивание множества токопроводящих стабилизаторов с высокоэластичным полимером до смешивания множества токопроводящих наночастиц с высокоэластичным полимером. В некоторых вариантах реализации заявленного изобретения описываемый способ может включать в себя смешивание множества токопроводящих стабилизаторов с высокоэластичным полимером, при котором весовая доля множества токопроводящих стабилизаторов составляет от одного до двадцати пяти процентов. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения этот способ может также включать в себя смешивание множества волокон, покрытых токопроводящим материалом, с высокоэластичным полимером. В некоторых вариантах реализации заявленного изобретения описываемый способ может включать в себя смешивание множества волокон, покрытых токопроводящим материалом, с высокоэластичным полимером, при котором длина указанных волокон составляет около 0,1-1 миллиметра. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения описываемый способ может включать в себя смешивание множества волокон, покрытым токопроводящим материалом, с высокоэластичным полимером, при котором масса токопроводящего материала составляет до тридцати пяти процентов массы покрытых волокон.

В другом примере высокоэластичный полимер может содержать первый компонент и второй компонент; при этом описываемый способ может включать в себя смешивание первой части токопроводящих наночастиц с первым компонентом высокоэластичного полимера, смешивание второй части токопроводящих наночастиц со вторым компонентом высокоэластичного полимера и формирование пор в результате объединения первого компонента высокоэластичного полимера со вторым компонентом высокоэластичного полимера. В некоторых таких вариантах осуществления настоящего изобретения первая часть может быть меньше второй части и/или пропорциональна доли первого компонента относительно второго компонента. В другом примере описываемый способ может также включать в себя придание однородному композиционному материалу формы, заданной устройством пользователя. В некоторых вариантах реализации заявленного изобретения множество токопроводящих наночастиц фильтруется перед смешиванием, а/или отверждение однородного композиционного материала включает в себя его отливку или формование. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения форма однородного композиционного материала определяется устройством пользователя и/или функцией однородного композиционного материала, действующего в качестве уплотняющего материала в устройстве пользователя, таком как шлем, подошва обуви или матрац.

В еще одном примере описываемый способ может также включать в себя стадии приложения ударной нагрузки с известной степенью деформации; определения напряжения, сгенерированного в результате приложения ударной нагрузки; и повторения стадий приложения ударной нагрузки с разной известной степенью деформации и определения соответствующих значений напряжения. В другом примере описываемый способ может включать в себя разрезание однородного композиционного материала в первом направлении и во втором направлении, перпендикулярном первому. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения однородный композиционный материал может наноситься на субструктуру и/или, по меньшей мере, частично на протез конечности методом напыления или нанесения кистью.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения способ измерения деформации включает в себя фиксацию по первой оси электрического отклика, сгенерированного по факту ударного воздействия на однородный композиционный материал, содержащий токопроводящие наполнители и поры, распределенные по всему объему высокоэластичного полимера. Ударное воздействие по первой оси отличается от воздействия по второй оси. Этот способ также включает в себя стадию определения ударной нагрузки по электрическому отклику.

Описываемый способ может характеризоваться одним или несколькими следующими признаками. Например, этот способ может также включать в себя стадию определения скорости деформирования и степень деформации при ударном воздействии по электрическому отклику. В другом примере этот способ может включать в себя передачу данных, отображающих напряжение, на внешнее вычислительное устройство и определение деформации при ударном воздействии этим внешним вычислительным устройством. В еще одном примере напряжение может представлять собой первый электрический отклик, а описываемый способ может также включать в себя фиксацию второго электрического отклика по третьей оси, отличной от первой оси и второй оси, и определение точки приложения ударного воздействия по первому электрическому отклику и второму электрическому отклику.

В другом примере однородный композиционный материал может служить уплотнительным материалом в устройстве пользователя и/или измерять до 80% механического напряжения без постоянного деформирования материала. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения электрические отклики будут практически одинаковы после их многократной фиксации и определения и/или характеризоваться линейной зависимостью от деформации при ударном воздействии. В некоторых вариантах реализации заявленного изобретения токопроводящий материал представляет собой волокна с проводящим покрытием, которые повышают способность однородного композиционного материала к поглощению энергии. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения материал может быть нанесен на часть протеза конечности, а указанный способ может также включать в себя обеспечение обратной связи с пользователем в отношении деформации при ударном воздействии.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения энергонезависимый машиночитаемый носитель сохраняет команды, которые при их исполнении предписывают вычислительному устройству фиксировать напряжение, сгенерированное по факту ударного воздействия на неслоистый материал, который содержит высокоэластичную полиуретановую пену с токопроводящими наночастицами и токопроводящими стабилизаторами, с целью сохранения данных о напряжении в памяти и их передачи. Энергонезависимый машиночитаемый носитель может характеризоваться одним или несколькими следующими признаками. Например, энергонезависимый машиночитаемый носитель может дополнительно сохранять команды, которые при их исполнении предписывают вычислительному устройству повторять стадии фиксаций и сохранения с генерированием множества данных о напряжении и передавать это множество данных о напряжении на внешнее вычислительное устройство по факту исполнения команды внешним вычислительным устройством. В другом примере энергонезависимый машиночитаемый носитель может содержать команды, которые инициируют передачу значений напряжения вычислительным устройством на внешнее вычислительное устройство по факту исполнения команды внешним вычислительным устройством. В еще одном примере энергонезависимый машиночитаемый носитель может дополнительно хранить команды, которые при их исполнении инициируют передачу значений напряжения вычислительным устройством по факту сохранения данных о напряжении в памяти.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения способ создания тензометрического датчика включает в себя смешивание множества токопроводящих наполнителей с неотвержденным высокоэластичным полимером, формирование пор в смеси токопроводящих наполнителей с неотвержденным высокоэластичным полимером и отверждение этой смеси с порами с целью создания тензометрического датчика; при этом тензометрический датчик генерирует электрический отклик по факту сжатия. В некоторых вариантах реализации заявленного изобретения описываемый способ может также включать в себя введение смеси токопроводящих наполнителей и неотвержденного высокоэластичного полимера в форму для отливки и регулирование модуля упругости тензометрического датчика путем регулирования объема смеси, вводимой в форму для отливки, для обеспечения его соответствия модулю упругости высокоэластичной полиуретановой пены, содержащейся в продукте. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения тензометрический датчик используется вместо содержащейся в продукте высокоэластичной полиуретановой пены. В некоторых вариантах реализации заявленного изобретения тензометрический датчик представляет собой исходный тензодатчик, а описываемый способ также включает в себя вырезание множества тензометрических датчиков из исходного тензодатчика.

На фиг. 1А представлена высокоуровневая структурная схема композиционного материала (100), который характеризуется возможностью пьезоэлектрического отклика и/или отрицательной пьезорезистивностью по факту сжатия или изменения напряжения при постоянной деформации, согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Композиционный материал (100) также характеризуется возможностью пьезоэлектрического отклика и/или пьезорезистивностью по факту деформации при растяжении. Композиционный материал (100) может также содержать несколько компонентов: матрицу (105) с одним или несколькими токопроводящими наполнителями (например, токопроводящими наночастицами (110) и/или токопроводящими стабилизаторами (115)) и поры (120). Поры (120) и токопроводящие наполнители могут быть равномерно распределены по всей матрице. В качестве матрицы (105) может выступать любой высокоэластичный полимер, например, материал на основе кремния, полиуретановый материал, отличный от пенообразного материала, и т.п., который сохраняет свою форму после деформации и содержит поры (120) по всему своему объему. Другими словами, матрица (105) характеризуется упругостью, пористостью и высокой прочностью при растяжении до разрыва, обычно от 50% до 1000% деформации.

В некоторых вариантах реализации заявленного изобретения матрица (105) из высокоэластичного полимера может представлять собой продукт на основе пены, в котором поры (120) образуются, например, в ходе химической реакции, внесения пенообразующей добавки, нагнетания газа и т.п. Поры (120) могут обуславливать относительно небольшой вес композиционного материала (100), его относительно низкую плотность и относительно высокий показатель поглощения энергии этим материалом. Другими словами, в отличие от твердого материала, в композиционном материале (100) поры (120) распределены по всей матрице (105). Например, плотность высокоэластичного полимера с порами, используемого в качестве матрицы (105), может быть примерно в 2-3,5 раза выше плотности аналогичного материала без пор. К примеру, в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения композиционный материал (100) может характеризоваться плотностью от 350 кг/м3 до 800 кг/м3.

Композиционный материал (100) может также характеризоваться пористостью, обусловленной наличием пор (120). Пористость композиционного материала (100) может определяться по объемной доли воздуха и размерам пор (120). На каждый из этих элементов могут влиять несколько факторов, в том числе тип высокоэластичного полимера, используемого в качестве матрицы (105); технологический процесс, используемый для формирования пор (120); замкнутость композиционного материала (100) во время образования пор (120) и/или отверждения (например, размеры и профиль формы для отливки, а также объем композиционного материала, вводимого в такую форму); а также объем и тип токопроводящих наполнителей, смешанных с высокоэластичным полимером, и т.п. Например, включение токопроводящих наночастиц проявляет тенденцию к уменьшению размеров пор. Поры могут представлять собой открытые ячейки (т.е. поры могут стыковаться или соединяться друг с другом) или замкнутые ячейки (т.е. поры отделены друг от друга), а их размеры могут варьироваться в зависимости от ряда факторов. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения размеры пор (120) могут доходить до 1000 мкм.

В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения высокоэластичный полимер, используемый в качестве матрицы (105), может быть смешан с токопроводящими наполнителями до начала разрезания. Например, некоторые высокоэластичные полимеры могут подергаться термоотверждению или необратимому отверждению горячим способом, за счет химической реакции или воздействия лучистой энергии. До начала процесса отверждения в неотвержденный высокоэластичный полимер могут быть добавлены токопроводящие наполнители. Например, высокоэластичный полимер, такой как пена, отверждаемый в ходе химической реакции, может состоять из двух частей; при этом такой высокоэластичный полимер формуется при смешивании или объединении этих двух частей. После объединения обе части вступают в химическую реакцию, в результате которой образуются воздушные карманы или поры, характерные для пены, после чего происходит отверждение. Токопроводящие наполнители могут быть смешаны с одной или двумя частями до начала процесса объединения. До начала отверждения в некоторые высокоэластичные полимеры может быть внесена пенообразующая добавка. Такие высокоэластичные полимеры могут соединяться с токопроводящими наполнителями до начала введения пенообразующей добавки. Поры могут быть образованы в высокоэластичном полимере за счет нагнетания газа, вибрации и т.п. Некоторые высокоэластичные полимеры могут отверждаться горячим способом. После смешивания и перед отверждением термоотверждаемые высокоэластичные полимеры могут быть отлиты, сформованы в пресс-формах, распылены или подвергнуты экструзии.

В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения токопроводящий наполнитель может включать в себя токопроводящие наночастицы (110). Токопроводящие наночастицы (110) представляют собой частицы, по меньшей мере, с одним размером не более 1000 нанометров, выполненные из материала, способного проводить электрический ток. К примерам таких токопроводящих материалов можно отнести никель, платину, золото, серебро, медь и пр. К примерам токопроводящих наночастиц относятся нанопровода, порошки и нанонити. Одним из типов применяемых нанонитей является никелевая нанонить (NiN). Нанонити NiNs выпускаются компанией Conductive Composites, LLC (г. Гербер, штат Юта). Они описаны в патентах США №7,935,415 под названием «Электропроводящий композиционный материал» и №.8,361,608 под названием «Электропроводящий нанокомпозиционный материал», содержание которых включено в настоящий документ посредством ссылки.

Токопроводящий наполнитель может также представлять собой множество токопроводящих стабилизаторов (115). Токопроводящие стабилизаторы (115) могут быть также добавлены в неотвержденный высокоэластичный полимер до образования пор. В качестве токопроводящих стабилизаторов (115) могут быть использованы любые токопроводящие материалы, обладающие стабилизирующими качествами. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения в качестве токопроводящих стабилизаторов (115) могут быть использованы волокна, покрытые материалом, проводящим электрический ток. Например, токопроводящими стабилизаторами (115) могут служить углеродные волокна, покрытые чистым никелем. В некоторых вариантах реализации заявленного изобретения волокна могут быть покрыты токопроводящим материалом, весовая доля которых составляет около 20-40%. Волокна могут быть нарезаны на короткие отрезки, длина которых может составлять, к примеру, 0,1-1 мм. Диаметр волокон может доходить до 10 мкм (например, 0,2 мкм, 1 мкм, 5 мкм или 8 мкм). В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения волокна могут быть полыми (например, иметь вид трубок). В некоторых вариантах реализации заявленного изобретения волокна могут представлять собой углеродные нанотрубки, покрытые никелем (CNT), или углеродные волокна, покрытые никелем (NCCF), которые выпускаются компанией Conductive Composites, LLC. Токопроводящие стабилизаторы (115) могут повышать прочность композиционного материала (100) и улучшать его энергопоглощающие свойства. Токопроводящие наночастицы (110) также могут повышать прочность композиционного материала (100) и улучшать его энергопоглощающие свойства, но обычно в меньшей степени, чем токопроводящие стабилизаторы (115). В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения токопроводящие наночастицы (ПО) могут служить первичным токопроводящим наполнителем, а токопроводящие стабилизаторы - вторичным токопроводящим наполнителем.

За счет того, что токопроводящие наполнители, например, токопроводящие наночастицы (110) и/или токопроводящие стабилизаторы (115), смешиваются и, таким образом, распределяются по всему высокоэластичному полимеру (105), композиционный материал (100) становится однородным. Иными словами, композиционный материал (100) (и, соответственно, тензометрический датчик) не содержат слоев, а его состав обычно характеризуется однородностью на микроскопическом уровне (например, на глаз) от одной наружной поверхности (наружной стенки) до другой. Композиционный материал (100) может также обладать изотропными свойствами на микроскопическом уровне, которые проявляются в том, что он не характеризуется какой-либо предпочтительной направленностью. Например, токопроводящий материал (100) может демонстрировать пьезоэлектрический отклик или пьезорезистивность по оси X, оси Y и оси Z, как это показано на фиг. 1А. Иными словами, композиционный материал (100) может проявлять пьезорезистивный эффект или пьезоэлектрический отклик, фиксируемый от одной наружной стенки материала до другой, вне зависимости от того, какие наружные стенки используются. Как показано на фиг. 1А, токопроводящие наночастицы (110) и токопроводящие стабилизаторы (115) с трудом различимы без увеличения, как, например, в областях (150) и (160). На микроскопическом уровне, который проиллюстрирован, например, областями увеличения (150) и (160), компоненты композиционного материала (100) могут быть хорошо различимы; при этом они могут быть равномерно распределены преимущественно вдоль какой-либо оси. Таким образом, общий состав материала в областях (150) и (160) будет схожим, даже на микроскопическом уровне, хотя и не абсолютно идентичным.

За счет включения токопроводящих наполнителей, таких как токопроводящие наночастицы (110) и/или токопроводящие стабилизаторы (115), композиционный материал (100) проявляет отрицательную пьезорезистивность и пьезоэлектрический отклик на ударное воздействие или деформирующее усилие иного рода, приложенное по любой оси, например, по оси X, оси Y или оси Z. Иными словами, измеренный электрический отклик будет одинаков в любом направлении на одинаковом расстоянии. Например, если электрический отклик был зафиксирован по первой оси, то любое расстояние в пределах сферы, диаметром которой является первая ось, будет таким же. Таким образом, при использовании в качестве тензометрического датчика композиционный материал (100) не ограничен измерениями ударных воздействий только заданной ориентации относительно композиционного материала (100). При сжатии материала, который характеризуется пьезорезистивным эффектом, изменяется его электрическое сопротивление. С повышением нагрузки сопротивление датчика с отрицательной пьезорезистивностью уменьшается, что облегчает прохождение электрического тока через материал в состоянии покоя. С другой стороны, с повышением нагрузки сопротивление датчика с положительной пьезорезистивностью увеличивается, что затрудняет прохождение электрического тока через материал. Стандартные тензометрические датчики измеряют деформацию за счет использования положительной пьезорезистивности, т.е. повышения электрического сопротивления при усилении деформирующего воздействия. Повышенное сопротивление в стандартных тензодатчиках возникает за счет пуассоновского распределения материала тензометрического датчика. Когда с материалом функционально связано токогенерирующее устройство, такое как аккумуляторная батарея, то по мере деформирования материала может измеряться изменение электрического тока. Во многих сферах применения целесообразно использовать датчик с отрицательной пьезорезистивностью, поскольку такой датчик потребляет мало тока или вообще не потребляет ток при отсутствии деформации материала, что потенциально продлевает срок службы аккумулятора. Изменение электрического сопротивления является одним из типов электрического отклика на ударное воздействие.

С другой стороны, материал, который вызывает пьезоэлектрический отклик, генерирует электрический потенциал в виде измеряемого напряжения. Соответственно, материал, вызывающий пьезоэлектрический отклик, может генерировать напряжение, измеряемое без использования внешнего токогенерирующего устройства. Таким образом, другим типом электрического отклика на ударное воздействие является сгенерированное напряжение. Материал, проявляющий пьезорезистивный эффект, автоматически не вызывает пьезоэлектрический отклик и наоборот.

Композиционному материалу (100) можно придать требуемую форму в любом направлении, не оказывая никакого влияния на пьезоэлектрический отклик или пьезорезистивность композиционного материала, который характеризуется однородностью по всей толще между наружными стенками. Иными словами, поскольку композиционный материал (100) не содержит слоев, его можно отливать, а затем разрезать или формовать в любом направлении, что никак не скажется на его способности функционировать в качестве пьезоэлектрического или пьезорезистивного датчика. Таким образом, например, их этого материала можно изготовить большой лист или блок, который можно разрезать на множество датчиков. Более того, после отверждения композиционного материала (100) его не нужно заряжать, поскольку он изначально обладает возможностью выдачи пьезоэлектрического отклика.

Благодаря упругости матрицы (105), композиционный материал (100) может измерить деформирование до 80% без остаточной деформации. Для сравнения, чаще всего используемые тензометрические датчики, такие как тензометры с датчиком из металлической фольги, могут измерять только незначительные деформации, приблизительно до 5%, что обусловлено ограниченным пределом текучести металлических материалов, используемых в датчиках. Например, датчики с фольгой из никелевого сплава сохраняют остаточную деформацию, если они деформируются более чем на 7%, что выводит эти датчики из строя. В отличие от стандартных тензометров с датчиком из металлической фольги, композиционные материалы (100) могут беспрепятственно использоваться в биологических средах, которые обычно испытывают деформации порядка 5%-40%. Композиционный материал отличается от недавно разработанных тензометрических датчиков с большим углом поворота (HDSG), которые способны выдавать точные значения деформации до 40% путем измерения пьезорезистивного отклика на деформацию растяжения. Датчики HDSG успешно применяются в различных биомеханических условиях, но они выполнены с возможностью количественного измерения только деформация растяжения, а не деформации сжатия. Это ограничивает возможности их применения, поскольку во многих биологических средах важно количественно измерить именно деформацию сжатия или ударную деформацию.

На фиг. 1D и 1Е показаны изображения одного из примеров композиционного материала (100), увеличенные под электронным микроскопом. Изображение 1D иллюстрирует композиционный материал (100) с порами (120) различного размера. На фиг. 1D также приведен пример токопроводящих стабилизаторов (115) и токопроводящих наночастиц (110). В примере по фиг. 1D высокоэластичный полимер представляет собой кремнийорганический пеноматериал с достаточно крупными порами (120) в виде открытых ячеек. Средние размеры пор (120) в кремнийорганическом пеноматериале могут варьироваться в пределах 10-500 мкм. На изображении 1Е показано, как выглядит один из примеров композиционного материала (100) под электронным микроскопом с большим увеличением. Изображение 1Е иллюстрирует равномерное распределение токопроводящих наночастиц (110) по матрице (105). Изображение 1Е также показывает, что размеры токопроводящих стабилизаторов (115) намного (т.е. на несколько порядков величины) превышают размеры токопроводящих наночастиц. Высокоэластичный полимер в примере по фиг. 1Е представляет собой полиуретановую пену с теми же токопроводящими наполнителями, что и в примере по фиг. 1D, но с меньшим количеством пор *120). Средние размеры пор в полиуретановой пене могут варьироваться в пределах 80-300 мкм. Таким образом, как показано на фиг. 1D и 1Е, композиционный материал (100) может характеризоваться варьирующимися размерами и объемом пор, что зависит от состава материала, а также от того, как материал смешивается, формуется и/или отверждается.

Варианты осуществления настоящего изобретения не ограничены композиционным материалом (100), который содержит токопроводящие наночастицы (110) и токопроводящие стабилизаторы (115). На фиг. 1В представлен вариант реализации композиционного материала (100), который содержит матрицу (105) из высокоэластичного полимера, поры (120) и токопроводящие наночастицы (110) в качестве токопроводящего наполнителя без токопроводящих стабилизаторов. На фиг. 1С показан еще один вариант реализации композиционного материала (100), содержащего матрицу (105) из высокоэластичного полимера, поры (120) и токопроводящие стабилизаторы (115) в качестве токопроводящего наполнителя без токопроводящих наночастиц. Все разновидности композиционного материала (100), представленные на фиг. 1А-1С, обеспечивают пьезоэлектрический отклик и характеризуются отрицательной пьезорезистивностью. Объем и типы используемых токопроводящих наполнителей влияют на величину поглощения энергии композиционным материалом (100), стоимость композиционного материала (100), силу пьезорезистивного эффекта, силу пьезоэлектрического отклика и т.п. Было признано, что объем и пропорции могут зависеть от множества факторов, таких как функция композиционного материала, используемого в качестве набивки или защиты, а также от желаемой стоимости, предполагаемой амплитуды ударных воздействий и пр.

На фиг. 2 представлен график (200), иллюстрирующий, как изменение доли токопроводящих наполнителей может влиять на изменение значений энергопоглощения разными композиционными материалами. На примере по фиг. 2 матрица (105) представляет собой полиуретановую пену с токопроводящими наполнителями, распределенными в нем в разных концентрациях. Токопроводящие наполнители, распределенные в полиуретановой пене по фиг. 2, представляют собой никелевые нанонити (NiNs) и углеродные волокна, покрытые никелем (NCCF). Состав образцов, используемых при вычерчивании графика (200), представлен ниже в Таблице 1.

Как показано на графике (200), смешивание токопроводящих наночастиц (110) (например, NiN) в более высоких концентрациях с полиуретановой пеной до начала отверждения может привести к повышению в композиционном материале (100) объемной доли воздуха, который выступает в качестве одной из составляющих, обуславливающих пористость. Более высокая концентрация токопроводящих стабилизаторов (115) (например, NCCF) может привести к повышению энергопоглощения. На графике (200) показано, как различный объем токопроводящих наночастиц (110) и токопроводящих стабилизаторов (115) может влиять на свойства композиционного материала (100). Конечно, составы, указанные в Таблице 1 и на графике (200), приведены исключительно для примера, и варианты реализации заявленного изобретения не ограничены объемами, составами или компонентами, использованными при составлении графика (200).

Варьирование объема и типов токопроводящих наполнителей также может влиять на пьезоэлектрический отклик и пьезорезистивность композиционного материала. Например, когда токопроводящие наполнители образуют сплошной проводящий канал (диффундирующую сеть) из токопроводящих частиц и наноразмерных переходов между этими частицами, композиционный материал (100) может демонстрировать лучшую (т.е. более выраженную) пьезорезистивность в виде снижения электрического сопротивления с увеличением деформации. Когда токопроводящие наполнители не образуют проводящий канал (например, для распределения заряда), композиционный материал (100) может демонстрировать лучший или более выраженный пьезоэлектрический отклик.

На фиг. 3А представлено схематическое изображение пьезоэлектрического тензометрического датчика согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Тензометрический датчик по фиг. 3А представляет собой композиционный материал (100) с двумя измерительными головками (305) и (310), расположенными в толще композиционного материала (100). Измерительные головки могут быть представлены проводами, проводами с прикрепленным сетчатым экраном или токопроводящим материалом иного рода. Измерительные головки (305) и (310) могут быть залиты композиционным материалом (100) до начала процесса отверждения, или же вставлены или иным образом помещены в композиционный материал (100) после завершения процесса отверждения. По меньшей мере, какая-то часть измерительных головок (305) и (310) может выступать за пределы наружной стенки композиционного материала (100). Та часть, которая выступает за пределы наружной стенки, может быть функционально связана с детектором напряжения (не показан). Измерительные головки (305) и (310), если они функционально связаны с одним или несколькими детекторами напряжения, могут быть использованы для фиксации повышения напряжения вследствие пьезоэлектрического отклика на ударное воздействие, обозначенное на фиг. 3А буквой «F». Как показано на фиг. 3А, ударное воздействие F может быть приложено вдоль первой оси А. Ударное воздействие F может инициировать генерирование пьезоэлектрического отклика композиционным материалом (100) в виде повышения напряжения, которое фиксируется одной или несколькими измерительными головками (305) и (310) по оси В. Как показано на фиг. 3А, композиционный материал (100) генерирует напряжение, фиксируемое по оси В, отличной от оси А, которая соотносится с ударным воздействием F. Таким образом, фиг. 3А показывает, что обнаружение пьезоэлектрического отклика в композиционном материале (100) не зависит от направления (или оси) ударного воздействия. На фиг. 3В дополнительно показано, что измерительные головки (305) и (310) не обязательно должны располагаться строго горизонтально или вертикально. В альтернативном варианте эти измерительные головки могут располагаться в любом месте вдоль наружной стенки композиционного материала (100), и по-прежнему использоваться для фиксации напряжения, сгенерированного по факту ударного воздействия F. Разумеется, измерительные головки могут быть также размещены в толще композиционного материала (100).

На фиг. 3С представлено схематическое изображение пьезоэлектрического тензометрического датчика, способного выдавать данные, используемые для определения места приложения ударной нагрузки F, помимо фиксации деформации вследствие ударного воздействия F. Тензометрический датчик, изображенный на фиг. 3С, содержит композиционный материал (100) и множество измерительных головок (305)-(340), образующих решетку или сетку. Сетка или решетка может характеризоваться неупорядоченной структурой (т.е. ее элементы не обязательно должны быть перпендикулярны друг другу или равномерно распределены), а ее элементы могут располагаться в случайном, но известном, порядке. Каждая из измерительных головок в сетке или решетке (т.е. головок (305)-(340)) может быть использована для фиксации напряжения, сгенерированного по факту приложения ударной нагрузки F. Измерительные головки, расположенные ближе к площадке приложения ударной нагрузки, например, головки (305) и (340), могут измерять более высокое напряжение, чем головки, отстоящие от площадки приложения ударной нагрузки на большее расстояние. Хотя разница может быть незначительной, ее значения могут быть использованы для приблизительного определения точки приложения ударной нагрузки на наружной стенке композиционного материала (100).

Хотя примеры, приведенные на фиг. 3А-3С, относятся к фиксации пьезоэлектрического отклика, следует понимать, что эти же примеры равным образом относятся к выявлению пьезорезистивного эффекта композиционного материала. Иными словами, измерительные головки фиксируют изменение электрического сопротивления композиционного материала (100), а не сгенерированное напряжение. Подобным же образом, варианты осуществления настоящего изобретения не ограничены конфигурациями с проиллюстрированным расположением измерительных головок.

На фиг. 4 представлена высокоуровневая блок-схема, иллюстрирующая один из примеров системы (400), в которой используется пьезоэлектрический тензометрический датчик согласно одному из вариантов реализации заявленного изобретения. Эта система может включать в себя устройство (410). Устройство (410) может представлять собой композиционный материал (100), содержащий матрицу из высокоэластичного полимера, поры и токопроводящие наполнители. Композиционный материал (100) может представлять собой материал, описанный в привязке к фиг. 1А-1Е. Устройство (410) может включать в себя детектор (432) напряжения, функционально связанный с композиционным материалом (100). В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения детектор (432) напряжения может быть соединен с композиционным материалом (100) посредством одной или нескольких измерительных головок, расположенных в толще композиционного материала (100). В некоторых вариантах реализации заявленного изобретения устройство (410) может содержать множество детекторов (432) напряжения, каждый из которых функционально связан с композиционным материалом (100), например, посредством множества измерительных головок. Детектор (432) напряжения выполнен с возможностью фиксации напряжения, сгенерированного композиционным материалом (100) в тот момент, когда композиционный материал (100) испытывает деформацию, обусловленную, например, ударным воздействием. Детектор (432) напряжения также способен фиксировать уменьшение электрического сопротивления при деформировании композиционного материала (100), например, вследствие ударного воздействия. Детектором (432) напряжения может служить любое устройство, способное фиксировать или использовать напряжение, в том числе, например, лампочка, загорающаяся в момент обнаружения напряжения или генерирования значения, которое может быть сохранено в памяти. В некоторых вариантах реализации заявленного изобретения детектор (432) напряжения может также содержать и другие элементы (не показаны), такие как память и/или процессор (например, процессор на плате).

Детектор (432) напряжения может быть функционально связан с памятью (434) и/или передатчиком (436). Память (434) может представлять собой энергозависимое или энергонезависимое ЗУ любого типа, способное обеспечить хранение данных. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения детектор (432) напряжения может быть выполнен с возможностью преобразования зафиксированного напряжения в значение, сохраняемое в памяти (434). В некоторых вариантах реализации заявленного изобретения память (434) может являться составной частью детектора (432) напряжения. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения в памяти (434) вместе со значением напряжения может быть сохранена дополнительная информация, например, дата и/или время фиксации этого значения. В некоторых вариантах реализации заявленного изобретения, в которых предусмотрено множество детекторов (432) напряжения, дополнительная информация может включать в себя идентификатор детектора напряжения, который распознает значение. Вместе со значением напряжения в памяти (434) может быть также сохранена и другая информация. Значение напряжения и дополнительные данные, при наличии таковых, рассматриваются как данные о напряжении. Таким образом, в памяти (434) могут быть сохранены данные о напряжении, полученные после деформирующего события, такого как ударное воздействие на композиционный материал (100). В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения в памяти (434) может быть сохранено множество данных о напряжении, отображающее множество событий деформации. Множество данных о напряжении может храниться в памяти (434) до тех пор, пока оно не будут переданы на вычислительное устройство, или беспроводным способом, или через проводное соединение.

В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения память (434) может быть функционально связана с передатчиком (436). Передатчик (436) может быть выполнен с возможность беспроводной передачи данных или передачи данных через проводное соединение, например, через кабель универсальной последовательной шины (USB-кабель). В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения память (434) и передатчик (436) могут быть включены в беспроводной контроллер (430). Беспроводной контроллер (430) может представлять собой беспроводной микроконтроллер, например, Synapse SNAP. Беспроводной микроконтроллер позволяет устройству (410) характеризоваться небольшим форм-фактором, сохраняя при этом возможность передачи данных о напряжении на вычислительное устройство с требуемой производительностью с целью их анализа. Небольшой форм-фактор детектора (432) напряжения, памяти (434) и передатчика (436) позволяют встраивать устройство (410) в известные продукты без существенного изменения их конструкции. Небольшой форм-фактор обуславливает также компактность устройства (410), что делает его удобным в применения во многих биологических средах. Это является несомненным преимуществом по сравнению со многими имеющимися в настоящее время тензометрическими датчиками для измерения больших деформаций, которые не подходят для измерения деформации в биологических средах из-за больших размеров, сложности калибровки и, как это часто бывает, высокой стоимости. В некоторых вариантах реализации заявленного изобретения передатчик (436) может передавать данные о напряжении из памяти по факту команды, полученной с вычислительного устройства, такого как вычислительное устройство (450). В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения передатчик (436) может быть выполнен с возможностью передачи данных о напряжении по факту сохранения данных в памяти. В некоторых вариантах реализации заявленного изобретения детектор (432) напряжении может быть функционально связан с передатчиком (436), а память (434) может быть опциональной. В таком варианте осуществления настоящего изобретения передатчик (436) может передавать данные о напряжении сразу после их поступления в передатчик (436).

Передатчик (436) может передавать данные о напряжении на вычислительное устройство (450). Вычислительное устройство (450) может представлять собой внешнее вычислительное устройство, независимое от устройства (410). В таком варианте осуществления настоящего изобретения вычислительное устройство (450) может содержать приемник (456). В некоторых вариантах реализации заявленного изобретения вычислительное устройство (450) может быть встроено в устройство (410). Вычислительное устройство (450) может представлять собой вычислительное устройство любого типа, такое как контроллер (например, микроконтроллер и т.п.), планшетный компьютер, портативный компьютер, смартфон, сервер, телевизионный приемник с процессором и т.д. Вычислительное устройство (450) может содержать модуль (455) анализа ударного сжатия. Модуль (455) анализа ударного сжатия может быть выполнен с возможностью интерпретации данных о напряжении, полученных с устройства (410). Интерпретация данных о напряжении может включать в себя определение степени деформации при деформировании, определение степеней деформации в результате ряда событий деформации, определение скорости деформирования и/или анализ степени деформации/деформаций и значений скорости деформирования. Например, модуль (455) анализа ударного сжатия может иметь доступ к калибровочным данным (452), что позволяет модулю (455) анализа ударного сжатия преобразовывать значение напряжения в значение, отображающее деформацию, которую испытывает материал (100) в результате ударного воздействия. Деформация может отображать деформацию сжатия (например, в процентах сжатия), деформацию растяжения (например, в процентах растяжения) или иную деформацию (геометрическое искажение), соотнесенную с механической нагрузкой, усилием, амплитудой, импульсом (например, приложенным усилием и временем, в течение которого оно прикладывается) и/или ударной энергией, поглощенной в результате ударного воздействия. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения модуль (455) анализа ударного сжатия может быть выполнен с возможностью определения скорости деформирования при событии деформации. Например, если композиционный материал (100) испытывает повторяющиеся ударные нагрузки с одинаковой степенью деформации, то любые изменения напряжения могут быть вызваны разной скоростью деформирования. Например, ударное воздействие с известной степенью деформации генерирует большее напряжение, когда ударное воздействие происходит с большей скоростью. В некоторых вариантах реализации заявленного изобретения модуль (455) анализа ударного сжатия может выдавать пользователю результаты анализа, например, через пользовательский интерфейс (например, в виде отчета, изображения на экране и т.д.).

Вычислительное устройство (450) может также содержать калибровочные данные (452). Калибровочные данные (452) могут быть использованы модулем (455) анализа ударного сжатия для анализа и интерпретации данных о напряжении. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения калибровочные данные (452) могут быть предоставлены вычислительному устройству (450). В некоторых вариантах реализации заявленного изобретения вычислительное устройство (450) может содержать модуль (не показан), который собирает и сохраняет калибровочные данные (452). Калибровочные данные (452) могут представлять собой данные о напряжении по ударным воздействиям с известной степенью деформации и скоростью деформирования. Поскольку состав композиционного материала (100), например, объем токопроводящих наночастиц и объем токопроводящих стабилизаторов, может влиять на пьезорезистивные и пьезоэлектрические свойства композиционного материала (100), композиционный материал (100), производимый не в контролируемых условиях (например, не по разработанной технологии), может требовать калибровки после каждого этапа производства. Однако композиционный материал (100), производимый в контролируемой среде, не требует калибровки после каждого этапа производства.

В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения устройство (410) может быть встроено, вставлено, имплантировано или иным образом размещено в шлеме. В таком варианте реализации заявленного изобретения композиционный материал (100) может быть размещен в шлеме в качестве набивки и служить защитной подушкой, а также выступать в качестве тензодатчика сжатия. Устройство (410), расположенное в шлеме, может передавать данные о напряжении на внешнее вычислительное устройство (450) с тем, чтобы ударные воздействия на композиционный материал (100) можно было анализировать в реальном масштабе времени. Это дает возможность, например, спортивным тренерам и медицинскому персоналу оценивать риски сотрясения мозга практически сразу после удара. Устройство (410) в шлеме может также сохранять данные о напряжении (или множество данных о напряжении) до тех пор, пока внешнее вычислительное устройство (450) не выдаст запрос на эти данные. Таким способом, к примеру, медицинский персонал может получать данные сразу поле несчастного случая, например, при велосипедной аварии, для оценки серьезности нанесенного удара. В некоторых вариантах реализации заявленного изобретения устройство (410) может быть размещено в защитной экипировке другого типа, например, в боксерских перчатках, куртках для фехтования и иных предметах спортивного инвентаря, таких как боксерские груши и т.п. Устройство (410), размещенное в таких предметах спортивного инвентаря, может также исполнять роль защитной набивки, а также предоставлять информацию об ударах, полученных боксерской грушей или иным приспособлением.

В некоторых вариантах реализации заявленного изобретения устройство (410) может быть размещено в обуви. Например, устройство (410) может представлять собой «умные» стельки, способные анализировать манеру ходьбы человека в естественных условиях за пределами лаборатории. Композиционный материал (100) может, таким образом, выполнять функции мягкого вкладыша и тензодатчика сжатия. Устройство (410) может обеспечивать обратную связь по соединительным элементам протезов, выходным данным после тренировок, расходованию калорий и пр. В таких вариантах осуществления настоящего изобретения устройство (410) может сохранять множество данных о напряжении, соответствующих конкретным ударным воздействиям, которые передаются на внешний компьютер или иные устройства по запросу пользователя.

В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения устройство (410) может быть размещено на различных конструкциях, таких как протезы конечностей. Композиционный материал (100) может быть использован, к примеру, в качестве искусственной кожи, обеспечивая полноту ощущений пользователя. Ударным воздействием, например, может быть надавливание искусственным пальцем на твердую поверхность (касание), при котором устройство (410) может обеспечивать обратную связь с нервными рецепторами пользователя, предоставляя информацию об ударном воздействии или касании. В качестве такой конструкции может быть также использована роботизированная конечность; при этом композиционный материал (100) может предоставлять данные о касании аналогичным образом. В некоторых вариантах реализации заявленного изобретения композиционный материал (100) может размещаться в рукоятках, например, теннисных ракеток, клюшек для гольфа или бейсбольных бит; при этом устройство (410) может быть использовано для анализа захвата рукоятки пользователем.

В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения устройство (410) может быть помещено в матрац. Композиционный материал (100) может выполнять функцию матраца или наматрасника, а также использоваться в качестве тензодатчика. Это устройство может определять местоположение точек давления и активировать механизм уменьшения давления в этих точках. Уменьшение давления в указанных точках может снизить частоту возникновения пролежней без необходимости общения медработника с пациентом. Таким образом, устройство (410) позволяет системе анализировать перемещения, когда пациент спит. Примеры, приведенные в настоящем документе, не являются исчерпывающими и не носят ограничительного характера.

Хотя фиг. 4 была описана в привязке к деформациям сжатия, следует понимать, что композиционный материал (100) проявляет пьезорезистивный эффект и пьезоэлектрический отклик также по факту деформаций растяжения или деформаций иного рода. Таким образом, устройство (410) может быть без труда приспособлено для фиксации и измерения деформаций, например, вкладышей, конфигурация которых предусматривает расхождение их пластин на определенной стадии цикла. Соответственно, устройство (410) не ограничено выявлением и измерением деформаций сжатия.

На фиг. 5 показан график, иллюстрирующий линейную зависимость пьезоэлектрического отклика одного из составов композиционного материала (100) от величины деформации. По мере нагружения композиционного материала (100) он генерирует пьезоэлектрический отклик, в результате чего детектор напряжений фиксирует равность потенциалов. Этот отклик может напрямую коррелироваться с величиной деформации, которую испытывает материал; при этом он линейно зависит от степени деформации, что демонстрирует верхняя кривая на фиг. 5. При ослаблении нагрузки материал генерирует отклик с соответствующим снижением напряжения. Эти свойства материала позволяют выполнить калибровку с тем, чтобы последующие деформации можно было измерять с более высокой точностью. Следует понимать, что не все варианты реализации композиционного материала (100) могут демонстрировать линейный отклик. Некоторые из вариантов могут проявлять отклик нелинейного характера, но при надлежащей калибровке отклик может быть скоррелирован с величиной деформации, которой подвергается материал. Иными словами, пьезоэлектрический отклик варьируется в зависимости от деформации таким образом, чтобы его можно было откалибровать для определения степени деформации при последующих ударных воздействиях.

На фиг. 6 представлен график, иллюстрирующий постоянство (т.е. отсутствие «дрейфа») пьезоэлектрического отклика одного из вариантов реализации композиционного материала при повторяющихся деформирующих нагрузках. На фиг. 6 показано, что пьезоэлектрический отклик некоторых вариантов реализации композиционного материала (100) характеризуется высокой повторяемостью и не «дрейфует» в повторяющихся циклах. Во многих пьезоэлектрических датчиках, в том числе датчиках HDSG, проявляется эффект дрейфа, что сказьюается на их способности точно измерять деформацию на протяжении длительного периода времени. Эффект дрейф проявляется, когда пьезорезистивность тензодатчика или его свойства по пьезоэлектрическому отклику со временем ухудшаются при повторяющихся событиях деформации. Например, датчик, испытывающий влияние дрейфа, в первый раз может выдать 1 ампер по факту ударной нагрузки в 1 ньютон, во второй раз выдать 0,9 ампер по факту ударной нагрузки в 1 ньютон, в третий раз выдать 0,8 ампер по факту ударной нагрузки в 1 ньютон и т.д. Таким образом, без калибровки датчик оказывается не в состоянии точно измерять деформацию при ударных воздействиях в повторяющихся циклах. В отличие от многих других пьезоэлектрических и пьезорезистивных датчиков, таких как датчики HDSG, фиг. 6 демонстрирует, что композиционный материал (100) генерирует согласующиеся значения напряжения по факту повторяющихся деформаций, что идеально подходит для его использования в различных биологических средах.

На фиг. 7 показан график, иллюстрирующий результаты испытания на ударную вязкость, выполненного по одному из вариантов реализации композиционного материала. В примере по фиг. 7 матрица представляла собой полиуретановую пену, содержащую около 3% токопроводящих стабилизаторов и 10% токопроводящих наночастиц. Обратный молоток, снабженный акселерометром, должен быт нанести удар по куску композиционного материала, который был помещен сверху динамометрического датчика. На фиг. 7 показано, что при каждом ударе этот образец композиционного материала демонстрировал согласующиеся друг с другом отклики по напряжению, что подтверждалось одновременно измеряемыми значениями силы и ускорения. Также видно, что этот пример композиционного материала генерирует второй отклик при отводе молотка от пены.

На фиг. 8 представлена блок-схема, иллюстрирующая один из примеров способа (800) создания пьезоэлектрического тензометрического датчика согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Способ (800) используется для создания композиционного материала со всеми его составными частями, который может быть использован в качестве пьезоэлектрического или пьезорезистивного датчика измерения деформации сжатия при деформировании, по меньшей мере, до 80%. На стадии (805), по меньшей мере, один токопроводящий наполнитель смешивается с неотвержденным высокоэластичным полимером. Как было указано выше, в качестве токопроводящего наполнителя могут быть использованы токопроводящие наночастицы и/или токопроводящие стабилизаторы. Пропорции и объем токопроводящего наполнителя, смешанного с неотвержденным высокоэластичным полимером, зависят от требуемых свойств тензодатчика. Например, если требуется дополнительное энергопоглощение или более упругая пена, то в неотвержденный высокоэластичный полимер следует добавить большее количество токопроводящих стабилизаторов. Если необходима большая пористость, например, материал с большим количеством пор, хотя и меньшего размера, то в неотвержденный высокоэластичный полимер следует добавить большее количество токопроводящих наночастиц, так как увеличение количества наночастиц увеличивает количество точек кристаллизации, что способствует увеличению количества пор, но может прекратить уменьшение их размера. Как уже было отмечено выше, объем токопроводящих наночастиц может влиять на пористость материала, образование нанопереходов, формирование проводящего канала и т.п., что может сказаться на пьезоэлектрическом эффекте и пьезорезистивности.

На стадии (810) в смеси образуются поры. Поры могут быть образованы в результате химической реакции при смешивании двух компонентов высокоэластичного полимера. Поры могут быть также образованы в результате рассеяния газа или введения пенообразующей добавки. Поры могут быть образованы в процессе отверждения высокоэластичного полимера. Пористость материала определяется объемом (объемной долей воздуха) и размерами пор. Пористость композиционного материала может влиять на его пьезоэлектрический и пьезорезистивный отклик. Например, композиционный материал с матрицей из высокоэластичного полимера, в котором объемная доля воздуха составляла около 40%-80%, оказался способным генерировать приемлемый пьезоэлектрический отклик; при этом пьезоэлектрический отклик ухудшался, если объемная доля воздуха превышала 80%. Подобным же образом, приемлемый пьезоэлектрический отклик наблюдался в композиционных материалах с порами, размеры которых варьировались в пределах 10-300 мкм. Оптимальная пористость композиционного материала, используемого в пьезоэлектрическом тензодатчике, может также зависеть от типа используемой матрицы и задач тензометрического датчика. Более того, при сохранении постоянного объема (например, за счет использования пресс-формы) увеличение объема материала (например, путем введения в пресс-форму большего объема высокоэластичного полимера, смешанного с токопроводящими наполнителями) приведет к уменьшению размера пор в полученном композиционном материале, что вызовет соответствующее повышение модуля продольной упругости. Соответственно модуль продольной упругости композиционного материала может быть подобран так, чтобы он соответствовал значениям, характерным для уже использованных пеноматериалов с тем, чтобы композиционный материал можно было ввести в общий объект, где он будет выполнять функцию тензодатчика и собирать данные в нормальной физиологической среде.

На стадии (815) смесь формуется, например, методом отливки, нанесения кистью, распыления, экструзии или формования в пресс-форме, и отверждается. После формовки и отверждения смесь будет представлять собой композиционный материал, способный выполнять функцию пьезоэлектрического датчика без какой-либо дополнительной обработки. Иными словами, отвержденный композиционный материал не требует зарядки или добавления какого-либо иного материала или слоев, чтобы он мог работать как датчик. Таким образом, композиционный материал является материалом без добавок. Тогда как для фиксации пьезоэлектрического отклика могут потребоваться дополнительные элементы, такие как измерительные головки и детектор напряжения, композиционный материал генерирует отклик без каких-либо добавок. Следует понимать, что в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения стадии (815) и (810) могут быть объединены. Иными словами, поры могут быть образованы при формовании и/или отверждении смеси, или же в результате процесса отверждения.

На стадии (820) отвержденный композиционный материал или пьезорезистивный тензометрический датчик может быть функционально связан с детектором напряжения. Детектор напряжения, к примеру, может быть соединен с одной или несколькими измерительными головками, помещенными в материал. Измерительные головки могут быть отлиты вместе с композиционным материалом или вставлены в композиционный материал после его отверждения. Если детектор напряжения не содержит собственной памяти, то он может быть функционально связан с памятью (825). В этой памяти могут храниться данные о напряжении, которые отображают значение напряжения, зафиксированное по факту ударного воздействия или иного события, вызывающего деформацию. Данные о напряжении могут включать в себя значение напряжения, отображающее напряжение, зафиксированное детектором напряжения, и дополнительную информацию, такую как дата/времени, идентификатор детектора напряжение и пр. Данные о напряжении могут быть переданы на вычислительное устройство для последующего анализа.

На фиг. 9 представлена блок-схема, иллюстрирующая один из примеров способа (900) создания однородного композиционного материала, выполняющего функцию тензометрического датчика, согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Способ (900) может служить примером смешивания токопроводящих наполнителей с неотвержденным высокоэластичным полимером, как часть стадии (805) по фиг. 8. В этом примере способа (900) токопроводящие наполнители содержат как токопроводящие наночастицы, так и токопроводящие стабилизаторы, а неотвержденный высокоэластичный полимер включает в себя компоненты А и В, которые хранятся отдельно до начала формования и отверждения. Примерами такого высокоэластичного полимера могут служить, помимо прочего, кремнийорганические пеноматериалы, полиуретановые пены, латексная пенорезина, винилнитрил и т.п. На стадии (905) происходит измерение требуемого объема компонентов А и В в неотвержденном высокоэластичном полимере. На стадии (910) измеряется требуемый объем токопроводящих стабилизаторов, например, углеродные волокна, покрытые никелем. В одном из вариантов осуществления настоящего заявленного изобретения объем токопроводящих стабилизаторов составляет около 1-7% массы высокоэластичного полимера. На стадии (915) часть токопроводящих стабилизаторов добавляется в компонент А высокоэластичного полимера. Часть, смешиваемая с компонентом А, может быть меньше части, смешиваемой с компонентом В высокоэластичного полимера. В некоторых вариантах реализации заявленного изобретения около 40% измеренного объема токопроводящих стабилизаторов добавляется в компонент А и 60% добавляется в компонент В. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения часть, смешиваемая с компонентом А, может быть соотнесена с весовыми долями компонентов А и В. В некоторых вариантах реализации заявленного изобретения смешивание может осуществляться, к примеру, путем перемешивания и/или с помощью специального миксера, например, центрифужного смесителя. Например, токопроводящие стабилизаторы могут быть смешаны с компонентом А с помощью стеклянной палочки, а затем помещены в центрифужный смеситель и перемешаны так, чтобы токопроводящие стабилизаторы были равномерно распределены по всему компоненту А. Время перемешивания может зависеть от того, какой высокоэластичный полимер используется. Например, кремнийорганический пеноматериал может перемешиваться в течение 10 секунд при частоте вращения 2000 об/мин, чтобы было время для заливки пены в пресс-форму, тогда как уретановая пена может перемешиваться в течение 20 секунд при частоте вращения 2000 об/мин. Оставшаяся часть токопроводящих стабилизаторов может быть смешана с компонентом В неотвержденного высокоэластичного полимера на стадии (920). Эта оставшаяся часть токопроводящих стабилизаторов может быть перемешана так же, как и на стадии (915).

На стадии (925) измеряется требуемый объем токопроводящих наночастиц. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения масса токопроводящих наночастиц может составлять около 5-20% массы высокоэластичного полимера. В некоторых вариантах реализации заявленного изобретения перед измерением токопроводящие наночастицы могут быть отсортированы. Например, токопроводящие наночастицы могут быть пропущены через сито с тем, чтобы измеренные токопроводящие наночастицы не содержали крупных сгустков. На стадии (920) часть измеренных токопроводящих наночастиц смешивается с компонентом А неотвержденного высокоэластичного полимера, а на стадии (935) оставшаяся часть смешивается в компонентом В неотвержденного высокоэластичного полимера. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения часть токопроводящих наночастиц, смешанная с компонентом А, будет меньше части этих частиц, смешанной в компонентом В, например, на 40%.. Как и в случае с токопроводящими стабилизаторами, токопроводящие наночастицы могут перемешиваться с использованием центрифужного смесителя для равномерного распределения по всей толще неотвержденного высокоэластичного полимера.

На стадии (940) происходит смешивание между собой компонентов А и В неотвержденного высокоэластичного полимера. Эти компоненты могут быть смешаны путем перемешивания, методом встряхивания или с помощью специального миксера, такого как центрифужный смеситель. В некоторых вариантах реализации заявленного изобретения указанные компоненты перемешиваться в центрифужном смесителе в течение 10-20 секунд при частоте вращения 2000 об/мин, в зависимости от типа используемого высокоэластичного полимера. После перемешивания может быть сформован композиционный материал. Например, композиционный материал может быть отлит, распылен, сформован в пресс-форме, нанесен кистью или иным способом, после чего отвержден. Например, высокоэластичный полимер может быть вылит в форму с нагревом для формирования пор и последующего отверждения. К примеру, что характерно для двухкомпонентного полимера, после смешивания двух компонентов и заливки высокоэластичного полимера в пресс-форму он может подняться вследствие образования пор, после чего начнется процесс отверждения в форме с нагревом. Форма с нагревом может способствовать подъему пены и сокращению времени отверждения, но необходимость в ее нагреве отсутствует. Следует понимать, что способ (900) служит лишь примером, и что его стадии могут быть изменены. Например, варианты реализации заявленного способа могут включать в себя смешивание токопроводящих стабилизаторов с одним из компонентов высокоэластичного полимера и токопроводящих наночастиц с другим компонентом высокоэластичного полимера. Варианты реализации описываемого способа могут включать в себя и иные вариации.

На фиг. 10 представлена блок-схема, иллюстрирующая один из примеров способа (900) измерения деформации с использованием композиционного материала, выполняющего функцию тензометрического датчика, согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Способ (900) может быть реализован системой, которая использует композиционный материал, описанный выше, в качестве тензометрического датчика. На стадии (1005) детектор напряжения может фиксировать напряжение, сгенерированное по факту ударного воздействия на неслоистый материал, содержащий высокоэластичный полимер с множеством пор и токопроводящие наполнители. В качестве токопроводящих наполнителей могут использоваться токопроводящие наночастицы, токопроводящие стабилизаторы или сочетание этих элементов. Неслоистый материал представляет собой композиционный материал, выполненный с возможностью генерирования пьезоэлектрического отклика после отверждения без зарядки, разделения на слои или внесения каких-либо дополнительных компонентов. На стадии (1015) устройство может передавать данные, отображающие напряжение, на вычислительное устройство. Вычислительным устройством может служить внешнее вычислительное устройство, а данные о напряжении могут передаваться беспроводным способом. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения вычислительным устройством может служить микроконтроллер. В некоторых вариантах реализации заявленного изобретения передача данных между устройством, содержащим тензометрический датчик, и вычислительным устройством может осуществляться по проводам, например, через USB-соединение (универсальную последовательную шину). В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения данные могут передаваться по факту фиксации напряжения. Иными словами, данные могут передаваться в реальном масштабе времени. На стадии (1015) вычислительное устройство определяет степень деформации по напряжению. В некоторых вариантах реализации заявленного изобретения деформация может отображать объем поглощенной энергии. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения деформация может отображать амплитуду, импульс, ударную энергию, механическое напряжение и пр. Вычислительное устройство может выдавать информацию о деформации пользователю.

На фиг. 11 представлена блок-схема, иллюстрирующая один из примеров способа (1100) сбора данных о напряжении при повторяющихся ударных нагрузках с использованием композиционного материала, способного генерировать пьезоэлектрический отклик, согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Способ (1100) может быть реализован системой, которая использует композиционный материал в качестве тензометрического датчика. На стадии (1105) детектор напряжения может фиксировать напряжение, сгенерированное по факту ударного воздействия на неслоистый материал, содержащий высокоэластичный полимер с множеством пор и токопроводящие наполнители. В качестве токопроводящих наполнителей могут использоваться токопроводящие наночастицы, токопроводящие стабилизаторы или сочетание этих элементов, как это описано выше. Неслоистый материал представляет собой композиционный материал, выполненный с возможностью генерирования пьезоэлектрического отклика после отверждения без зарядки, разделения на слои или внесения каких-либо дополнительных компонентов. Система может сохранять данные о напряжении в памяти (1101). Эти данные могут включать в себя значение напряжения, дату и/или время фиксации напряжения, идентификатор детектора напряжения или измерительной головки, которая зафиксировала напряжение, и пр.

Затем система решает, переходить ли к стадии (1115) по пересылке данных. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения система может пересылать данные сразу после их сохранения. В некоторых вариантах реализации заявленного изобретения система может ожидать получение запроса на данные, например, запроса, инициированного пользователем или внешним вычислительным устройством. Если система принимает решение не пересылать данные (опция «Нет» на стадии (1115)), то она продолжает отслеживать ударные воздействия и сохранять данные о напряжении при зафиксированных ударных нагрузках. Если система принимает решение переслать данные (опция «Да» на стадии (1115)), то она может передать множество данных о напряжении на внешнее вычислительное устройство на стадии (1120). В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения сразу после передачи данных эти данные могут быть стерты из памяти. С помощью вычислительного устройства система может проанализировать множество данных о напряжении с тем, чтобы определить степень деформации и, опционально, скорость деформирования по ударным воздействиям, в отношении которых были получены эти данные. Такой анализ может включать в себя построение графиков, вычерчивание схем или составление отчетов, которые выдаются пользователь, например, путем их выведения на экран или распечатывания с помощью принтера. Следует понимать, что полученные данные могут быть использованы различными способами, в зависимости от типа продукта, в котором используется тензодатчик. Указанные данные могут быть использованы, например, для анализа манеры ходьбы, подгонки протезов в соответствии с индивидуальными особенностями, оценки степени повреждений, анализа захвата рукоятки, анализа обратной связи при касании, анализа движений, раннего оповещения о возможном столкновении (например, в бампере автомобиля), переключений в зависимости от весовой нагрузки (например, в материале, который реагирует на весовую нагрузку, инициируя срабатывание или несрабатывание подушек безопасности в автомобиле). Датчик может быть также встроен в видеорегистратор и обивку дверей автомобиля для фиксации ударов с целью предварительной оценки происшествия для служб экстренного реагирования.

Если вернуться к фиг. 4, то можно отметить, что в некоторых вариантах реализации заявленного изобретения система (400) и вычислительное устройство (450) могут представлять собой, например, проводное и/или беспроводные устройство (например, устройство с возможностью подключения по Wi-Fi, ZigBee или Bluetooth) и, например, вычислительный модуль (например, персональный компьютер), сервер (например, веб-сервер), мобильный телефон, устройство с сенсорным экраном, карманный персональный компьютер (КПК), портативный компьютер, телевизионный приемник (содержащий или связанный с одним или несколькими процессорами), планшетный компьютер, электронную книгу и/или иное устройство. Вычислительное устройство (450) может быть выполнено с возможностью работы на базе одной или нескольких платформ (например, одной или нескольких одинаковых или разных платформ), которые могут содержать один или несколько типов ПО, аппаратного обеспечения, встроенных программ, операционных систем, библиотек рабочих программ и/или пр.

Элементы (например, модули и процессоры) вычислительного устройства (450) могут быть выполнены с возможностью работы на базе одной или нескольких платформ (например, одной или нескольких одинаковых или разных платформ), которые могут содержать один или несколько типов ПО, аппаратного обеспечения, встроенных программ, операционных систем, библиотек рабочих программ и/или пр. В некоторых вариантах реализации заявленного изобретения элементы вычислительного устройства (450) могут быть выполнены с возможностью работы в группе устройств (например, в пуле серверов). В таком варианте осуществления настоящего изобретения функции и обрабатывающие возможности элементов вычислительного устройства (450) могут быть распределены среди нескольких устройств, входящих в группу.

Элементы вычислительного устройства (450) (например, модуль (455) анализа ударного сжатия вычислительного устройства (450)) могут представлять собой или включать в себя аппаратное и/или программное обеспечение любого типа, выполненное с возможностью анализа данных о напряжении. Например, в некоторых вариантах реализации заявленного изобретения одна или несколько частей модуля (455) анализа ударного сжатия по фиг. 4 могут представлять собой или включать в себя модуль на базе аппаратных средств (например, цифровой сигнальный процессор (DSP), программируемую логическую интегральную схему (FPGA), память), программно-аппаратный модуль и/или программно-реализованный модуль (например, модуль машинного кода, набор машиночитаемых команд, исполняемых компьютером). К примеру, в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения одна или несколько частей элементов вычислительного устройства (450) могут представлять собой или включать в себя программный модуль, реализованный с возможностью отработки, по меньшей мере, одним процессором (не показан). В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения функционал элементов может быть распределен по разным модулям и/или разным элементам, не показанным на фиг. 4.

В некоторых вариантах реализации заявленного изобретения один или несколько элементов вычислительного устройства (450) могут представлять собой или включать в себя процессоры, выполненные с возможностью обработки команд, сохраненных в памяти. Например, модуль (455) анализа ударного сжатия (и/или его части) может представлять собой или включать в себя определенную комбинацию процессора с памятью, реализованную с возможностью исполнения команд, связанных с процессом выполнения одной или нескольких функций.

Хотя это и не показано, в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения элементы вычислительного устройства (450), такие как модуль (455) анализа ударного сжатия вычислительного устройства (450), могут быть выполнены с возможностью функционирования, например, в центре хранения и обработки данных, облачной вычислительной среде, компьютерной системе, одном или нескольких серверах и/или прочих средах. В некоторых вариантах реализации заявленного изобретения элементы вычислительного устройства (450) могут быть выполнены с возможностью работы в сети. Таким образом, элементы вычислительного устройства (450) или устройства (410) могут быть реализованы с возможностью функционирования в сетевых средах различного типа, содержащих одно или несколько устройств и/или один или несколько серверов. Например, сеть может представлять собой или включать в себя локальную сеть (LAN), глобальную сеть (WAN) и/или прочие сети. Сеть может представлять собой или включать в себя беспроводную сеть и/или проводную сеть, реализованную с использованием, например, шлюзов, мостов и/или иных устройств. Сеть может включать в себя один или несколько сегментов, и/или содержать части на базе различных протоколов, таких как межсетевой протокол (IP) и/или проприетарный протокол. Сеть может включать в себя, по меньшей мере, сегмент Интернета.

В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения память (434) и/или память (458) может представлять собой память любого типа, например, ОЗУ, ЗУ на дисках, флэш-память и/или запоминающее устройство иного типа. В некоторых вариантах осуществления заявленного изобретения память (434) и/или память (458) может быть реализована в виде более чем одного компонента ЗУ (например, более одного ОЗУ или ЗУ на диске), каждый из которых связан с элементами устройства (410) или вычислительного устройства (450). В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения калибровочные данные (452) или память (458) (или ее часть) могут представлять собой удаленную базу данных, локальную базу данных, распределенную базу данных, реляционную базу данных, иерархическую базу данных и/или базу данных иного типа. Как показано на фиг. 4, по меньшей мере, некоторые элементы калибровочных данных (452) и/или переданных данных о напряжении могут быть сохранены в памяти (458) (например, в локальной памяти или в дистанционном запоминающем устройстве) вычислительного устройства (450). В некоторых вариантах реализации заявленного изобретения память (458) может представлять собой или включать в себя память, общую для множества устройств, таких как вычислительное устройство (450). В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения память (458) может быть связана с сервером (не показан) в сети и реализована с возможностью обслуживания элементов вычислительного устройства (450).

Варианты реализации различных способов, описанных в настоящем документе, могут быть реализованы в цифровых электронных схемах, или же в компьютерных аппаратных, программных, аппаратно-программных средствах или в комбинациях этих средств. Эти варианты могут быть реализованы в виде компьютерного программного продукта, т.е. компьютерной программы, встроенной в носитель информации, например, в машиночитаемый накопитель (машиночитаемый носитель) или в проникающий сигнал, для последующей обработки устройством обработки данных или для управления этим устройством, которое может представлять собой, например, программируемый процессор, компьютер или группу компьютеров. Компьютерная программа/программы, описанная выше, может быть записана любым языком программирования, включая транслируемые или интерпретируемые языки, и развернута в любой форме, в том числе в виде автономной программы или модуля, компонента, стандартной подпрограммы или в иной форме, пригодной для использования в вычислительной среде. Компьютерная программа может быть развернута для обработки на одном компьютере или на нескольких компьютерах; при этом она может быть установлена на одном узле или распределена по нескольким узлам и объединена коммуникационной сетью.

Многие стадии описываемого способа могут выполняться одним или несколькими программируемыми процессорами, исполняющими компьютерную программу выполнения функций путем управления выходными данными и генерирования выходных данных. Стадии описанного способа могут также выполняться специализированными логическими схемами, например, FPGA (программируемой логической интегральной схемой) или ASIC (специализированной заказной интегральной схемой); при этом само устройство может быть реализовано в виде указанных схем.

В качестве процессоров, пригодных для обработки компьютерных программ, могут быть использованы, к примеру, как универсальные, так и специализированные микропроцессоры, а также какой-либо один из процессоров или несколько процессоров, установленных на плате цифрового компьютера любого типа. Обычно процессор получает команды и данные из постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) или оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), или из двух этих источников. К узлам компьютера могут относиться, по меньшей мере, один процессор для исполнения команд, а также одно или несколько запоминающих устройств для хранения команд и данных. Как правило, компьютер может также содержать одно или несколько запоминающих устройств большой емкости, таких как магнитные, магнитооптические или оптические диски, предназначенных для хранения данных; или же он может быть функционально связан с указанными устройствами для получения с них или передачи на них данных, или для того и другого. К носителям информации, пригодным для хранения программных команд и данных в машинном коде, относятся все виды энергонезависимой памяти, в том числе, к примеру, полупроводниковые запоминающие устройства, такие как ППЗУ, ЭСППЗУ и флэш-память; магнитные диски, такие как встроенные жесткие диски или съемные диски; магнитооптические диски; а также компакт-диски и DVD-диски. Процессор и память могут быть дополнены специализированными логическими схемами или встроены в указанные схемы.

Для обеспечения взаимодействия с пользователем варианты осуществления настоящего изобретения могут быть реализованы на компьютере, снабженным устройством отображения информации, например, электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ), жидкокристаллическим дисплеем (ЖК-дисплеем) или сенсорным экраном для предоставлению пользователю визуальной информации, а также клавиатурой и манипулятором, например, типа «мышь» или «трекбол», с помощью которых пользователь может вводить данные в компьютер. Для обеспечения взаимодействия с пользователем могут быть использованы и другие устройства; например, обратная связь с пользователем может быть представлена сенсорной обратной связью любого типа, например, визуальной, слуховой или тактильной обратной связью; а вводные данные от пользователя могут быть получены в любой форме, в том числе в виде речевого, слухового или тактильного ввода.

Варианты осуществления настоящего изобретения могут быть реализованы в вычислительной системе, которая содержит внутренний компонент (например, в виде сервера данных), или промежуточный компонент (например, сервер приложений), или связный компонент (например, клиентский компьютер с графическим интерфейсом пользователя или веб-браузером, через который пользователь может взаимодействовать с каким-либо вариантом реализации заявленного изобретения), или любую комбинацию внутреннего, промежуточного и связного компонентов. Эти компоненты могут быть связаны друг с другом в любой форме или посредством любого канала цифровой передачи данных, например, через коммуникационную сеть. Примерами коммуникационных сетей могут служить локальные сети (LAN) и глобальные сети (WAN), например, Интернет.

Хотя определенные признаки представленных вариантов реализации заявленного изобретения были проиллюстрированы так, как это описано выше, любому специалисту в данной области техники понятно, что возможны различные модификации, замены, изменения и эквивалентные решения. Соответственно необходимо понимать, что прилагаемая формула изобретения распространяется на все такие модификации и изменения как соответствующие объему вариантов осуществления настоящего изобретения. Следует понимать, что указанные варианты были представлены исключительно для примера, они не носят ограничительного характера, а в их форму и детали могут быть внесены различные изменения. Любые части устройства и/или способа, описанные в настоящей заявке, могут сочетаться в любых комбинациях, за исключением взаимоисключающих. Варианты реализации заявленного изобретения, описанные в настоящем документе, могут включать в себя различные комбинации и/или подкомбинации функций, элементов и/или признаков различных вариантов осуществления настоящего изобретения, описанных выше.

1. Датчик деформации, содержащий:

однородную композиционную пену, содержащую неслоистую смесь, включающую

полимерный материал с множеством пор; и

множество токопроводящих наполнителей, распределенных в полимерном материале,

при этом однородная композиционная пена генерирует пьезоэлектрическое напряжение без внешнего токогенерирующего устройства в ответ на деформирование.

2. Датчик деформации по п. 1, в котором множество токопроводящих наполнителей включает множество токопроводящих наночастиц.

3. Датчик деформации по любому из пп. 1 и 2, в котором множество токопроводящих наполнителей включает волокна, покрытые токопроводящим материалом.

4. Датчик деформации по п. 1, в котором множество токопроводящих наполнителей включает сочетание множества волокон с токопроводящим покрытием с множеством токопроводящих наночастиц, при этом материал проявляет уменьшение электрического сопротивления и генерирует пьезоэлектрическое напряжение при деформировании.

5. Датчик деформации по любому из пп. 1-2, дополнительно содержащий:

по меньшей мере одну измерительную головку, расположенную в однородной композиционной пене;

детектор напряжения, соединенный по меньшей мере с одной измерительной головкой; и

память, функционально связанную с детектором напряжения.

6. Датчик деформации по любому из пп. 1-2, в котором расположение множества токопроводящих наполнителей в полимерном материале задает нанопереходы, которые генерируют пьезоэлектрическое напряжение на деформацию сжатия на основе квантового туннелирования.

7. Датчик деформации по любому из пп. 1-2, в котором пьезоэлектрическое напряжение соответствует скорости деформирования и деформации.

8. Датчик деформации по любому из пп. 1-2, в котором весовая доля множества токопроводящих наполнителей в устройстве составляет от одного до двадцати пяти процентов.

9. Способ измерения деформации сжатия, включающий:

фиксацию по первой оси пьезоэлектрического напряжения, вызванного уменьшением электрического сопротивления или электрическим потенциалом, сгенерированными в ответ на ударное воздействие на однородный композиционный материал, который содержит полимерную пену и токопроводящие наполнители, распределенные по всей полимерной пене; при этом ударное воздействие осуществляется вдоль второй оси, отличной от первой, при этом однородной композиционный материал проявляет как уменьшение электрического сопротивления, так и получение электрического потенциала в ответ на ударное воздействие; и

определение деформации при ударном воздействии по пьезоэлектрическому напряжению.

10. Способ по п. 9, в котором токопроводящие наполнители содержат волокна с токопроводящим покрытием.

11. Способ по любому из пп. 9 и 10, в котором однородный композиционный материал в устройстве пользователя выполняет функцию уплотнительного материала.

12. Способ по любому из пп. 9 и 10, в котором материал наносится на участок протеза конечности; при этом указанный способ дополнительно включает обеспечение обратной связи с пользователем в отношении деформации при ударном воздействии.

13. Способ по любому из пп. 9-10, дополнительно включающий следующие стадии:

передачу данных, отображающих напряжение, на внешнее вычислительное устройство; и

определение деформации вследствие ударного воздействия на внешнем вычислительном устройстве.

14. Способ по любому из пп. 9-10, в котором однородный композиционный материал измеряет деформирование до 60% без остаточной деформации материала.

15. Способ по любому из пп. 9-10, дополнительно включающий стадию определения скорости деформирования и деформации при ударном воздействии по пьезоэлектрическому напряжению.

16. Способ создания тензометрического датчика, включающий:

смешивание множества токопроводящих наполнителей с неотвержденным полимерным матриксным материалом;

формирование пор в смеси токопроводящих наполнителей с неотвержденным полимерным матриксным материалом; и

отверждение смеси с порами с целью создания однородной композиционной пены в качестве тензометрического датчика; при этом однородная композиционная пена генерирует уменьшение электрического сопротивления и генерирует пьезоэлектрическое напряжение без внешнего токогенерирующего устройства в ответ на сжатие.

17. Способ по п. 16, в котором неотвержденный полимерный матриксный материал представляет собой неотвержденный высокоэластичный полимер, и способ дополнительно включает:

введение смеси токопроводящих наполнителей и неотвержденного высокоэластичного полимера в форму для отливки; и

регулирование модуля упругости тензометрического датчика путем регулирования объема смеси, вводимой в форму для отливки, для обеспечения его соответствия модулю упругости высокоэластичной пены, содержащейся в продукте, при этом тензометрический датчик используется вместо содержащейся в продукте высокоэластичной пены.

18. Способ по п. 16, дополнительно включающий:

разрезание однородной композиционной пены на множество дискретных тензометрических датчиков.

19. Способ по п. 16, дополнительно включающий:

придание однородной композиционной пене формы, заданной устройством пользователя.

20. Способ по п. 16, в котором однородная композиционная пена в устройстве пользователя выполняет функцию уплотнительного материала.

21. Датчик деформации, содержащий:

материал из однородной композиционной пены, включающий неслоистую смесь полимерного материала и множество токопроводящих наполнителей, распределенных в полимерном материале, при этом наполнители имеют низкую степень наполнения, что приводит к генерации электрического потенциала и снижению сопротивления в ответ на сжатие пены;

по меньшей мере одну измерительную головку в однородной композиционной пене;

детектор напряжения, соединенный с по меньшей мере одной измерительной головкой; и

память, функционально связанную с детектором напряжения.

22. Датчик деформации по п. 21, где однородный композиционный материал проявляет изотропные свойства.

23. Датчик деформации по пп. 21 и 22, где электрический потенциал соответствует скорости деформирования и деформации.

24. Датчик деформации по пп. 21-22, дополнительно содержащий:

передатчик, связанный с памятью, который передает данные, отображающие электрический потенциал или снижение в сопротивлении на внешнее вычислительное устройство.

25. Датчик деформации по п. 24, где внешнее вычислительное устройство выполнено с возможностью рассчитывать деформирование на основе указанных данных.

26. Датчик деформации по пп. 21-22, где низкая степень наполнения составляет примерно от одного до двадцати пяти процентов по весу однородного композиционного материала.

27. Датчик деформации по пп. 21-22, где устройство тензометрических датчиков измеряет до 80% механического напряжения без постоянного деформирования материала.

28. Датчик деформации по пп. 21-22, где уменьшение в сопротивлении и генерируемый электрический потенциал измеряются в течение повторяющихся циклов без повторной калибровки.

29. Датчик деформации по пп. 21-22, где полимерный материал подвергнут термоотверждению.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к пьезоэлектрическим устройствам для обратимого преобразования механического напряжения в электрическое. Технический результат заключается в упрощении конструкции преобразователя и увеличении его эффективности при нано или микроразмерах преобразователя.

Изобретение относится к электротехнике, химической промышленности, нанотехнологии и может быть использовано при изготовлении сенсорных и жидкокристаллических экранов, солнечных преобразователей энергии, светодиодов.

Изобретение относится к метрологии, а именно к пьезоэлектрическим измерительным преобразователям вибрации и их калибровке. Пьезоэлектрический измерительный преобразователь вибрации с двумя пакетами пьезоэлектрических дисков, один из которых (входной) работает в режиме обратного пьезоэлектрического эффекта, что вызывает деформацию второго (выходного) пакета, работающего в режиме прямого пьезоэлектрического эффекта.

Изобретение относится к производству пьезокерамических элементов (ПКЭ) и предназначено для поляризации в воздушной среде крупногабаритных изделий из сегнетожестких материалов с температурой Кюри до 350°C в условиях серийного производства.

Изобретение относится к области производства электрической энергии и может быть использовано в устройствах с автономным питанием. Ветро-пьезоэлектрогенератор, содержащий пьезоэлектрические элементы, флюгер, полотно, электроды.

Изобретение относится к пьезотехнике, а именно к области создания многослойных пьезокерамических элементов для преобразователей электрической энергии в механическую.

Изобретение относится к ракетным двигателям малой тяги. Ракетный двигатель малой тяги с регулированием тяги содержащий камеру сгорания, смесительную головку с каналами и устройствами для подачи и регулирования расхода компонентов топлива, а также форсунки для распределения компонентов топлива, при этом устройства для подачи и регулирования расхода каждого компонента топлива, имеют пьезоэлектрический привод, а для управления тяговыми характеристиками двигатель снабжен источниками питания, которые встроены в электрическую цепь каждого пьезоэлектрического привода, при этом источники питания имеют регулятор напряжения.

Изобретение относится к пьезоэлектрическому и/или пироэлектрическому композиционному материалу. Сущность: материал включает диэлектрическую матрицу (11), наполнитель по меньшей мере из одного неорганического пьезоэлектрического и/или пироэлектрического материала.

Изобретение относится к технологии изготовления высокотемпературных композиционных пьезокерамических материалов и пьезоэлементов из титаната-скандата висмута-свинца (ТСВС).

Изобретение относится к пьезоэлектронике, к технологии изготовления монолитных многослойных пьезокерамических элементов для электромеханических преобразователей и актюаторов.

Группа изобретений относится к средствам мониторинга состояния пользователя за счет преобразования движения пользователя в электрическое напряжение. Раскрыты устройство (10) и способ преобразования движения пользователя в электрическое напряжение, устройство (90), система (100) и способ для мониторинга пользователя, датчик падения, содержащий устройство (90) для мониторинга пользователя, и способ обнаружения потенциального падения.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве исполнительного механизма управляющих систем прецизионного приборостроения, в оптических системах и др.

Изобретение относится к устройству, системе и способу сбора энергии на дорогах и автомагистралях с использованием пьезоэлектрического генератора. .

Изобретение относится к электротехнике, к электромеханическим преобразователям энергии, именно - к преобразователям, работающим с применением пьезокерамических материалов.

Изобретение относится к сильноточной импульсной технике и может быть использовано в качестве исполнительного механизма в системах однократного действия. .

Изобретение относится к области высоковольтной импульсной техники и может быть использовано в качестве источника импульсного электропитания различных электрофизических установок.

Изобретение относится к сильноточной импульсной технике и может быть использовано в качестве исполнительного механизма в системах однократного действия. .

Изобретение относится к электрическим генераторам и может быть применено для преобразования механической энергии в электрическую энергию. .

Изобретение относится к измерительной технике, конкретнее к области электрических измерений параметров импульсных механических нагрузок в виброакустике и физике взрыва.

Изобретение относится к измерительной технике, конкретнее к области электрических измерений параметров импульсных механических нагрузок в виброакустике и физике взрыва.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в различных отраслях промышленности (горнодобывающей, нефтегазовой, машиностроения, химической и др.) для дистанционной индикации и регистрации механических усилий, в частности для диагностики и мониторинга напряженно-деформированного состояния массива горных пород в окрестностях капитальных, очистных и подготовительных горных выработок, целиков, а также при техносферных и природных чрезвычайных ситуациях.

Изобретение относится композиционному материалу, проявляющему пьезоэлектрические иили пьезорезитивные свойства при деформации. Сущность: датчик деформации представляет собой однородную композиционную пену, содержащий неслоистую смесь из высокоэластичного полимерного материала с множеством пор и множество токопроводящих наполнителей, распределенных в полимерном материале. В качестве токопроводящих наполнителей могут использоваться токопроводящие наночастицы иили токопроводящие стабилизаторы. Способ измерения деформации сжатия включает фиксацию вдоль первой оси электрического отклика по факту ударного воздействия на однородный композиционный материал, который содержит токопроводящие наполнители и поры, распределенные по всему высокоэластичному полимеру, и определение степени деформации при ударном воздействии по электрическому отклику. Ударное воздействие может оказываться вдоль второй оси, отличной от первой. Технический результат: повышение чувствительности, снижение дрейфа, высокая по точности повторяемость при механической деформации до 80 и более. 4 н. и 25 з.п. ф-лы, 11 ил., 1 табл.

Наверх