專利名稱：一種溫度觸覺傳感裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種溫度觸覺傳感裝置，可應(yīng)用于測試接觸物體的熱特性，涉及觸覺傳感 器領(lǐng)域與溫度傳感器領(lǐng)域。該溫度傳感裝置可分辨物體的熱特性，適用于機(jī)器人手指，空 間探測，醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
觸覺是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)與環(huán)境直接作用的必需媒介，是機(jī)器人獲取環(huán)境信息的一種僅次于 視覺的重要知覺形式。與視覺不同，觸覺本身有很強(qiáng)的敏感能力可直接測量對象和環(huán)境的 多種性質(zhì)特征?？梢詫?shí)現(xiàn)有些視覺無法實(shí)現(xiàn)的功能，因此觸覺不僅僅只是視覺的一種補(bǔ)充。 與機(jī)器人視覺傳感技術(shù)的廣泛應(yīng)用相比，機(jī)器人的觸覺傳感技術(shù)仍然處于發(fā)展的初級(jí)階 段，特別是觸覺識(shí)別方法。由于觸覺傳感器的多樣性及機(jī)器人手爪功能的局限性，至今沒 有自身特點(diǎn)的理論和方法。
目前觸覺傳感器的研究內(nèi)容主要是力觸覺傳感器，光學(xué)觸覺傳感器的方向，對于溫度 觸覺傳感器的研究相對較少。而觸覺傳感器的研究主要局限于機(jī)器人觸覺的應(yīng)用上。
溫度傳感器按傳感器與被測介質(zhì)的接觸方式可分為兩大類 一類是接觸式溫度傳感 器， 一類是非接觸式溫度傳感器。接觸式溫度傳感器的測溫元件與被測對象要有良好的熱 接觸，通過熱傳導(dǎo)及對流原理達(dá)到熱平衡。這種測溫方法精度比較高，并可測量物體內(nèi)部 的溫度分布。但對于運(yùn)動(dòng)的、熱容量比較小的及對感溫元件有腐蝕作用的對象，這種方法 將會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。非接觸測溫的測溫元件與被測對象互不接觸。常用的是輻射熱交換 原理。此種測穩(wěn)方法的主要特點(diǎn)是可測量運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的小目標(biāo)及熱容量小或變化迅速的對 象，也可測量溫度場的溫度分布，但受環(huán)境的影響比較大。
溫度特性識(shí)別在很多領(lǐng)域都有應(yīng)用，例如機(jī)器人手指，材質(zhì)識(shí)別，空間探測等。以材 質(zhì)識(shí)別為例，材質(zhì)識(shí)別可以依賴于紅外探測，超聲波探測，紅外探測和超聲波探測，雖然 準(zhǔn)確度高，但不確定性易受人體溫度和外界溫度的干擾影響。溫度觸覺傳感器相對于這些 識(shí)別，更經(jīng)濟(jì)適用，便捷方便，其應(yīng)用于機(jī)器人手指目的在于更真實(shí)模擬人的手指的觸覺 辨別能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種結(jié)構(gòu)簡單、測試 過程便于操作的通過接觸識(shí)別測試對象熱特性、反映速度快、識(shí)別精度高的溫度觸覺傳感裝置。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案
一種溫度觸覺傳感裝置，包括溫度傳感器，包括第一絕緣板、第二絕緣板以及設(shè)置在 第一絕緣板與第二絕緣板之間的溫度傳感器、加熱器以及一絕緣基板，所述的絕緣基板設(shè) 置在所述的溫度傳感器與加熱器之間。
所述的加熱器、絕緣基板以及溫度傳感器采用上中下三層結(jié)構(gòu)，所述的加熱器與溫度 傳感器水平布置在絕緣基板的上下兩側(cè)，且所述的加熱器與所述的第一絕緣板連接，所述 的溫度傳感器與所述的第二絕緣板連接。
所述的加熱器、絕緣基板以及溫度傳感器設(shè)置在同一層上，且所述的加熱器與溫度傳 感器水平布置在絕緣基板的左右兩側(cè)。
所述的溫度傳感器包含嵌入的溫度傳感金屬線圈，所述的金屬線圈采用半徑遞減的半 圓螺旋的環(huán)繞方式或邊長遞減的等腰直角三角形螺旋的環(huán)繞方式。
所述的加熱器包含嵌入的金屬加熱絲，所述的金屬加熱絲采用半徑遞減的半圓螺旋的 環(huán)繞方式或邊長遞減的等腰直角三角形螺旋的環(huán)繞方式。
本發(fā)明溫度傳感裝置，包括溫度傳感器部分、加熱器部分以及基板三部分組成
溫度傳感器部分。溫度傳感器部分由絕緣薄板和嵌入其中的溫度傳感金屬線圈組成。 金屬線圈可采用半徑遞減的半圓螺旋線纏繞方式、邊長遞減的等腰直角三角形螺旋纏繞方 式，在加工工藝和固定薄板面積的限制條件內(nèi)，使線圈長度最大，以增大電阻值和接觸導(dǎo) 熱面積，金屬線圈的兩個(gè)端點(diǎn)外接調(diào)理電路構(gòu)成測試電路，傳感器的最外層是一層薄絕緣 層。傳感器部分用于接觸被測對象表面，通過測試金屬線圈的電阻值變化，模擬出電阻值 變化曲線從而識(shí)別被測對象熱特性，這些熱特性包括熱擴(kuò)散系數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)，比熱容等。
加熱器部分。加熱器部分由絕緣薄板和嵌入其中的金屬加熱絲組成。金屬加熱絲可采 用半徑遞減的半圓螺旋線纏繞方式、邊長遞減的等腰直角三角形螺旋纏繞方式，在加工工 藝和固定薄板面積的限制條件內(nèi)，使線圈長度最大，以增大電阻值和接觸導(dǎo)熱面積，金屬 加熱絲的兩個(gè)端點(diǎn)外接加熱電源，加熱器的最外層是一層薄絕緣層。加熱器部分用于加熱 整個(gè)溫度傳感器，外接加熱電路使金屬線圈兩端通入電流，使金屬線圈發(fā)熱，目的是保持 整個(gè)溫度傳感器裝置為恒溫，該恒溫的溫度值可以隨著不同的測試對象進(jìn)行調(diào)控。其以保
4持整個(gè)傳感裝置為恒溫狀態(tài)的目的的加熱功能，可以使整個(gè)裝置模擬人的手指接觸物體時(shí) 的恒溫狀態(tài)，體現(xiàn)傳感器裝置的觸覺功能。
基板部分?；宀糠植捎脽嶙栎^大的導(dǎo)熱絕緣材料，旨在減緩傳感器的溫度變化速度， 可以更好的模擬手指的熱觸覺感觸，而且可以更明顯的采集到傳感器阻值變化的數(shù)據(jù)。
本發(fā)明適用于機(jī)器人手指，空間探測，醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域，其主要技術(shù)特點(diǎn)是l.采用 特殊的傳感器結(jié)構(gòu)，金屬線圈使用半圓螺旋線環(huán)繞方法，增大了接觸的導(dǎo)熱面積。2.采用 加熱保持恒溫的加熱結(jié)構(gòu)，目的在于保持一定溫度差以便增加測試時(shí)間，更好地模擬人手 指的恒溫特性，體現(xiàn)傳感器的觸覺特性。3.通過獲得金屬線圈電阻值的變化獲得溫度變化 數(shù)據(jù)，并由此計(jì)算出溫度變化曲線，從而辨別出被測對象的熱特性。
本技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)對比，具有如下優(yōu)點(diǎn)
1. 本發(fā)明采用熱傳導(dǎo)和熱電阻原理，結(jié)構(gòu)簡單易行。
2. 本發(fā)明采用加熱器，目的是保持整個(gè)傳感器裝置為恒溫狀態(tài)的可調(diào)控溫度，可 以簡單地模擬人的手指觸覺，減少環(huán)境溫度變化對測試精度的負(fù)面影響，識(shí)別精度高。
3. 能夠直接測出被測對象的阻值變化曲線，直觀并且準(zhǔn)確地測試、分辨被測對象 的熱特性，這些熱特性包括熱擴(kuò)散系數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)。
4. 本發(fā)明能夠做為復(fù)合式傳感器裝置，可以通過傳感器接線端的改變實(shí)現(xiàn)電容傳 感，電感傳感的功能。
5. 能廣泛用于機(jī)器人手指，空間探測，醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明做進(jìn)一步闡述。 圖l:為溫度觸覺傳感裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
其中l(wèi)為溫度傳感器部分，2為基板部分，3為加熱器部分。
圖2:為溫度傳感器內(nèi)嵌入的金屬線圈兩種環(huán)繞方式示意圖。其中2a為邊長遞減的等 腰直角三角形螺旋纏繞方式，2b為半徑遞減的半圓螺旋線纏繞方式，2c是2a的局部放大 示意圖，2d是2b的局部放大示意圖。
圖3:為加熱器內(nèi)嵌入的金屬線圈兩種環(huán)繞方式示意圖。其中，3a為邊長遞減的等腰 直角三角形螺旋纏繞方式，3b為半徑遞減的半圓螺旋線纏繞方式，3c是3a的局部放大示 意圖，3d是3b的局部放大示意圖。
圖4:為被測對象為接觸面為平面的固體材料的測試示意圖。其中6為外接加熱電路，7為外接測試電路，8為被測對象。 圖5:為一種測試固體的溫度觸覺傳感裝置總體示意圖。
其中9為被測對象，IO為溫度傳感器，11為連接溫度觸覺傳感裝置與數(shù)據(jù)采集模塊之 間的導(dǎo)線，12為數(shù)據(jù)采集模塊，包括外接的加熱電路、外接的測試電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器。 圖6:為一種測試液體的溫度觸覺傳感裝置總體示意圖。
其中包括六面體出去頂面的五個(gè)面都采用一塊包含溫度傳感器和加熱器的溫度觸覺 傳感器裝置，可以放入測試液體中測試液體熱特性。 圖7:為溫度傳感裝置的一種變形結(jié)構(gòu)。
其中13為傳感器，14為加熱器，15為傳熱基板，16為上層絕緣板，17為下層絕緣板。
具體實(shí)施例方式
以下為本傳感裝置測試被測對象的
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明溫度觸覺傳感裝置，包括溫度傳感器1、基板2以及加熱器3，絕緣基板設(shè)置 在溫度傳感器l與加熱器3之間，如圖1所示，溫度傳感器l、基板2以及加熱器3為上 中下三層結(jié)構(gòu)，在加熱器3外層附加一層絕緣板5，在溫度傳感器1外層附加一層絕緣板 4。溫度傳感器l、基板2以及加熱器3也可以為水平布置，即將三者放在同一層，溫度傳 感器1和加熱器3水平布置在絕緣基板2的左右兩側(cè)，如圖7所示。
溫度傳感器部分采用如附圖2的結(jié)構(gòu)，特殊的傳感結(jié)構(gòu)由金屬傳感線圈和導(dǎo)熱性能 好的絕緣薄板組成。金屬線圈可采用半徑遞減的半圓螺旋線纏繞方式、邊長遞減的等腰直 角三角形螺旋纏繞方式，以最大的增加長度，從而增大電阻接觸面積，可以計(jì)算出金屬線 圈的長度，從而得出金屬線圈電阻值的表達(dá)式。把溫度傳感器部分下表面緊貼在被測對象 的表面上，由于被測對象表面與溫度傳感器下表面之間存在溫度差，從而產(chǎn)生熱傳導(dǎo)，導(dǎo) 致溫度傳感器內(nèi)金屬傳感線圈溫度隨之發(fā)生改變，從而金屬傳感線圈阻值隨之變化，使檢 測阻值的信號(hào)發(fā)生改變，這種時(shí)間響應(yīng)的信號(hào)被外接的測試電路檢測并分析。由熱傳導(dǎo)公 式可以看出，采集的數(shù)據(jù)可以得到被測材料的熱特性，包括熱擴(kuò)散系數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)，可以 得到被測對象表面溫度場的分布。
加熱器部分采用如附圖3的結(jié)構(gòu)，特殊的加熱器結(jié)構(gòu)由金屬加熱絲和導(dǎo)熱性能良好 的絕緣薄板組成。金屬加熱絲采用半徑遞減的半圓螺旋線纏繞方式、邊長遞減的等腰直角 三角形螺旋纏繞方式，以最大的長度增大電阻接觸面積。外接加熱電路給金屬加熱絲通入 電流，使其發(fā)熱，根據(jù)金屬加熱絲的電阻值判定溫度的變化，電阻值變大，溫度高于規(guī)定溫度時(shí)，減小輸入功率，降低溫度，電阻值變小，溫度低于規(guī)定溫度時(shí)，增大輸入功率， 升高溫度，使整個(gè)溫度觸覺傳感器裝置始終保持規(guī)定溫度的恒溫狀態(tài)。該規(guī)定的恒溫溫度 值是可以根據(jù)不同的測試對象調(diào)控改變的， 一般整個(gè)傳感裝置測試溫度較高的對象時(shí)，調(diào) 控該恒溫溫度值使其低于被測對象溫度，這樣可以模擬手指的熱感覺，測試溫度較低的對 象時(shí)，調(diào)控該恒溫溫度值使其高于被測對象溫度，這樣可以模擬手指的冷感覺，這樣造成 的傳感裝置與被測對象之間存在較大的溫度差，可以使觸覺表現(xiàn)得更靈敏，更好的測試被 測對象的熱響應(yīng)過程。
基板部分采用如附圖1的結(jié)構(gòu)，采用熱阻較大的導(dǎo)熱絕緣材料，旨在減緩傳感器的 溫度變化速度，從而可以更明顯的采集到傳感器阻值變化的數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)采集模塊部分采用包括外接測試電路、外接加熱電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器。數(shù)據(jù)采集 模塊可以對加熱器提供電源，采集傳感器信號(hào)，把采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并 把數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)分析計(jì)算數(shù)據(jù)，得到數(shù)據(jù)曲線特征，從而得到被測對象熱特性。 可以根據(jù)不同的測試環(huán)境制作出不同的溫度觸覺傳感裝置，如圖4所示，為被測對象為接 觸面為平面的固體材料的測試示意圖；圖5為一種測試固體的溫度觸覺傳感裝置總體示意 圖；圖6為一種測試液體的溫度觸覺傳感裝置總體示意圖。
實(shí)施例l
被測對象為測試溫度低的固體，把加熱器溫度調(diào)高，使其高于被測對象的溫度，通過 導(dǎo)熱油減少接觸電阻，把傳感裝置平放在被測對象表面上，由于存在的溫度差，此時(shí)傳感 器部分向被測對象傳熱，傳感器溫度降低，隨之加熱器溫度降低，增大加熱器功率，使加 熱器保持恒溫，即保持電阻值不變，持續(xù)一段時(shí)間，使傳感裝置達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，形成恒定 溫度場，加熱器溫度不再變化，傳感裝置溫度也不再變化，測試結(jié)束。采集到的數(shù)據(jù)分析， 得出導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴(kuò)散系數(shù)等熱特性。
該實(shí)施例的導(dǎo)熱、測試機(jī)理
影響物體傳熱速率的兩個(gè)重要參數(shù)是導(dǎo)熱系數(shù)《，熱擴(kuò)散系數(shù)"。
《可由傅里葉定律得出《=-《^，《為熱流密度，V為溫度，X為傳熱距離。它是傅
里葉定律中的比例系數(shù)，是物體的一項(xiàng)重要的物理性質(zhì)，它反映了物體的導(dǎo)熱能力，即在 單位溫度梯度作用下能夠通過單位面積進(jìn)行傳遞的熱流量。
"由以下公式定義"=^， /9為密度，C是比熱容。它反映了物體的導(dǎo)熱能力與儲(chǔ)熱能力之比，也是一個(gè)衡量物體在加熱或冷卻時(shí)內(nèi)部溫度變化傳播速度的指標(biāo)。
把上述測試實(shí)例簡化為一個(gè)簡單的模型，把傳感裝置看做是一塊溫度為的方形薄
板，被測對象看做是一塊溫度分布為"("^)的無限深度無限大的物體，v(^是時(shí)間^的函 數(shù)，"(X，O是傳熱距離X和時(shí)間f的二元函數(shù)，傳感裝置與被測對象緊密接觸，在接觸處溫
度分布為義=0， "(g，0 =々)，這是傳感裝置的溫度。
被測對象的熱擴(kuò)散公式為
^-丄^ = 0，"是被測對象的熱擴(kuò)散系數(shù)。 ' 邊界條件為
Mc--《一=0 ，
"O是傳感裝置的溫度，似是傳感裝置的質(zhì)量，c是傳感裝置的比熱容，^是傳感裝 置的熱量輸出，^是被測對象的導(dǎo)熱系數(shù)。
由測試結(jié)果可以直接得出v(O的變化過程，M， c已知，2可以由加熱器的加熱過
程計(jì)算得出，K與"是相關(guān)的，因此可以由上述方程解出"(K)，"，《，由此實(shí)現(xiàn)測試 被測對象溫度場、計(jì)算出其熱擴(kuò)散系數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)，從而達(dá)到識(shí)別被測對象熱特性的目的。
權(quán)利要求
1、一種溫度觸覺傳感裝置，其特征在于包括第一絕緣板(4)、第二絕緣板(5)以及設(shè)置在第一絕緣板(4)與第二絕緣板(5)之間的溫度傳感器(1)、加熱器(3)以及一絕緣基板(2)，所述的絕緣基板(2)設(shè)置在所述的溫度傳感器(1)與加熱器(3)之間。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度觸覺傳感裝置，其特征在于所述的加熱器(3)、絕 緣基板(2)以及溫度傳感器(1)采用上中下三層結(jié)構(gòu)，所述的加熱器(3)與溫度傳感 器(1)水平布置在絕緣基板(2)的上下兩側(cè)，且所述的加熱器(3)與所述的第一絕緣 板(4)連接，所述的溫度傳感器(1)與所述的第二絕緣板(5)連接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度觸覺傳感裝置，其特征在于所述的加熱器(3)、絕 緣基板(2)以及溫度傳感器(1)設(shè)置在同一層上，且所述的加熱器(3)與溫度傳感器(1)水平布置在絕緣基板(2)的左右兩側(cè)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2或3所述的溫度觸覺傳感裝置，其特征在于所述的溫度傳感 器(1)包含嵌入的溫度傳感金屬線圈，所述的金屬線圈采用半徑遞減的半圓螺旋的環(huán)繞 方式或邊長遞減的等腰直角三角形螺旋的環(huán)繞方式。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1、 2或3所述的溫度觸覺傳感裝置，其特征在于所述的加熱器(3) 包含嵌入的金屬加熱絲，所述的金屬加熱絲采用半徑遞減的半圓螺旋的環(huán)繞方式或邊長遞 減的等腰直角三角形螺旋的環(huán)繞方式。
全文摘要
本發(fā)明公開一種溫度觸覺傳感裝置，包括第一絕緣板、第二絕緣板以及設(shè)置在第一絕緣板與第二絕緣板之間的溫度傳感器、加熱器以及一絕緣基板，所述的絕緣基板設(shè)置在所述的溫度傳感器與加熱器之間。所述的溫度傳感器包含嵌入的溫度傳感金屬線圈，所述的金屬線圈采用半徑遞減的半圓螺旋的環(huán)繞方式或邊長遞減的等腰直角三角形螺旋的環(huán)繞方式；所述的加熱器包含嵌入的金屬加熱絲，所述的金屬加熱絲采用半徑遞減的半圓螺旋的環(huán)繞方式或邊長遞減的等腰直角三角形螺旋的環(huán)繞方式。本發(fā)明的溫度觸覺傳感裝置通過接觸方式測量被測對象的溫度響應(yīng)而準(zhǔn)確地辨別被測對象的特性，經(jīng)濟(jì)適用，具有測試精度高、性能可靠、檢測速度快、用途廣泛等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N25/18GK101650322SQ200910034949
公開日2010年2月17日 申請日期2009年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月8日
發(fā)明者吳劍進(jìn), 吳劍鋒, 周連杰, 李建清, 王豐華, 陳從顏 申請人:東南大學(xué)