一種柔性多維力傳感器的制造方法
【專利摘要】一種柔性多維力傳感器，主要包括傳感器主體、壓力傳感單元、連接件A、連接件B、連接件C、連接件D、連接件E、管道A、管道B、管道C、管道D、管道E、管道F、接引線A端口和接引線F端口。本發(fā)明采用的主體材料為柔性硅膠，其通體柔軟，可隨意扭曲，其硅膠抗酸堿，可用于各類酸堿、潮濕等特殊環(huán)境；傳感單元中微型管道的大小、長度可隨實際要求設(shè)計，方便其量程及靈敏度的調(diào)整；傳感單元十字形排布，各維力在數(shù)據(jù)處理上方便、容易解耦；其微型管道內(nèi)注有液態(tài)金屬溶液，其形隨管道變化而變化，質(zhì)地柔軟，允許傳感器大尺度扭曲而不損傷檢測元件；其連通件為固態(tài)金屬導(dǎo)體，連通微型管道傳導(dǎo)電流的同時，將外力施加于傳感單元。
【專利說明】
一種柔性多維力傳感器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種柔性傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著傳感器的發(fā)展，新型傳感器的開發(fā)進入日程，人們將賦予傳感器更多功能，希 望傳感器更柔、更小巧、更靈敏、更智能、便于隨身檢測。因此新的技術(shù)及理念將引入新型傳 感器的開發(fā)中，而其中的柔性多維力傳感器將成為這發(fā)展中的一個重要分支。柔性多維力 傳感器集新材料、新工藝、新設(shè)計于一體，可隨意扭曲拉伸，檢測多種外界信息量，可用于工 業(yè)制造、醫(yī)療檢測、家居智能、穿戴設(shè)備、科學(xué)研究等諸多領(lǐng)域。
[0003] 在柔性多維力傳感器的研究上，通常采用大柔性金屬材料，或者硅基基底材料，或 者柔性布料材料等利用光、電、磁等物理現(xiàn)象進行研發(fā)。其研發(fā)方法多樣，效果各異，但其在 抗拉扯性能上往往不滿足實際使用要求，柔度往往不夠，且往往在滿足柔性的要求時只能 檢測單維力，因此面向于高柔性的多維力傳感器是研發(fā)人員研究的熱點。而大多數(shù)現(xiàn)有多 維力傳感器在擁有大柔性的同時其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工工藝繁瑣，檢測理論錯綜復(fù)雜，后期數(shù)據(jù) 處理不便。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種柔度極大，可隨著外力任意扭曲，體積小巧，便于攜帶， 結(jié)構(gòu)簡便，易于加工的柔性多維力傳感器。
[0005] 本發(fā)明主要包括傳感器主體、壓力傳感單元、連接件A、連接件B、連接件C、連接件 D、連接件E、管道A、管道B、管道C、管道D、管道E、管道F、接引線A端口和接引線F端口。
[0006] 其中，傳感器主體為柔性硅膠，在傳感器主體的內(nèi)部設(shè)有四個壓力傳感單元，四個 壓力傳感單元十字排布在傳感器主體內(nèi)部。每個壓力傳感單元由五個連接件和六條管道組 成。五個連接件均為固態(tài)金屬導(dǎo)體，傳導(dǎo)管道中液態(tài)金屬溶液傳導(dǎo)而來的電流的同時，把柔 性多維力傳感器上表面的三維力傳至各個管道。五個連接件依次為連接件A、連接件B、連接 件C、連接件D、連接件E。六條管道內(nèi)均設(shè)有液態(tài)金屬溶液，六條管道依次為管道A、管道B、管 道C、管道D、管道E和管道F。以管道F為中心，管道A、管道B、管道C、管道D和管道E均與管道F 平行，管道A、管道B、管道C、管道D和管道E呈圓周均勻排布。連接件A的兩端分別與管道A和 管道B的下端相連，管道B的上端與連接件B的一端相連，連接件B的另一端與管道C的上端相 連，管道C的下端與連接件C的一端相連，連接件C的另一端與管道D的下端相連，管道D的上 端與連接件D的一端相連，連接件D的另一端與管道E的上端相連，管道E的下端與連接件E的 一端相連，連接件E的另一端與管道F的下端相連，管道A和管道F的上端分別設(shè)有接引線A端 口和接引線F端口。
[0007] 柔性多維力傳感器上表面在受三維力加載時，各個管道的直徑和長度發(fā)生變化， 帶動其中的液態(tài)金屬溶液產(chǎn)生形變，使其在長度方向的電阻發(fā)生改變，在其引線兩端通以 恒定電流，接引線A的端口和接引線F的端口間受力后電壓變化值分別為Vi，以此壓力傳感 單元逆時針依次記其余壓力傳感單元受力后電壓變化值為V2、V3、V4;
[0008] 柔性多維力傳感器上表面為測力表面，以此表面建立坐標軸，垂直于表面中心向 上為Z軸，位于傳感器上表面與Z軸垂直且指向前側(cè)的軸為X軸，位于傳感器上表面與Z軸垂 直且指向右側(cè)的軸為Y軸；
[0009] 其所述的柔性多維力傳感器上表面受到的三維力為[F]，其解算公式為：[F] = [K] [V]，
[0010] 上式中： 其中[K]為各個壓力 f 傳感單元對三維力的電壓協(xié)調(diào)系數(shù)，接引線A的端口和接引線F的端口間受力后電壓變化值 分別為Vi，以此壓力傳感單元逆時針依次記其余壓力傳感單元受力后電壓變化值為V2、V3、 V4,通過標定獲取。
[0011] 本發(fā)明在使用時，下表面粘結(jié)安放于任何物件上，上表面與外界物體接觸按壓或 按壓后施以平行移動力時，將使傳感器產(chǎn)生電阻變化，通過解算公示得出傳感器與外界物 件間相互作用的三維力。所述柔性多維力傳感器可安裝于機器手指尖、醫(yī)療末端力檢測端、 人機交互等智能機電力檢測設(shè)備及其他諸多需要檢測多維力的場合。
[0012] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：采用的主體材料為柔性硅膠，其通體柔 軟，可隨意扭曲，其硅膠抗酸堿，可用于各類酸堿、潮濕等特殊環(huán)境;傳感單元中微型管道的 大小、長度可隨實際要求設(shè)計，方便其量程及靈敏度的調(diào)整;傳感單元十字形排布，各維力 在數(shù)據(jù)處理上方便、容易解耦;其微型管道內(nèi)注有液態(tài)金屬溶液，其形隨管道變化而變化， 質(zhì)地柔軟，允許傳感器大尺度扭曲而不損傷檢測元件;其連通件為固態(tài)金屬導(dǎo)體，連通微型 管道傳導(dǎo)電流的同時，將外力施加于傳感單元。
【附圖說明】
[0013] 圖1為本實施例中一種柔性多維力傳感器的示意圖；
[0014] 圖2為本實施例中一種連接件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015 ]附圖標號：卜接引線A端口、2-管道B、3-連接件B、4-接引線F端口、5-管道C、6-連接 件D、7-管道D、8-連接件C、9-管道E、10-連接件E、11 -管道F，12-管道A、13-連接件A、14-傳感 器主體，15-壓力傳感單元。
【具體實施方式】
[0016]在圖1和圖2所示的本發(fā)明的示意簡圖中，傳感器主體14為柔性硅膠，在傳感器主 體的內(nèi)部設(shè)有四個壓力傳感單元15,四個壓力傳感單元十字排布在傳感器主體內(nèi)部。每個 壓力傳感單元由五個連接件和六條管道組成。五個連接件均為固態(tài)金屬導(dǎo)體，五個連接件 依次為連接件A13、連接件B3、連接件C8、連接件D6、連接件E10。六條管道內(nèi)均設(shè)有液態(tài)稼銦 錫合金，六條管道的長度均為3.8mm，直徑大小均為0.16mm，六條管道依次為管道A12、管道 B2、管道C5、管道D7、管道E9和管道F11。以管道F為中心，管道A、管道B、管道C、管道D和管道E 均與管道F平行，管道A、管道B、管道C、管道D和管道E呈圓周均勻排布，圓周直徑為3.6_。連 接件A的兩端分別與管道A和管道B的下端相連，管道B的上端與連接件B的一端相連，連接件 B的另一端與管道C的上端相連，管道C的下端與連接件C的一端相連，連接件C的另一端與管 道D的下端相連，管道D的上端與連接件D的一端相連，連接件D的另一端與管道E的上端相 連，管道E的下端與連接件E的一端相連，連接件E的另一端與管道F的下端相連，管道A和管 道F的上端分別設(shè)有接引線A端口 4和接引線F端口 1。
[0017] 柔性多維力傳感器上表面在受三維力加載時，各個管道的直徑和長度發(fā)生變化， 帶動其中的液態(tài)金屬溶液產(chǎn)生形變，使其在長度方向的電阻發(fā)生改變，在其引線兩端通以 恒定電流，接引線A的端口和接引線F的端口間受力后電壓變化值分別為Vi，以此壓力傳感 單元逆時針依次記其余壓力傳感單元受力后電壓變化值為V2、V3、V4;
[0018] 柔性多維力傳感器上表面為測力表面，以此表面建立坐標軸，垂直于表面中心向 上為Z軸，位于傳感器上表面與Z軸垂直且指向前側(cè)的軸為X軸，位于傳感器上表面與Z軸垂 直且指向右側(cè)的軸為Y軸；
[0019] 其所述的柔性多維力傳感器上表面受到的三維力為[F]，其解算公式為：[F] = [K] [V]
[0020] 上式中 其中[K]為各個壓力 傳感單元對三維力的電壓協(xié)調(diào)系數(shù)，接引線A的端口和接引線F的端口間受力后電壓變化值 分別為Vi，以此壓力傳感單元逆時針依次記其余壓力傳感單元受力后電壓變化值為V2、V3、 V4,通過標定獲取。
【主權(quán)項】
1. 一種柔性多維力傳感器，主要包括傳感器主體、壓力傳感單元、連接件A、連接件B、連 接件C、連接件D、連接件E、管道A、管道B、管道C、管道D、管道E、管道F、接引線A端口和接引線 F端口，其特征在于:傳感器主體為柔性硅膠，在傳感器主體的內(nèi)部設(shè)有四個壓力傳感單元， 四個壓力傳感單元十字排布在傳感器主體內(nèi)部，每個壓力傳感單元由五個連接件和六條管 道組成，五個連接件均為固態(tài)金屬導(dǎo)體，五個連接件依次為連接件A、連接件B、連接件C、連 接件D、連接件E，六條管道內(nèi)均設(shè)有液態(tài)金屬溶液，六條管道依次為管道A、管道B、管道C、管 道D、管道E和管道F，以管道F為中心，管道A、管道B、管道C、管道D和管道E均與管道F平行，管 道A、管道B、管道C、管道D和管道E呈圓周均勻排布，連接件A的兩端分別與管道A和管道B的 下端相連，管道B的上端與連接件B的一端相連，連接件B的另一端與管道C的上端相連，管道 C的下端與連接件C的一端相連，連接件C的另一端與管道D的下端相連，管道D的上端與連接 件D的一端相連，連接件D的另一端與管道E的上端相連，管道E的下端與連接件E的一端相 連，連接件E的另一端與管道F的下端相連，管道A和管道F的上端分別設(shè)有接引線A端口和接 引線F端口。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種柔性多維力傳感器，其特征在于:柔性多維力傳感器上表 面在受三維力加載時，各個管道的直徑和長度發(fā)生變化，帶動其中的液態(tài)金屬溶液產(chǎn)生形 變，使其在長度方向的電阻發(fā)生改變，在其引線兩端通以恒定電流，接引線A的端口和接引 線F的端口間受力后電壓變化值分別為V 1，以此壓力傳感單元逆時針依次記其余壓力傳感 單元受力后電壓變化值為V2、V3、V 4;柔性多維力傳感器上表面為測力表面，以此表面建立坐 標軸，垂直于表面中心向上為Z軸，位于傳感器上表面與Z軸垂直且指向前側(cè)的軸為X軸，位 于傳感器上表面與Z軸垂直且指向右側(cè)的軸為Y軸;其所述的柔性多維力傳感器上表面受到 的三維力為[F]，其解算公式為：[F] = [K] [V]，其中[K]為各個壓力傳感 單元對三維力的電壓協(xié)調(diào)系數(shù)，接引線A的端口和接引線F的端口間受力后電壓變化值分別 為％，以此壓力傳感單元逆時針依次記其余壓力傳感單元受力后電壓變化值為 過標定獲取。
【文檔編號】G01L1/20GK106017752SQ201610529573
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月7日
【發(fā)明人】姚建濤, 向喜梅, 張弘, 趙永生, 許允斗
【申請人】燕山大學(xué)