CN105890511B - 微形变感应装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及形变感应传感器领域，尤其是涉及一种微形变感应装置。其包括表面盖板和微形变传感器；所述微形变传感器固定设置在所述表面盖板的一侧；所述微形变传感器包括基底层、传感器层、弹性保护层和检测电路；所述基底层、所述传感器层和所述弹性保护层依次层叠设置；所述传感器层为具有弹性的导电材料；所述检测电路与所述传感器层连接，用于检测所述传感器层的参数变化。本发明的微形变传感器贴于被测物的背面，单面感知形变量，既可以测到被测物的弯曲形变。不需要被测物和结构件之间形成复杂的相对挤压或扭曲形变的力学结构，不需要复杂的相对受力环境。结构简单，易于安装。

Description

微形变感应装置

技术领域

本发明涉及形变感应传感器领域，尤其是涉及一种微形变感应装置。

背景技术

距离传感器是利用飞行时间法来以检测物体的距离的一种传感器。“飞行时间法”是通过发射特别短的并测量此光脉冲从发射到被物体反射回来的时间，通过测时间间隔来计算与物体之间的距离。

其只能测定距离不能检测物体的位移，因此，人们又发明了位移传感器。

位移传感器又称为线性传感器，是一种属于金属感应的线性器件，传感器的作用是把各种被测物理量转换为电量。在生产过程中，位移的测量一般分为测量实物尺寸和机械位移两种。

按被测变量变换的形式不同，位移传感器可分为模拟式和数字式两种。模拟式又可分为物性型和结构型两种。

常用位移传感器以模拟式结构型居多，包括电位器式位移传感器、电感式位移传感器、自整角机、电容式位移传感器、电涡流式位移传感器、霍尔式位移传感器等。

数字式位移传感器的一个重要优点是便于将信号直接送入计算机系统。这种传感器发展迅速，应用日益广泛。

但是，无论是距离传感器还是位移传感器，均不能测定物体产生的微小形变，如轻微的弯曲度等，而如何来测定物体的微小形变，是现在亟待需要解决的一个问题。

发明内容

本发明的目的在于提供微形变感应装置，以解决现有技术中存在的技术问题。

本发明提供的微形变感应装置，包括表面盖板和微形变传感器；

所述微形变传感器固定设置在所述表面盖板的一侧；

所述微形变传感器包括基底层、传感器层、弹性保护层和检测电路；

所述基底层、所述传感器层和所述弹性保护层依次层叠设置；

所述传感器层为具有弹性的导电材料；

所述检测电路与所述传感器层连接，用于检测所述传感器层的参数变化。

进一步的，所述传感器层为石墨烯电路层、微片层、碳纳米管电路层、碳粉电路层、金属材料层、金属氧化物镀膜层、导电化合物结晶材料、无机非金属晶体电路和/或有机导电材料电路。

进一步的，所述检测电路为电阻检测电路，用于检测所述传感器层的电阻值变化。

进一步的，所述检测电路包括输入端、输出端、虚地端和匹配电阻；

所述匹配电阻的一端连接所述输入端，另一端连接所述输出端；

所述传感器层的一端连接所述输出端，另一端连接所述虚地端，用于通过所述输出端的电压变化来检测所述传感器层的电阻变化，进而计算所述传感器层的形变。

进一步的，微形变感应装置还包括触控屏传感器；

所述触控屏传感器设置在所述表面盖板靠近所述微形变传感器的一侧。

进一步的，微形变感应装置还包括显示屏；

所述显示屏设置在所述表面盖板靠近所述微形变传感器的一侧。

进一步的，所述显示屏为OLED显示屏或也液晶显示屏。

进一步的，所述微形变传感器的数量为1-1000个。

进一步的，所述表面盖板的材质为金属、玻璃、PC、PMMA或复合板。

本发明还提供了一种微形变感应装置，其包括显示屏和微形变传感器；

所述微形变传感器设置在所述显示屏的一侧；

所述微形变传感器包括基底层、传感器层、弹性保护层和检测电路；

所述基底层、所述传感器层和所述弹性保护层依次层叠设置；

所述传感器层为具有弹性的导电材料；

所述检测电路与所述传感器层连接，用于检测所述传感器层的参数变化。

本发明提供的微形变感应装置，微形变传感器通过表面盖板或显示屏单面固定在需要感应形变的器件背部，另一面悬空。通过形变器件受力形变后形变量传导到微形变传感器上，即将能够导电的传感器层设置在需检测形变的物体上，使传感器层产生微形变后，通过检测电路来对传感器层的参数进行检测,通过参数的变化来判断传感器层的变化,进而得出检测位置或检测的物体的形变,实现对微形变的检测；本发明的微形变传感器贴于被测物的背面，单面感知形变量，既可以测到被测物的弯曲形变。不需要被测物和结构件之间形成复杂的相对挤压或扭曲形变的力学结构，不需要复杂的相对受力环境。结构简单，易于安装。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的微形变感应装置的主视图；

图2为图1所示的微形变感应装置的仰视图；

图3为本发明另一种实施例提供的微形变感应装置的主视图；

图4为本发明实施例提供的微形变感应装置的微形变传感器的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的微形变感应装置的微形变传感器的检测电路的电路图；

图6为本发明实施例提高的微形变感应装置的基底层的结构示意图。

附图标记：

1：表面盖板 2：触控屏传感器 3：显示屏

4：微形变传感器 5：弹性保护层 6：传感器层

7：基底层 8：高硬度材料 9：高弹性材料

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如附图1-5所示，本发明提供了一种微形变感应装置，包括表面盖板1和微形变传感器4；

所述微形变传感器4固定设置在所述表面盖板1的一侧；

所述微形变传感器4包括基底层7、传感器层6、弹性保护层5和检测电路；

所述基底层7、所述传感器层6和所述弹性保护层5依次层叠设置；

所述传感器层6为具有弹性的导电材料；

所述检测电路与所述传感器层6连接，用于检测所述传感器层6的参数变化。

将微形变传感器4通过表面盖板1贴于被测物的背面，单面感知形变量，既可以测到被测物的弯曲形变。不需要被测物和结构件之间形成复杂的相对挤压或扭曲形变的力学结构，不需要复杂的相对受力环境。结构简单，易于安装。

本发明传感器可以检测被测物相对水平方向100mm单位长度的被测物，弯曲产生垂直方向0.005～15mm的变形量。

本发明中的微形变传感器4包括依次层叠设置的基底层7、传感器层6和弹性保护层5。即在基底层7和弹性保护层5之间设置传感器层6，且传感器层6的材料为具有弹性的导电材料，并将传感器层6与检测电路连接。

在使用的时候，将基底层7进行固定后，将需要检测形变的物体与弹性保护层5相抵。当物体由于向弹性保护体方向压紧而发生形变的时候，弹性保护体跟随物体一起发生形变，进而引起传感器层6发生形变，导致传感器层6的各项参数发生变化，此时，通过检测电路对传感器层6的参数进行检测后，通过参数的变化，即可对物体产生的形变进行计算得出。

具体计算的数据比例，需根据不同的物体传导力的比例和检测不同传感器层6的材质来确定。

需要指出的是，物体还可以是向远离弹性保护体的方向移动，此时，需要将弹性保护体与物体进行粘合，即弹性保护体能够随物体一起移动，进而能够带动从传感器层6发生形变，带来传感器层6的参数变化，进而得出最终的形变数据。

在本实施例中，弹性保护层5的材质可以是橡胶、硅胶、有机硅胶、泡棉、亚克力胶、发泡塑料、发泡金属、弹性金属结构、弹性塑料结构等，其只要能够起到保护传感器层6的作用即可。

同样，基底层7的材质也可以是橡胶、硅胶、有机硅胶、泡棉、亚克力胶、发泡塑料、发泡金属、弹性金属结构、弹性塑料结构等，其能够从传感器层6的另一侧对传感器层6进行保护。

另外基底层7可以由不同刚性和弹性的材料形成复合结构，达到对传递到基底层7的形变量进行局部放大，使局部放大的区域所附着的传感器层6得到更多的形变量，以达到更好的灵敏度。

复合结构可以有很多种，如可以是如图6所示的两头设置高硬度材料8，中间掺杂高弹性材料9进行复合；也可以是不同硬度弹性的材料按斑马条纹结构排列；也可以是孤岛形状高硬度材料悬浮在高弹性材料中间；也可以是不同硬度和弹性材料按放射型排布复合为一体。

以下说明其中最简单的图6所示的两头高硬度材料8中间掺杂高弹性材料9复合的工作原理：

当基底层7感受到形变后随之产生形变，如果由两种不同硬度的材料组成基底层7，高硬度材料8的部分形变量小，高弹性材料9的部分形变量大，使图中D1的变化率大于均质材料的变化率，起到了局部放大变形量的作用。

优选的实施方式为，所述传感器层6为石墨烯电路层、微片层、碳纳米管电路层、碳粉电路层、金属材料层、金属氧化物镀膜层、导电化合物结晶材料、无机非金属晶体电路和/或有机导电材料电路。

传感器层6的工作原理如下：

以石墨作为传感器层6的材料为例：将石墨烯在1-5000个原子层厚度上形成网络结构，网络可以是六角形，四边形三角形，编制形等等方式。当传感器层6附着的弹性保护层5受到形变，由于1-5000个原子层厚度上形成网络结构，自身没有刚性，会随着弹性保护层5形变，从微观结构上可以认为构成传感器层6的电路会在一定方向上拉伸。同时敏感层被拉升后原子之间距离变化，造成电阻等参数的变化。然后当弹性保护层5形变恢复，传感器电路层附着在弹性保护层5上也一起恢复，同时电阻恢复。

在本实施例中，传感器层6的材质可以是石墨烯电路层、微片层、碳纳米管电路层、碳粉电路层、金属材料层、金属氧化物镀膜层、导电化合物结晶材料、无机非金属晶体电路和/或有机导电材料电路等，但其不仅仅局限于上述罗列出的几种，其还可以是其他的材质，也就是说，其只要能够满足具有弹性且能够导电的特性即可。

优选的实施方式为，所述检测电路为电阻检测电路，用于检测所述传感器层6的电阻值变化。

在本实施例中，检测电路为电阻检测电路，即主要用于检测传感器层6的电阻值的变化，通过电阻值的变化来判断物体发生的形变。

需要指出的是，在本实施例中的检测电路为电阻检测电路，但其不仅仅局限于电阻检测电路，其还可以是其他参数的检测电路，如可以是电容、电压、电感、光学性能(如透光性、颜色等)等参数的变化的检测电路，也就是说，其只要能够通过传感器层6的参数变化来判断物体发生的形变即可。

优选的实施方式为，所述检测电路包括输入端、输出端、虚地端和匹配电阻；

所述匹配电阻的一端连接所述输入端，另一端连接所述输出端；

所述传感器层6的一端连接所述输出端，另一端连接所述虚地端，用于通过所述输出端的电压变化来检测所述传感器层6的电阻变化，进而计算所述传感器层6的形变。

在本实施例中，检测电路为电阻检测电路，其电路图如图5所示，其中，R1是匹配电阻、R2为微形变传感器4、Vi n是输入电压、Vout是输出电压。

其检测原理为：

在R1和R2的总电压不变的情况下，当R2的电阻值发生变化时，输出电压Vout的数值也会发生变化，之后对Vout输出电压值进行测量后，通过公式(1)

进行计算，可以得出传感器层6的电阻变化，进而根据力的传递关系可以得到需检测器件的形变量。

优选的实施方式为，微形变感应装置还包括触控屏传感器2；

所述触控屏传感器2设置在所述表面盖板1靠近所述微形变传感器4的一侧。

优选的实施方式为，微形变感应装置还包括显示屏3；

所述显示屏3设置在所述表面盖板1靠近所述微形变传感器4的一侧。

优选的实施方式为，所述显示屏3为OLED显示屏3或液晶显示屏3。

在本实施例中，显示屏3首选OLED显示屏3等具有刚性材料特性的显示屏3，能够对被检测器件的形变量进行完全的传递。

优选的实施方式为，所述微形变传感器4的数量为1-1000个。

也就是说，微形变传感器4的数量可以是1个，也可以是多个，如10个、20个、50个、100个、500个等，其在使用的时候，根据具体需要测量的器件的大小、长度等参数来确定。

优选的实施方式为，所述表面盖板1的材质为金属、玻璃、PC、PMMA或复合板。

表面盖板1的材质需要是刚性材料，来保证能够将形变器件的形变量完整的传递给微形变传感器4，以进行微形变的检测。

本发明还提供了一种微形变感应装置，其包括显示屏3和微形变传感器4；

所述微形变传感器4设置在所述显示屏3的一侧；

所述微形变传感器4包括基底层7、传感器层6、弹性保护层5和检测电路；

所述基底层7、所述传感器层6和所述弹性保护层5依次层叠设置；

所述传感器层6为具有弹性的导电材料；

所述检测电路与所述传感器层6连接，用于检测所述传感器层6的参数变化。

也就是说，本发明的设置方式还可以是只有显示屏3而没有表面盖板1，这样的设置也可以对器件的形变量进行检测。其使用方式和上述实施例的使用方式相同。

从上述内容可以看出，本发明的原理为：

1.被测物为刚性材料，材料变形后可以恢复原形状。

2.传感器一面通过胶材紧贴在刚性材料表面。

3.被测物表面的变形可以完全复制到传感器和刚性表被测物变形面紧贴的表面。

4.传感器变形后，根据传感器特性可以输出电信号，计量变形量。

5.传感器可以是电阻型也可以是电容型，光学型，首选电阻型。

本发明提供的微形变感应装置，微形变传感器4通过表面盖板1或显示屏3单面固定在需要感应形变的器件背部，另一面悬空。通过形变器件受力形变后形变量传导到微形变传感器4上，即将能够导电的传感器层6设置在需检测形变的物体上，使传感器层6产生微形变后，通过检测电路来对传感器层6的参数进行检测,通过参数的变化来判断传感器层6的变化,进而得出检测位置或检测的物体的形变,实现对微形变的检测。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种微形变感应装置，其特征在于，包括表面盖板和微形变传感器；

所述微形变传感器固定设置在所述表面盖板的一侧；

所述微形变传感器包括基底层、传感器层、弹性保护层和检测电路；

所述基底层、所述传感器层和所述弹性保护层依次层叠设置；

所述传感器层为具有弹性的导电材料；

所述检测电路与所述传感器层连接，用于检测所述传感器层的参数变化；

所述基底层是由不同刚性和弹性的材料形成的复合结构。

2.根据权利要求1所述的微形变感应装置，其特征在于，所述传感器层为石墨烯电路层、微片层、碳纳米管电路层、碳粉电路层、金属材料层、金属氧化物镀膜层、导电化合物结晶材料、无机非金属晶体电路和/或有机导电材料电路。

3.根据权利要求1所述的微形变感应装置，其特征在于，所述检测电路为电阻检测电路，用于检测所述传感器层的电阻值变化。

4.根据权利要求3所述的微形变感应装置，其特征在于，所述检测电路包括输入端、输出端、虚地端和匹配电阻；

所述匹配电阻的一端连接所述输入端，另一端连接所述输出端；

所述传感器层的一端连接所述输出端，另一端连接所述虚地端，用于通过所述输出端的电压变化来检测所述传感器层的电阻变化，进而计算所述传感器层的形变。

5.根据权利要求1所述的微形变感应装置，其特征在于，还包括触控屏传感器；

所述触控屏传感器设置在所述表面盖板靠近所述微形变传感器的一侧。

6.根据权利要求1所述的微形变感应装置，其特征在于，还包括显示屏；

所述显示屏设置在所述表面盖板靠近所述微形变传感器的一侧。

7.根据权利要求6所述的微形变感应装置，其特征在于，所述显示屏为OLED显示屏或液晶显示屏。

8.根据权利要求1所述的微形变感应装置，其特征在于，所述微形变传感器的数量为1-1000个。

9.根据权利要求1-8任一项所述的微形变感应装置，其特征在于，所述表面盖板的材质为金属、玻璃、PC、PMMA或复合板。

10.一种微形变感应装置，其特征在于，包括显示屏和微形变传感器；

所述微形变传感器设置在所述显示屏的一侧；

所述微形变传感器包括基底层、传感器层、弹性保护层和检测电路；

所述基底层、所述传感器层和所述弹性保护层依次层叠设置；

所述传感器层为具有弹性的导电材料；

所述检测电路与所述传感器层连接，用于检测所述传感器层的参数变化；

所述基底层是由不同刚性和弹性的材料形成的复合结构。