CN106017752B - 一种柔性多维力传感器 - Google Patents

Abstract

一种柔性多维力传感器，主要包括传感器主体、压力传感单元、连接件A、连接件B、连接件C、连接件D、连接件E、管道A、管道B、管道C、管道D、管道E、管道F、接引线A端口和接引线F端口。本发明采用的主体材料为柔性硅胶，其通体柔软，可随意扭曲，其硅胶抗酸碱，可用于各类酸碱、潮湿等特殊环境；传感单元中微型管道的大小、长度可随实际要求设计，方便其量程及灵敏度的调整；传感单元十字形排布，各维力在数据处理上方便、容易解耦；其微型管道内注有液态金属溶液，其形随管道变化而变化，质地柔软，允许传感器大尺度扭曲而不损伤检测元件；其连通件为固态金属导体，连通微型管道传导电流的同时，将外力施加于传感单元。

Description

一种柔性多维力传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种柔性传感器。

背景技术

随着传感器的发展，新型传感器的开发进入日程，人们将赋予传感器更多功能，希望传感器更柔、更小巧、更灵敏、更智能、便于随身检测。因此新的技术及理念将引入新型传感器的开发中，而其中的柔性多维力传感器将成为这发展中的一个重要分支。柔性多维力传感器集新材料、新工艺、新设计于一体，可随意扭曲拉伸，检测多种外界信息量，可用于工业制造、医疗检测、家居智能、穿戴设备、科学研究等诸多领域。

在柔性多维力传感器的研究上，通常采用大柔性金属材料，或者硅基基底材料，或者柔性布料材料等利用光、电、磁等物理现象进行研发。其研发方法多样，效果各异，但其在抗拉扯性能上往往不满足实际使用要求，柔度往往不够，且往往在满足柔性的要求时只能检测单维力，因此面向于高柔性的多维力传感器是研发人员研究的热点。而大多数现有多维力传感器在拥有大柔性的同时其结构复杂，加工工艺繁琐，检测理论错综复杂，后期数据处理不便。

发明内容

本发明的目的是提供一种柔度极大，可随着外力任意扭曲，体积小巧，便于携带，结构简便，易于加工的柔性多维力传感器。

本发明主要包括传感器主体、压力传感单元、连接件A、连接件B、连接件C、连接件D、连接件E、管道A、管道B、管道C、管道D、管道E、管道F、接引线A端口和接引线F端口。

其中，传感器主体为柔性硅胶，在传感器主体的内部设有四个压力传感单元，四个压力传感单元十字排布在传感器主体内部。每个压力传感单元由五个连接件和六条管道组成。五个连接件均为固态金属导体，传导管道中液态金属溶液传导而来的电流的同时，把柔性多维力传感器上表面的三维力传至各个管道。五个连接件依次为连接件A、连接件B、连接件C、连接件D、连接件E。六条管道内均设有液态金属溶液，六条管道依次为管道A、管道B、管道C、管道D、管道E和管道F。以管道F为中心，管道A、管道B、管道C、管道D和管道E均与管道F平行，管道A、管道B、管道C、管道D和管道E呈圆周均匀排布。连接件A的两端分别与管道A和管道B的下端相连，管道B的上端与连接件B的一端相连，连接件B的另一端与管道C的上端相连，管道C的下端与连接件C的一端相连，连接件C的另一端与管道D的下端相连，管道D的上端与连接件D的一端相连，连接件D的另一端与管道E的上端相连，管道E的下端与连接件E的一端相连，连接件E的另一端与管道F的下端相连，管道A和管道F的上端分别设有接引线A端口和接引线F端口。

柔性多维力传感器上表面在受三维力加载时，各个管道的直径和长度发生变化，带动其中的液态金属溶液产生形变，使其在长度方向的电阻发生改变，在其引线两端通以恒定电流，接引线A的端口和接引线F的端口间受力后电压变化值分别为V₁，以此压力传感单元逆时针依次记其余压力传感单元受力后电压变化值为V₂、V₃、V₄；

柔性多维力传感器上表面为测力表面，以此表面建立坐标轴，垂直于表面中心向上为Z轴，位于传感器上表面与Z轴垂直且指向前侧的轴为X轴，位于传感器上表面与Z轴垂直且指向右侧的轴为Y轴；

其所述的柔性多维力传感器上表面受到的三维力为[F]，其解算公式为:[F]＝[K][V]，

上式中：其中[K]为各个压力传感单元对三维力的电压协调系数，接引线A的端口和接引线F的端口间受力后电压变化值分别为V₁，以此压力传感单元逆时针依次记其余压力传感单元受力后电压变化值为V₂、V₃、V₄，通过标定获取。

本发明在使用时，下表面粘结安放于任何物件上，上表面与外界物体接触按压或按压后施以平行移动力时，将使传感器产生电阻变化，通过解算公示得出传感器与外界物件间相互作用的三维力。所述柔性多维力传感器可安装于机器手指尖、医疗末端力检测端、人机交互等智能机电力检测设备及其他诸多需要检测多维力的场合。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：采用的主体材料为柔性硅胶，其通体柔软，可随意扭曲，其硅胶抗酸碱，可用于各类酸碱、潮湿等特殊环境；传感单元中微型管道的大小、长度可随实际要求设计，方便其量程及灵敏度的调整；传感单元十字形排布，各维力在数据处理上方便、容易解耦；其微型管道内注有液态金属溶液，其形随管道变化而变化，质地柔软，允许传感器大尺度扭曲而不损伤检测元件；其连通件为固态金属导体，连通微型管道传导电流的同时，将外力施加于传感单元。

附图说明

图1为本实施例中一种柔性多维力传感器的示意图；

图2为本实施例中一种连接件的结构示意图。

附图标号：1-接引线A端口、2-管道B、3-连接件B、4-接引线F端口、5-管道C、6-连接件D、7-管道D、8-连接件C、9-管道E、10-连接件E、11-管道F，12-管道A、13-连接件A、14-传感器主体，15-压力传感单元。

具体实施方式

在图1和图2所示的本发明的示意简图中，传感器主体14为柔性硅胶，在传感器主体的内部设有四个压力传感单元15，四个压力传感单元十字排布在传感器主体内部。每个压力传感单元由五个连接件和六条管道组成。五个连接件均为固态金属导体，五个连接件依次为连接件A13、连接件B3、连接件C8、连接件D6、连接件E10。六条管道内均设有液态稼铟锡合金，六条管道的长度均为3.8mm，直径大小均为0.16mm，六条管道依次为管道A12、管道B2、管道C5、管道D7、管道E9和管道F11。以管道F为中心，管道A、管道B、管道C、管道D和管道E均与管道F平行，管道A、管道B、管道C、管道D和管道E呈圆周均匀排布，圆周直径为3.6mm。连接件A的两端分别与管道A和管道B的下端相连，管道B的上端与连接件B的一端相连，连接件B的另一端与管道C的上端相连，管道C的下端与连接件C的一端相连，连接件C的另一端与管道D的下端相连，管道D的上端与连接件D的一端相连，连接件D的另一端与管道E的上端相连，管道E的下端与连接件E的一端相连，连接件E的另一端与管道F的下端相连，管道A和管道F的上端分别设有接引线A端口4和接引线F端口1。

柔性多维力传感器上表面在受三维力加载时，各个管道的直径和长度发生变化，带动其中的液态金属溶液产生形变，使其在长度方向的电阻发生改变，在其引线两端通以恒定电流，接引线A的端口和接引线F的端口间受力后电压变化值分别为V₁，以此压力传感单元逆时针依次记其余压力传感单元受力后电压变化值为V₂、V₃、V₄；

柔性多维力传感器上表面为测力表面，以此表面建立坐标轴，垂直于表面中心向上为Z轴，位于传感器上表面与Z轴垂直且指向前侧的轴为X轴，位于传感器上表面与Z轴垂直且指向右侧的轴为Y轴；

其所述的柔性多维力传感器上表面受到的三维力为[F]，其解算公式为:[F]＝[K][V]

上式中：其中[K]为各个压力传感单元对三维力的电压协调系数，接引线A的端口和接引线F的端口间受力后电压变化值分别为V₁，以此压力传感单元逆时针依次记其余压力传感单元受力后电压变化值为V₂、V₃、V₄，通过标定获取。

Claims (2)

1.一种柔性多维力传感器，主要包括传感器主体、压力传感单元、连接件A、连接件B、连接件C、连接件D、连接件E、管道A、管道B、管道C、管道D、管道E、管道F、接引线A端口和接引线F端口，其特征在于：传感器主体为柔性硅胶，在传感器主体的内部设有四个压力传感单元，四个压力传感单元十字排布在传感器主体内部，每个压力传感单元由五个连接件和六条管道组成，五个连接件均为固态金属导体，五个连接件依次为连接件A、连接件B、连接件C、连接件D、连接件E，六条管道内均设有液态金属溶液，六条管道依次为管道A、管道B、管道C、管道D、管道E和管道F，以管道F为中心，管道A、管道B、管道C、管道D和管道E均与管道F平行，管道A、管道B、管道C、管道D和管道E呈圆周均匀排布，连接件A的两端分别与管道A和管道B的下端相连，管道B的上端与连接件B的一端相连，连接件B的另一端与管道C的上端相连，管道C的下端与连接件C的一端相连，连接件C的另一端与管道D的下端相连，管道D的上端与连接件D的一端相连，连接件D的另一端与管道E的上端相连，管道E的下端与连接件E的一端相连，连接件E的另一端与管道F的下端相连，管道A和管道F的上端分别设有接引线A端口和接引线F端口。

2.根据权利要求1所述的一种柔性多维力传感器，其特征在于：柔性多维力传感器上表面在受三维力加载时，各个管道的直径和长度发生变化，带动其中的液态金属溶液产生形变，使其在长度方向的电阻发生改变，在其引线两端通以恒定电流，接引线A的端口和接引线F的端口间受力后电压变化值分别为V₁，以此压力传感单元逆时针依次记其余压力传感单元受力后电压变化值为V₂、V₃、V₄；柔性多维力传感器上表面为测力表面，以此表面建立坐标轴，垂直于表面中心向上为Z轴，位于传感器上表面与Z轴垂直且指向前侧的轴为X轴，位于传感器上表面与Z轴垂直且指向右侧的轴为Y轴；其所述的柔性多维力传感器上表面受到的三维力为[F]，其解算公式为:[F]＝[K][V]，

上式中：其中[K]为各个压力传感单元对三维力的电压协调系数，接引线A的端口和接引线F的端口间受力后电压变化值分别为V₁，以此压力传感单元逆时针依次记其余压力传感单元受力后电压变化值为V₂、V₃、V₄，通过标定获取。