CN106679721A - 表面法向荷载和温度双参数检测系统 - Google Patents

表面法向荷载和温度双参数检测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种表面法向荷载和温度双参数检测系统，包括敏感单元、检测电路单元和处理电路单元；敏感单元包括具有压敏和温敏性质的柔性MRE传感层、设于柔性MRE传感层上表面的上电极层和设于柔性MRE传感层下表面的下电极层；检测电路单元包括行列选通电路及分别和行列选通电路连接的用于检测电阻的电阻检测电路及用于检测电容的电容检测电路；处理电路单元包括MCU，所述MCU的信号输入端与电阻检测电路的信号输出端及电容检测电路的信号输出端相连，所述MCU的信号输出端与行列选通电路的信号输入端相连；本发明能够同时实现表面的法向荷载、温度分布的快速、准确、可靠的描述，可用于设备表面法向荷载及温度变化的实时监测，利于实时掌握设备运行状态。

Description

表面法向荷载和温度双参数检测系统
技术领域
本发明涉及物体表面法向荷载、温度检测领域，特别涉及一种可同时检测表面法向荷载和温度双参数的检测系统。
背景技术
在高速运动的设备(或工具)中，比如飞行器、船舰、高速行驶的车辆等，其外壳表面、螺旋桨表面、旋翼叶片表面等均与外界非稳态流动介质发生相互作用，物体与流动介质的接触表面的法向荷载随时变化，影响机体结构强度及空气动力学特性。此外，由于高速运动时外壳表面与外界非稳态流动介质产生摩擦，表面温度可能局部升高，影响设备安全运行。因此设备表面荷载及温度变化对在上述的设备研究开发过程中的机械性能及安全性能评定或者设备运行过程中的状态监测都十分重要。此外，压力和温度双参数感知的传感系统在机器人触觉传感领域具有潜在应用价值。
现有技术中，还没有一种有效的检测系统能够同时准确地体现被测表面的法向荷载和温度分布。由于荷载/温度-电学测量信号(如电阻、电容)为非线性映射关系，很难建立较完善的物理理论模型，并通过某种解析表达式进行表达。因此，需要提出一种新的检测系统，准确建立输入与输出之间的非线性映射关系，实现被测表面的法向荷载和温度的双参数传感。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种表面法向荷载和温度双参数检测系统，能够同时实现表面的法向荷载、温度分布的快速、准确、可靠的描述，可用于设备表面法向荷载及温度变化的实时监测，利于实时掌握设备运行状态。
本发明的表面法向荷载和温度双参数检测系统，包括敏感单元、检测电路单元和处理电路单元；
所述敏感单元包括具有压敏和温敏性质的柔性MRE传感层、设于柔性MRE传感层上表面的上电极层和设于柔性MRE传感层下表面的下电极层；所述上电极层设有多个导电薄片Ⅰ，导电薄片Ⅰ通过导线Ⅰ连接形成相互平行的行排列结构；所述下电极层设有多个导电薄片Ⅱ，导电薄片Ⅱ通过导线Ⅱ连接形成相互平行的列排列结构；导电薄片Ⅰ与导电薄片Ⅱ两两正对且平行，导线Ⅰ与导线Ⅱ相互垂直但不相交形成传感阵列；
所述检测电路单元包括行列选通电路及分别和行列选通电路连接的用于检测电阻的电阻检测电路及用于检测电容的电容检测电路；所述行列选通电路分别与上电极层的各导电薄片Ⅰ和下电极层的各导电薄片Ⅱ电气连接，所述行列选通电路以行列扫描的方式逐点检测传感阵列的电阻、电容；
所述处理电路单元包括MCU，所述MCU的信号输入端与电阻检测电路的信号输出端及电容检测电路的信号输出端相连，所述MCU的信号输出端与行列选通电路的信号输入端相连。
进一步，所述柔性MRE传感层为一聚合物复合弹性体，所述聚合物复合弹性体由硫化橡胶、导电导磁颗粒及二氧化锰粉末混合均匀并液体固化而成；在所述聚合物复合弹性体中，导电导磁颗粒的体积分数为20％-30％，二氧化锰粉末的体积分数为1％-5％，余量为硫化橡胶。
进一步，所述上电极层和下电极层为设置电容电阻检测电极层的单对电极结构；所述检测电路单元还包括用于切换电阻检测与电容检测的功能开关，所述功能开关设在行列选通电路与电阻检测电路之间及行列选通电路与电容检测电路之间，所述MCU的信号输出端与功能开关的信号输入端相连。或者，所述上电极层和下电极层为设有电容检测电极层及电阻检测电极层的双对电极结构，且在电容检测电极层与电阻检测电极层之间设有用于隔离的绝缘层；所述电阻检测电极层与柔性MRE传感层接触。
进一步，所述敏感单元还包括设于上电极层上表面的上保护层和设于下电极层下表面的下保护层，且下保护层的下表面与被检测物体的表面贴合。
进一步，所述上保护层和下保护层均采用绝缘橡胶、有机绝缘薄膜或者绝缘漆制成。
进一步，所述处理电路单元还包括显示模块，所述显示模块的信号输入端与MCU的信号输出端相连。
进一步，所述MCU采用神经网络模型解耦被测对象的法向荷载与温度数据，所述神经网络模型以柔性MRE传感层的检测输出电阻和电容作为神经网络模型的输入层，以法向荷载和温度作为神经网络模型的输出层。
进一步，所述神经网络模型多次测量检测单元在不同温度、法向荷载下的电阻、电容值，以此实验数据作为神经网络模型的训练样本集，使用反向传播算法对网络的权值和偏差进行反复的调整训练，使实际输出值与期望值尽可能地接近，当网络输出层的误差平方和小于指定的误差时训练完成，保存网络的连接权值和误差。
本发明的有益效果：本发明的表面法向荷载和温度双参数检测系统，能够同时实现表面的法向荷载、温度分布的快速、准确、可靠的描述，可用于设备表面法向荷载及温度变化的实时监测，利于实时掌握设备运行状态。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的敏感单元阵列结构图；
图2为单对电极结构的敏感单元结构纵向剖面图；
图3为双对电极结构的敏感单元结构纵向剖面图；
图4为本发明的系统结构图；
图5为本发明的神经网络结构示意图；
图6为本发明的神经网络执行流程图。
具体实施方式
如图所示：本实施例的表面法向荷载和温度双参数检测系统，包括敏感单元1、检测电路单元和处理电路单元。
所述敏感单元包括兼具压敏和温敏性质的柔性MRE传感层11、固定于柔性MRE传感层11上表面的上电极层12以及固定于柔性MRE传感层11下表面的下电极层13，还包括起到绝缘和内部结构保护作用的上保护层14和下保护层15，上保护层14设于上电极层12上表面，下保护层15设于下电极层13下表面，且下保护层15的下表面与被检测物体的表面贴合；MRE即磁流变弹性体(Magneto-rheological elastomer)。兼具压、温敏性质的柔性MRE传感层11为一定比例混合均匀的橡胶和导电导磁颗粒复合弹性体，常温下固化成各向同性MRE传感层或常温下在磁场中固化后形成内部颗粒预结构化MRE传感层；该材料具有较好的压阻特性、温敏电阻特性以及压致电容特性，并在其中添加具有温敏电阻特性的二氧化锰粉末，增强MRE传感层的电阻温度敏感特性，而其压容特性基本不受温度影响；柔性MRE传感层11具有防水、稳定以及耐腐蚀特性，其机械特性、电学特性可以根据颗粒含量、预结构化磁场强度实现调节；上保护层用于隔离外界干扰对本系统的干扰，而下保护层用于被测表面对本系统的干扰；上保护层、下保护层可采用绝缘橡胶、有机绝缘薄膜或者绝缘漆等材料制成。
本实施例中，所述上电极层设有多个导电薄片Ⅰ，导电薄片Ⅰ通过导线Ⅰ连接形成相互平行的行排列结构；所述下电极层设有多个导电薄片Ⅱ，导电薄片Ⅱ通过导线Ⅱ连接形成相互平行的列排列结构；导电薄片Ⅰ与导电薄片Ⅱ两两正对且平行；行排列结构、列排列结构均为链状结构，以形成行输出和列输出；上电极层的导电薄片Ⅰ链与下电极层的导电薄片Ⅱ链两两相互垂直但互不相交，即在空间上具有垂直关系，但二者具有间隔；其中，导电薄片Ⅰ、导电薄片Ⅱ与导线Ⅰ、导线Ⅱ采用相同的材料制备，例如导电胶、导电薄膜等材料，该类型具有良好的贴覆性，可提高与橡胶的结合度，利于结构的稳定。
本实施例中，所述检测电路单元包括行列选通电路及分别和行列选通电路连接的用于检测电阻的电阻检测电路及用于检测电容的电容检测电路；所述行列选通电路分别与上电极层的各导电薄片Ⅰ和下电极层的各导电薄片Ⅱ电气连接，所述行列选通电路以行列扫描的方式逐点检测传感阵列的电阻、电容；
本实施例中，所述处理电路单元包括MCU(即微处理器)、显示模块以及必要的系统支持电路，所述MCU的信号输入端与电阻检测电路的信号输出端及电容检测电路的信号输出端相连，所述MCU的信号输出端与行列选通电路的信号输入端相连；显示模块可显示MCU处理后得到的法向荷载/温度分布图像。
如图2所示，所述上电极层12和下电极层13均可为设置电容电阻检测电极层的单对电极结构；此时，所述检测电路单元还包括用于切换电阻检测与电容检测的功能开关，所述功能开关设在行列选通电路与电阻检测电路之间及行列选通电路与电容检测电路之间，所述MCU的信号输出端与功能开关的信号输入端相连；通过功能开关分别检测正对电极对处的电阻、电容值。
或者，如图3所示，所述上电极层12和下电极层13均可为设有电容检测电极层1a及电阻检测电极层1b的双对电极结构，且在电容检测电极层与电阻检测电极层之间设有用于隔离的绝缘层1c，所述电阻检测电极层与柔性MRE传感层11接触；从而可同步检测电阻、电容值，其中，电阻检测电极层与电容检测电极层之间用绝缘层隔绝以防信号串扰。
为了使本系统能够稳固地贴敷于被测表面，所述敏感单元可通过如下步骤制成：
S1.在模具中注入液态下保护层并固化成形；其中，下保护层可以采用绝缘漆、绝缘橡胶，下保护层的厚度为1-2mm，既能够保证本系统的结构稳定性，又不会影响检测精度；
S2.布置下电极层，导电极片优选导电薄膜如FPC等材料作为电阻、电容检测电极；采用单对电极敏感单元结构时，在下保护层上布置电阻电容下电极层，将电阻电容下电极层的各导电薄片Ⅰ通过细导线Ⅰ连接成相互平行的链状结构，下电极层只有一层，为电阻和电容检测连接共用；或者，在采用双对电极敏感单元结构时，在下保护层上布置电容检测下电极层，将电容检测下电极层的各导电薄片Ⅰ通过细导线Ⅰ连接成相互平行的链状结构；在电容检测下电极层上方敷设绝缘层，以减小电阻和电容检测信号的串扰；在绝缘层上方布置电阻检测下电极层；
S3.在下电极层上方注入液态压、温敏性质的柔性MRE传感层11并固化成型；该压、温敏性质的柔性MRE传感层11采用20％-30％体积分数的导电导磁颗粒(如镍粉、银包覆镍粉等)填充室温硫化橡胶，在其中添加适量(1％-5％体积分数)具有温敏电阻特性的二氧化锰粉末，增加敏感层的电阻温度敏感特性，其压容特性基本不受温度影响；所有材料混合搅拌均匀后注入模具(此时为液态粘稠状)，室温下固化做成各向同性压、温敏MRE传感层或室温下置于磁场中固化形成颗粒预结构化的压、温敏MRE传感层；在磁场中凝固成型的颗粒预结构化的压、温敏MRE传感层，其压敏电阻特性、压敏电容特性的灵敏度较高，而且结构稳固；柔性MRE传感层11的厚度为1-3mm；
S4.在柔性MRE传感层11凝固成型后，在其上方布置上电极层，其布置方式与下电极层的布置方式相同。采用单对电极敏感单元结构时，在MRE传感层上布置上电极层，上电极层只有一层，为电阻和电容检测连接共用，上电极层通过导线连接成链与下电极层链形成相互垂直的行或列式排列结构；或采用双对电极敏感单元结构，其布置方式与双对电极敏感单元结构下电极层的布置方式相同，但顺序不同：电阻检测电极层紧贴于MRE传感层之上，再敷设绝缘层，然后在绝缘层上布置电容检测电极层；另外，电阻检测上电极层通过导线连接成链与电阻检测下电极层链形成相互垂直的行列式排列结构；电容检测上电极层通过导线连接成链与电容检测下电极层链形成相互垂直的行列式排列结构；
S5.在上电极层上方涂敷与下保护层材料相同的上保护层。
本实施例中，行列选通电路以及功能开关可采用电子开关、MOS管等器件构成；电阻检测电路、电容检测电路由电子器件等搭建或采用集成的IC芯片实现电阻、电容的检测。
本实施例中，MCU采用STM32或采用DSP数字处理芯片，通过I/O口控制行列选通电路与功能开关、读取电阻值、电容值，并采用神经网络模型等算法解耦被测对象的法向荷载与温度数据。
如图5所示，所述神经网络模型以柔性MRE传感层11的检测输出电阻和电容作为神经网络模型的输入层，以法向荷载和温度作为神经网络模型的输出层。
如图6所示，神经网络模型需要多次测量检测单元在不同温度、法向荷载下的电阻、电容值，以此实验数据作为神经网络模型的训练样本集，使用反向传播算法对网络的权值和偏差进行反复的调整训练，使实际输出值与期望值尽可能地接近，当网络输出层的误差平方和小于指定的误差时训练完成，保存网络的连接权值和误差。具体步骤如下：
第一步，初始化，随机给定各初始连接权，设定激活函数和误差函数，给定计算精度值和最大训练次数；
第二步,随机选取训练样本数据，根据连接权值、激活函数计算输出层的实际输出值；
第三步，利用网络期望输出值和实际输出值计算新的连接权和误差；
第四步，判断网络误差是否满足要求。当误差达到预设精度或训练次数大于设定的最大次数，结束算法。否则，选取下一个训练样本及对应的期望输出，返回到第二步，进入下一轮训练。
处理电路单元根据采集的各点的检测电阻和电容值，经过神经网络模型求解出对应各点的法向荷载和温度，并通过多项式插值等算法计算出连续的法向荷载与温度分布，然后在显示模块(如显示器)或者上位机中绘出被测表面的法向荷载和温度分布。
通过上述结构，本系统能够对设备(或工具)表面法向荷载及温度变化进行检测并输出，通过神经网络模型解耦进而能够得出准确的表面法向荷载、温度分布，利于产品的研究开发或设备运行过程中的状态监测；而且能够适应于不同的被测表面，适应性强。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种表面法向荷载和温度双参数检测系统，其特征在于：包括敏感单元、检测电路单元和处理电路单元；
所述敏感单元包括具有压敏和温敏性质的柔性MRE传感层、设于柔性MRE传感层上表面的上电极层和设于柔性MRE传感层下表面的下电极层；所述上电极层设有多个导电薄片Ⅰ，导电薄片Ⅰ通过导线Ⅰ连接形成相互平行的行排列结构；所述下电极层设有多个导电薄片Ⅱ，导电薄片Ⅱ通过导线Ⅱ连接形成相互平行的列排列结构；导电薄片Ⅰ与导电薄片Ⅱ两两正对且平行，导线Ⅰ与导线Ⅱ相互垂直但不相交形成传感阵列；
所述检测电路单元包括行列选通电路及分别和行列选通电路连接的用于检测电阻的电阻检测电路及用于检测电容的电容检测电路；所述行列选通电路分别与上电极层的各导电薄片Ⅰ和下电极层的各导电薄片Ⅱ电气连接，所述行列选通电路以行列扫描的方式逐点检测传感阵列的电阻、电容；
所述处理电路单元包括MCU，所述MCU的信号输入端与电阻检测电路的信号输出端及电容检测电路的信号输出端相连，所述MCU的信号输出端与行列选通电路的信号输入端相连。
2.根据权利要求1所述的表面法向荷载和温度双参数检测系统，其特征在于：所述柔性MRE传感层为一聚合物复合弹性体，所述聚合物复合弹性体由硫化橡胶、导电导磁颗粒及二氧化锰粉末混合均匀并液体固化而成；在所述聚合物复合弹性体中，导电导磁颗粒的体积分数为20％-30％，二氧化锰粉末的体积分数为1％-5％，余量为硫化橡胶。
3.根据权利要求2所述的表面法向荷载和温度双参数检测系统，其特征在于：所述上电极层和下电极层均为设置电容电阻检测电极层的单对电极结构；所述检测电路单元还包括用于切换电阻检测与电容检测的功能开关，所述功能开关设在行列选通电路与电阻检测电路之间及行列选通电路与电容检测电路之间，所述MCU的信号输出端与功能开关的信号输入端相连。
4.根据权利要求2所述的表面法向荷载和温度双参数检测系统，其特征在于：所述上电极层和下电极层均为设有电容检测电极层及电阻检测电极层的双对电极结构，且在电容检测电极层与电阻检测电极层之间设有用于隔离的绝缘层；所述电阻检测电极层与柔性MRE传感层接触。
5.根据权利要求3或4所述的表面法向荷载和温度双参数检测系统，其特征在于：所述敏感单元还包括设于上电极层上表面的上保护层和设于下电极层下表面的下保护层，且下保护层的下表面与被检测物体的表面贴合。
6.根据权利要求5所述的表面法向荷载和温度双参数检测系统，其特征在于：所述上保护层和下保护层均采用绝缘橡胶、有机绝缘薄膜或者绝缘漆制成。
7.根据权利要求5所述的表面法向荷载和温度双参数检测系统，其特征在于：所述处理电路单元还包括显示模块，所述显示模块的信号输入端与MCU的信号输出端相连。
8.根据权利要求7所述的表面法向荷载和温度双参数检测系统，其特征在于：所述MCU采用神经网络模型解耦被测对象的法向荷载与温度数据，所述神经网络模型以柔性MRE传感层的检测输出电阻和电容作为神经网络模型的输入层，以法向荷载和温度作为神经网络模型的输出层。
9.根据权利要求8所述的表面法向荷载和温度双参数检测系统，其特征在于：所述神经网络模型多次测量检测单元在不同温度、法向荷载下的电阻、电容值，以此实验数据作为神经网络模型的训练样本集，使用反向传播算法对网络的权值和偏差进行反复的调整训练，使实际输出值与期望值尽可能地接近，当网络输出层的误差平方和小于指定的误差时训练完成，保存网络的连接权值和误差。
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