CN107560768A - 一种基于纤维增强复合材料的曲面压力传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于纤维增强复合材料的曲面压力传感装置。包括曲面的压力敏感阵列传感器和多路数据处理模块，传感器中碳纤维编织成的经纬交叉网络对作用传感器表面的压力分布信息转换成电阻经线与纬线碳纤维的电阻变化，电阻值由多路数据采集模块的扫描电路测量转换为数字信号，再由模块内的运算单元按内置的解耦算法处理得到外部压力分布信息。本发明采用了编织纤维复合材料作为敏感材料，这种材料具有优秀的可设计性，能够在传统硬基底的压力传感阵列不能应用的非平面上完全覆盖，实现曲面上的法向压力分布测量；经纬交叉网络采用绝缘纤维将具备压力敏感的碳纤维隔开，能够在保证复合材料本身强度的前提下，调节压力测量的空间分辨能力。

Description

一种基于纤维增强复合材料的曲面压力传感装置

技术领域

本发明涉及力传感装置，尤其是涉及一种基于纤维增强复合材料的曲面压力传感装置

背景技术

对接触压力分布信息的检测在工业与生活领域存在着广泛的需求，而其中在曲面上的应用一直是研究的热点。传统的硅基敏感材料在平面上的压力分布信息检测方面已经实现了商业的应用，而因为本身的硬脆性，其在曲面上的使用受到了限制。为了解决这一问题，目前能够实现曲面压力分布信息测量的传感器件可以分为两种：基于柔顺性敏感材料的压力传感器与基于延展性敏感材料的压力传感器。

在延展性敏感材料的研究取得重大进展之前，曲面压力检测主要采用的是可弯曲的柔顺性敏感材料来制备传感阵列。如Tekscan公司利用压阻聚合物材料制备出了柔顺性压力传感阵列，并实现了商业应用。但这种方式只能应用在简单曲面上，而在复杂曲面，如在高斯曲率不是处处为0的不可展开曲面上(如图1中的凸出曲面)上不能应用，因为平面传感阵列无法与复杂曲面完全贴合。

随着本世纪初纳米制造技术，转印技术等新兴技术的发展，柔性电子技术越发成熟，针对具备延展性的曲面压力传感器件的研究也越来越受到重视，但是这些研究目前主要仍处于实验室阶段，尚未有比较成功的商业应用。如东京大学的染矢高雄等人利用屈曲结构可以使极薄的压力传感阵列具备230％的拉伸能力，理论上甚至能实现在舌头表面上的完全贴合，并可以实现压力分布检测。虽然这种方法可以在复杂曲面上应用，但延展性敏感材料本身的强度往往较差，并且其结构与制造过程较为复杂，因此易发生损坏，长期工作稳定性不足。

而纤维增强复合材料在“结构功能一体化”上已经取得了很大的进展：在航空航天、船舶机车等领域内的应用已经说明了纤维增强复合材料应用于复杂结构上的优势；而在功能上，碳纤维增强复合材料发生变形会导致内部碳纤维电阻的变化，故不需要增加其他器材，仅通过测量碳纤维的电阻值就可以有效判断复合材料的受力情况，因此，这种碳纤维增强复合材料的自敏感特性越来越受到重视。

基于此，本申请利用纤维增强复合材料的曲面适应性与自敏感特性，设计出一种能够在复杂曲面上长期稳定工作的曲面压力传感装置。

发明内容

针对现有技术中所存在的上述缺陷，本申请提供一种能够在曲面上进行接触压力分布测量的传感装置，其采用纤维增强复合材料作为敏感元件，利用了纤维增强复合材料的可设计性特点，能够完全贴合在复杂曲面基底上；利用了纤维增强复合材料的自敏感特性，能够实现对外部压力的分布信息测量。

为实现上述目的，本申请采用的技术方案如下：

一种基于纤维增强材料的曲面压力传感器，包括曲面压力敏感阵列传感器和多路数据处理模块，曲面压力敏感阵列传感器安装在需要测量接触压力的曲面基底上，其形状与曲面基底吻合；当有外力作用在曲面压力敏感阵列传感器表面上时，复合材料基体受力发生形变，处于其内的具备压力敏感特性的碳纤维阵列随之变形，其中的经向碳纤维与纬向碳纤维在交叉点处相互靠近，使得接触电阻随着外力大小产生相应的变化；碳纤维阵列中每个交叉点的电阻值通过多路数据处理模块采集并调理成数字信号，最后多路数据处理模块基于预存的解耦算法对所得到的电阻值数据进行解耦计算，得到外部作用力的大小与位置等信息。

进一步的，作为优选：

所述的曲面压力敏感阵列传感器的结构，包括编织纤维阵列和纤维电极接口；编织纤维阵列包含作为敏感单元的碳纤维和作为间隔单元的绝缘纤维，碳纤维与绝缘纤维通过编织的方法形成经纬交叉的阵列结构；通过导线将经纬两个方向的碳纤维与多路数据处理模块相连，以测量所有碳纤维形成的交叉点阵列的电阻值。

通过编织方法所形成的纤维阵列由两种纤维组成，碳纤维与绝缘纤维，通过调整绝缘纤维的含量可以改变曲面压力敏感阵列传感器的空间分辨能力；绝缘纤维含量越高，并排碳纤维之间的间隔越大，因而经向碳纤维与纬向碳纤维的交叉点在空间分布的越稀疏，曲面压力敏感阵列传感器的空间分辨能力也就越弱；反之，则空间分辨能力越强。

曲面压力敏感阵列传感器由纤维增强复合材料制成，这种材料包含两个部分，增强纤维与基体聚合物；增强纤维通过编织方法可以形成易于改变形状的结构，再通过注塑的方法将基体聚合物包覆在纤维表面，固化后形成复合材料；通过改变注塑时的模具形状，可以使曲面压力敏感阵列传感器具有任意的曲面结构，适应对应形状的曲面基底。

经向碳纤维与纬向碳纤维交叉点的电阻变化由多路数据处理模块获取；多路数据处理模块通过扫描电路依次测量交叉点阵列的电阻值，每测量一遍所有电阻值后将其作为一组数据，经过多路数据处理模块内的解耦算法将从数据中得到外界压力的空间分布信息，并存储在多路数据处理模块的内部存储器中；多路数据处理模块通过数据线与其他设备联接，实现数据交换与供电。

本发明具有的有益效果是：

本发明采用了纤维增强复合材料作为敏感材料，一方面具有可设计性优势，对复杂曲面有很好的适应性，另一方面材料强度高，长期工作稳定性好；用绝缘纤维间隔碳纤维，能够在保持材料整体强度不变的情况下调节压力检测的空间分辨能力；相比于其他现有敏感材料的应用方法，纤维增强复合材料的制备更为简单，因此加工成本更低。

附图说明

图1是基于纤维增强复合材料的曲面压力传感阵列装置示意图。

图2是曲面压力传感阵列的平面展开示意图。

图3是一种典型的曲面压力传感阵列装置的制备过程示意图。

图4是本发明的曲面压力测量过程示意图。

图中：1、曲面压力敏感阵列传感器，2、基体聚合物，3、曲面基底、4、多路数据处理模块，5、数据线，6、绝缘纤维，7、碳纤维，8、电极接口，9、导线，10、纬向碳纤维，11、经向碳纤维，12、交叉点，13、增强纤维阵列。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明所描述的曲面压力传感阵列装置包含两个部分：以纤维增强复合材料为敏感材料的曲面压力敏感阵列传感器(1)与多路数据处理模块(4)。经过设计的曲面压力敏感阵列传感器(1)可以完全贴合在复杂曲面基底(3)上，将外界作用力转换成内部碳纤维(7)的电阻变化，这一变化再由多路数据处理模块(4)采集处理，得到压力分布信息后传输给其他设备。

如图2所示，构成编织纤维阵列(13)的增强纤维包含两种不同纤维材料：具有压力敏感特性的碳纤维(7)和不导电的绝缘纤维(6)，如KEVLAR纤维；两种纤维通过编织的方法交叉形成经纬阵列结构，绝缘纤维(6)将碳纤维(7)隔开，而碳纤维(7)在交叉点处形成接触电阻，以图2所示的4条经向碳纤维(11)，8条纬向碳纤维(10)为例，共形成交叉点32个；每条碳纤维(7)的一端都通过导线(9)与多路数据处理模块(4)相连；当外界压力作用在曲面压力敏感阵列传感器(1)表面时，基体聚合物(2)受力变形，使得内交叉点处经线与纬线碳纤维间的接触更紧密，进而改变经向碳纤维(11)一端到纬向碳纤维(10)另一端的电阻测量值。

曲面压力敏感阵列传感器(1)的制造过程如图3所示，首先通过编织机将碳纤维(7)与绝缘纤维(6)编织成相互交叉的经纬纤维阵列；然后针对被测曲面的形状设计曲面压力敏感阵列传感器(1)的外形，并基于此设计出复合材料的注塑模具；接下来将编织好的纤维阵列放入模具中，采用真空辅助注塑法将环氧树脂注入模具，随后保持恒温25℃一天时间，再将固化好的纤维增强复合材料取出；最后，通过打磨复合材料四周将内部碳纤维端部暴露出来作为电极接口(8)，采用导电银胶将铜线与碳纤维连接在一起，并保证连接可靠性。这样得到的曲面压力敏感阵列传感器(1)与多路数据处理模块(4)相连即可工作。

曲面压力测量过程如图4所示，所有经纬碳纤维形成的交叉点阵列的电阻值通过多路数据处理模块(4)内的扫描电路获取，其中电阻值的测量采用恒压测电流的方法，信号调理采用低通滤波等步骤，最终得到交叉点阵列的电阻值数据；而外部作用力会对作用区域内的所有交叉点电阻值产生影响，所以，作用力分布信息会耦合在所获得的电阻值数据中，以图2为例，其耦合过程可以用如下方程描述：

R_32×1＝C_32×32×F_32×1。

其中R为电阻值，C为耦合矩阵，F为离散后的作用力分布信息；为了从电阻值数据中得到作用力的分布信息，需要通过建模与实验相结合的方法得到解耦矩阵，再将解耦算法预存在多路数据处理模块(4)内有掉电保护功能的FLASH中，对电阻值数据进行处理，得到压力分布信息；多路数据处理模块(4)可以将这些信息存储在内部RAM中并通过数据线(5)与外部设备进行数据交换。

Claims (7)

1.一种基于纤维增强复合材料的曲面压力传感装置，其特征在于：包括曲面压力敏感阵列传感器（1）和多路数据处理模块（4），曲面压力敏感阵列传感器（1）安装在待测量接触压力的曲面基底（3）上，其形状与曲面基底（3）吻合；曲面压力敏感阵列传感器（1）将作用传感器表面的压力分布信息转换成经向与纬向上的电阻变化，各电阻值则由多路数据采集模块（4）的扫描电路测量并转换为数字信号，再由该多路数据采集模块（4）内的运算单元按内置的解耦算法处理得到外部压力分布信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于纤维增强复合材料的曲面压力传感装置，其特征在于：当有外力作用在曲面压力敏感阵列传感器（1）表面上时，该曲面压力敏感阵列传感器（1）的复合材料基体（2）受力发生形变，处于其内的具备压力敏感特性的碳纤维（7）阵列随之变形，其中的经向碳纤维（11）与纬向碳纤维（10）在交叉点（12）处相互靠近，使得接触电阻随着外力大小产生相应的变化；碳纤维（7）阵列中每个交叉点的电阻值通过多路数据处理模块（4）采集并调理成数字信号，最后多路数据处理模块（4）基于预存的解耦算法对所得到的电阻值数据进行解耦计算，得到外部作用力的大小与位置等信息。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于纤维增强复合材料的曲面压力传感装置，其特征在于：所述的曲面压力敏感阵列传感器（1）的结构包括编织纤维阵列（13）和纤维电极接口（8）；编织纤维阵列（13）包含作为敏感单元的碳纤维（7）和作为间隔单元的绝缘纤维（6），碳纤维（7）与绝缘纤维（6）通过编织的方法形成经纬交叉的阵列结构；通过导线（9）将经纬两个方向的碳纤维（7）与多路数据处理模块（4）相连，以测量所有碳纤维（7）形成的交叉点阵列的电阻值。

4.根据权利要求3所述的一种基于纤维增强复合材料的曲面压力传感装置，其特征在于，所述的编织纤维阵列中，曲面压力敏感阵列传感器（1）的空间分辨能力由绝缘纤维（6）的含量调控：绝缘纤维（6）含量越高，并排碳纤维（7）之间的间隔越大，因而经向碳纤维（11）与纬向碳纤维（10）的交叉点在空间分布的越稀疏，曲面压力敏感阵列传感器（1）的空间分辨能力也就越弱；反之，则空间分辨能力越强。

5.根据权利要求1或2所述的一种基于纤维增强复合材料的曲面压力传感装置，其特征在于，所述的曲面压力敏感阵列传感器（1）由纤维增强复合材料制成，该复合材料包含两个部分；增强纤维与基体聚合物；增强纤维通过编织方法形成易于改变形状的结构，基体聚合物以注塑方式包覆在纤维表面，基体聚合物固化增强纤维上即形成复合材料。

6.根据权利要求5所述的一种基于纤维增强复合材料的曲面压力传感装置，其特征在于，所述的曲面压力敏感阵列传感器（1）形状由基体聚合物的注塑模具形状控制，调整注塑时的模具形状，赋予曲面压力敏感阵列传感器（1）具有任意的曲面结构，以适应对应形状的曲面基底（3）。

7.根据权利要求5所述的一种基于纤维增强复合材料的曲面压力传感装置，其特征在于：增强纤维编织结构中，其经向碳纤维（11）与纬向碳纤维（10）交叉点的电阻变化由多路数据处理模块（4）获取；多路数据处理模块（4）通过扫描电路依次测量交叉点阵列的电阻值，每测量一遍所有电阻值后将其作为一组数据，经过多路数据处理模块（4）内的解耦算法将从数据中得到外界压力的空间分布信息，并存储在多路数据处理模块（4）的内部存储器中；多路数据处理模块（4）通过数据线（5）与其他设备联接，实现数据交换与供电。