CN107607031A - 网状传感器及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种网状传感器及测量方法，网状传感器包括：至少一层网状传感层，每层所述网状传感层包括交叉编织成网格状的多个敏感材料、以及薄膜基体，每层所述网状传感层中，多个所述敏感材料固化在薄膜基体上，所述网状传感层包括若干个与所述敏感材料连接的电源端子和若干个与所述敏感材料连接的信号端子，通过若干组线性无关的测量自电源端子上的输入电压数列和若干组线性无关的测量自信号端子上的输出电压数列进行物理量场测量，所述敏感材料至少包括力或变形敏感材料。本发明使得测量结构表面应变场或其它物理量场时，无须在所有节点引出信号线，应变量程范围大、制造和安装简便、标定简单、造价相对较低等。
Description
技术领域
本发明涉及传感器相关技术领域，特别是一种网状传感器及测量方法。
背景技术
现有结构表面应变场测量大都采用粘贴应变片或光学测量的方法。应变片仅能得到单点或局部的应变，测量应变场时需要大量粘贴应变片，且每单轴应变片需要引出两根接头，安装难度高且效率低。光学测量的方法仪器成本高且受测试环境影响大。
发明内容
基于此，有必要针对现有技术测量应变场等物理量场存在的技术问题，提供一种网状传感器及测量方法。
本发明提供一种网状传感器，包括：至少一层网状传感层，每层所述网状传感层包括交叉编织成网格状的多个敏感材料、以及薄膜基体，每层所述网状传感层中，多个所述敏感材料固化在薄膜基体上，所述网状传感层包括若干个与所述敏感材料连接的电源端子和若干个与所述敏感材料连接的信号端子，通过若干组线性无关的测量自电源端子上的输入电压数列和若干组线性无关的测量自信号端子上的输出电压数列进行物理量场测量，所述敏感材料至少包括力或变形敏感材料。
进一步的，多个所述敏感材料在交叉节点互相接触导电。
进一步的，所述多个所述敏感材料以树脂固化在薄膜基体上并与外界绝缘。
进一步的，所述敏感材料在网络边缘与所述电源端子和所述信号端子电连接，所述电源端子和信号端子与外界电路电连接。
进一步的，包括多层层叠的所述网状传感层，每层所述网状传感层的所述敏感材料与上层所述网状传感层的所述薄膜基体接触，每层所述网状传感层的所述薄膜基体与下层所述网状传感层的所述敏感材料接触。
再进一步的，所述敏感材料还包括：温度敏感材料、湿度敏感材料、或盐度敏感材料。
再进一步的，同一层所述网状传感层的所述敏感材料相同。
本发明提供一种如前所述的网状传感器的测量方法，在所述传感层使用所述变形敏感材料测量应变场时，包括：
在电压输入接头提供稳恒电压；
执行多层标定操作，在每次标定操作中获取多个节点发生应变时的应变值向量作为应变值已知向量，同时从信号输出接头获取相应的输出电压值作为输出电压已知量；
根据多层标定操作的所述应变值已知向量和对应的所述输出电压已知量建立关于应变值向量与输出电压值关系的应变-电压模型；
在测量时，从信号输出接头获取输出电压值作为当前输出电压值，将所述当前输出电压值输入所述应变电压模型，得到相应的应变值向量作为结果应变值向量；
根据所述结果应变值向量确定每个节点的主应变。
进一步的，所述根据多层标定操作的所述应变值已知向量和对应的所述输出电压已知量建立关于应变值向量与输出电压值关系的应变-电压模型，具体包括：
所述应变值向量ε＝[ε1,ε2,...,εi]，其中εi为第i个节点的应变值；
所述输出电压值U＝[U1,U2,...,Un]，其中Un为第n个信号输出接头获取的输出电压；
建立关系式ε＝kU+b，根据多层标定操作的所述应变值已知向量和对应的所述输出电压已知量，计算关系式中的第一矩阵k和第二矩阵b，得到关于应变值向量与输出电压值关系的应变电压模型ε＝kU+b。
进一步的，所述根据所述结果应变值向量确定每个节点的主应变，具体包括：
根据所述结果应变值向量所包括的每个应变值、以及每个应变值之间的夹角确定主应变。
本发明通过交叉编织成网格状的多个敏感材料，使得测量结构表面应变场或其它物理量场时，无须在所有节点引出信号线，量程范围大、制造和安装简便、标定简单、造价相对较低等。
附图说明
图1为一种网状传感器的结构示意图；
图2为网状传感器的应用示意图；
图3为网状传感器的测量示意图；
图4为主应变计算示意图；
图5a为本发明一实施例的网状传感器的网格示意图；
图5b为本发明另一实施例的网状传感器的网格示意图；
图5c为本发明再一实施例的网状传感器的网格示意图；
图6为本发明网状传感器的网状传感层层叠示意图；
图7为本发明网状传感器的测量方法的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。
如图1所示为一种网状传感器的结构示意图，包括：至少一层网状传感层，每层所述网状传感层包括交叉编织成网格状的多个敏感材料1、以及薄膜基体2，每层所述网状传感层中，多个所述敏感材料1固化在薄膜基体2上，所述网状传感层包含若干个与所述敏感材料连接的电源端子6和若干个与所述敏感材料连接的信号端子5，通过若干组线性无关的测量自电源端子上的输入电压数列和若干组线性无关的测量自信号端子上的输出电压数列进行物理量场测量，所述敏感材料至少包括力或变形敏感材料。
具体来说，信号端子的选取位置和数量不固定，可根据标定和安装需要进行选取。
图1以测量应变场为例，本领域技术人员应该可以理解，该网状传感器还可以测量其他物理量场。
如图2所示，将本发明所述传感器9粘贴于结构表面，通过信号线8引出与测量仪器7通信连接，当结构受力并引起结构各个部位产生变形后，传感器9内的力或变形敏感材料亦会产生变形，其变形大小与结构在该部位的应变相关。
如附图3所示，整个网络组成一个复杂的电阻串并联电路，每两个相邻节点间的材料变形均会引起电路电阻变化，在电压输入接头提供稳恒电压后，对传感器进行标定操作，实际标定或每次测量时，输入的电压稳恒，可采取多个不同的电压输入，提高测量精度，每个接头与地的电压各不相同，但保持稳恒，达到提高标定和测量精度的目的。在每次标定操作中获取多个节点发生应变时的应变值向量作为已知向量，同时从信号输出接头获取相应的输出电压值(即输出电压数列)作为已知输出电压值,根据多层标定操作的所述应变值向量和对应的所述输出电压值建立关于应变值向量与输出电压值关系的应变-电压模型；
在测量时，从信号输出接头获取输出电压值作为当前输出电压值，将所述当前输出电压值输入所述应变-电压模型，得到相应的应变值向量作为结果应变值向量；
根据所述结果应变值向量确定每个节点的主应变。
本发明通过交叉编织成网格状的多个敏感材料，使得测量结构表面应变场时，无须在所有应变节点引出信号线，应变量程范围大、制造和安装简便、标定简单、造价相对较低等。
在其中一个实施例中，多个所述敏感材料在交叉节点互相接触导电。
在其中一个实施例中，所述多个所述敏感材料以树脂固化在薄膜基体上并与外界绝缘。
在其中一个实施例中，敏感材料在网络边缘包括电源端子和信号端子，所述电源端子和信号端子与外界电路电连接。
在其中一个实施例中，包括多层层叠的所述网状传感层，每层所述网状传感层的所述敏感材料与上层所述网状传感层的所述薄膜基体接触，每层所述网状传感层的所述薄膜基体与下层所述网状传感层的所述敏感材料接触。
具体来说，薄膜基体和网格可交替多层铺设，各层间网格形式可不尽相同。网格可以有多种网格形式，如图5a～5c所示，以满足各种测试需要。
在其中一个实施例中，所述敏感材料还包括：温度敏感材料、湿度敏感材料、或盐度敏感材料。
在其中一个实施例中，同一层所述网状传感层的所述敏感材料相同。
如图7所示为本发明一种如前所述的网状传感器的测量方法的工作流程图，包括：
步骤S701，在电压输入接头提供稳恒电压；
步骤S702，执行多层标定操作，在每次标定操作中获取多个节点发生应变时的应变值向量作为应变值已知向量，同时从信号输出接头获取相应的输出电压值作为输出电压已知量；
步骤S703，根据多层标定操作的所述应变值已知向量和对应的所述输出电压已知量建立关于应变值向量与输出电压值关系的应变-电压模型；
步骤S704，在测量时，从信号输出接头获取输出电压值作为当前输出电压值，将所述当前输出电压值输入所述应变电压模型，得到相应的应变值向量作为结果应变值向量；
步骤S705，根据所述结果应变值向量确定每个节点的主应变。
在其中一个实施例中，所述根据多层标定操作的所述应变值已知向量和对应的所述输出电压已知量建立关于应变值向量与输出电压值关系的应变-电压模型，具体包括：
所述应变值向量ε＝[ε1,ε2,...,εi]，其中εi为第i个节点的应变值；
所述输出电压值U＝[U1,U2,...,Un]，其中Un为第n个信号输出接头获取的输出电压；
建立关系式ε＝kU+b，根据多层标定操作的所述应变值已知向量和对应的所述输出电压已知量，计算关系式中的第一矩阵k和第二矩阵b，得到关于应变值向量与输出电压值关系的应变电压模型ε＝kU+b。
在其中一个实施例中，所述根据所述结果应变值向量确定每个节点的主应变，具体包括：
根据所述结果应变值向量所包括的每个应变值、以及每个应变值之间的应变夹角确定应变力。
具体来说：
如附图3所示，整个网络组成一个复杂的电阻串并联电路，每两个相邻节点间的材料变形均会引起电路电阻变化，在电压输入接头提供稳恒电压，若测得传感器信号输出接头电压分别为
U＝[U1,U2,U3,...,Un]；
此时各相邻节点间的应变为
ε＝[ε1,ε2,ε3,...,εi]；
且满足n×m≧i，其中n为信号输出接头数量，i为应变产生的不同位置的数量，m为标定样本数量，则可建立关系式
ε＝kU+b。
传感器标定时，获得m组线性无关的输出电压量U和对应的应变向量ε，令
其中Uj为第j个输出电压量U，εj为第j个应变向量ε。
根据最小二乘法的基本原理，分别对k和b求偏导且令偏导数等于0，当样本数m足够多时，代入电压和应变可分别得到k和b的值：
标定完毕即可用式ε＝kU+b作为传感器使用时候的应变计算表达式。如图4所示，可根据节点3个不同方向上的正应变ε1,ε2,ε3的值和应变夹角θ计算各节点主应变。
网格可以有多种网格形式，如图5所示，以满足各种测试需要。
信号接头引出数量可远小于测量节点数，只要满足标定最小要求，可在边缘引出信号线，网格中间节点无须引出信号线，从制造上和安装上均减少了难度。
薄膜基体和网格可交替多层铺设，如图6所示，各层间网格形式可不尽相同。各层可换成诸如温度变形敏感材料或其它敏感材料完成不同的测试功能，如温度、盐度、湿度等。考虑到有些特殊的敏感材料可能需要特殊的基体加以区别，如温度敏感材料，可以根据需要增加高导热的基体10。
当测量温度时，温度引起结构膨胀或收缩，引起应变，即温度变形，与测量力引起应变相似。当测量湿度、盐度时，由于湿度盐度不产生变形，可将网格材料换成湿度盐度敏感材料，即湿度盐度变化直接引起电阻变化，从而进行测量。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种网状传感器，其特征在于，包括：至少一层网状传感层，每层所述网状传感层包括交叉编织成网格状的多个敏感材料、以及薄膜基体，每层所述网状传感层中，多个所述敏感材料固化在薄膜基体上，所述网状传感层包括若干个与所述敏感材料连接的电源端子和若干个与所述敏感材料连接的信号端子，通过若干组线性无关的测量自电源端子上的输入电压数列和若干组线性无关的测量自信号端子上的输出电压数列进行物理量场测量，所述敏感材料至少包括变形或力敏感材料。
2.根据权利要求1所述的网状传感器，其特征在于，多个所述敏感材料在交叉节点互相接触导电。
3.根据权利要求1所述的网状传感器，其特征在于，多个所述敏感材料以树脂固化在薄膜基体上并与外界绝缘。
4.根据权利要求1所述的网状传感器，其特征在于，所述敏感材料在网络边缘与所述电源端子和所述信号端子电连接，所述电源端子和信号端子与外界电路电连接。
5.根据权利要求1所述的网状传感器，其特征在于，包括多层层叠的所述网状传感层，每层所述网状传感层的所述敏感材料与上层所述网状传感层的所述薄膜基体接触，每层所述网状传感层的所述薄膜基体与下层所述网状传感层的所述敏感材料接触。
6.根据权利要求1～5任一项所述的网状传感器，所述敏感材料还包括：温度敏感材料、湿度敏感材料、或盐度敏感材料。
7.根据权利要求6所述的网状传感器，其特征在于，同一层所述网状传感层的所述敏感材料相同。
8.一种如权利要求1～7任一项所述的网状传感器的测量方法，其特征在于，在所述传感层使用所述变形敏感材料测量应变场时，包括：
在电压输入接头提供稳恒电压；
执行多层标定操作，在每次标定操作中获取多个节点发生应变时的应变值向量作为应变值已知向量，同时从信号输出接头获取相应的输出电压值作为输出电压已知量；
根据多层标定操作的所述应变值已知向量和对应的所述输出电压已知量建立关于应变值向量与输出电压值关系的应变-电压模型；
在测量时，从信号输出接头获取输出电压值作为当前输出电压值，将所述当前输出电压值输入所述应变-电压模型，得到相应的应变值向量作为结果应变值向量；
根据所述结果应变值向量确定每个节点的主应变。
9.根据权利要求8所述的网状传感器的测量方法，其特征在于，所述根据多层标定操作的所述应变值已知向量和对应的所述输出电压已知量建立关于应变值向量与输出电压值关系的应变-电压模型，具体包括：
所述应变值向量ε＝[ε1,ε2,...,εi]，其中εi为第i个节点的应变值；
所述输出电压值U＝[U1,U2,...,Un]，其中Un为第n个信号输出接头获取的输出电压；
建立关系式ε＝kU+b，根据多层标定操作的所述应变值已知向量和对应的所述输出电压已知量，计算关系式中的第一矩阵k和第二阵b，得到关于应变值向量与输出电压值关系的应变-电压模型ε＝kU+b。
10.根据权利要求8所述的网状传感器的测量方法，其特征在于，所述根据所述结果应变值向量确定每个节点的主应变，具体包括：
根据所述结果应变值向量所包括的每个应变值、以及每个应变向量之间的夹角确定主应变。
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| DONG-SU KIM等: "《Piezoresistive sensor-integrated PDMS cantilever: A new class of device for measuring the drug-induced changes in the mechanical activity of cardiomyocytes》", 《SENSORS AND ACTUATORS B: CHEMICAL》, 31 March 2017 (2017-03-31) * |
| 吴强;俞志伟;吉爱红;戴振东;: "一种小型电阻应变式三维力传感器的仿真设计", 中国机械工程, no. 11, 10 June 2011 (2011-06-10) * |
| 张艳华等: "《压阻式压力传感器温度补偿技术的研究及应用》", 《电子测量技术》, 31 May 2017 (2017-05-31) * |
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