CN109029794B - 聚偏二氟乙烯薄膜传感器的触觉感应检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明中公开了一种包括聚偏二氟乙烯薄膜的传感器。传感器为一个铝制圆柱体，周围依次有橡胶海绵层，聚偏二氟乙烯薄膜，醋酸纤维膜保护层和花边。传感器设置在电机的旋转轴上，被测对象被放置在传感器上。传感器旋转并收集物体上的触觉信息。通过计算低频信号的平均幅度，传感器的方差以及功率范围强度对材料性能做出评估。本发明中的传感器装置简单，材料提取样本信息全面，可以用于准确评估不同材料的性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种材料检测领域，具体涉及一种聚偏二氟乙烯薄膜传感器的触觉感应检测装置。
背景技术
现有技术中对于触觉的检测大多用于测量力的大小。而由于触觉的检测对象通常是柔性的，因此，对于触感的检测是非常困难的。现有技术中通过检测材料的张力，剪切力，纯弯曲，压缩和表面粗糙度等参数，来对材料性能做出表征。然而，这些参数对于材料性能的描述都是不够准确的。同时，对于材料的检测仪器复杂、笨重、操作复杂，不利于在产业上广泛应用。
专利CN101622518A公开了一种织物中剪切力和压力的传感器。这种传感器的设置测量剪切力和压力的方法，其中所述剪切力和压力被施加在躺在床上或者坐在椅子上的人的皮肤上，这种织物传感器允许同时测量抗褥疮织物中的剪切力和压力。然而，此种电容传感器仅可用于测量压力与剪切力，检测参数单一，无法准确的对材料的多种性能做出检测和评测，限制了其的使用范围。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种聚偏二氟乙烯薄膜传感器的触觉感应检测装置；本发明中的传感器装置简单，材料提取样本信息全面，可以用于准确评估不同材料的性能。
本发明中的聚偏二氟乙烯薄膜传感器的触觉感应检测装置的具体技术方案为：包括用于感应触觉的聚偏二氟乙烯薄膜传感器，该传感器为圆柱体；从内层至外层依次包括圆柱体层；橡胶海棉层；聚偏二氟乙烯薄膜层；醋酯纤维薄膜层及花边层；圆柱体角度为210°至270°；
该检测装置还包括电机，及控制电机转速的控制器，用于去除噪音的低通滤波器，数字示波器及电脑；所述传感器套设于电机的输出轴上，控制器与电机电性连接，传感器与低通滤波器电性连接，低通滤波器经数字示波器与电脑连接；
该检测装置还包括负重及夹子，被检测材料套设于传感器外周，一端用夹子固定，另一端通过负重绕过传感器，置于电机轴的另一侧面。
进一步地，该检测装置引入平滑系数y(i)从传感器输出提取低频信号，计算公式为
式中，N为传感器在转动过程采集的信号数量，2r为移动平均数计算时的采样信号数量；x(i)是第i个传感器输出的量化数字信号，y(i)是传感器输出的第i个量化数字信号x(i)的移动平均数。
进一步地，低频信号的平均幅度S,用于评价材料的耐磨性；计算公式为：
式中，L为按移动平均数计算数字信号的总数。
进一步地，低频信号的输出信号方差V，用于评价材料的松紧弹性程度；计算公式为：
式中，M为传感器在转动过程中采集的信号数量。
进一步地，测量仪器测量的频率范围Rs，用于评价材料的软硬程度；计算公式为
式中，P(f)表示功率谱密度。
本发明与现有技术相比可实现以下有益效果：
本实施例中的薄膜的触觉传感器通过摸似人的触觉感知，通过对于低频信号的平均幅度，输出方差和功率范围，对材料的耐磨性、弹性及软硬程度进行多维度的检测。
本发明中的传感器装置简单，材料提取样本信息全面，可以于检测不同纹理的织物材料。检测实验结果贴近材料的真实数据，可准确用于评估材料的性能。
附图说明
图1为薄膜的触觉传感器的结构示意图；
图2为包含有薄膜的触觉传感器的检测装置图；
图3(a)(b)为薄膜的触觉传感器检测不同材料的低频信号；
图4(a)(b)为薄膜的触觉传感器检测不同材料的信号移动平均数；
图5(a)(b)为薄膜的触觉传感器检测不同材料的信号均方差；
具体实施方式
结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
传感器的结构如图1所示，结构被与人体皮肤相似。最内层为铝制的圆柱体1，圆柱体角度为210°至270°，方便将传感器套设于电机轴上。从内向外，第二层为橡胶海棉层2，第三层为聚偏二氟乙烯薄膜3，第四层为醋酯纤维薄膜4，最外层为花边层5。这样设置是与人体皮肤层相对应的。人体皮肤分为表皮层和真皮层，以及帕西尼氏小体位于真皮层。在这个传感器中，膜相当于包含有帕西尼氏的真皮层，醋酯纤维薄膜及花边层相当于表皮层。花边层相当于表皮层的指纹，可以增强传感器的触觉灵敏度。
本发明利用了聚偏二氟乙烯薄膜可发出短波的性能，利用该性能用于摸拟人的触觉，用于感应人的触摸振动。
感应触觉包括摩擦，推拉，触摸等，本实施例中的传感器系统可用于评估材料的可穿戴性的触觉感受。而穿着衣服，最重要的参数为触感的耐磨性。本发明中的传感器装置可用于检测摩擦触觉。
图2为传感器装置的检测装置，当检测时，将传感器套设于电机7轴上，被检测材料13套设于传感器外周。电机以恒定速度转动，并由控制器6控制转速。材料的一端用夹子12固定，另一端通过负重8绕过传感器，置于电机轴的另一侧面。在检测过程中，材料与传感器紧密接触。传感器在检测过程中转动角度记为θ，材料与传感器之间存在摩擦力，摩擦力阻止传感器随电机放转传感器由电机转动，传感器转动角度记θ从0°至180°传感器与低通滤波器9连接，用于去除噪音效应。薄膜的输出信号经低通滤波器，输送至数字示波器10及电脑11。电脑与数字示波器通过RS232C连接。由于与人体接触面为材料为背面，通过检测背面的参数，来检测材料的摩擦触觉。
在传感器检测装置中，由于施加在材料上的张力会发生变化。当传感器转动时，传感器中的低频信号可反应材料的张力变化。如附图3所示，其中图3(a)中输出的低频信号远远大于图3(b)中输出的低频信号。
本实施例中，引入平滑系数从传感器输出提取低频信号。
式中，N为传感器在转动角度记为θ从θ1至θ2采集的信号数量，2r为移动平均数计算的采样信号数量；x(i)是第i个传感器输出的量化数字信号，y(i)是传感器输出的第i个量化数字信号x(i)的移动平均数。
低频信号S的平均幅度可用于表示信号y(i)，可用于评价材料的耐磨性的感觉。计算公式为：
式中，L为按移动平均数计算数字信号的总数。如附图4所示，其中图4(a)、(b)分别为图3(a)、(b)的低频信号的移动平均数，由图可看出图4(a)比图4(b)更为平缓。
采用参数V表示输出信号的方差，用于评价材料的松紧弹性程度；计算公式为：
如附图5所示，其中图5(a)、(b)分别为图4(a)、(b)低频信号的均方差，由图可看出图5(a)的均方差大于比图5(b)。
采用参数Rs表示测量仪器测量的频率范围，用于评价材料的软硬程度；计算公式为：
式中，M为传感器在转动角度记为θ从θ3至θ4采集的信号数量，x(i)是第i个传感器输出的量化数字信号，P(f)表示功率谱密度。
本实施例中，θ1取20°，θ2取160°，θ3取90°，θ4取120°；r取2500，N取80000，L取75000，M取11111，f1取100Hz，f2取500Hz，f3取10kHz。
本发明的实施方式不限于此，按照本发明的上述内容，利用本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。
Claims (5)
1.一种用于感应触觉的聚偏二氟乙烯薄膜传感器的触觉感应检测装置，包括用于感应触觉的聚偏二氟乙烯薄膜传感器，该传感器为圆柱体；从内层至外层依次包括圆柱体层；橡胶海棉层；聚偏二氟乙烯薄膜层；醋酯纤维薄膜层及花边层；圆柱体角度为210°至270°；其特征在于：该检测装置还包括电机，及控制电机转速的控制器，用于去除噪音的低通滤波器，数字示波器及电脑；所述传感器套设于电机的输出轴上，控制器与电机电性连接，传感器与低通滤波器电性连接，低通滤波器经数字示波器与电脑连接；
该检测装置还包括负重及夹子，被检测材料套设于传感器外周，一端用夹子固定，另一端通过负重绕过传感器，置于电机轴的另一侧面。
2.根据权利要求1所述触觉感应检测装置，其特征在于：该检测装置引入平滑系数y(i)从传感器输出提取低频信号，计算公式为
式中，N为传感器在转动过程采集的信号数量，2r为移动平均数计算时的采样信号数量；x(i)是第i个传感器输出的量化数字信号，y(i)是传感器输出的第i个量化数字信号x(i)的移动平均数。
3.根据权利要求2所述的触觉感应检测装置，其特征在于：低频信号的平均幅度S,用于评价材料的耐磨性；计算公式为：
式中，L为按移动平均数计算数字信号的总数。
4.根据权利要求3所述的触觉感应检测装置，其特征在于：低频信号的输出信号方差V，用于评价材料的松紧弹性程度；计算公式为：
式中，M为传感器在转动过程中采集的信号数量。
5.根据权利要求4所述的触觉感应检测装置，其特征在于：测量仪器测量的频率范围Rs，用于评价材料的软硬程度；计算公式为
式中，P(f)表示功率谱密度。
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