CN109405854A - 一种仿生应变放大、灵敏度可编程的传感装置及应用 - Google Patents

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韩志武
宋洪烈
王可军
张俊秋
陈道兵
刘林鹏
牛士超
陈思琪
王大凯
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Jilin University
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Abstract

本发明公开了一种仿生应变放大、灵敏度可编程的传感装置及应用，其中，传感装置，包括用于承受正应力的弹性体，以及设置于所述弹性体上用于承受从所述弹性体传导过来的正应力的刚性层，所述刚性层由若干相同的刚性片沿受力方向以第一间隙阵列而成。本装置的应变放大系数依赖于弹性体、刚性片所用的材料以及刚性片的宽度、排列方式，可通过材料选择及结构设计制作出适应实际应用场景所需灵敏度的仿生应变传感装置。

Description

一种仿生应变放大、灵敏度可编程的传感装置及应用
技术领域
本发明涉及应变传感领域，尤其涉及一种仿生应变放大、灵敏度可编程的传感装置及应用。
背景技术
通过材料的几何形状改变而将外界激励转换为电信号是一种最基本、最直接、应用最广的传感器换能方式。例如，通过金属导线的伸长/收缩/弯曲/扭转应变与其电阻率的关系制作了金属应变片，本质都是将敏感单元的应变量转化为电学量输出的传感器。这类应变换能型的传感器应用广泛：如各类重量传感器、压力传感器、力传感器、加速度传感器等。具体来讲，利用应变实现换能的传感器可具体分为力致电阻改变、力致电容改变、压电以及近年来出现的力致发光四大类。而这四类传感器根本上是将敏感单元的应变换能输出。
传感器的高灵敏度体现了更高的检测水平。但是，传感器的高灵敏度和良好的线性度，很难同时达到。因此，在传感器的实际应用和开发中，通常在传感器的灵敏度和线性度两者之间寻求平衡。解决这一矛盾的途径之一，就是对传感器的灵敏度进行可控调节。这样，可在传感器的目标量程范围内，在提高传感器灵敏度的同时，又将传感器的线性度控制在可接受范围内。虽然目前有多种灵敏度调控手段，但是都存在各类问题，如调节范围窄、调节精准度不足等，很难在提高传感器灵敏度的同时，将传感器的线性度控制在在可接受范围内。
自然界中，生物经过漫长的进化，演化得到了各种有益的结构和特殊功能。师法自然，为解决当前科学技术问题带来了原始的创新和启发。蝎子作为夜行生物，其捕食主要依靠体表的缝感受器探测到的外界振动信号。蝎子每只行走足上跗骨关节处的缝感受器，振动探测的精确度和灵敏度极高。研究表明，这种探测振动的基本原理是对振动引起的蝎子缝感受器的应变的感知。同时，蝎子缝感受器对不同的振幅、频率的振动信号都有灵敏的感知能力。因此蝎子的缝感受器结构的高应变灵敏，为基于应变换能传感器设计提供了新的启发。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种仿生应变放大、灵敏度可编程的传感装置及应用，旨在优化应变传感装置的灵敏度，并根据实际情况进行灵活调控。
本发明的技术方案如下：
一种仿生应变放大、灵敏度可编程的传感装置，包括用于承受正应力的弹性体，以及设置于所述弹性体上用于承受从所述弹性体传导过来的正应力的刚性层，所述刚性层由若干相同的刚性片沿受力方向以第一间隙阵列而成；所述传感装置的应变放大系数为：
其中，Kε为应变放大系数，lH为所述刚性片沿正应力方向的宽度，lS为所述第一间隙的宽度，EH、ES分别为所述刚性片的弹性模量和所述弹性体的弹性模量。
所述的仿生应变放大、灵敏度可编程的传感装置，其中，所述弹性体为橡胶或热塑性塑料。
所述的仿生应变放大、灵敏度可编程的传感装置，其中，所述橡胶为硅橡胶、聚二甲基硅氧烷或氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物。
所述的仿生应变放大、灵敏度可编程的传感装置，其中，所述热塑性塑料为聚己二酸或对苯二甲酸丁二酯。
所述的仿生应变放大、灵敏度可编程的传感装置，其中，所述刚性片为金属薄片或高聚物薄片，所述高聚物薄片的弹性模量大于所述弹性体的弹性模量。
所述的仿生应变放大、灵敏度可编程的传感装置，其中，所述刚性片在垂直于正应力方向的方向上被分割成若干子刚性片，相邻子刚性片之间存在第二间隙。
一种如上所述的仿生应变放大、灵敏度可编程的传感装置的应用，采用压敏功能材料连接相邻的所述刚性片，再将所述压敏功能材料依次进行电气连接，并连接至外部电荷检测装置，通过读取电流/电压值来判断所述传感装置感知的应变大小。
有益效果：本发明通过模仿蝎子缝感受器的应变放大机制，设计了一种应变传感装置，该装置的应变放大系数依赖于弹性体、刚性片所用的材料以及刚性片的宽度、排列方式。可通过材料选择及结构设计制作出适应实际应用场景所需灵敏度的应变传感装置，本发明的应变传感装置具有应变高灵敏感知和灵敏度可编程调控的优点。
附图说明
图1为本发明的应变传感结构设计思路流程图。
图2为蝎子跗骨关节，缝感受器位于胫节处。
图3为缝感受器的扫描电镜图片。
图4为缝感受器的切片图。
图5为由缝感受器抽象得到的结构模型。
图6为本发明的设计方法设计的灵敏度可编程的仿生应变传感装置的较佳实施例图。
图7为最小结构单元的受力状态下的应变示意图。
图8为本发明的设计方法设计的灵敏度可编程的仿生应变传感装置的一种应用实施例图。
具体实施方式
本发明提供了一种仿生应变放大、灵敏度可编程的传感装置及应用，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的发明思路是基于仿生学，模仿蝎子腿部的感受器结构。设计思路如图1所示，具体地，可通过下文对图1作进一步的理解。蝎子缝感受器由一系列的裂缝组成，位于蝎子8只行走足的跗骨关节处，如图2所示，沿地表传播的微弱振动经跗骨传递到蝎子缝感受器，缝感受器受力后发生应变，产生神经冲动，以此蝎子感受到振动。
缝感受器的形貌和结构如图3和图4所示。图3的扫描电镜图像中，缝感受器由一系列弯曲的、大致呈平行分布的数十条裂缝组成。缝感受器的生物切片如图4所示，其结构特征是：由裂缝、外骨骼和皮下组织3部分组成，裂缝分割外骨骼嵌入柔性皮下组织内。
经测定，缝感受器外骨骼的弹性模量为6.44±0.18GPa，皮下组织弹性模量为317.48±13.73MPa。缝感受器是由外部坚硬的外骨骼和内部柔软的皮下组织组成，两者弹性模量相差10倍。将缝感受器简化为刚性层和柔性层两部分，刚性层被槽切断在外力作用下，柔性层发生的应变远大于结构的整体应变，在刚性层之间的柔性层区域，实现了应变放大，具体可抽象成图5的结构模型。
基于以上“刚性层-柔性层-刚性层”的结构，本发明提供了一种仿生应变放大、灵敏度可编程的传感装置的较佳实施例，如图6所示，设置一用于承受正应力的弹性体1(图中F和F′分别为作用力和反作用力)，在所述弹性体上设置刚性层，所述刚性层由若干相同的刚性片2沿受力方向以第一间隙lS阵列而成，其中，刚性片的宽度为lH，弹性体受拉伸力F作用时，刚性片也会受到同样大小的拉力。
在F-F′作用下，仿生应变传感结构整体应变εT、弹性体的应变εS分别如式(1)和(2)所示。
其中，式(1)(2)中的A为受力横截面积，ET和ES分别是最小单元“刚性层-柔性层-刚性层”(如图7所示)的整体等效弹性模量、弹性体的弹性模量。根据Reuss理论，“刚性层-柔性层-刚性层”的整体等效弹性模量ET如式(3)。
其中，fS为弹性体的体积分数，EH为刚性层的弹性模量，为了提高灵敏度，实际应用时，弹性体和刚性层的厚度均比较薄，且相差不大，因此作近似处理，fS＝lS/(lS+lH)。
当受F-F′作用，在弹性体发生的应变εS远大于整体应变εT。为定量表示弹性体的应变放大量，定义放大系数Kε表示在弹性层发生的应变放大量，如式(4)。
将式(1)(2)(3)代入式(4)中，得到应变放大系数Kε，如式(5)。
可见，应变放大系数Kε＝f(lS,lH,ES,EH)与结构(lS,lH)和材料(ES,EH)直接相关。应用时，可通过材料选择及结构设计制作出适应实际应用场景所需灵敏度的应变传感装置，即对灵敏度进行精确编程调控；特别是，在材料确定的前提下，通过结构参数lS、lH的调节，同样可以达到灵敏度可编程的目的。
优选的，弹性体可以选择橡胶类材料(例如硅橡胶、聚二甲基硅氧烷PDMS、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物SEBS等或类似的材料)或热塑性塑料类材料(如，聚己二酸或、苯二甲酸丁二酯PBAT或类似材料)。刚性片可以选择金属薄片(如铝箔、铜箔等)或高聚物类薄片，其中，高聚物薄片的弹性模量要大于弹性体的弹性模量，例如高聚物薄片可选择的材料有聚酰亚胺、丙烯酸塑料、ABS工程塑料等或类似材料。
优选的，如图8(俯视图)所示，还可以进一步将所述刚性片2在垂直于正应力方向的方向上分割成若干(图中画出了4个)子刚性片21，相邻子刚性片之间存在第二间隙h，这样可减小在横向受力的时候由于材料泊松比产生的纵向褶皱，提高检测结果的准确性。
本发明还提供了一种上述传感装置的应用，如图8所示，采用压敏功能材料3连接相邻的所述刚性片2，再将所述压敏功能材料3依次进行电气连接，可以进行串联或者并联。图8中以串联为例，并将其连接至外部电流检测装置(可设置电极4将串联电路引出)，通过读取电流值(也可以连接电压检测设备读取电压值)来判断所述仿生应变传感装置感知的应变大小。
综上所述，本发明提供了一种仿生应变放大、灵敏度可编程的传感装置及应用，本发明基于仿生学，受蝎子腿部的缝感受器的应变放大效应启发，设计了一种应变传感装置，该装置的应变放大系数依赖于弹性体、刚性片所用的材料以及刚性片的宽度、排列方式。可通过材料选择、结构设计，设计制造出适应实际应用场景所需灵敏度的应变传感装置。更重要的是，本发明的应变传感装置具有应变高灵敏感知和灵敏度可编程调控的优点。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种仿生应变放大、灵敏度可编程的传感装置，其特征在于，包括用于承受正应力的弹性体，以及设置于所述弹性体上用于承受从所述弹性体传导过来的正应力的刚性层，所述刚性层由若干相同的刚性片沿受力方向以第一间隙阵列而成；所述传感装置的应变放大系数为：
其中，Kε为应变放大系数，lH为所述刚性片沿正应力方向的宽度，lS为所述第一间隙的宽度，EH、ES分别为所述刚性片的弹性模量和所述弹性体的弹性模量。
2.根据权利要求1所述的仿生应变放大、灵敏度可编程的传感装置，其特征在于，所述弹性体为橡胶或热塑性塑料。
3.根据权利要求2所述的仿生应变放大、灵敏度可编程的传感装置，其特征在于，所述橡胶为硅橡胶、聚二甲基硅氧烷或氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物。
4.根据权利要求2所述的仿生应变放大、灵敏度可编程的传感装置，其特征在于，所述热塑性塑料为聚己二酸或对苯二甲酸丁二酯。
5.根据权利要求1所述的仿生应变放大、灵敏度可编程的传感装置，其特征在于，所述刚性片为金属薄片或高聚物薄片，所述高聚物薄片的弹性模量大于所述弹性体的弹性模量。
6.根据权利要求1所述的仿生应变放大、灵敏度可编程的传感装置，其特征在于，所述刚性片在垂直于正应力方向的方向上被分割成若干子刚性片，相邻子刚性片之间存在第二间隙。
7.一种如权利要求1-6任一所述的仿生应变放大、灵敏度可编程的传感装置的应用，其特征在于，采用压敏功能材料连接相邻的所述刚性片，再将所述压敏功能材料依次进行电气连接，并连接至外部电荷检测装置，通过读取电流/电压值来判断所述传感装置感知的应变大小。
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