CN109489874B - 一种碳纤维柔性压力分布传感装置及其测力方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种碳纤维柔性压力分布传感装置及其测力方法，其包括压力敏感阵列传感器以及多路数据处理模块两大部分。压力敏感阵列传感器由多层柔性复合材料包覆的碳纤维阵列制成，具有一定的柔韧性，通过调节每层复合材料的强度及碳纤维层间距离使其同时具有大量程和高灵敏度。当传感器收到外界载荷后，经纬碳纤维交叉点处的阻值会发生变化，这一变化电阻值由多路数据处理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界压力分布信息。

Description

一种碳纤维柔性压力分布传感装置及其测力方法

【技术领域】

本发明涉及一种力传感装置，具体涉及一种碳纤维柔性压力分布传感装置及其测力方法，属于传感器技术领域。

【背景技术】

随着智能机器人技术的迅速发展，对机器人触觉传感技术的研究也日益兴盛起来。触觉传感器系统在非结构化环境中的反馈控制以及碰撞安全性等方面有着重要的应用，因此柔性触觉传感器是提高机器人智能化水平的重要部件。它应当具有类似人类皮肤的柔软性、灵活性，能够快速准确的获取外界信息并做出反馈，以此来自动适应不同粗糙度、不同压力下的外界环境。它在智能机器人、航空航天、现代医疗等领域有着非常广阔的应用前景。

上世纪80年代，触觉传感技术的研究涉及到声、光、电、磁等多个学科，主要研究传感器的结构设计、触觉信息的收集与处理等。到了90年代初，研究方向以机电一体化的触觉传感系统为重点，将新型复合材料与现代化精密加工技术结合在一起，特别是在触觉形状识别、虚拟触觉传感技术等领域有着重大突破。近几年，世界各国的研究者们更多的研究智能触觉传感技术、集成传感、机器人感知皮肤(人造皮肤)等方向进行研究。

日本研究人员Makoto Shimojo采用将电导线穿插于压敏导电橡胶之中的方法设计了一种柔性触觉传感器，该传感器拥有很薄的厚度以及良好的灵敏性，但是无法测量剪切力的大小。合肥工业大学黄英教授团队基于导电橡胶的压阻效应设计了一套由四个对称电极围绕一个中心电极组成的三维力传感器，该传感器所能检测范围太小，不能满足多种载荷下的电阻测量。意大利理工学院空间人类机器人中心研究团队提出一种基于压阻传感材料的具有鲁棒性的柔性触觉传感器。他们将量子隧道复合材料(QTC)与信号采集装置集成在一起，实现机械压力的监测和可视化应用。但该传感器制作成本较高，数据的处理难度较大。

因此，为解决上述问题，确有必要提供一种创新的碳纤维柔性压力分布传感装置及其测力方法，以克服现有技术中的所述缺陷。

【发明内容】

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种碳纤维柔性压力分布传感装置，其基于碳纤维阵列柔性复合材料，成本较低，可以用来检测不同受力大小下的电阻变化情况，且数据的采集与处理相对简化。

本发明的第二目的在于提供一种碳纤维柔性压力分布传感装置的测力方法。

为实现上述第一目的，本发明采取的技术方案为：一种碳纤维柔性压力分布传感装置，其包括压力敏感阵列传感器和多路数据处理模块；其中，所述压力敏感阵列传感器包括碳纤维阵列和基体聚合物；所述碳纤维阵列包括作为敏感单元的经向碳纤维和纬向碳纤维，二者通过平铺的方式将纬向碳纤维平铺在经向碳纤维的上方或下方，以此形成在空间上相互垂直的结构；所述弹性基体聚合物以注塑方式包覆在碳纤维表面，弹性基体聚合物固化在碳纤维上形成具有弹性的柔性复合材料层；各经向碳纤维和纬向碳纤维通过导线连接至多路数据处理模块。

本发明的碳纤维柔性压力分布传感装置还可为：所述压力敏感阵列传感器具有上层柔性复合材料层和下层柔性复合材料层；上层柔性复合材料层中具有6条上层经向碳纤维和6条上层纬向碳纤维，共有36个交叉点；下层柔性复合材料层中具有3条下层经向碳纤维和3条下层纬向碳纤维，共有9个交叉点。

为实现上述第二目的，本发明采取的技术方案为：一种碳纤维柔性压力分布传感装置的测力方法，其包括如下工艺步骤：

1)，把纬向碳纤维以平铺的方式放在经向碳纤维上方或下方，且经纬两方向的碳纤维具有一定的高度差，以此实现经向与纬向碳纤维的空间垂直结构；

2)，以注塑的方式将弹性基体聚合物浇注在碳纤维表面，在空气中固化以后形成所需要的一种基于碳纤维阵列柔性复合材料；

3)，在受到外界载荷作用下，经纬两方向的碳纤维在交叉点处的距离会缩小，根据柔性复合材料的压阻效应，在交叉点处的电阻也会相应变化；

4)，将每个交叉点出的电阻变化用多路数据处理模块进行采集与处理，并转换成数字信号输出；

5)，最后通过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，即可得到外界载荷的大小与位置等信息

6)，再将多路数据处理模块通过数据线与相关设备连接，以此实现数据的交换与可视化功能。

本发明的碳纤维柔性压力分布传感装置的测力方法进一步为：所述步骤2)中，每一束碳纤维都由若干根碳纤维丝拧结而成，做成麻花状。

本发明的碳纤维柔性压力分布传感装置的测力方法进一步为：所述步骤2)中，弹性基体聚合物的硬度能根据需要调整其弹性模量；由多层不同弹性模量的柔性复合材料叠加在一起，能同时采集多个不同受力范围内碳纤维交叉点处的电阻变化。

本发明的碳纤维柔性压力分布传感装置的测力方法还可为：所述步骤3)具体为：当有外力作用在压力敏感传感器表面上时，该传感器的弹性基体聚合物受力发生形变，处于其内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，使得等效电阻随着外力大小产生相应的变化。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.本发明的碳纤维柔性压力分布传感装置通过经纬碳纤维交叉点处的阻值发生变化，这一变化电阻值由多路数据处理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界压力分布信息，从而用来检测不同受力大小下的电阻变化情况，且数据的采集与处理相对简化。

2.本发明的碳纤维柔性压力分布传感装置可适用于各种复杂曲面上；比起单层结构可承受更大的外界载荷以及更精确的测量结果，因此适用的工作环境更多。

【附图说明】

图1是本发明的碳纤维柔性压力分布传感装置的示意图。

图2是图1中的压力敏感阵列传感器的侧视图。

图3是本发明的碳纤维柔性压力分布传感装置的工作流程图。

【具体实施方式】

请参阅说明书附图1和附图2所示，本发明为一种碳纤维柔性压力分布传感装置，其由压力敏感阵列传感器和多路数据处理模块等几部分组成。

其中，所述压力敏感阵列传感器具有一定的柔韧性，可适用于各种复杂曲面上，其由碳纤维阵列和基体聚合物组成。所述碳纤维阵列包括作为敏感单元的经向碳纤维1、5和纬向碳纤维2、6，二者通过平铺的方式将纬向碳纤维2、6平铺在经向碳纤维1、5的上方或下方，以此形成在空间上相互垂直的结构。当有外力作用在压力敏感传感器表面上时，该传感器受力发生形变，处于其内的碳纤维阵列随之变形，其中的经向碳纤维1、5与纬向碳纤维2、6在交叉点处相互靠近，使得等效电阻随着外力大小产生相应的变化，这个变化传输到多路数据处理模块进行数据的处理，于是可以得到每个交叉点处受力前后的电阻变化。

所述弹性基体聚合物(具体可以为弹性树脂)以注塑方式包覆在碳纤维表面，弹性基体聚合物固化在碳纤维上形成具有弹性的柔性复合材料层3、4。弹性基体聚合物能根据需要调整其弹性模量；由多层不同弹性模量的柔性复合材料叠加在一起，能同时采集多个不同受力范围内碳纤维交叉点处的电阻变化。压力分布传感装置的测量范围由基体聚合物的硬度调控：通过调节弹性聚合物的弹性模量来达到调控复合材料柔度的作用。

各经向碳纤维1、5和纬向碳纤维2、6通过导线连接至多路数据处理模块，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，以测量经纬碳纤维形成的交叉点阵列的电阻值。其中，每一束碳纤维都由若干根碳纤维丝拧结而成，做成麻花状，此结构的好处在于：①有效防止因浇注柔性复合材料时防止碳纤维束散开，从而影响到电阻测量的正确性；②拧紧后的碳纤维束具有更大的横截面积和更好的导电性，从而提高测量电阻的精确性。而且经向碳纤维通过平铺方式铺在纬向碳纤维上方(或下方)形成碳纤维阵列，这样可以很好的避免碳纤维因编织而受力弯曲，从而影响到电阻测量的准确性。

在本实施方式中，所述压力敏感阵列传感器具有上层柔性复合材料层3和下层柔性复合材料层4，当然也可以根据需要设置多层。多层不同弹性模量的柔性复合材料层叠加在一起，可以同时采集多个不同受力范围内碳纤维交叉点处的电阻变化。采用将弹性模量不同的柔性复合材料叠加在一起，制成一个具有双层结构的压力敏感阵列传感装置，并对此装置施加外界载荷，其作用在于：在同一外界载荷作用下，较软的一层复合材料具有检测范围小，检测精度高等特点；较硬的一层复合材料具有检测范围大，但检测精度较低等特点。两层叠加在一起，同时测量可以很好的起到优势互补的作用。

具体的说，上层柔性复合材料层3中具有6条上层经向碳纤维1和6条上层纬向碳纤维2，共有36个交叉点；下层柔性复合材料层4中具有3条下层经向碳纤维5和3条下层纬向碳纤维6，共有9个交叉点。由于上层材料交叉越密集，柔度较高，可测量范围小，用于低量程高精度的测量；反之，下层复合材料只有9个交叉点且柔度较低，可用于大量程低精度的测量。

在碳纤维阵列中，又可以通过调节纬向碳纤维2、6与经向碳纤维1、5的高度差来控制交叉点处的等效电阻的阻值大小。其作用在于：通过提高交叉点处的阻值可以获得更大的外界载荷测量范围。另外，通过调节弹性基底聚合物(3)的弹性模量也可达到调节压力敏感阵列传感装置测量范围的目的。二者之间可以相互作用，共同调节，这样能够极大地提高不同外界载荷下的电阻测量的准确性。

如图2，从压力分布传感装置的侧视图可以看出：同一层的经向碳纤维1、5与纬向碳纤维2、6具有一定的高度差，通过调节这个高度差可以调控交叉点处的等效阻值的大小，从而调控压力分布传感装置的测量范围。调节经纬碳纤维的高度差与调节弹性基底聚合物3、4的弹性模量都可起到调控压力分布传感装置测量范围的作用，二者之间相互作用，相辅相成，共同调节。

如图3所示，采用上述碳纤维柔性压力分布传感装置的测力方法，其包括如下工艺步骤：

1)，把纬向碳纤维2、6以平铺的方式放在经向碳纤维1、5上方或下方，且经纬两方向的碳纤维具有一定的高度差，以此实现经向与纬向碳纤维的空间垂直结构。

2)，以注塑的方式将弹性基体聚合物浇注在碳纤维表面，在空气中固化以后形成所需要的一种基于碳纤维阵列柔性复合材料3、4。

3)，在受到外界载荷作用下，经纬两方向的碳纤维在交叉点处的距离会缩小，根据柔性复合材料的压阻效应，在交叉点处的电阻也会相应变化；当有外力作用在压力敏感传感器表面上时，该传感器的弹性基体聚合物受力发生形变，处于其内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，使得等效电阻随着外力大小产生相应的变化。

4)，将每个交叉点出的电阻变化用多路数据处理模块进行采集与处理，并转换成数字信号输出。其中，电阻值的测量采用恒压测电流的方法；信号处理采用低通滤波。

5)，最后通过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，即可得到外界载荷的大小与位置等信息。

6)，再将多路数据处理模块通过数据线与相关设备连接，以此实现数据的交换与可视化功能。

以上的具体实施方式仅为本创作的较佳实施例，并不用以限制本创作，凡在本创作的精神及原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本创作的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种碳纤维柔性压力分布传感装置的测力方法，其特征在于：其采用一种碳纤维柔性压力分布传感装置，该装置包括压力敏感阵列传感器和多路数据处理模块；其中，所压力敏感阵列传感器包括碳纤维阵列和弹性基体聚合物；所述碳纤维阵列包括作为敏感单元的经向碳纤维和纬向碳纤维，二者通过平铺的方式将纬向碳纤维平铺在经向碳纤维的上方或下方，以此形成在空间上相互垂直的结构；所述弹性基体聚合物以注塑方式包覆在碳纤维表面，弹性基体聚合物固化在碳纤维上形成具有弹性的柔性复合材料层；各经向碳纤维和纬向碳纤维通过导线连接至多路数据处理模块；

所述测力方法包括如下工艺步骤：

1），把纬向碳纤维以平铺的方式放在经向碳纤维上方或下方，且经纬两方向的碳纤维具有一定的高度差，以此实现经向与纬向碳纤维的空间垂直结构；

每一束碳纤维都由若干根碳纤维丝拧结而成，做成麻花状；

2），以注塑的方式将弹性基体聚合物浇注在碳纤维表面，在空气中固化以后形成所需要的一种基于碳纤维阵列柔性复合材料；

弹性基体聚合物的硬度能根据需要调整其弹性模量；由多层不同弹性模量的柔性复合材料叠加在一起，能同时采集多个不同受力范围内碳纤维交叉点处的电阻变化；

3），在受到外界载荷作用下，经纬两方向的碳纤维在交叉点处的距离会缩小，根据柔性复合材料的压阻效应，在交叉点处的电阻也会相应变化；

4），将每个交叉点出的电阻变化用多路数据处理模块进行采集与处理，并转换成数字信号输出；

5），最后通过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，即可得到外界载荷的大小与位置信息；

6），再将多路数据处理模块通过数据线与相关设备连接，以此实现数据的交换与可视化功能。

2.如权利要求1所述的碳纤维柔性压力分布传感装置的测力方法，其特征在于：所述压力敏感阵列传感器具有上层柔性复合材料层和下层柔性复合材料层；上层柔性复合材料层中具有6条上层经向碳纤维和6条上层纬向碳纤维，共有36个交叉点；下层柔性复合材料层中具有3条下层经向碳纤维和3条下层纬向碳纤维，共有9个交叉点。

3.如权利要求1所述的碳纤维柔性压力分布传感装置的测力方法，其特征在于：所述步骤3）具体为：当有外力作用在压力敏感传感器表面上时，该传感器的弹性基体聚合物受力发生形变，处于其内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，使得等效电阻随着外力大小产生相应的变化。