CN109540961A - 测量热学参数的方法、装置及热觉传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种测量热学参数的方法、装置及热觉传感器，其中，该方法包括：获取热觉传感器与待测物体接触时的电压和电流，根据该电压和电流，确定热觉传感器与待测物体接触时的电阻；根据该电阻，以及预先标定得到的热觉传感器电阻与温度的关系，确定热觉传感器与待测物体接触面的实测温度；根据热觉传感器与待测物体接触时温度随时间变化的关系，以及热觉传感器与待测物体接触面的实测温度，得到待测物体的热学参数；所述温度随时间变化的关系通过一个传热模型求得。上述技术方案实现了定量测量被接触物体的热学参数。
Description
技术领域
本发明涉及热学参数测量技术领域，特别涉及一种测量热学参数的方法、装置及热觉传感器。
背景技术
随着微型计算机与物联网技术的发展以及工业4.0的实施，传感器作为物联网感知信号的基础，其越来越得到重视与发展。
触觉传感器模仿人体皮肤复杂的传感系统，可以检测许多重要的信号比如压力、温度、纹理、振动等等，其中热觉传感器是其中的重要组成部分，通过传感器和物体的接触得到信息，主要用于以下三个方面：得到温度信息，例如电子皮肤测温用于健康监测、机器人感知环境温度等；通过温度信息获取其他信息，例如血液流速/风速测量、进行材料的定性识别；触觉再现与远程触觉，例如模拟触摸到给定物体的热触觉。
目前大部分热学参数的测量方法只能实现定性测量，无法对所接触材料热学参数的进行定量测量。
发明内容
本发明实施例提供了一种测量热学参数的方法，用以定量测量被接触物体的热学参数，该方法包括：
获取热觉传感器与待测物体接触时的电压和电流，根据所述电压和电流，确定热觉传感器与待测物体接触时的电阻；
根据热觉传感器与待测物体接触时的电阻，以及预先标定得到的热觉传感器电阻与温度的关系，确定热觉传感器与待测物体接触面实测温度；
根据热觉传感器与待测物体接触时温度随时间变化的关系，以及所述热觉传感器与待测物体接触面实测温度，得到待测物体的热学参数；所述温度随时间变化的关系通过一个传热模型求得；
其中，所述传热模型描述应用热觉传感器的设备、热觉传感器和待测物体的一维传热问题；所述应用热觉传感器的设备、热觉传感器和待测物体的起始温度相同，应用热觉传感器的设备和热觉传感器之间的接触热阻为零，热觉传感器和待测物体之间存在一个不为零的接触热阻，热觉传感器内部存在一个内热源。
本发明实施例还提供了一种测量热学参数的装置，用以定量测量被接触物体的热学参数，该装置包括：
电阻确定单元，用于获取热觉传感器与待测物体接触时的电压和电流，根据所述电压和电流，确定热觉传感器与待测物体接触时的电阻；
温度确定单元，用于根据热觉传感器与待测物体接触时的电阻，以及预先标定得到的热觉传感器电阻与温度的关系，确定热觉传感器与待测物体接触面实测温度；
热学参数确定单元，用于根据热觉传感器与待测物体接触时温度随时间变化的关系，以及所述热觉传感器与待测物体接触面实测温度，得到待测物体的热学参数；所述温度随时间变化的关系通过一个传热模型求得；
其中，所述传热模型描述应用热觉传感器的设备、热觉传感器和待测物体的一维传热问题；所述应用热觉传感器的设备、热觉传感器和待测物体的起始温度相同，应用热觉传感器的设备和热觉传感器之间的接触热阻为零，热觉传感器和待测物体之间存在一个不为零的接触热阻，热觉传感器内部存在一个内热源。
本发明实施例还提供了一种热觉传感器，用以定量测量被接触物体的温度，该热觉传感器包括：
基底；
温度敏感层，温度敏感层的第一表面附着在所述基底上，用于获得与待测物体接触时的电阻；所述电阻用于确定待测物体的实测温度，电阻根据与待测物体接触时的电压和电流确定；
绝缘保护层，绝缘保护层的第一表面附着在所述温度敏感层的背向基底的第二表面上。
本发明实施例还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述测量热学参数的方法。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行测量热学参数的方法的计算机程序。
本发明实施例提供的技术方案达到的有益技术效果是：
首先，本发明实施例提供的热觉传感器能将外界温度信息转化为与待测物体接触时的电阻，电阻根据与待测物体接触时的电压和电流确定，该电阻用于确定热觉传感器与待测物体接触面实测温度，从而实现了定量测量被接触物体的温度，并且利用电压和电流电信号的变化来感知外界温度的变化，测量精度高，进而根据该热觉传感器测量的精确温度，确定的热学参数精度也高。
其次，获取热觉传感器与待测物体接触时的电压和电流，根据该电压和电流，确定热觉传感器与待测物体接触时的电阻；根据该电阻，以及预先标定得到的热觉传感器电阻与温度的关系，确定热觉传感器与待测物体接触面实测温度；根据热觉传感器与待测物体接触时温度随时间变化的关系，以及所述热觉传感器与待测物体接触面实测温度，得到待测物体的热学参数，实现了定量测量被接触物体的热学参数，提高了热学参数测量的精确度。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：
图1是本发明实施例中测量应用场景示意图；
图2是本发明实施例中测量热学参数的方法的流程示意图；
图3是本发明实施例中测量热学参数的方法所用传热模型示意图；
图4是本发明实施例中获取与待测物体接触时的电压和电流的原理示意图；
图5是本发明实施例中热觉传感器的主视结构示意图；
图6是本发明实施例中预先标定得到的热觉传感器电阻与温度的关系示意图；
图7是本发明实施例中涉及的现有拟合方法原理示意图；
图8是本发明实施例中采用拟合方法的原理示意图；
图9是本发明实施例中测量热学参数的装置的结构示意图；
图10是本发明实施例中热觉传感器的立体分解结构示意图；
图11是本发明实施例中温度敏感层局部结构放大示意图；
图12是本发明实施例中热觉传感器的制作方法的流程示意图；
图13是本发明又一实施例中热觉传感器的制作方法的流程示意图；
图14是图13中热觉传感器的制作方法的原理示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
发明人发现：目前大部分利用热觉传感器测量被接触物体热学参数的方案均只能实现定性测量，没有进行理论模型的建立和计算，无法对所接触材料热学参数进行定量测量。
因此，考虑到上述技术问题，发明人提出了一种测量热学参数的方法、装置及热觉传感器。该方案实现了定量测量被接触物体的热学参数，可以用于机器人灵巧手、智能义肢等需要热觉感知的场合。下面首先对该方案的应用场景进行介绍。
如图1所示，热觉传感器2贴合在机器人手指(应用热觉传感器的设备)3上，与待测物体1(被接触物体)接触，获取被接触物体温度。
下面对该方案进行详细介绍如下。
图2是本发明实施例中测量热学参数的方法的流程示意图，如图2所示，该方法包括如下步骤：
步骤101：获取热觉传感器与待测物体接触时的电压和电流，根据所述电压和电流，确定热觉传感器与待测物体接触时的电阻；
步骤102：根据热觉传感器与待测物体接触时的电阻，以及预先标定得到的热觉传感器电阻与温度的关系，确定热觉传感器与待测物体接触面实测温度；
步骤103：根据热觉传感器与待测物体接触时温度随时间变化的关系，以及所述热觉传感器与待测物体接触面实测温度，得到待测物体的热学参数；所述温度随时间变化的关系通过一个传热模型求得；
其中，如图3所示，所述传热模型描述应用热觉传感器的设备、热觉传感器和待测物体的一维传热问题；所述应用热觉传感器的设备、热觉传感器和待测物体的起始温度相同，应用热觉传感器的设备和热觉传感器之间的接触热阻为零，热觉传感器和待测物体之间存在一个不为零的接触热阻，应用热觉传感器的设备和待测物体被视为半无限大物体，热觉传感器内部存在一个内热源。
本发明实施例提供的技术方案达到的有益技术效果是：
首先，本发明实施例提供的热觉传感器能将外界温度信息转化为与待测物体接触时的电阻，电阻根据与待测物体接触时的电压和电流确定，该电阻用于确定热觉传感器与待测物体接触面实测温度，从而实现了定量测量被接触物体的温度，并且利用电压和电流电信号的变化来感知外界温度的变化，测量精度高，进而根据该热觉传感器测量的精确温度，确定的热学参数精度也高。
其次，获取热觉传感器与待测物体接触时的电压和电流，根据该电压和电流，确定热觉传感器与待测物体接触时的电阻；根据该电阻，以及预先标定得到的热觉传感器电阻与温度的关系，确定热觉传感器与待测物体接触面实测温度；根据热觉传感器与待测物体接触时温度随时间变化的关系，以及所述热觉传感器与待测物体接触面实测温度，得到待测物体的热学参数，实现了定量测量被接触物体的热学参数，提高了热学参数测量的精确度。
下面对上述各个步骤进行详细介绍如下。
第一，介绍上述步骤101。
在上述步骤101中，获取热觉传感器与待测物体接触时的电压和电流可以根据如图4所示原理实现。如图4所示，传感器就相当于一个电阻R，一共有4根引线，两根用来通电流，另外两根用来测电压，电压除以电流就得到电阻值，示例如下表1所示。
表1
在一个实施例中，如图5所示，上述热觉传感器可以包括：
基底4；
温度敏感层5，温度敏感层的第一表面附着在所述基底上，用于获得与待测物体接触时的电阻；所述电阻用于确定待测物体的实测温度，电阻根据与待测物体接触时的电压和电流确定；
绝缘保护层6，绝缘保护层的第一表面附着在所述温度敏感层的背向基底的第二表面上。
具体实施时，本发明实施例提供的热觉传感器能将外界温度信息转化为与待测物体接触时的电阻，电阻根据与待测物体接触时的电压和电流确定，该电阻用于确定待测物体的实测温度，从而实现了定量测量被接触物体的温度，并且利用电压和电流电信号的变化来感知外界温度的变化，测量精度高。由于该热觉传感器可以定量测量待测物体的温度，进而利用该精确的温度确定后续的热学参数也精确。该热觉传感器的详细结构介绍详见下述实施例的关于热觉传感器的详细描述。
第二，介绍上述步骤102。
具体实施时，预先存储的热觉传感器电阻与温度的关系可以是如图6所示的：热觉传感器电阻与温度的曲线图，当然该关系还可以是表格等。热觉传感器两端的电压，以及通过热觉传感器的电流，可以传输至一个其他设备，该其他设备可以将热觉传感器两端的电压除以通过热觉传感器的电流，得到热觉传感器的实测电阻，该其他设备和可以根据热觉传感器的实测电阻，在预先标定得到的热觉传感器电阻与温度的关系中查找到热觉传感器的实测电阻对应的热觉传感器与待测物体接触面实测温度。具体地，上述其他设备可以是单片机或PLC控制器等，另外上述查找的过程也可以通过现有的软件程序实现。
具体实施例时，上述半无限大的含义：物体厚度有限而长宽无限，即只考虑图3中x轴方向的传热，不考虑热量在水平方向的扩散。热觉传感器和待测物体之间存在的接触热阻为不为零的接触热阻。
第三，介绍上述步骤103。
在一个实施例中，所述热学参数可以包括：热导率和热扩散率。
具体实施时，所述热学参数还可以包括：接触热阻。
在一个实施例中，所述传热模型的传热方程可以为：
所述传热方程的起始条件可以为：
T3(x,0)＝T0； (4)
T2(x,0)＝T0； (5)
T1(x,0)＝T0； (6)
所述传热方程的边界条件可以为：
T3(L1,t)＝T2(L1,t)； (8)
T1(x,t)|x＝-∞＝T0＝T3(x,t)|x＝∞； (10)
所述传热方程经过拉氏变换后存在的通解：
其中，
由所述边界条件可得：A1＝B3＝0；
对所述边界条件作拉式变换，再将所述通解带入下述公式进行求解，得到A2和B2：
将A2和B2带入公式中，求得如下热觉传感器与待测物体接触时温度随时间变化的函数：
V＝[0.0833333333-32.08333333 1279.000076-15623.66689 84244.16946-236957.5129 375911.6923-340071.6923 164062.5128-32812.50256]；
所述温度随时间变化的函数为温度随时间变化的关系；
其中，T0为系统起始温度，T1为待测物体材料温度，T2为热觉传感器的温度，T3为应用热觉传感器设备的温度，x为坐标位置，t为时间，α1为待测物体材料热扩散率，α2为热觉传感器热扩散率，α3为应用热觉传感器设备的热扩散率，k1为待测物体材料热导率，k2为热觉传感器热导率，k3为应用热觉传感器设备的热导率，qv为热觉传感器内存在的一个内热源，L1为热觉传感器的厚度，θ1为T1经过拉式变换后的值，θ2为T2经过拉式变换后的值，θ3为T3经过拉式变换后的值，A1，A2，A3，B1，B2和B3为通解中待求的未知数，s为复变量，p1，p2和p3为中间变量，e为自然常数，Rj为热觉传感器与待测物体之间的接触热阻。
求解方程(14)-(16)即可求得A2、B2，代入(12)，并对(12)进行拉式逆变换即得到热觉传感器的温度场分布T2(x,t)。
具体实施时，T2(x,t)即为热觉传感器在x平面t时刻的温度，热觉传感器中温度敏感层的位置是固定的，那么求出T2(x,t)后，将坐标位置x带入公式(因为实测的是温度敏感层的温度，基底厚度是100微米)，即可求得温度随时间变化的函数，如上述公式(17)所示，即理论曲线，然后根据该理论曲线，及传感器测量得到的不同时刻的实际温度值，用最小二乘法拟合即可求出待测物体热导率和热扩散率。
具体实施时，θ2是T2经过拉式变换的结果(值)，θ2的通解中有两个未知数A2和B2，那么只要求出θ2，再经过拉式反变换就可以求出T2；再看公式(14)-(16)，其实是4个等式(16是两个)，公式未知数一共有4个，A2、B2、A3和B1，那么4个未知数4个方程就解出了A2和B2，即求出了θ2。
具体实施时，采用数值方法对上述公式(12)进行拉式逆变换，解出传感器温度分布T2(x,t)选用Stehfest方法(N＝10)进行求解得到上述公式(17)。
具体实施时，传热模型计算出的温度随时间变化的曲线随接触材料热导率变化的幅度较大，因此热觉传感器测得的温度变化曲线(根据多个实测温度点得到)的误差对接触材料热导率精度的影响较小，拟合得到的接触物体的热导率值精度高。测量方法所用传热模型设定的初始条件和边界条件与实际测量情景很接近，通过该传热模型测量出的接触物体热导率(热学参数)精度高。
在一个实施例中，根据热觉传感器与待测物体接触时温度随时间变化的关系，以及所述热觉传感器与待测物体接触面实测温度，可以包括：
利用所述温度随时间变化的关系和所述热觉传感器与待测物体接触面实测温度，通过最小二乘法拟合得到待测物体的热学参数。
具体实施时，用上述热觉传感器即可求得热觉传感器与接触物体接触面的温度变化曲线(根据多个实测温度得到)，再根据传热模型求得的温度随时间变化函数，利用最小二乘法进行拟合即可得到接触物体的热导率和热扩散率。
下面结合图7和图8详细介绍拟合得到接触物体的热导率和热扩散率的详细过程。
如图7所示，现有拟合热导率和热扩散率的方法可以为：图中的多个数据点的就是测量得到的温度点(实测温度)；两条线就是拟合出来的温度随时间变化的函数曲线(理论曲线)，α就是拟合出来的热扩散率，k就是拟合出来的热导率。
类似地，本发明实施例中拟合获的热扩散率和热导率的原理示意图如图8所示，在图8中的数据点是传感器电阻随时间变化的数据点，先用图6中的标定公式计算出每个数据点电阻对应的温度，得到传感器温度随时间变化的数据点，跟上述方法类似，用这些温度数据点，用最小二乘法拟合k：拟合出来的热导率，α：拟合出来的热扩散率，理论模型不同，拟合的原理是一样的；具体实现是在matlab里面，把这个模型建立起来，再用matlab里的拟合函数来算。
基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种测量热学参数的装置，如下面的实施例。由于测量热学参数的装置解决问题的原理与上述测量热学参数的方法相似，因此测量热学参数的装置的实施可以参考上述测量热学参数的方法的实施，重复之处不再赘述。以下所使用的，术语“单元”或者“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。
图9是本发明实施例中测量热学参数的装置的结构示意图，如图9所示，该装置包括：
电阻确定单元02，用于获取热觉传感器与待测物体接触时的电压和电流，根据所述电压和电流，确定热觉传感器与待测物体接触时的电阻；
温度确定单元04，用于根据热觉传感器与待测物体接触时的电阻，以及预先标定得到的热觉传感器电阻与温度的关系，确定热觉传感器与待测物体接触面实测温度；
热学参数确定单元06，用于根据热觉传感器与待测物体接触时温度随时间变化的关系，以及所述热觉传感器与待测物体接触面实测温度，得到待测物体的热学参数；所述温度随时间变化的关系通过一个传热模型求得；
其中，所述传热模型描述应用热觉传感器的设备、热觉传感器和待测物体的一维传热问题；所述应用热觉传感器的设备、热觉传感器和待测物体的起始温度相同，应用热觉传感器的设备和热觉传感器之间的接触热阻为零，热觉传感器和待测物体之间存在一个不为零的接触热阻，热觉传感器内部存在一个内热源。
在一个实施例中，所述热学参数确定单元06具体用于：利用所述温度随时间变化的关系和所述热觉传感器与待测物体接触面的实测温度，通过最小二乘法拟合得到待测物体的热学参数。
下面针对上述实施例提到的热觉传感器进行详细介绍。
基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种热觉传感器，如下面的实施例。由于热觉传感器解决问题的原理与测量热学参数的方法相似，因此热觉传感器的实施可以参考上述测量热学参数的方法的实施，重复之处不再赘述。以下所使用的，术语“单元”或者“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。
如图5所示，该热觉传感器包括：
基底4；
温度敏感层5，温度敏感层的第一表面附着在所述基底上，用于获得与待测物体接触时的电阻；所述电阻用于确定待测物体的实测温度，电阻根据与待测物体接触时的电压和电流确定；
绝缘保护层6，绝缘保护层的第一表面附着在所述温度敏感层的背向基底的第二表面上。
本发明实施例提供的热觉传感器能将外界温度信息转化为与待测物体接触时的电阻，该电阻根据与待测物体接触时的电压和电流确定，该电阻用于确定待测物体的实测温度，从而实现了定量测量被接触物体的温度，并且利用电压和电流电信号的变化来感知外界温度的变化，具有测量精度高的优点。
具体实施时，该热觉传感器与待测物体接触时，通过测量温度敏感层两端的电压和通过温度敏感层的电流，即可获得与待测物体接触时的电压和电流，电压和电流可以传输给一个其他设备，该其他设备将电压除以电流得到的电阻大小即为与待测物体接触时的电阻，该其他设备将该电阻到预先标定得到的一个电阻与温度的关系中进行查找，找到对应的温度，即为所述热觉传感器与待测物体接触面实测温度。其中，上述预先标定得到的一个电阻与温度的关系(详见上述实施例的介绍)可以是表格形式或是图表形式等等。上述其他设备可以是单片机或PLC控制器等，另外上述查找的过程也可以通过现有的软件程序实现。
在一个实施例中，所述温度敏感层可以包括：金属结构和引线电极，其中，如图10和图11所示，所述引线电极可以包括：
第一引线52，第一引线52的第一端与金属结构51的第一端连接，第一引线52的第二端与外部电压表的第一端连接；
第二引线55，第二引线55的第一端与金属结构51的第二端连接，第二引线55的第二端与外部电压表的第二端连接；所述外部电压表测量的电压大小为金属结构两端的电压大小；
第三引线53，第三引线53的第一端与金属结构51的第一端连接，第三引线53的第二端与外部电流表的第一端连接；
第四引线54，第四引线54的第一端与金属结构51的第二端连接，第四引线54的第二端与外部电流表的第二端连接；所述外部电流表测量的电流大小为通过金属结构的电流大小。
具体实施时，温度敏感层采用金属结构的优点是：金属的电阻随温度变化线性度很高，用这样的方法测量温度精度高，可以较精确测量待测物体的温度。
具体实施时，上述四线方法测量的方案，两根线通电流，另外两根线用来测电压，这样的方法可以避免引线电阻对电阻测量的影响，提高了热觉传感器的测量精度。
在一个实施例中，如图11所示，所述金属结构为蛇形金属结构，即迂回曲折结构。
具体实施时，蛇形结构的优点是：在同样的面积上增大了电阻的长度，电阻阻值增大，传感器灵敏度高，提高了热觉传感器的测量精度。
在一个实施例中，所述蛇形金属结构的与迂回方向切线垂直的宽度取值范围为10-100μm。
具体实施时，如图10和图11所示，蛇形金属结构的与迂回方向是沿着热觉传感器的长度方向设置，宽度方向是指与迂回方向切线垂直的方向。这个宽度越小，相同面积下电阻越大，热觉传感器灵敏度越高，目前用物理掩模蒸镀制作的蛇形结构，宽度可以是95-105微米，用光刻刻蚀的方法宽度10-100微米，可以做到10微米。
在一个实施例中，所述蛇形金属结构的与迂回方向切线垂直的宽度取值为100微米。
具体实施时，经过发明人的大量实验，证明100微米的取值，可以保证热觉传感器灵敏度以及热觉传感器的体积合理性。
具体实施时，热觉传感器长度可以为2cm(蛇形区域和引线加起来的长度)，金属线线宽可以为100微米，蛇形金属结构区域可以为3100x3100微米，敏感区即为图10中蛇形金属结构。这样的热觉传感器结构易于实现阵列化：用同样的工艺可以一次性做出很多传感器，排成一个阵列，同时，这样的热觉传感器结构成本低：工艺流程少，制造简单。
在一个实施例中，如图10所示，所述绝缘保护层可以包括：
第一孔62，用于暴露所述第一引线52与外部电压表的第一端连接；
第二孔65，用于暴露所述第二引线55与外部电压表的第二端连接；
第三孔63，用于暴露所述第三引线53与外部电流表的第一端连接；
第四孔64，用于暴露所述第四引线54与外部电流表的第二端连接。
具体实施时，通过上述四个孔暴露四线的方法，两根线通电流，另外两根线用来测电压，这样的方法可以避免引线电阻对电阻测量的影响，提高了热觉传感器的测量精度。
经过大量的实验证明，发明人提出了如下热觉传感器各个层的优选方案。
在一个实施例中，所述基底为聚酰亚胺PI制基底，所述PI制基底的第一表面用于与应用热觉传感器的设备连接；所述温度敏感层包括：粘附在基底上的铬Cr层以及附着在Cr层上的金Au层，所述Cr层的第一表面粘附在所述基底的背向应用热觉传感器的设备的第二表面上，所述Au层的第一表面粘附在Cr层的背向基底的第二表面上，所述Au层的第二表面附着在绝缘保护层的第一表面；所述绝缘保护层为聚二甲基硅氧烷PDMS制绝缘保护层，所述PDMS制绝缘保护层的背向所述Au层的第二表面用于接触待测物体。
具体实施时，基底采用聚酰亚胺PI制基底的优点是：聚酰亚胺PI制基底热导率较低，有一定厚度可以让热量从温度敏感层传递到机器人手指(应用热觉传感器的设备)变得很慢，保证温度敏感层的温度和待测材料基本一致，提高测量待测物体的温度的精度。
具体实施时，温度敏感层采用金Au和铬Cr的优点是：Au的电阻随温度变化线性度非常高，温度测量精度高，同时使用Cr作为粘附层，提高了热觉传感器的质量，如若直接沉积Au，Au容易从基底上脱落。
具体实施时，PDMS制绝缘保护层的优点是：绝缘性好、无毒、柔性好，工艺制作简单，提高了热觉传感器的安全性，质量及降低成本。
在一个实施例中，所述PI制基底的厚度取值范围为90μm至110μm，所述Au层的厚度取值范围为80nm至100nm，所述Cr层的厚度取值范围为8nm至12nm，所述PDMS制绝缘保护层厚度的取值范围为4μm至6μm。
具体实施时，PI制基底的厚度取值范围为90μm至110μm的优点是：使得传感器有一定强度，太薄的话传感器很容易损坏，PI的热导率较低，取值范围为90μm至110μm的厚度可以让热量从温度敏感层传递到机器人手指变得很慢，保证温度敏感层的温度和待测材料基本一致，提高了测量精度。
具体实施时，所述Au层的厚度取值范围为80nm至100nm，所述Cr层的厚度取值范围为8nm至12nm的优点是：温度敏感层厚度小，热容小，与待测材料接触可以使敏感层和待测材料的温度基本一致，提高了灵敏度。
具体实施时，PDMS的厚度取值范围4μm至6μm的优点是：厚度小，待测材料温度很快就传递到温度敏感层，传感器测量温度响应快，提高了热觉传感器的测量效率。
在一个实施例中，所述PI制基底的厚度取值为100μm。
具体实施时，PI制基底的厚度取值为100μm的优点是：使得传感器有一定强度，太薄的话传感器很容易损坏，PI的热导率较低，取值为100μm的厚度可以让热量从温度敏感层传递到机器人手指变得很慢，保证温度敏感层的温度和待测材料基本一致，进一步地提高了测量精度。
在一个实施例中，所述Au层的厚度取值为100nm，所述Cr层的厚度取值为10nm，所述PDMS制绝缘保护层厚度的取值为5μm。
具体实施时，所述Au层的厚度取值范围为100nm，所述Cr层的厚度取值范围为10nm的优点是：温度敏感层厚度小，热容小，与待测材料接触可以使敏感层和待测材料的温度基本一致，进一步地提高了测量精度。
具体实施时，PDMS的厚度为5μm的优点是：厚度小，待测材料温度很快就传递到温度敏感层，传感器测量温度响应快，提高了热觉传感器的灵敏度。
通过本发明实施例提供的热觉传感器测量得到的被接触物体的温度，精度高，可以用于后续热学参数(热导率和热扩散率)的测量，测量精度也高。
具体实施时，本发明的热觉传感器能够将外界温度转化为电信号以此精确地感知外界温度，并后续结合传热模型拟合得到接触物体的热导率和热扩散率，具有精度高、易于微型化、阵列化以及成本低等优点。
在一个实施例中，所述基底为聚酰亚胺PI制基底；所述温度敏感层为铂Pt或金Au制温度敏感层；所述绝缘保护层为聚二甲基硅氧烷PDMS或聚对二甲苯Parylene制绝缘保护层，该结构的优点是提高了热觉传感器的测量精度。
通过发明人的大量实验表明，如下表2所示，该热觉传感器的有益技术效果：测量精度得到了有效地提高，测试验证精度在0.1摄氏度以内。
表2
基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种热觉传感器的制作方法，如下面的实施例。由于热觉传感器的制作方法解决问题的原理与热觉传感器相似，因此热觉传感器的制作方法的实施可以参考上述热觉传感器的实施，重复之处不再赘述。以下所使用的，术语“模块”或者“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。
图12是本发明实施例中热觉传感器的制作方法的流程示意图，如图12所示，该制作方法包括如下步骤：
步骤201：将第一预设厚度的基底薄膜置于乙醇中，利用超声清洗第一预设时长，并用氮气吹干作为基底；
步骤202：用物理掩模覆盖在所述基底上进行蒸镀，形成温度敏感层；
步骤203：在温度敏感层的表面旋涂PDMS并在预设温度环境下烘烤第二预设时长，形成绝缘保护层；
步骤204：干法刻蚀PDMS，使温度敏感层电极暴露在外，所述温度敏感层电极用各向异性导电膜与外部柔性电路板连接。
具体实施时，上述步骤202实施包括两种方法，实例中敏感层线宽100微米，可以用物理掩膜做；敏感层线宽小于等于80微米时，物理掩膜很难达到如此小的线宽，可以包括的步骤是：
(1)在基底上依次蒸镀Cr和Au；
(2)在Au表面旋涂光刻胶；
(3)用掩膜覆盖在上面，进行光刻；
(4)用刻蚀剂做刻蚀，形成温度敏感层。
在一个实施例中，如图13和图14所示，将第一预设厚度的基底薄膜置于乙醇中，利用超声清洗第一预设时长，并用氮气吹干作为基底，包括：将100μm厚的聚酰亚胺PI薄膜置于乙醇中超声清洗10分钟并用氮气吹干作为基底；
用物理掩模覆盖在所述基底上进行蒸镀，形成温度敏感层，包括：用物理掩模覆盖在PI薄膜上，依次蒸镀10nm厚的Cr和100nm厚的Au，实现温度敏感层的图形化；
在温度敏感层的表面旋涂PDMS并在预设温度环境下烘烤第二预设时长，形成绝缘保护层，包括：在温度敏感层的蒸镀有Cr和Au的表面旋涂PDMS，并在80℃环境下烘烤3小时，形成绝缘保护层。
具体实施时，如图13和图14所示，该制作方法可以包括如下步骤：
S1：100μm厚PI薄膜置于乙醇中超声清洗10min并用氮气吹干作为基底1；
S2：用物理掩模覆盖在PI薄膜上，依次蒸镀10nm厚的Cr和100nm厚的Au，实现温度敏感层5的图形化；
S3：在上述结构表面旋涂PDMS(PMDS与固化剂质量配比可以为10：1)，转速6000r/min，并在80℃环境下烘烤3h，形成绝缘保护层6；
S4：干法刻蚀PDMS，使温度敏感层电极pad暴露在外，用各向异性导电膜与外部柔性电路板连接，完成传感器制作。
具体实施时，温度敏感层的图形化还可以使用直接蒸镀一整层金属层、图形化光刻胶、湿法刻蚀金属的方法实现。
本发明实施例还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述测量热学参数的方法。
具体实施时，计算机设备可以包括pcb电路板，关于测量热学参数的方法的数据处理程序可以做在该pcb电路板上。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行测量热学参数的方法的计算机程序。
本发明实施提供的技术方案的有益技术效果为：测量方法所用传热模型设定的初始条件与边界条件与实际测量情景很接近，通过该传热模型测量出的接触物体热导率精度较高。该传热模型对不同热导率的材料有较高的分辨率，具体来说，传热模型计算出的温度随时间变化的关系(温度随时间变化的函数)随接触材料热导率变化的幅度较大，因此热觉传感器测得的温度变化曲线(根据多个实测温度点得到)的误差对接触材料热导率精度的影响较小，拟合得到的接触物体的热导率值精度高。本发明的热觉传感器能够将外界温度转化为电信号以此感知外界温度，并结合传热模型拟合得到接触物体的热导率和热扩散率，具有精度高、柔韧性好、易于微型化、阵列化以及成本低等优点。
显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明实施例的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明实施例不限制于任何特定的硬件和软件结合。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (17)
1.一种测量热学参数的方法，其特征在于，包括：
获取热觉传感器与待测物体接触时的电压和电流，根据所述电压和电流，确定热觉传感器与待测物体接触时的电阻；
根据热觉传感器与待测物体接触时的电阻，以及预先标定得到的热觉传感器电阻与温度的关系，确定热觉传感器与待测物体接触面的实测温度；
根据热觉传感器与待测物体接触时温度随时间变化的关系，以及所述热觉传感器与待测物体接触面的实测温度，得到待测物体的热学参数；所述温度随时间变化的关系通过一个传热模型求得；
其中，所述传热模型描述应用热觉传感器的设备、热觉传感器和待测物体的一维传热问题；所述应用热觉传感器的设备、热觉传感器和待测物体的起始温度相同，应用热觉传感器的设备和热觉传感器之间的接触热阻为零，热觉传感器和待测物体之间存在一个不为零的接触热阻，热觉传感器内部存在一个内热源。
2.如权利要求1所述的测量热学参数的方法，其特征在于，所述热学参数包括：热导率和热扩散率。
3.如权利要求1所述的测量热学参数的方法，其特征在于，所述传热模型的传热方程为：
所述传热方程的起始条件为：
T3(x,0)＝T0；
T2(x,0)＝T0；
T1(x,0)＝T0；
所述传热方程的边界条件为：
T3(L1,t)＝T2(L1,t)；
T1(x,t)|x＝-∞＝T0＝T3(x,t)|x＝∞；
所述传热方程经过拉氏变换后存在的通解：
其中，
由所述边界条件可得：A1＝B3＝0；
对所述边界条件作拉式变换，再将所述通解带入下述公式进行求解，得到A2和B2：
将A2和B2带入公式中，求得如下热觉传感器与待测物体接触时温度随时间变化的函数：
V＝[0.0833333333-32.08333333 1279.000076
-15623.66689 84244.16946-236957.5129
375911.6923-340071.6923 164062.5128
-32812.50256]；
所述温度随时间变化的函数为温度随时间变化的关系；
其中，T0为系统起始温度，T1为待测物体材料温度，T2为热觉传感器的温度，T3为应用热觉传感器设备的温度，x为坐标位置，t为时间，α1为待测物体材料热扩散率，α2为热觉传感器热扩散率，α3为应用热觉传感器设备的热扩散率，k1为待测物体材料热导率，k2为热觉传感器热导率，k3为应用热觉传感器设备的热导率，qv为热觉传感器内存在的一个内热源，L1为热觉传感器的厚度，θ1为T1经过拉式变换后的值，θ2为T2经过拉式变换后的值，θ3为T3经过拉式变换后的值，A1，A2，A3，B1，B2和B3为通解中待求的未知数，s为复变量，p1，p2和p3为中间变量，e为自然常数，Rj为热觉传感器与待测物体之间的接触热阻。
4.如权利要求1所述的测量热学参数的方法，其特征在于，根据热觉传感器与待测物体接触时温度随时间变化的关系，以及所述热觉传感器与待测物体接触面的实测温度，包括：
利用所述温度随时间变化的关系和所述热觉传感器与待测物体接触面的实测温度，通过最小二乘法拟合得到待测物体的热学参数。
5.如权利要求1所述的测量热学参数的方法，其特征在于，所述热觉传感器包括：
基底；
温度敏感层，温度敏感层的第一表面附着在所述基底上，用于获得与待测物体接触时的电阻；所述电阻用于确定待测物体的实测温度，电阻根据与待测物体接触时的电压和电流确定；
绝缘保护层，绝缘保护层的第一表面附着在所述温度敏感层的背向基底的第二表面上。
6.一种测量热学参数的装置，其特征在于，包括：
电阻确定单元，用于获取热觉传感器与待测物体接触时的电压和电流，根据所述电压和电流，确定热觉传感器与待测物体接触时的电阻；
温度确定单元，用于根据热觉传感器与待测物体接触时的电阻，以及预先标定得到的热觉传感器电阻与温度的关系，确定热觉传感器与待测物体接触面的实测温度；
热学参数确定单元，用于根据热觉传感器与待测物体接触时温度随时间变化的关系，以及所述热觉传感器与待测物体接触面的实测温度，得到待测物体的热学参数；所述温度随时间变化的关系通过一个传热模型求得；
其中，所述传热模型描述应用热觉传感器的设备、热觉传感器和待测物体的一维传热问题；所述应用热觉传感器的设备、热觉传感器和待测物体的起始温度相同，应用热觉传感器的设备和热觉传感器之间的接触热阻为零，热觉传感器和待测物体之间存在一个不为零的接触热阻，热觉传感器内部存在一个内热源。
7.如权利要求6所述的测量热学参数的装置，其特征在于，所述热学参数确定单元具体用于：利用所述温度随时间变化的关系和所述热觉传感器与待测物体接触面的实测温度，通过最小二乘法拟合得到待测物体的热学参数。
8.一种热觉传感器，其特征在于，包括：
基底；
温度敏感层，温度敏感层的第一表面附着在所述基底上，用于获得与待测物体接触时的电阻；所述电阻用于确定待测物体的实测温度，电阻根据与待测物体接触时的电压和电流确定；
绝缘保护层，绝缘保护层的第一表面附着在所述温度敏感层的背向基底的第二表面上。
9.如权利要求8所述的热觉传感器，其特征在于，所述温度敏感层包括：金属结构和引线电极，其中，所述引线电极包括：
第一引线，第一引线的第一端与金属结构的第一端连接，第一引线的第二端与外部电压表的第一端连接；
第二引线，第二引线的第一端与金属结构的第二端连接，第二引线的第二端与外部电压表的第二端连接；所述外部电压表测量的电压大小为金属结构两端的电压大小；
第三引线，第三引线的第一端与金属结构的第一端连接，第三引线的第二端与外部电流表的第一端连接；
第四引线，第四引线的第一端与金属结构的第二端连接，第四引线的第二端与外部电流表的第二端连接；所述外部电流表测量的电流大小为通过金属结构的电流大小。
10.如权利要求9所述的热觉传感器，其特征在于，所述金属结构为蛇形金属结构。
11.如权利要求10所述的热觉传感器，其特征在于，所述蛇形金属结构的与迂回方向切线垂直的宽度取值范围为10-100μm。
12.如权利要求9所述的热觉传感器，其特征在于，所述绝缘保护层包括：
第一孔，用于暴露所述第一引线与外部电压表的第一端连接；
第二孔，用于暴露所述第二引线与外部电压表的第二端连接；
第三孔，用于暴露所述第三引线与外部电流表的第一端连接；
第四孔，用于暴露所述第四引线与外部电流表的第二端连接。
13.如权利要求8所述的热觉传感器，其特征在于，所述基底为聚酰亚胺PI制基底，所述PI制基底的第一表面用于与应用热觉传感器的设备连接；所述温度敏感层包括：粘附在基底上的铬Cr层以及附着在Cr层上的金Au层，所述Cr层的第一表面粘附在所述基底的背向应用热觉传感器的设备的第二表面上，所述Au层的第一表面粘附在Cr层的背向基底的第二表面上，所述Au层的第二表面附着在绝缘保护层的第一表面；所述绝缘保护层为聚二甲基硅氧烷PDMS制绝缘保护层，所述PDMS制绝缘保护层的背向所述Au层的第二表面用于接触待测物体。
14.如权利要求13所述的热觉传感器，其特征在于，所述PI制基底的厚度取值范围为90μm至110μm，所述Au层的厚度取值范围为80nm至100nm，所述Cr层的厚度取值范围为8nm至12nm，所述PDMS制绝缘保护层厚度的取值范围为4μm至6μm。
15.如权利要求14所述的热觉传感器，其特征在于，所述PI制基底的厚度取值为100μm；所述Au层的厚度取值为100nm，所述Cr层的厚度取值为10nm；所述PDMS制绝缘保护层厚度的取值为5μm。
16.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至5任一所述方法。
17.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有执行权利要求1至5任一所述方法的计算机程序。
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