CN110823419A - 一种多功能柔性阵列传感器的荷载测算方法及系统 - Google Patents

一种多功能柔性阵列传感器的荷载测算方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多功能柔性阵列传感器的荷载测算方法及系统，根据实验所获取的多功能柔性阵列传感器的输入载荷和输出数值的对应关系，构建单一拉伸环境下的拉伸荷载数据模型和/或单一压力荷载环境下的压力荷载数学模型和/或复合荷载环境下的复合荷载数学模型；将所处单一拉伸荷载环境中或单一压力荷载环境中或复合荷载环境中的多功能柔性阵列传感器测得电阻信号和电容信号输入到其所处的荷载环境所对应的拉伸荷载数学模型，求解出多功能柔性阵列传感器所测得的压力荷载和/拉伸荷载数据。相比现有技术而言，能在不同载荷环境中进行同时采集到不同的荷载信号，大大拓展柔性压力传感器应用范围。

Description

一种多功能柔性阵列传感器的荷载测算方法及系统
技术领域
本发明涉及柔性压力传感器的制备领域，尤其涉及多功能柔性阵列传感器的荷载测算方法及系统。
背景技术
电子器件对人类社会向信息化、智能化发展具有重要意义，除了现在大规模应用的小型化、高集成密度和高性能的刚性电子器件，软体电子器件(包括柔性电子器件和可拉伸电子器件)在实现特定功能的同时具有弯曲的能力，而且能够实现拉伸和扭转等特性，使其能够与自然界普遍存在的复杂曲面(如复杂形状的物体、运动的生物体)无缝衔接，有望显著扩展传统刚性电子器件在传感、监测、人机交互等功能方面的能力。
从现有文献报道分析，可拉伸柔性传感器朝着高拉伸率、高灵敏度、多功能、小型化、生物适应性和高可靠性等方向发展，目前的工作主要集中在通过新材料的应用和新结构的设计，实现传感器单一信号采集性能的提升，或者通过多种传感器(包括刚性器件)的平面或立体集成实现多源信号的分别测量与分析(即一种传感器对应一种信号测量)，对于多源信号串扰影响和解耦方法方面的研究相对缺乏，限制了小型化和低成本的多功能可延展柔性传感器件的发展和应用。另外，针对可拉伸柔性传感器在不同服役环境下性能演变和可靠性方面的研究较少，然而器件可靠性研究对于器件能否长期有效服役至关重要，同时也是新型可延展柔性器件走向应用必须面对的关键问题。
因此，如何解决现有的压力传感器不能同时采集压力荷载信号和拉伸荷载信号已成为本领域的技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种多功能柔性阵列传感器的荷载测算方法及系统，通过构建单一拉伸环境下的拉伸荷载数据模型和/或单一压力荷载环境下的压力荷载数学模型和/或复合荷载环境下的复合荷载数学模型；将所处单一拉伸荷载环境中或单一压力荷载环境中或复合荷载环境中的多功能柔性阵列传感器测得电阻信号和电容信号输入到其所处的荷载环境所对应的拉伸荷载数学模型，求解出多功能柔性阵列传感器所测得的压力荷载和/拉伸荷载数据。相比现有技术而言，能在不同载荷环境中进行同时采集到不同的荷载信号，大大拓展柔性压力传感器应用范围。从而解决现有的压力传感器不能同时采集到压力荷载信号和拉伸荷载信号的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种多功能柔性阵列传感器的荷载测算方法，包括以下步骤：
根据实验所获取的多功能柔性阵列传感器的输入载荷和输出数值的对应关系，构建单一拉伸环境下的拉伸荷载数据模型和/或单一压力荷载环境下的压力荷载数学模型和/或复合荷载环境下的复合荷载数学模型；
将所处单一拉伸荷载环境中或单一压力荷载环境中或复合荷载环境中的多功能柔性阵列传感器测得的输出数值输入到其所处的荷载环境所对应的荷载数学模型，求解出多功能柔性阵列传感器所测得的荷载数据。
优选的，所述输出数值包括多组电容传感器单元的电容变化率和多组电阻传感器单元的电阻变化率，所述输入荷载包括拉伸荷载，构建所述单一拉伸环境下的拉伸荷载数学模型，包括，
对所述多功能柔性阵列传感器进行拉伸实验，获取到所述多功能柔性阵列传感器在不同的输入拉伸荷载作用下的多组电容传感器单元的电容变化率和多组电阻传感器单元的电阻变化率；
获取所述拉伸实验中的输入拉伸载荷数据，以及在所述输入拉伸荷载数据作用下的多功能柔性阵列传感器的多组电容传感器单元的电容变化率和多组电阻传感器单元的电阻变化率，拟合出以所述多组电容传感器单元的电容变化率和多组电阻传感器单元的电阻变化率为输入数据，以多组电容传感器单元的电容变化率和多组电阻传感器单元的电阻变化率对应的拉伸荷载数据为输出数据的单一拉伸荷载环境下的拉伸荷载数学模型。
优选的，所述拉伸荷载数学模型具体为:
Figure RE-GDA0002336999170000021
P1＝f3(ε2) (3)
其中，ε2为对应外部真实荷载的外应变，P1为由外应变ε2产生的材料内压力，
Figure RE-GDA0002336999170000023
和
Figure RE-GDA0002336999170000024
分别为多功能柔性阵列传感器的电阻变化率和电容变化率，f1为根据所述拉伸实验数据中的电阻变化率
Figure RE-GDA0002336999170000025
和外应变ε2拟合出的函数关系，f2为根据拉伸实验数据中电容变化率
Figure RE-GDA0002336999170000026
和外应变材料内压力P1拟合出的函数关系，f3为根据拉伸实验数据中的材料内压力P1和外应变ε2拟合出的函数关系。
优选的，所述输出数值包括多组电容传感器单元的电容变化率和多组电阻传感器单元的电阻变化率，所述输入荷载包括压力荷载，构建所述单一压力环境下的压力荷载数学模型，包括，
对所述多功能柔性阵列传感器进行压力实验，获取到所述多功能柔性阵列传感器在不同的压力荷载作用下的多组电容传感器单元的电容变化率和多组电阻传感器单元的电阻变化率；
获取所述压力实验中的压力载荷数据以及在所述压力荷载数据作用下的多功能柔性阵列传感器的多组电容传感器单元的电容变化率和多组电阻传感器单元的电阻变化率拟合出以所述多组电容传感器单元的电容变化率和多组电阻传感器单元的电阻变化率为输入数据，以多组电容传感器单元的电容变化率和多组电阻传感器单元的电阻变化率对应的压力荷载数据为输出数据的单一压力荷载环境下的压力荷载数学模型。
优选的，所述压力荷载数学模型为：
Figure RE-GDA0002336999170000031
Figure RE-GDA0002336999170000032
ε1＝f6(P2) (6)，
其中，ε1为外压力P2产生的材料内应变，P2为由对应外部真实荷载的外压力，
Figure RE-GDA0002336999170000033
和
Figure RE-GDA0002336999170000034
分别为多功能柔性阵列传感器的电阻变化率和电容变化率，f4为根据所述拉伸实验数据中的电阻变化率
Figure RE-GDA0002336999170000035
和内应变ε1拟合出的函数关系，f5为根据拉伸实验数据中电容变化率
Figure RE-GDA0002336999170000036
和外压力P2拟合出的函数关系，f6为根据拉伸实验数据中的材料外压力P2和内应变ε1拟合出的函数关系。
优选的，所述输出数值包括多组电容传感器单元的电容变化率和多组电阻传感器单元的电阻变化率，所述输入荷载包括压力荷载和拉伸荷载，构建所述复合环境下的压力荷载数学模型，包括，
对所述多功能柔性阵列传感器进行复合压力实验，获取到所述多功能柔性阵列传感器在不同的拉伸荷载和压力荷载作用下的多组电容传感器单元的电容变化率和多组电阻传感器单元的电阻变化率；
获取所述符合压力实验中的拉伸载荷数据和压力荷载数据以及在所述拉伸荷载数据和压力荷载共同作用下的多功能柔性阵列传感器的多组电容传感器单元的电容变化率和多组电阻传感器单元的电阻变化率拟合出，以所述多组电容传感器单元的电容变化率和多组电阻传感器单元的电阻变化率为输入数据，以多组电容传感器单元的电容变化率和多组电阻传感器单元的电阻变化率对应的拉伸荷载数据和压力荷载为输出数据的符合压力荷载环境下的复合荷载数学模型。
优选的，将所处单一拉伸荷载环境中或单一压力荷载环境中或复合荷载环境中的多功能柔性阵列传感器测得的输出数据输入到其所处的荷载环境所对应的荷载数学模型前，还包括通过互相关函数对待测多功能柔性阵列传感器的输出数据以及对应的处于不同荷载环境的寄生输出数据进行相关性分析，得到所述输出数据和及其所述寄生输出数据的互相关性系数，并根据所述互相关性分析的大小判断所述待测多功能柔性阵列传感器所处的荷载环境。
优选的，所述输出数据包括实际电阻变化率和实际电容；所述寄生数据包括寄生将所述输出数据中的实际电容变化率代入压力荷载数学模型中得到寄生应变导致的寄生电阻变化率和将所述输出数据中的实际电阻变化率代入拉伸荷载数学模型中得到寄生压力导致寄生电容变化率；
判断所述待测多功能柔性阵列传感器所处的荷载环境包括：
计算所述实际电阻变化率与所述寄生电阻变化率之间的互相关系数，若所述互相关系数不等于0或不趋近于0，表示实际电阻变化率与寄生电阻变化率之间差异小，判断所述多功能柔性阵列传感器处于单一的压力荷载环境中；若所述互相关系数等于0或趋近于0，表示实际电阻变化率与寄生电阻变化率之间差异大，判断所述多功能柔性阵列传感器不处于单一的压力荷载环境中；
并计算所述实际电容变化率与所述寄生电容变化率之间的互相关系数，若所述互相关系数不等于0或不趋近于0，表示实际电容变化率与寄生电容变化率之间差异小，判断所述多功能柔性阵列传感器处于单一的拉伸荷载环境中；若所述互相关系数等于0或趋近于0，表示实际电容变化率与寄生电容变化率之间差异大，判断所述多功能柔性阵列传感器处于复合荷载环境中。
优选的，所述多功能柔性传感器包括一种多功能柔性阵列传感器，包括第一基板、第二基板以及夹设并贴合于第一基板和第二基板之间的介电质层；所述第一基板与介电质层之间设有第一电阻传感器组，所述介电质层与所述第二基板之间设有第二电阻传感器组，所述第一电阻传感器组与第二电阻传感器组在任一基板平面内的投影呈角度相交；所述第一电阻传感器组以及第二电阻传感器组均包括一条以上的电阻传感器单元；
所述第一电阻传感器组、介电质层以及第二电阻传感器组在每个相交点处的垂向空间内形成电容传感器单元以感应所述相交点处所受的压力；
所述第一电阻传感器组以及第二电阻传感器用于感应电阻传感器单元处所受的拉伸应力；
监测组件，所述监测组件分别与所述多组电阻传感器单元连接，用于采集所述多功能柔性阵列传感器的输出数值。
一种计算机系统，包括存储器、处理器以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计算机程序时实现上述任一所述方法的步骤。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明中的多功能柔性阵列传感器的荷载测算方法，通过构建单一拉伸环境下的拉伸荷载数据模型和/或单一压力荷载环境下的压力荷载数学模型和/或复合荷载环境下的复合荷载数学模型；将所处单一拉伸荷载环境中或单一压力荷载环境中或复合荷载环境中的多功能柔性阵列传感器测得电阻信号和电容信号输入到其所处的荷载环境所对应的拉伸荷载数学模型，求解出多功能柔性阵列传感器所测得的压力荷载和/拉伸荷载数据。相比现有技术而言，能在不同载荷环境中进行同时采集到不同的荷载信号，大大拓展柔性压力传感器应用范围。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明中多功能柔性阵列传感器的结构简图；
图2是本发明中优选实施例中的多功能柔性阵列传感器的荷载测算方法流程图；
图3是本发明中多功能柔性阵列传感器的荷载测算方法的流程图；
图4是本发明中优选实施例中的多功能柔性阵列传感器的内部回路的连接图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例一：
如图3所示，在本实施例中还公开了一种多功能柔性阵列传感器的荷载测算方法，包括以下步骤：
根据实验所获取的多功能柔性阵列传感器的输入载荷和输出数值的对应关系，构建单一拉伸环境下的拉伸荷载数据模型和/或单一压力荷载环境下的压力荷载数学模型和/或复合荷载环境下的复合荷载数学模型；
将所处单一拉伸荷载环境中或单一压力荷载环境中或复合荷载环境中的多功能柔性阵列传感器测得的输出数值输入到其所处的荷载环境所对应的荷载数学模型，求解出多功能柔性阵列传感器所测得的荷载数据。
本发明中的多功能柔性阵列传感器的荷载测算方法，通过将电阻性传感器整合至电容性传感器中，制备得到能同时感应压力荷载信号和拉伸荷载信号并将所述压力荷载信号和拉伸荷载信号转化为电阻信号和电容信号输出的多功能柔性阵列传感器，并使用本发明中的解耦方法，将多功能柔性阵列传感器采集到的电阻信号和电容信号再转化为压力荷载信号和拉伸荷载信号，从而解决现有的压力传感器不能同时采集到压力荷载信号和拉伸荷载信号的技术问题。
实施例二：
实施例二是实施例一的优选实施例，其与实施例一的区别之处在于，对多功能柔性阵列传感器如何获取到多组电阻信号和电容信号、如何构建不同荷载环境下的荷载数学模型，判断多功能柔性阵列传感器所处的荷载环境进行了细化：
如图1所示(以下名称对应标号)，本实施例中的所述多功能柔性传感器包括一种多功能柔性阵列传感器，包括第一基板、第二基板以及夹设并贴合于第一基板和第二基板之间的介电质层；所述第一基板与介电质层之间设有第一电阻传感器组，所述介电质层与所述第二基板之间设有第二电阻传感器组，所述第一电阻传感器组与第二电阻传感器组在任一基板平面内的投影呈角度相交；所述第一电阻传感器组以及第二电阻传感器组均包括一条以上的电阻传感器单元；多功能柔性阵列传感器的第一电阻传感器组和第二电阻传感器组分别设置了 4条电阻传感器单元，且第一电阻传感器组的投影与第二电阻传感器组的投影在水平面正交。
所述第一电阻传感器组、介电质层以及第二电阻传感器组在每个相交点处的垂向空间内形成电容传感器单元以感应所述相交点处所受的压力；
所述第一电阻传感器组以及第二电阻传感器组用于感应电阻传感器单元处所受的拉伸应力；
监测组件，所述监测组件分别与所述多组电阻传感器单元连接，用于采集所述多功能柔性阵列传感器的输出数值。
如图4所示，所述监测组件分别与所述多组电阻传感器单元连接，即多功能柔性阵列传感器上层的四个电极和下层的四个电极分别依次组合成16个测试回路，依次将回路两线端接入四线材测试机的测试点中(额外的八个电极点作为备用电极使用)。四线材测试机能够测量出每个测试回路中的电阻和电容，16路电容信号可以直接从每个测试回路中得到，8路电阻信号通过不同回路的电阻连列计算得到。
如图2所示，为了本发明中的多功能柔性阵列传感器实现对拉伸应变和压力的同时检测，其中利用上下各4路正交电阻信号检测拉伸应变，利用16路电容信号检测压力。通过水平布置拉伸夹具、垂直布置压头的方法设计出拉压载荷同步加载平台，实现对测试样品的拉伸应变和压力的可控加载，并结合精密四线式线材测试机能够实现对24路电学信号的动态实时采集。
对于传感器性能测试过程中，因为加载载荷已知，所以通过关联测试信号和加载载荷之间关系，能够直接获得传感器的传感特性。如果在传感器应用过程中未知载荷形式，需要首先通过检测信号特征辨识传感器的载荷环境，其次通过解耦方法获得传感器的实际载荷测量结果。针对多功能传感器在平面方向上未知载荷测量，本项目提出了一种多源信号解耦方法。
其中，针对多功能柔性阵列传感器所处载荷环境判断，主要通过上下4路正交布置电阻型应变传感器信号和16路电容型压力传感器信号实现。对上下正交布置的各4路电阻信号进行对比，对上下正交布置的各4路电阻信号进行对比，电阻值越大则拉伸方向与该电阻传感器的布置方向越一致，这样可以判断多功能柔性传感器拉伸方向，并且能够对拉伸应变大小进行初步测量。同理，对16路电容信号进行对比，再结合上述电容型压力传感单元的传感特性，可以判断多功能柔性传感器的受压面积，并且能够对压力大小进行初步测量。
其具体为：将所处单一拉伸荷载环境中或单一压力荷载环境中或复合荷载环境中的多功能柔性阵列传感器测得的输出数据输入到其所处的荷载环境所对应的荷载数学模型前，还包括通过互相关函数对待测多功能柔性阵列传感器的输出数据以及对应的处于不同荷载环境的寄生输出数据进行相关性分析，得到所述输出数据和及其所述寄生输出数据的互相关性系数，并根据所述互相关性分析的大小判断所述待测多功能柔性阵列传感器所处的荷载环境。所述输出数据包括实际电阻变化率和实际电容；所述寄生数据包括寄生将所述输出数据中的实际电容变化率代入压力荷载数学模型中得到寄生应变导致的寄生电阻变化率和将所述输出数据中的实际电阻变化率代入拉伸荷载数学模型中得到寄生压力导致寄生电容变化率；
判断所述待测多功能柔性阵列传感器所处的荷载环境包括：
计算所述实际电阻变化率与所述寄生电阻变化率之间的互相关系数，若所述互相关系数不等于0或不趋近于0，表示实际电阻变化率与寄生电阻变化率之间差异小，判断所述多功能柔性阵列传感器处于单一的压力荷载环境中；若所述互相关系数等于0或趋近于0，表示实际电阻变化率与寄生电阻变化率之间差异大，判断所述多功能柔性阵列传感器不处于单一的压力荷载环境中；
并计算所述实际电容变化率与所述寄生电容变化率之间的互相关系数，若所述互相关系数不等于0或不趋近于0，表示实际电容变化率与寄生电容变化率之间差异小，判断所述多功能柔性阵列传感器处于单一的拉伸荷载环境中；若所述互相关系数等于0或趋近于0，表示实际电容变化率与寄生电容变化率之间差异大，判断所述多功能柔性阵列传感器处于复合荷载环境中。
在本发明中，可以采用信号分析领域的互相关函数，也可以采用其他的能对所述对待测多功能柔性阵列传感器的输出数据以及对应的处于不同荷载环境的寄生输出数据进行相关性分析的互相关函数。
根据本项目设计的传感器阵列，可以预见传感器所处的载荷环境主要有单一拉伸载荷、单一压力载荷和拉伸压力复合载荷三种。对于单一的拉伸或压力载荷，无需考虑拉伸载荷和压力载荷对彼此电学信号的耦合影响，因此利用单一传感单元的传感特性就可以获得载荷大小。对于拉伸应变和压力同时存在的复合载荷条件，需要通过多源信号解耦获得对真实载荷的辨识和测量，具体过程如下：
传感器在复合载荷条件下产生拉伸应变ε，所受压力P，所采集的各路电阻信号和电容变化率分别为
Figure RE-GDA0002336999170000081
和
Figure RE-GDA0002336999170000082
其中，
ε＝ε1(材料内应变，由外压力p2产生)+ε2(外应变，对应外部真实载荷)
p＝p1(材料内压力，由外应变ε2产生)+p2(外压力，对应外部真实荷载)
针对多功能柔性传感器对真实载荷的测量，需要消除多源信号耦合产生的ε1和P1分量。
其中，所述输出数值包括多组电容传感器单元的电容变化率和多组电阻传感器单元的电阻变化率，所述输入荷载包括拉伸荷载，构建所述单一拉伸环境下的拉伸荷载数学模型，包括，
对所述多功能柔性阵列传感器进行拉伸实验，获取到所述多功能柔性阵列传感器在不同的输入拉伸荷载作用下的多组电容传感器单元的电容变化率和多组电阻传感器单元的电阻变化率；
所述拉伸实验具体为：
使用夹具对柔性阵列传感器两侧夹持并且进行单一方向的拉伸应变加载。在传感器表面布置压力传感器监测拉伸情况下传感器表面压力的变化。此外，通过网络分析仪得到8路电阻信号和16路电容信号，其中电阻信号变化是由拉伸应变产生的，电容信号变化是由于拉伸导致传感器厚度方向尺寸发生变化进而产生寄生压力带来的寄生电容。基于以上实验可获得传感器的承受的外部应变、寄生压力、电阻和电容。
获取所述拉伸实验中的输入拉伸载荷数据，以及在所述输入拉伸荷载数据作用下的多功能柔性阵列传感器的多组电容传感器单元的电容变化率和多组电阻传感器单元的电阻变化率，拟合出以所述多组电容传感器单元的电容变化率和多组电阻传感器单元的电阻变化率为输入数据，以多组电容传感器单元的电容变化率和多组电阻传感器单元的电阻变化率对应的拉伸荷载数据为输出数据的单一拉伸荷载环境下的拉伸荷载数学模型。
所述拉伸荷载数学模型基于实验测试获取的数据应变、寄生压力、电阻和电容，通过最小二乘法多项式非线性拟合，获得电阻变化率与应变之间的函数关系以及电容变化率与寄生压力之间的函数关系。此外，基于实验数据也可以获得应变与寄生压力之间的函数关系，所述拉伸荷载数学模型具体为:
Figure RE-GDA0002336999170000091
Figure RE-GDA0002336999170000092
P1＝f3(ε2) (3)
其中，ε2为对应外部真实荷载的外应变，P1为由外应变ε2产生的材料内压力，
Figure RE-GDA0002336999170000093
和
Figure RE-GDA0002336999170000094
分别为多功能柔性阵列传感器的电阻变化率和电容变化率，f1为根据所述拉伸实验数据中的电阻变化率和外应变ε2拟合出的函数关系，f2为根据拉伸实验数据中电容变化率
Figure RE-GDA0002336999170000096
和外应变材料内压力P1拟合出的函数关系，f3为根据拉伸实验数据中的材料内压力P1和外应变ε2拟合出的函数关系。
在本发明中，f1、f2以及f3均为多项式函数，其中多项式的阶数根据实际数据采用最小二乘法拟合确定，由于具体多功能阵列传感器的结构、材料的不同，f1、f2以及f3的形式和因素会不同，因此，在此不做限定，可根据具体的拉伸实验数据进行拟合。
其中，所述输出数值包括多组电容传感器单元的电容变化率和多组电阻传感器单元的电阻变化率，所述输入荷载包括压力荷载，构建所述单一压力环境下的压力荷载数学模型，包括，
对所述多功能柔性阵列传感器进行压力实验，获取到所述多功能柔性阵列传感器在不同的压力荷载作用下的多组电容传感器单元的电容变化率和多组电阻传感器单元的电阻变化率；
所述压力实验具体为：
在传感器正上方布置视频引伸计监测施加压力情况下传感器应变的变化。此外，通过网络分析仪得到8路电阻信号和16路电容信号，其中电容信号变化是由压力载荷产生的，电阻信号变化是由于压力载荷导致传感器水平方向尺寸发生变化进而产生寄生应变带来的寄生电阻。基于以上实验可获得传感器的承受的外部压力、寄生应变、电阻和电容。
获取所述压力实验中的压力载荷数据以及在所述压力荷载数据作用下的多功能柔性阵列传感器的多组电容传感器单元的电容变化率和多组电阻传感器单元的电阻变化率拟合出以所述多组电容传感器单元的电容变化率和多组电阻传感器单元的电阻变化率为输入数据，以多组电容传感器单元的电容变化率和多组电阻传感器单元的电阻变化率对应的压力荷载数据为输出数据的单一压力荷载环境下的压力荷载数学模型。
所述压力荷载数学模型为：
Figure RE-GDA0002336999170000101
ε1＝f6(P2) (6)，
其中，ε1为外压力P2产生的材料内应变，P2为由对应外部真实荷载的外压力，
Figure RE-GDA0002336999170000103
和
Figure RE-GDA0002336999170000104
分别为多功能柔性阵列传感器的电阻变化率和电容变化率，f4为根据所述拉伸实验数据中的电阻变化率
Figure RE-GDA0002336999170000105
和内应变ε1拟合出的函数关系，f5为根据拉伸实验数据中电容变化率
Figure RE-GDA0002336999170000106
和外压力P2拟合出的函数关系，f6为根据拉伸实验数据中的材料外压力P2和内应变ε1拟合出的函数关系。
在本发明中，f4、f5以及f6均为多项式函数，其中多项式的阶数根据实际数据采用最小二乘法拟合确定，由于具体多功能阵列传感器的结构、材料的不同，f4、f5以及f6的形式和因素会不同，因此，在此不做限定，可根据具体的压力实验数据进行拟合。
其中，所述输出数值包括多组电容传感器单元的电容变化率和多组电阻传感器单元的电阻变化率，所述输入荷载包括压力荷载和拉伸荷载，构建所述复合环境下的压力荷载数学模型，包括，
对所述多功能柔性阵列传感器进行复合压力实验，获取到所述多功能柔性阵列传感器在不同的拉伸荷载和压力荷载作用下的多组电容传感器单元的电容变化率和多组电阻传感器单元的电阻变化率；
获取所述符合压力实验中的拉伸载荷数据和压力荷载数据以及在所述拉伸荷载数据和压力荷载共同作用下的多功能柔性阵列传感器的多组电容传感器单元的电容变化率和多组电阻传感器单元的电阻变化率拟合出，以所述多组电容传感器单元的电容变化率和多组电阻传感器单元的电阻变化率为输入数据，以多组电容传感器单元的电容变化率和多组电阻传感器单元的电阻变化率对应的拉伸荷载数据和压力荷载为输出数据的符合压力荷载环境下的复合荷载数学模型。
例外，构建所述复合环境下的压力荷载数学模型，也可以通过下述步骤实现：
所述复合荷载数学模型为：
P1＝f3(ε2) (3)
ε1＝f6(P2) (6)
Figure RE-GDA0002336999170000107
Figure RE-GDA0002336999170000111
其中，f7为根据所述压力荷载数学模型和拉伸荷载数学模型拟合出的反映内应变ε1和外应力ε2与多功能柔性阵列传感器的电阻变化率
Figure RE-GDA0002336999170000112
之间的数学模型，f8为根据所述压力荷载数学模型和拉伸荷载数学模型拟合出的反映内应变P1和外压力P2与多功能柔性阵列传感器的电阻变化率
Figure RE-GDA0002336999170000113
之间的数学模型。
联立(3)(6)(7)(8)，求解真实的载荷数值；
Figure RE-GDA0002336999170000114
综上可知，本发明中的多功能柔性阵列传感器的荷载测算方法，通过将电阻性传感器整合至电容性传感器中，制备得到能同时感应压力荷载信号和拉伸荷载信号并将所述压力荷载信号和拉伸荷载信号转化为电阻信号和电容信号输出的多功能柔性阵列传感器，并使用本发明中的解耦方法，将多功能柔性阵列传感器采集到的电阻信号和电容信号再转化为压力荷载信号和拉伸荷载信号，从而解决现有的压力传感器不能同时采集到压力荷载信号和拉伸荷载信号的技术问题。
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 (10)

1.一种多功能柔性阵列传感器的荷载测算方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据实验所获取的多功能柔性阵列传感器的输入载荷和输出数值的对应关系，构建单一拉伸环境下的拉伸荷载数据模型和/或单一压力荷载环境下的压力荷载数学模型和/或复合荷载环境下的复合荷载数学模型；
将所处单一拉伸荷载环境中或单一压力荷载环境中或复合荷载环境中的多功能柔性阵列传感器测得的输出数值输入到其所处的荷载环境所对应的荷载数学模型，求解出多功能柔性阵列传感器所测得的荷载数据。
2.根据权利要求1所述的多功能柔性阵列传感器的荷载测算方法，其特征在于，所述输出数值包括多组电容传感器单元的电容变化率和多组电阻传感器单元的电阻变化率，所述输入荷载包括拉伸荷载，构建所述单一拉伸环境下的拉伸荷载数学模型，包括：
对所述多功能柔性阵列传感器进行拉伸实验，获取到所述多功能柔性阵列传感器在不同的输入拉伸荷载作用下的多组电容传感器单元的电容变化率和多组电阻传感器单元的电阻变化率；
获取所述拉伸实验中的输入拉伸载荷数据，以及在所述输入拉伸荷载数据作用下的多功能柔性阵列传感器的多组电容传感器单元的电容变化率和多组电阻传感器单元的电阻变化率，拟合出以所述多组电容传感器单元的电容变化率和多组电阻传感器单元的电阻变化率为输入数据，以多组电容传感器单元的电容变化率和多组电阻传感器单元的电阻变化率对应的拉伸荷载数据为输出数据的单一拉伸荷载环境下的拉伸荷载数学模型。
3.根据权利要求2所述的多功能柔性阵列传感器的荷载测算方法，其特征在于，所述拉伸荷载数学模型具体为:
Figure FDA0002200902990000011
Figure FDA0002200902990000012
P1＝f3(ε2) (3)
其中，ε2为对应外部真实荷载的外应变，P1为由外应变ε2产生的材料内压力，和
Figure FDA0002200902990000014
分别为多功能柔性阵列传感器的电阻变化率和电容变化率，f1为根据所述拉伸实验数据中的电阻变化率
Figure FDA0002200902990000015
和外应变ε2拟合出的函数关系，f2为根据拉伸实验数据中电容变化率
Figure FDA0002200902990000016
和外应变材料内压力P1拟合出的函数关系，f3为根据拉伸实验数据中的材料内压力P1和外应变ε2拟合出的函数关系。
4.根据权利要求1所述的多功能柔性阵列传感器的荷载测算方法，其特征在于，所述输出数值包括多组电容传感器单元的电容变化率和多组电阻传感器单元的电阻变化率，所述输入荷载包括压力荷载，构建所述单一压力环境下的压力荷载数学模型，包括，
对所述多功能柔性阵列传感器进行压力实验，获取到所述多功能柔性阵列传感器在不同的压力荷载作用下的多组电容传感器单元的电容变化率和多组电阻传感器单元的电阻变化率；
获取所述压力实验中的压力载荷数据以及在所述压力荷载数据作用下的多功能柔性阵列传感器的多组电容传感器单元的电容变化率和多组电阻传感器单元的电阻变化率拟合出以所述多组电容传感器单元的电容变化率和多组电阻传感器单元的电阻变化率为输入数据，以多组电容传感器单元的电容变化率和多组电阻传感器单元的电阻变化率对应的压力荷载数据为输出数据的单一压力荷载环境下的压力荷载数学模型。
5.根据权利要求4所述的多功能柔性阵列传感器的荷载测算方法，其特征在于，所述压力荷载数学模型为：
Figure FDA0002200902990000022
ε1＝f6(P2) (6)，
其中，ε1为外压力P2产生的材料内应变，P2为由对应外部真实荷载的外压力，
Figure FDA0002200902990000023
和分别为多功能柔性阵列传感器的电阻变化率和电容变化率，f4为根据所述拉伸实验数据中的电阻变化率
Figure FDA0002200902990000025
和内应变ε1拟合出的函数关系，f5为根据拉伸实验数据中电容变化率和外压力P2拟合出的函数关系，f6为根据拉伸实验数据中的材料外压力P2和内应变ε1拟合出的函数关系。
6.根据权利要求1所述的多功能柔性阵列传感器的荷载测算方法，其特征在于，所述输出数值包括多组电容传感器单元的电容变化率和多组电阻传感器单元的电阻变化率，所述输入荷载包括压力荷载和拉伸荷载，构建所述复合环境下的压力荷载数学模型，包括：
对所述多功能柔性阵列传感器进行复合压力实验，获取到所述多功能柔性阵列传感器在不同的拉伸荷载和压力荷载作用下的多组电容传感器单元的电容变化率和多组电阻传感器单元的电阻变化率；
获取所述符合压力实验中的拉伸载荷数据和压力荷载数据以及在所述拉伸荷载数据和压力荷载共同作用下的多功能柔性阵列传感器的多组电容传感器单元的电容变化率和多组电阻传感器单元的电阻变化率拟合出，以所述多组电容传感器单元的电容变化率和多组电阻传感器单元的电阻变化率为输入数据，以多组电容传感器单元的电容变化率和多组电阻传感器单元的电阻变化率对应的拉伸荷载数据和压力荷载为输出数据的符合压力荷载环境下的复合荷载数学模型。
7.根据权利要求2至6中任意一项中所述的多功能柔性阵列传感器的荷载测算方法，其特征在于，将所处单一拉伸荷载环境中或单一压力荷载环境中或复合荷载环境中的多功能柔性阵列传感器测得的输出数据输入到其所处的荷载环境所对应的荷载数学模型前，还包括通过互相关函数对待测多功能柔性阵列传感器的输出数据以及对应的处于不同荷载环境的寄生输出数据进行相关性分析，得到所述输出数据和及其所述寄生输出数据的互相关性系数，并根据所述互相关性分析的大小判断所述待测多功能柔性阵列传感器所处的荷载环境。
8.根据权利要求7所述的多功能柔性阵列传感器的荷载测算方法，其特征在于，所述输出数据包括实际电阻变化率和实际电容；所述寄生数据包括寄生将所述输出数据中的实际电容变化率代入压力荷载数学模型中得到寄生应变导致的寄生电阻变化率和将所述输出数据中的实际电阻变化率代入拉伸荷载数学模型中得到寄生压力导致寄生电容变化率；
判断所述待测多功能柔性阵列传感器所处的荷载环境包括：
计算所述实际电阻变化率与所述寄生电阻变化率之间的互相关系数，若所述互相关系数不等于0或不趋近于0，表示实际电阻变化率与寄生电阻变化率之间差异小，判断所述多功能柔性阵列传感器处于单一的压力荷载环境中；若所述互相关系数等于0或趋近于0，表示实际电阻变化率与寄生电阻变化率之间差异大，判断所述多功能柔性阵列传感器不处于单一的压力荷载环境中；
并计算所述实际电容变化率与所述寄生电容变化率之间的互相关系数，若所述互相关系数不等于0或不趋近于0，表示实际电容变化率与寄生电容变化率之间差异小，判断所述多功能柔性阵列传感器处于单一的拉伸荷载环境中；若所述互相关系数等于0或趋近于0，表示实际电容变化率与寄生电容变化率之间差异大，判断所述多功能柔性阵列传感器处于复合荷载环境中。
9.根据权利要求1至6中任意一项中所述的多功能柔性阵列传感器的荷载测算方法，其特征在于，所述多功能柔性传感器包括一种多功能柔性阵列传感器，包括第一基板、第二基板以及夹设并贴合于第一基板和第二基板之间的介电质层；所述第一基板与介电质层之间设有第一电阻传感器组，所述介电质层与所述第二基板之间设有第二电阻传感器组，所述第一电阻传感器组与第二电阻传感器组在任一基板平面内的投影呈角度相交；所述第一电阻传感器组以及第二电阻传感器组均包括一条以上的电阻传感器单元；
所述第一电阻传感器组、介电质层以及第二电阻传感器组在每个相交点处的垂向空间内形成电容传感器单元以感应所述相交点处所受的压力；
所述第一电阻传感器组以及第二电阻传感器用于感应电阻传感器单元处所受的拉伸应力；
监测组件，所述监测组件分别与所述多组电阻传感器单元连接，用于采集所述多功能柔性阵列传感器的输出数值。
10.一种计算机系统，包括存储器、处理器以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上述权利要求1至9任一所述方法的步骤。
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Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN2110870U (zh) * 1991-07-22 1992-07-22 北京科技大学 材料试验机应力、应变、分离速率指示仪
CN102901673A (zh) * 2012-10-11 2013-01-30 山东理工大学 拉压模量不一致薄板的拉压弹性模量的测量方法
CN103335754A (zh) * 2013-06-19 2013-10-02 合肥工业大学 全柔性三维力触觉传感器
US20140109695A1 (en) * 2012-10-22 2014-04-24 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Nanostructures with strain-induced resistance
US20150059486A1 (en) * 2013-09-05 2015-03-05 Samsung Electronics Co., Ltd. Resistive pressure sensor including piezo-resistive electrode
CN104848971A (zh) * 2014-02-14 2015-08-19 欧姆龙株式会社 静电电容型压力传感器、压力检测器及输入装置
CN106289594A (zh) * 2016-11-02 2017-01-04 吉林大学 可实现三维变形量和三维压力高精度同步测量的传感阵列
CN106525332A (zh) * 2016-12-15 2017-03-22 上海市共进通信技术有限公司 一种柔性压力传感器的校准方法
US9631989B1 (en) * 2016-02-15 2017-04-25 King Abdulaziz University Method of making flexible elastic conductive material and use of the same
CN107710127A (zh) * 2016-05-31 2018-02-16 深圳市汇顶科技股份有限公司 用于检测压力的方法和装置
CN108433222A (zh) * 2017-01-27 2018-08-24 尚科纺织企业工业及贸易公司 电容型的可拉伸触摸板
CN108844816A (zh) * 2018-03-30 2018-11-20 东南大学 一种基于十字形试件双轴拉伸试验的屈服准则评估方法
CN109269688A (zh) * 2018-11-07 2019-01-25 江南大学 一种压力传感阵列及其制备方法
CN109520644A (zh) * 2018-11-13 2019-03-26 西南交通大学 弹条扣压力检测方法和弹条扣压力检测装置

Patent Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN2110870U (zh) * 1991-07-22 1992-07-22 北京科技大学 材料试验机应力、应变、分离速率指示仪
CN102901673A (zh) * 2012-10-11 2013-01-30 山东理工大学 拉压模量不一致薄板的拉压弹性模量的测量方法
US20140109695A1 (en) * 2012-10-22 2014-04-24 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Nanostructures with strain-induced resistance
CN103335754A (zh) * 2013-06-19 2013-10-02 合肥工业大学 全柔性三维力触觉传感器
US20150059486A1 (en) * 2013-09-05 2015-03-05 Samsung Electronics Co., Ltd. Resistive pressure sensor including piezo-resistive electrode
CN104848971A (zh) * 2014-02-14 2015-08-19 欧姆龙株式会社 静电电容型压力传感器、压力检测器及输入装置
US9631989B1 (en) * 2016-02-15 2017-04-25 King Abdulaziz University Method of making flexible elastic conductive material and use of the same
CN107710127A (zh) * 2016-05-31 2018-02-16 深圳市汇顶科技股份有限公司 用于检测压力的方法和装置
CN106289594A (zh) * 2016-11-02 2017-01-04 吉林大学 可实现三维变形量和三维压力高精度同步测量的传感阵列
CN106525332A (zh) * 2016-12-15 2017-03-22 上海市共进通信技术有限公司 一种柔性压力传感器的校准方法
CN108433222A (zh) * 2017-01-27 2018-08-24 尚科纺织企业工业及贸易公司 电容型的可拉伸触摸板
CN108844816A (zh) * 2018-03-30 2018-11-20 东南大学 一种基于十字形试件双轴拉伸试验的屈服准则评估方法
CN109269688A (zh) * 2018-11-07 2019-01-25 江南大学 一种压力传感阵列及其制备方法
CN109520644A (zh) * 2018-11-13 2019-03-26 西南交通大学 弹条扣压力检测方法和弹条扣压力检测装置

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
张雷，赵昆，孙科: "《容性负载对压力传感器稳定性及测量误差的影响分析》", 《中国测试》 *
钱新，龚烈航: "《电容压力传感器的函数链接型神经网络建模方法》", 《解放军理工大学学报(自然科学版)》 *

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