CN111307340B - 用于测量二维力或流体对固体压强及摩擦力的柔性传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于测量二维力或流体对固体压强及摩擦力的柔性传感器。包括：底座、悬臂梁、应变片、电容下极板、电容上极板和超弹性材料制成的柔性冠；柔性冠，扣设于底座上，外侧上表面固定有被测材料，内部上壁中开设有与空腔相连通的测量槽，测量槽包括相连通的第一腔体与第二腔体；悬臂梁，位于柔性冠内，底端固定于底座上，顶端插入第一腔体；电容下极板，设置在悬臂梁的顶端；电容上极板，设置在第二腔体的顶壁上，与电容下极板相对，且在摩擦力方向上，电容下极板的尺寸大于电容上极板的尺寸；应变片，设置在悬臂梁的两侧面靠近底座的位置。本发明能够实现摩擦力与正压力之间的解耦，进而实现对摩擦力和正压力的精确测量。
Description
技术领域
本发明涉及柔性传感器技术领域，特别是涉及一种用于测量二维力或流体对固体压强及摩擦力的柔性传感器。
背景技术
随着力学量柔性传感器的发展，其形式种类越来越多，但现有技术中可测量二维力且二者之间无耦合的传感器相对较少。摩擦力作为关键力学量的一种，其测量一直是一个难点，尤其是测量流体与固体之间的摩擦力时，一定要解决正压力和摩擦力对传感器输出的耦合作用。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于测量二维力或流体对固体压强及摩擦力的柔性传感器，能够测量得到无耦合的摩擦力与正压力。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种用于测量二维力或流体对固体压强及摩擦力的柔性传感器，包括：底座、悬臂梁、应变片、电容上极板、电容下极板和超弹性材料制成的柔性冠；
所述柔性冠，内部开设有空腔，扣设于所述底座上，外侧上表面固定有被测材料，内部上壁中开设有与所述空腔相连通的测量槽，所述测量槽包括相连通的第一腔体与第二腔体，所述第二腔体位于所述第一腔体的上方；
所述悬臂梁，位于所述空腔内，底端固定于所述底座上，顶端插入所述第一腔体；在平行于摩擦力方向上，所述悬臂梁插入所述第一腔体的部分的尺寸与所述第一腔体的尺寸相匹配；
所述电容下极板，设置在所述悬臂梁的顶端；
所述电容上极板，设置在所述第二腔体的顶壁上，与所述电容下极板相对，且与所述电容下极板间留有空隙；且在摩擦力方向上，所述电容下极板的尺寸大于所述电容上极板的尺寸；
所述应变片，设置在所述悬臂梁的两侧面靠近底座的位置，所述两侧面为所述悬臂梁在平行于摩擦力方向上相对的两侧面。
可选的，所述悬臂梁顶端通过绝缘材料连接所述电容上极板。
可选的，所述柔性冠的外侧上表面为一平面，所述被测材料为一贴合在所述柔性冠外侧上表面的平面材料。
可选的，所述悬臂梁垂直于所述被测材料所在平面。
可选的，所述悬臂梁的两侧面靠近底座的位置分别粘贴有至少两个应变片。
可选的，所述柔性传感器还包括与所述应变片连接的导线。
可选的，所述柔性传感器还包括应变片测量电路，所述变片测量电路为多个应变片组成的全桥电路。
可选的，所述第一腔体和所述第二腔体均为矩形腔体。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的柔性传感器在柔性冠的内部上壁中开设了测量槽，该测量槽包括相互连通的第一腔体和第二腔体，悬臂梁的底端固定在底座上，悬臂梁的顶端插入第一腔体进行固定，悬臂梁的两侧面靠近底部的位置设置有应变片，悬臂梁的顶端设置有的电容上极板，第二腔体的上壁设置有与电容上极板相对的电容下极板，电容下极板和电容上极板之间留有空隙。当被测材料受到压力时，柔性冠向下运动，电容上上极板之间的间距减小，通过电容值的变化可以得到被测材料受到的压力大小，由于在摩擦力方向上，电容下极板的尺寸大于电容上极板的尺寸，这使得即使柔性冠的上端在摩擦力的作用下左右运动，也不会改变电容上上极板之间的相对面积，进而避免了摩擦力对正压力测量的干扰。同样的，被测材料在受到摩擦力时，柔性冠左右运动，带动悬臂梁的上端左右运动，使悬臂梁产生弯曲变形，通过悬臂梁的应变片的输出值可以得到被测材料受到的摩擦力大小，由于悬臂梁的顶端与柔性冠的上部之间留有空隙并未接触，这使得当柔性冠在压力的作用下向下运动时，不会对悬臂梁产生向下的作用力，进而悬臂梁不会因压力而产生弯曲变形，进而避免了正压力对摩擦力测量的干扰。可见，本发明提供的传感器能够测量得到无耦合的摩擦力与正压力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中柔性传感器的原理结构图；
图2为本发明实施例中柔性传感器的部分结构示意图；
图3为本发明实施例中柔性传感器的立体图；
图4为本发明实施例中传感器阵列图。
1、被测材料；2、柔性冠；3、悬臂梁；4、底座；5、电容下极板；6、第二腔体；7、电容上极板；8、绝缘材料；9、空腔；10、应变片；11、导线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供了一种用于测量二维力或流体对固体压强及摩擦力的柔性传感器。如图1、图2和图3所示，该柔性传感器包括：底座4、悬臂梁3、应变片10、电容上极板7、电容下极板5和超弹性材料制成的柔性冠2；
所述柔性冠2为中空结构，扣设于所述底座4上，外侧上表面固定有被测材料1，内部上壁中开设有与所述空腔9相连通的测量槽；所述测量槽包括相连通的第一腔体与第二腔体6，所述第二腔体6位于所述第一腔体的上方；
所述悬臂梁3，位于所述空腔9内，底端固定于所述底座4上，顶端插入所述第一腔体进行固定；在平行于摩擦力方向上，所述悬臂梁3插入所述第一腔体的部分的尺寸与所述第一腔体的尺寸相匹配；需要说明的是，此处的相匹配为一种间隙配合，但是，间隙不能过大，以实现在摩擦力的作用下，柔性冠2能够带动悬臂梁3的上端左右运动为目的；
所述电容下极板5，设置在所述悬臂梁3的顶端；
所述电容上极板7，设置在所述第二腔体6的顶壁上，与所述电容下极板7相对，且与所述电容下极板7间留有空隙(间隙可根据需要设置)；且在摩擦力方向上，所述电容下极板5的尺寸大于所述电容上极板7的尺寸，这使得即使柔性冠2的上端在摩擦力的作用下左右运动，也不会改变电容上上极板之间的相对面积而引起电容的变化，进而避免了摩擦力对测量正压力或压强的干扰；
所述应变片10，设置在所述悬臂梁3的两侧面靠近底座4的位置，所述两侧面为所述悬臂梁3在平行于摩擦力方向上相对的两侧面。需要说明的是，靠近底座4的位置可以理解为悬臂梁3中点以下的位置。
其中，选择不同的柔性冠2材料及不同刚度的悬臂梁3，可以改变传感器的测量灵敏度。电容下极板5和电容上极板7的输出导线11由两侧引出，如图3所示。
在上述实施例中，第一腔体和第二腔体6可以均为矩形腔体。
在上述实施例中，悬臂梁3顶端可以通过绝缘材料8连接所述电容上极板7，绝缘材料8为便于粘接的材料，一般为高分子材料，用于将悬臂梁3的顶端与述电容上极板7粘接在一起。
在上述实施例中，柔性冠2的外侧上表面可以为一平面，所述被测材料1为一贴合在所述柔性冠2外侧上表面的平面材料。悬臂梁3垂直于所述被测材料1所在平面。在测量时，需要测量何种材料的二维力(或受到流体的压强与摩擦力)时，就将该种材料粘贴于柔性冠22外侧的上表面上。
在上述实施例的基础上，本实施例中悬臂梁3的两侧面靠近底座4的位置分别粘贴有至少两个应变片10。
在上述实施例中，柔性传感器还可以包括与所述应变片10连接的导线11(引出线经由空腔9引出)以及应变片10测量电路，所述变片测量电路为至少四个应变片10组成的全桥电路。
在上述实施例中，柔性冠2与底座4接触的部分固定在底座4上。
当被测材料1受到压力时，柔性冠2向下运动，电容上上极板之间的间距减小，通过电容值的变化可以得到被测材料1受到的压力大小，由于在摩擦力方向上，电容下极板5的尺寸大于电容上极板7的尺寸，这使得即使柔性冠2的上端在摩擦力的作用下左右运动，也不会改变电容上上极板之间的相对面积，进而避免了摩擦力对压力测量的干扰。同样的，被测材料1在受到摩擦力时，柔性冠2左右运动，带动悬臂梁3的上端左右运动，使悬臂梁3产生弯曲变形，通过悬臂梁3的应变片10的输出值可以得到被测材料1受到的摩擦力大小，由于悬臂梁3的顶端与柔性冠2的上部之间留有空隙并未接触，这使得当柔性冠2在压力的作用下向下运动时，不会对悬臂梁3产生向下的作用力，进而悬臂梁3不会因压力产生弯曲变形，进而避免了正压力或压强对摩擦力测量的干扰。
需要说明的是，本发明提供的柔性传感器不仅能够测量固体与固体间的摩擦力及正压力，还能测量固体与流体之间的摩擦力及压强。
在测量固体与固体之间的二维力(摩擦力与正压力)时，在传感器柔性冠2的上表面粘贴被测材料1，采用测量材料与被测材料1发生相接触的相对运动，柔性传感器便可以测出二者之间的摩擦力以及正压力，其中，被测材料1和测量材料均为固体材料。
在测量固体与流体之间的压强及摩擦力时，该传感器的安装方式为：将传感器镶嵌于待测固体表面，并在传感器的柔性冠2的上表面粘贴上与待测固体材料相同的被测材料1，且保持被测材料1与待测物体的表面相吻合，比如，待测表面与待测固体表面位于同一平面，同时，采用弹性胶(比如，704，705等硅橡胶)密封被测材料1与用于镶嵌传感器的凹槽之间的间隙。当流体流过被测材料1的表面时，传感器即会测得待测固体与流体之间的压强及摩擦力。需要说明的是，传感器在使用前需要进行标定校准。
若需测量流体与固体之间的正压力以及摩擦力的分布，需要采用多个传感器组成的阵列，如图4所示。
在阵列上表面固定被测材料，一般为粘结，以防漏水。组成n×n阵列后，每个传感器的变形将受到其他传感器的约束，必须消除这种影响，即解耦。通过标定实验获取耦合系数矩阵，得到n2×n2个系数fij，方法是对单个传感器的上表面施加已知大小的摩擦力和正压力，其他传感器自由(没有力的施加)，测量所有传感器的输出，这一输出就是由特定传感器的变形引起的，可得到关于正压力的n×n(n2)系数以及关于摩擦力的n×n(n2)系数，重复标定所有传感器。以摩擦力系数为例，将n2个传感器的输出(直接测量值)写成一列Fouti(i＝1,2,…,n2)，将n2个作用在传感器阵列上的摩擦力Fini(i＝1,2,…,n2)作为输入，则
其中，系数矩阵fij为耦合矩阵，求出fij的逆矩阵，即可得到输入值
输入值就是最终测量值。
测量流体与固体间解耦的摩擦力和正压力在航空航天方面有着广阔的应用前景，例如飞机在飞行中空气对机翼的摩擦力，如果能测量出准确的摩擦力值，对流体流动时与固体边界的相互作用进行分析，将对未来飞行器的发展提供更多的思路。
本发明提供的用于测量二维力或流体对固体压强及摩擦力的柔性传感器能够实现正压力与摩擦力之间的解耦，能够避免摩擦力对正压力测量的干扰，同时，也能够避免正压力对摩擦力测量的干扰，进而实现对二维力的精确测量。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种用于测量二维力或流体对固体压强及摩擦力的柔性传感器，其特征在于，包括：底座、悬臂梁、应变片、电容上极板、电容下极板和超弹性材料制成的柔性冠；
所述柔性冠，内部开设有空腔，扣设于所述底座上，外侧上表面固定有被测材料，内部上壁中开设有与所述空腔相连通的测量槽，所述测量槽包括相连通的第一腔体与第二腔体，所述第二腔体位于所述第一腔体的上方；
所述悬臂梁，位于所述空腔内，底端固定于所述底座上，顶端插入所述第一腔体；在平行于摩擦力方向上，所述悬臂梁插入所述第一腔体的部分的尺寸与所述第一腔体的尺寸相匹配；
所述电容下极板，设置在所述悬臂梁的顶端；
所述电容上极板，设置在所述第二腔体的顶壁上，与所述电容下极板相对，且与所述电容下极板间留有空隙；且在摩擦力方向上，所述电容下极板的尺寸大于所述电容上极板的尺寸；
所述应变片，设置在所述悬臂梁的两侧面靠近底座的位置，所述两侧面为所述悬臂梁在平行于摩擦力方向上相对的两侧面；
多个所述柔性传感器组成阵列，所述阵列为n×n阵列；所述阵列上表面固定所述被测材料。
2.根据权利要求1所述的用于测量二维力或流体对固体压强及摩擦力的柔性传感器，其特征在于，所述悬臂梁顶端通过绝缘材料连接所述电容上极板。
3.根据权利要求1所述的用于测量二维力或流体对固体压强及摩擦力的柔性传感器，其特征在于，所述柔性冠的外侧上表面为一平面，所述被测材料为一贴合在所述柔性冠外侧上表面的平面材料。
4.根据权利要求1所述的用于测量二维力或流体对固体压强及摩擦力的柔性传感器，其特征在于，所述悬臂梁垂直于所述被测材料所在平面。
5.根据权利要求1所述的用于测量二维力或流体对固体压强及摩擦力的柔性传感器，其特征在于，所述悬臂梁的两侧面靠近底座的位置分别粘贴有至少两个应变片。
6.根据权利要求1-5任一项所述的用于测量二维力或流体对固体压强及摩擦力的柔性传感器，其特征在于，所述柔性传感器还包括与所述应变片连接的导线。
7.根据权利要求6所述的用于测量二维力或流体对固体压强及摩擦力的柔性传感器，其特征在于，所述柔性传感器还包括应变片测量电路，所述变片测量电路为多个应变片组成的全桥电路。
8.根据权利要求1所述的用于测量二维力或流体对固体压强及摩擦力的柔性传感器，其特征在于，所述第一腔体和所述第二腔体均为矩形腔体。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20210312 |