CN111307352A - 一种可以测量流体与固体间摩擦力的柔性传感器 - Google Patents

一种可以测量流体与固体间摩擦力的柔性传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可以测量流体与固体间摩擦力的柔性传感器。该传感器包括：底座、悬臂梁、应变片和超弹性材料制成的柔性冠；所述柔性冠，内部开设有空腔，扣设于底座上，内部上壁中开设有与空腔相连通的解耦槽，外侧上表面固定有被测材料；所述悬臂梁，位于空腔内，一端固定于底座上，另一端插入所述解耦槽；在平行于摩擦力方向上，悬臂梁插入所述解耦槽的部分的尺寸与所述解耦槽的尺寸相匹配；在垂直于摩擦力方向上，悬臂梁插入所述解耦槽的部分与所述解耦槽的槽顶之间留有间隙；所述应变片，设置在所述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，进而实现对摩擦力的精确测量。

Description

一种可以测量流体与固体间摩擦力的柔性传感器
技术领域
本发明涉及柔性传感器技术领域，特别是涉及一种可以测量流体与固体间摩擦力的柔性传感器。
背景技术
摩擦力作为关键力学量的一种，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问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以测量流体与固体间摩擦力的柔性传感器，能够实现摩擦力与正压力之间的解耦，进而实现对摩擦力的精确测量。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种可以测量流体与固体间摩擦力的柔性传感器，包括：底座、悬臂梁、应变片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，内部上壁中开设有与所述空腔相连通的解耦槽，外侧上表面固定有被测材料；
所述悬臂梁，位于所述空腔内，一端固定于所述底座上，另一端插入所述解耦槽；在平行于摩擦力方向上，所述悬臂梁插入所述解耦槽的部分的尺寸与所述解耦槽的尺寸相匹配；在垂直于摩擦力方向上，所述悬臂梁插入所述解耦槽的部分与所述解耦槽的槽顶之间留有间隙；
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所述应变片组成的全桥电路。
可选的，所述解耦槽为矩形槽。
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设置了解耦槽，在平行于测量摩擦力方向上，该解耦槽的尺寸与悬臂梁插入解耦槽的那部分的尺寸大小相匹配，在垂直于测量摩擦力方向上，悬臂梁插入解耦槽的部分与解耦槽的槽顶留有间隙。这样，在测量摩擦力时，在正压力作用下，柔性冠向下运动，但由于悬臂梁插入解耦槽的部分与解耦槽的槽顶留有间隙，悬臂梁插入解耦槽的部分并不会与解耦槽的槽顶相接触，进而悬臂梁也就不会受到正压力的影响，实现了对正压力的解耦。同时，悬臂梁插入解耦槽的部分在平行于摩擦力方向尺寸与解耦槽相匹配，这使得，柔性冠能够将摩擦力方向的受力传递给悬臂梁，使悬臂梁弯曲变形，进而实现对摩擦力的测量。本发明由于对正压力进行了解耦，进而实现了对摩擦力的精确测量。
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悬臂梁与底座部分结构示意图；
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、空腔；5、底座；6、间隙；7、悬臂梁插入解耦槽的部分；8、应变片。
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。
本发明提供了一种可以测量流体与固体间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5、悬臂梁3、应变片8和超弹性材料制成的柔性冠2；
所述柔性冠2为中空结构，且内部上壁中开设有与空腔4相连通的解耦槽；所述柔性冠2扣设于所述底座5上，外侧上表面固定有被测材料1；
所述悬臂梁3位于柔性冠2的空腔4内，悬臂梁3的一端固定于所述底座5上，另一端插入所述解耦槽；在平行于摩擦力方向上，所述悬臂梁3插入所述解耦槽的部分7的尺寸与所述解耦槽的尺寸相匹配；在垂直于摩擦力方向上，所述悬臂梁3插入所述解耦槽的部分7与所述解耦槽的槽顶之间留有间隙6，即所述悬臂梁3插入所述解耦槽的部分7与解耦槽槽顶并不接触，此处的间隙6大小可以根据需要自行设置；
所述应变片8设置在所述悬臂梁3的两侧面，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，其中，应变片8的数量可以为多个。需要说明的是，靠近底座5的位置可以理解为悬臂梁3中点以下的位置。
底座5与悬臂梁3固定连接在一起，柔性冠2与底座5连接在一起。
当被测材料1受到外部测量材料施加的正压力或者流体压强时，测量材料带动柔性冠2发生向下位移，此时由于解耦槽的作用，柔性冠2的垂直位移对弯曲敏感梁的变形影响非常小。当柔性冠2在测量材料(测量材料可以为流体材料或固体材料)摩擦力的作用下发生平动时，会带动弯曲敏感梁发生弯曲变形。选择不同的柔性冠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。
在上述实施例的基础上，本实施例柔性冠2的外侧上表面为一平面，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。在测量时，需要测量何种材料的摩擦力时，就将该种材料粘贴于柔性冠2外侧的上表面上。
在上述实施例中，所述悬臂梁3垂直于所述被测材料1所在平面。
在上述实施例的基础上，本实施例悬臂梁3的两侧面分别粘贴有至少两个应变片8。本发明提供的柔性传感器还可以包括与所述应变片8连接的导线(引出线经由空腔4引出)。在本实施例中，所述柔性传感器还可以包括应变片8测量电路，所述变片测量电路为至少四个应变片8组成的全桥电路，用于测量变形。其变形正比于所测摩擦力，通过电阻应变片8测出这一信号，所以应变片8的输出反映了摩擦力的大小。
在上述实施例的基础上，本实施例中解耦槽可以为矩形槽。
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，还能测量固体与流体之间的摩擦力。
在测量固体与固体间的摩擦力时，在传感器柔性冠2的上表面粘贴被测材料1，采用测量材料在被测材料1表面运动，柔性传感器便可以测出二者之间的摩擦力，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摩擦力时，柔性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，即传感器之间的解耦。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，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，可得到关于摩擦力的n×n(n2)系数，重复标定所有传感器。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
Figure BDA0002431284430000051
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
Figure BDA0002431284430000052
输入值就是最终测量值。
测量流体与固体间的摩擦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。
本发明提供的可以测量流体与固体间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，传感器的测量值不受正压力的干扰，能够实现对摩擦力的精确测量。
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 (7)

1.一种可以测量流体与固体间摩擦力的柔性传感器，其特征在于，包括：底座、悬臂梁、应变片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，内部上壁中开设有与所述空腔相连通的解耦槽，外侧上表面固定有被测材料；
所述悬臂梁，位于所述空腔内，一端固定于所述底座上，另一端插入所述解耦槽；在平行于摩擦力方向上，所述悬臂梁插入所述解耦槽的部分的尺寸与所述解耦槽的尺寸相匹配；在垂直于摩擦力方向上，所述悬臂梁插入所述解耦槽的部分与所述解耦槽的槽顶之间留有间隙；
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。
2.根据权利要求1所述的可以测量流体与固体间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。
3.根据权利要求1所述的可以测量流体与固体间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。
4.根据权利要求1所述的可以测量流体与固体间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。
5.根据权利要求1-4任一项所述的可以测量流体与固体间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。
6.根据权利要求5所述的可以测量流体与固体间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所述应变片组成的全桥电路。
7.根据权利要求1所述的可以测量流体与固体间摩擦力的柔性传感器，其特征在于，所述解耦槽为矩形槽。
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