CN111521305B - 一种用于测量机械信号的仿生传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于测量机械信号的仿生传感器及其制造方法，包括：传感器单元、传感器支架以及电阻检测装置；传感器单元包括柔性基底层；设置在柔性基底层上的毛杆和信号处理层；毛杆呈倒立圆台状；信号处理层上设置有裂纹。本发明的仿生传感器中呈倒立圆台状的毛杆具有较大的惯性，测量过程中信号处理层上的裂纹会随柔性基底层的形变而张合，可以得到较大的电阻变化，从而提高仿生传感器的测量灵敏度，使仿生传感器可以适用对微弱机械信号的检测，且本发明的仿生传感器可以同时对空间和平面内的多种机械信号进行测量，对空间和平面中的多重信号适应性强，集成度高。

Description

一种用于测量机械信号的仿生传感器及其制造方法

技术领域

本申请涉及机械信号测量技术领域，特别是涉及一种用于测量机械信号的仿生传感器及其制造方法。

背景技术

随着智能设备的发展，例如智能穿戴设备、航空航天设备和高精度机床加工等领域，对环境中机械信号的精确测量具有十分重要的意义。现有用于测量机械信号的传感器包括加速度传感器、应力传感器或者流量传感器等，现有传感器的测量对象较为单一，例如加速度传感器只能用来测量加速度信号，流量传感器只能用来测量空间流量信号，对空间和平面中的多重信号适应性差，集成度低。另外，现有传感器的检测灵敏度低，不适用对微弱机械信号的测量。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种用于测量机械信号的仿生传感器及其制造方法，克服现有传感器测量对象单一，对空间和平面中的多重信号适应性差，集成度低，检测灵敏度低，不适用对微弱机械信号的检测等问题。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

一种用于测量机械信号的仿生传感器，其中，包括：传感器单元；与所述传感器单元连接，用于固定所述传感器单元的传感器支架；与所述传感器单元连接，用于接收所述传感器单元的电阻变化信号的电阻检测装置；所述传感器单元包括柔性基底层；设置在所述柔性基底层上的毛杆和信号处理层；所述毛杆呈倒立圆台状；所述信号处理层上设置有裂纹。

所述的用于测量机械信号的仿生传感器，其中，所述柔性基底层包括柔性基底层下层；设置在所述柔性基底层下层上的柔性基底层中层；设置在所述柔性基底层中层上的柔性基底层上层；所述柔性基底层下层、所述柔性基底层中层、所述柔性基底层上层的弹性模量逐渐降低。

所述的用于测量机械信号的仿生传感器，其中，所述柔性基底层由四个扇形区域组成；各个所述扇形区域呈弧状且汇交于扇形区域的顶点；各个所述扇形区域的面积和形状相同。

所述的用于测量机械信号的仿生传感器，其中，所述毛杆设置在各个所述扇形区域的顶点上；所述毛杆与所述扇形区域的顶点连接的一端呈锯齿结构；所述毛杆由碳纤维或玻璃纤维组成；所述毛杆的高度不低于20mm。

所述的用于测量机械信号的仿生传感器，其中，所述裂纹设置在各个所述扇形区域上；所述裂纹的长度贯穿整个所述扇形区域；所述裂纹的深度不超过所述柔性基底层中层。

所述的用于测量机械信号的仿生传感器，其中，所述裂纹的方向与水平面的夹角为0°～45°；所述裂纹的宽度由下至上逐渐递增且所述裂纹的宽度不超过200μm。

所述的用于测量机械信号的仿生传感器，其中，所述传感器支架包括与所述传感器单元连接的L型支架；设置在所述L型支架两端的空心柱体。

一种用于测量机械信号的仿生传感器的制造方法，用于制造所述的用于测量机械信号的仿生传感器，其中，该用于测量机械信号的仿生传感器上的传感器单元的制造方法包括如下步骤：

通过对第一曲面形模具进行硅胶或者环氧树脂浇筑，得到未完全固化的硅胶或者环氧树脂；

通过第二曲面形模具对所述未完全固化的硅胶或者环氧树脂浇筑聚二甲基硅氧烷，并在所述第二曲面形模具底部固定所述毛杆，得到与所述毛杆连接的柔性基底层；

通过金属离子镀膜仪将金颗粒或者银颗粒镀在所述柔性基底层靠近所述毛杆的一面上，形成信号处理层；

通过刀片或者激光打标机在所述信号处理层上制造裂纹，得到所述传感器单元。

所述的用于测量机械信号的仿生传感器的制造方法，其中，所述通过刀片或者激光打标机在所述信号处理层上制造裂纹，得到所述仿生传感器的步骤之后还包括：

将二氧化硅颗粒、环氧树脂和聚二甲基硅氧混合，通过超声波震荡制备成疏水试剂；

将所述疏水试剂喷射在所述信号处理层上，形成疏水层。

所述的用于测量机械信号的仿生传感器的制造方法，其中，所述通过刀片或者激光打标机在所述信号处理层上制造裂纹的步骤之前还包括：

通过激光打标机将所述柔性基底层切割为四个形状和面积相等的扇形区域。

有益效果：本发明提供了一种用于测量机械信号的仿生传感器及其制造方法，基于蝎子的蛊毛底部的塔状结构和琴缝结构，形成了一个可以同时对空间和平面内的多种机械信号进行测量的仿生传感器，对空间和平面中的多重信号适应性强，集成度；仿生传感器中呈倒立圆台状的毛杆具有较大的惯性，测量过程中信号处理层上的裂纹会随柔性基底层的形变而张合，可以得到较大的电阻变化，从而提高仿生传感器的测量灵敏度，使仿生传感器可以适用对微弱机械信号的检测。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的用于测量机械信号的仿生传感器的结构示意图；

图2为本发明实施例中提供的用于测量机械信号的仿生传感器中传感器单元的结构示意图；

图3为本发明实施例中提供的传感器单元的局部放大图；

图4为本发明实施例中提供的传感器单元中的柔性基底层的局部放大图；

图5为本发明实施例中提供的传感器支架的局部放大图；

图6为本发明实施例中提供的用于测量机械信号的仿生传感器的制造方法的较佳实施例流程图；

图7为本发明实施例中提供的用于测量机械信号的仿生传感器的制造方法的制程示意图；

图8为本发明实施例中提供的用于测量机械信号的仿生传感器的工作示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

受自然界中蝎子的蛊毛底部的塔状结构及蝎子的琴缝结构启示，为了解决现有传感器测量对象单一，对空间和平面中的多重信号适应性差，集成度低，检测灵敏度低，不适用对微弱机械信号的检测的问题，本发明提供了一种用于测量机械信号的仿生传感器及其制造方法，如图1、图2和图4所示，所述仿生传感器包括：传感器单元1；与所述传感器单元1连接，用于固定所述传感器单元1的传感器支架2；与所述传感器单元1连接，用于接收所述传感器单元1的电阻变化信号的电阻检测装置3；所述传感器单元1包括柔性基底层11；设置在所述柔性基底层11上的毛杆12和信号处理层13；所述毛杆12呈倒立圆台状；所述信号处理层13上设置有裂纹14。具体测量过程中，所述传感器单元1与所述电阻检测装置3通过导线4连接，呈倒立圆台状的毛杆12具有较大的惯性，空间和平面的机械信号带动传感器单元1上的毛杆12发生偏转，毛杆12的偏转带动柔性基底层11产生形变，柔性基底层11的形变使得信号处理层13上的裂纹14张开和闭合，进而使得信号处理层13产生电阻变化，电阻变化信号通过导线4输出到电阻检测装置3，从而对空间和平面上的机械信号进行测量。本发明的仿生传感器可以同时对空间和平面内的多种机械信号进行测量，例如加速度信号、空间流量信号、平面微振动信号等；呈倒立圆台状的毛杆12具有较大的惯性，测量过程中信号处理层13上的裂纹14会随柔性基底层11的形变而张合，可以得到较大的电阻变化，从而提高仿生传感器的测量灵敏度，使仿生传感器可以适用对微弱机械信号的检测。

具体实施时，在使用本发明的仿生传感器测量空间中物体的加速度信号时，将本发明的仿生传感器固定在运动的物体上，物体的运动带动仿生传感器做同步运动，在物体的加速度发生变化时，毛杆12倒立的圆台状外形使其具有较大的惯性，毛杆12由于惯性发生偏转，毛杆12的偏转带动毛杆12底部的柔性基底层11产生形变，使得柔性基底层11上的信号处理层13上的裂纹14张开和闭合，进而使得信号处理层13产生电阻变化，电阻变化通过导线4输出到电阻检测装置3，根据电阻检测装置3测量的电阻变化即可测量物体的加速度信号。

具体实施时，在使用本发明的仿生传感器测量空间流量信号时，将本发明的仿生传感器置于待测空间中，空间中流体的运动对毛杆12产生压力，毛杆12由于惯性发生偏转，毛杆12的偏转带动毛杆12底部的柔性基底层11产生形变，柔性基底层11的形变使得信号处理层13中的裂纹14张开和闭合，进而使得信号处理层13产生电阻变化，电阻变化通过导线4输出到电阻检测装置3，根据电阻检测装置3测量的电阻变化即可测量空间流量信号。

具体实施时，在使用本发明的仿生传感器测量平面应力时，将本发明的仿生传感器固定在待测平面上，平面上的应力变化对柔性基底层11造成形变，柔性基底层11的形变使得信号处理层13中的裂纹14张开和闭合，进而使得信号处理层13产生电阻变化，电阻变化通过导线4输出到电阻检测装置3，根据电阻检测装置3测量的电阻变化即可测量平面应力信号。

具体实施时，基于蝎子琴缝感受器的启发，如图3和图4所示，本发明所述柔性基底层11包括柔性基底层下层111；设置在所述柔性基底层下层111上的柔性基底层中层112；设置在所述柔性基底层中层112上的柔性基底层上层113；所述柔性基底层下层111、所述柔性基底层中层112、所述柔性基底层上层113的弹性模量逐渐降低。当信号处理层13上的裂纹14由上往下扩展到柔性基底层中层112时，由于弹性模量变大，限制了裂纹14的扩张，保证了裂纹14存在的稳定性。

具体实施时，如图2所示，所述柔性基底层11由若干个扇形区域组成；各个所述扇形区域呈现弧状且汇交于扇形区域的顶点；各个所述扇形区域的面积和形状相同。在一具体实施例中，所述柔性基底层11由四个扇形区域组成，四个所述扇形区域与顶点相对的边的延长线相交组成正方形。

具体实施时，如图3所示，所述毛杆12设置在各个所述扇形区域的顶点上，为了更好的使毛杆12与柔性基底层11结合，所述毛杆12与所述扇形区域的顶点连接的一端121呈锯齿结构。所述毛杆12由碳纤维或玻璃纤维组成，使得所述毛杆12具有质量轻，强度高，耐腐蚀，高模量的特性。为了使得毛杆12能够检测空间和平面机械信号的微弱变化，所述毛杆12的高度不低于20mm。

具体实施时，如图2所示，所述裂缝设置在各个所述扇形区域上；所述裂纹14的长度贯穿整个所述扇形区域；所述裂纹14的深度不超过所述柔性基底层中层112；所述裂纹14的方向与水平面的夹角为0°～45°；所述裂纹14的宽度由下至上逐渐递增且所述裂纹14的宽度不超过200μm。

在一具体实施方式中，所述信号处理层13上还设置有疏水层15，疏水层15的存在可以使本发明的仿生传感器可以在水下进行机械信号的测量。所述疏水层15由粒径为200nm的二氧化硅颗粒、环氧树脂以及聚二甲基硅氧烷的疏水试剂通过喷雾法制备而成。

在一具体实施方式中，如图5所示，所述传感器支架2包括与所述传感器单元1连接的L型支架21；设置在所述L型支架21两端的空心柱体22。所述空心柱体22可以为任意形状的空心柱体，例如空心圆柱体、空心方柱体等，所述空心柱体22的一端设置有螺母23，穿过所述空心柱体22设置有螺栓24，所述传感器支架2设置有多个，多个所述传感器支架2通过螺母23和螺栓24连接固定。在一具体实施例中，所述传感器单元1设置为四个，每个传感器单元1的柔性基底层11由四个面积和形状相同的扇形区域组成，各个传感器单元1通过扇形区域与其它传感器单元1连接。所述传感器支架2与所述传感器单元1对应设置为四个，各个所述L型支架与传感器单元1中未与其它传感器单元1连接的扇形区域连接。各个空心柱体22的一端设置有螺母23，四个L型支架通过螺母23与穿过空心柱体22的螺栓24固定连接成正方形。

此外，本发明实施例还提供了一种上述用于测量机械信号的仿生传感器的制造方法，其中，如图6和图7所示，该用于测量机械信号的仿生传感器上的传感器单元的制造方法包括如下步骤：

S100、通过对第一曲面形模具进行硅胶或者环氧树脂浇筑，得到未完全固化的硅胶或者环氧树脂；

S200、通过第二曲面形模具对所述未完全固化的硅胶或者环氧树脂浇筑聚二甲基硅氧烷，并在所述第二曲面形模具底部固定所述毛杆，得到与所述毛杆连接的柔性基底层；

S300、通过金属离子镀膜仪将金颗粒或者银颗粒镀在所述柔性基底层靠近所述毛杆的一面上，形成信号处理层；

S400、通过刀片或者激光打标机在所述信号处理层上制造裂纹，得到所述传感器单元。

在一具体实施方式中，如图7所示，为了制备上述所述的用于测量机械信号的仿生传感器上的传感器单元，本实施例中首先通过对第一曲面形模具进行硅胶或者环氧树脂浇筑，并对硅胶或者环氧树脂进行固化处理，经过10～15h后，硅胶或者环氧树脂进入未完全固化状态，得到未完全固化的硅胶或者环氧树脂；然后通过第二曲面形模具对所述未完全固化的硅胶或者环氧树脂浇筑聚二甲基硅氧烷，并将毛杆12呈锯齿结构的一端对准第二曲面形模具底部，使得毛杆12锯齿状结构可以与硅胶或者环氧树脂和聚二甲基硅氧烷一同固化。此时硅胶或者环氧树脂形成柔性基底层下层111，未完全固化的硅胶或者环氧树脂与未固化的聚二甲基硅氧烷交融的部分形成柔性基底层中层112，柔性基底层中层112的弹性模量低于柔性基底层下层111；与未完全固化的硅胶或者环氧树脂没有交融的聚二甲基硅氧烷形成柔性基底层上层113，柔性基底层上层113的弹性模量低于柔性基底层中层112。经过24h固化后，聚二甲基硅氧烷完全固化后脱模，得到与毛杆12连接的柔性基底层11。

进一步地，在得到与毛杆12连接的柔性基底层11后，通过金属离子镀膜仪将金颗粒或者银颗粒镀在所述柔性基底层11靠近所述毛杆12的一面上，形成信号处理层13；随后通过刀片或者激光打标机在所述信号处理层13上制造裂纹14，得到所述仿生传感器。制造裂纹14的目的是使信号处理层13可以进行张合，使其电阻具有较大的改变，增加灵敏度。具体地，制造裂纹14时的裂纹14深度到柔性基底层上层113或柔性基底层中层112，然后通过人工预拉伸的方式使裂纹14进一步向下扩展，但裂纹14的扩展深度不得超过柔性基底层中层112。

在一具体实施方式中，步骤S400之后还包括：

S510、将二氧化硅颗粒、环氧树脂和聚二甲基硅氧混合，通过超声波震荡制备成疏水试剂；

S520、将所述疏水试剂喷射在所述信号处理层13上，形成疏水层。

具体实施时，将粒径为200nm的二氧化硅颗粒、环氧树脂以及聚二甲基硅氧烷混合后装入雾化喷壶中制成疏水试剂，然后通过超声波震荡使二氧化硅颗粒、环氧树脂以及聚二甲基硅氧烷混合均匀；通过雾化喷壶将疏水试剂均匀喷射在信号处理层13上，形成疏水层15，疏水层15的存在可以使得本发明的仿生传感器可以在水下进行机械信号的测量。

在一具体实施方式中，步骤S400中所述通过刀片或者激光打标机在所述信号处理层上制造裂纹的步骤之前还包括：

M300、通过激光打标机将所述柔性基底层切割为四个形状和面积相等的扇形区域。

具体实施时，为了可以对信号源的方位进行进一步定位，提高测量结果的准确性，如图8所示，本实施例中在制备出柔性基底层后，通过激光打标机将柔性基底层切割为四个形状和面积相等的扇形区域，每个扇形区域分布呈弧状且最后汇交于扇形区域的顶点，信号处理层上的裂纹位于各个扇形区域上，且所述裂纹的长度贯穿整个扇形区域，每个扇形区域作为独立的信息处理单元，最终形成四通道传感结构。在测量过程中，当毛杆受到外界机械信号的刺激时进行偏转，毛杆的偏转带动柔性基底层发生形变，柔性基底层的形变影响柔性基底层上的信号处理层中裂纹的张合，从而导致电阻发生较大变化。在微弱的机械刺激下，毛杆由于杠杆作用对机械信号进行放大，会导致较大的电阻变化△R。通过四个不同的△R的数值，可以对信号源的方向进行定位。

综上所述，本发明提供了一种用于测量机械信号的仿生传感器及其制造方法，包括：传感器单元；与所述传感器单元连接，用于固定所述传感器单元的传感器支架；与所述传感器单元连接，用于接收所述传感器单元的电阻变化信号的电阻检测装置；所述传感器单元包括柔性基底层；设置在所述柔性基底层上的毛杆和信号处理层；所述毛杆呈倒立圆台状；所述信号处理层上设置有裂纹。本申请的仿生传感器中呈倒立圆台状的毛杆具有较大的惯性，测量过程中信号处理层上的裂纹会随柔性基底层的形变而张合，可以得到较大的电阻变化，从而提高仿生传感器的测量灵敏度，使仿生传感器可以适用对微弱机械信号的检测，且本发明的仿生传感器可以同时对空间和平面内的多种机械信号进行测量，对空间和平面中的多重信号适应性强，集成度高。

应当理解的是，本发明的系统应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于测量机械信号的仿生传感器，其特征在于，包括：传感器单元；与所述传感器单元连接，用于固定所述传感器单元的传感器支架；与所述传感器单元连接，用于接收所述传感器单元的电阻变化信号的电阻检测装置；所述传感器单元包括柔性基底层；设置在所述柔性基底层上的毛杆和信号处理层；所述毛杆呈倒立圆台状；所述信号处理层上设置有裂纹；所述毛杆由碳纤维或玻璃纤维组成；

所述柔性基底层包括柔性基底层下层；设置在所述柔性基底层下层上的柔性基底层中层；设置在所述柔性基底层中层上的柔性基底层上层；所述柔性基底层下层、所述柔性基底层中层、所述柔性基底层上层的弹性模量逐渐降低；所述裂纹的深度不超过所述柔性基底层中层，所述裂纹随所述柔性基底层的形变而张合；

所述柔性基底层由四个扇形区域组成，各个所述扇形区域呈弧状且汇交于扇形区域的顶点，四个扇形区域的形状及面积均相同，四个扇形区域为阵列镂空分布且上端相连而下端分开；

所述裂纹设置在四个具有弯度的扇形区域上；所述裂纹的长度贯穿整个所述扇形区域；所述裂纹的方向与水平面的夹角为0°～45°。

2.根据权利要求1所述的用于测量机械信号的仿生传感器，其特征在于，所述毛杆设置在各个所述扇形区域的顶点上；所述毛杆与所述扇形区域的顶点连接的一端呈锯齿结构；所述毛杆的高度不低于20mm。

3.根据权利要求1所述的用于测量机械信号的仿生传感器，其特征在于，所述裂纹的宽度由下至上逐渐递增且所述裂纹的宽度不超过200μm。

4.根据权利要求1所述的用于测量机械信号的仿生传感器，其特征在于，所述传感器支架包括与所述传感器单元连接的L型支架；设置在所述L型支架两端的空心柱体。

5.一种用于测量机械信号的仿生传感器的制造方法，用于制造如权利要求1～4任一项所述的用于测量机械信号的仿生传感器，其特征在于，该用于测量机械信号的仿生传感器上的传感器单元的制造方法包括如下步骤：

通过对第一曲面形模具进行硅胶或者环氧树脂浇筑，得到未完全固化的硅胶或者环氧树脂；

通过第二曲面形模具对所述未完全固化的硅胶或者环氧树脂浇筑聚二甲基硅氧烷，并在所述第二曲面形模具底部固定所述毛杆，得到与所述毛杆连接的柔性基底层；

通过金属离子镀膜仪将金颗粒或者银颗粒镀在所述柔性基底层靠近所述毛杆的一面上，形成信号处理层；

通过刀片或者激光打标机在所述信号处理层上制造裂纹，得到所述传感器单元。

6.根据权利要求5所述的用于测量机械信号的仿生传感器的制造方法，其特征在于，所述通过刀片或者激光打标机在所述信号处理层上制造裂纹，得到所述仿生传感器的步骤之后还包括：

将二氧化硅颗粒、环氧树脂和聚二甲基硅氧混合，通过超声波震荡制备成疏水试剂；

将所述疏水试剂喷射在所述信号处理层上，形成疏水层。

7.根据权利要求6所述的用于测量机械信号的仿生传感器的制造方法，其特征在于，所述通过刀片或者激光打标机在所述信号处理层上制造裂纹的步骤之前还包括：

通过激光打标机将所述柔性基底层切割为四个形状和面积相等的扇形区域。

Images