CN111855048B - 基于声波导的传感器及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于声波导的传感器及制作方法，包括声波波导、换能器以及驱动电路，所述换能器安装在声波波导内，所述换能器与驱动电路电连接，所述声波波导采用柔性结构且在外力的作用下能够发生形变，所述传感器能够在一个换能器或多个换能器下工作；当换能器的数量为一个时，所述换能器能够产生声波并能够检测声波回波进而获得声波波导的形变信息；当换能器的数量为多个时，其中一个换能器产生声波，另一个或另多个换能器进而获得声波波导的形变信息，本发明通过采用声波波导以及换能器实现了声波波导形变的感知和测量，能够应用于假肢、机器人人造皮肤等技术，能够实现本体感觉，应用范围广泛，结构简单，检测精度高。

Description

基于声波导的传感器及制作方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体地，涉及一种基于声波导的传感器及制作方法。

背景技术

触觉传感器是用于机器人中模仿触觉功能的传感器。触觉是人与外界环境直接接触时的重要感觉功能，研制满足要求的触觉传感器是机器人发展中的技术关键之一，当前触觉传感器在虚拟现实的体验中也有重要的应用。

随着微电子技术的发展和各种有机材料的出现，现有技术中已经提出了多种多样的触觉传感器的研制方案，但现有的触觉传感器仍然存在诸多的不足，例如结构复杂、有弹性但不柔软等，由于现有技术中设计中的传感器不柔软，因此这就限制了传感器触觉传感的敏锐性，导致检测结果不精确。

专利文献CN106225961A公开了一种用于机器人的触觉传感器，该传感器的主体部分包括传感器外壳、橡胶触头、固定器、传动棒、检测线圈、FeGa材料、弹簧、左永磁体、右永磁体、导磁体；其中，橡胶触头呈半球形，固定在传感器外壳上表面的右侧；传动棒上端嵌在橡胶触头内部，下端竖直依次穿过固定器、传感器外壳，与FeGa材料相连；FeGa材料的左端固定在传感器外壳的左端内壁上，右端的上表面与传动棒和弹簧上端相连，中部套有检测线圈；传感器外壳内底铺设有导磁体，导磁体的左端和右端分别固定有左永磁体和右永磁体，两个永磁体的极头交错放置，但该设计结构复杂，传感精度低。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供基于声波导的传感器及制作方法。

根据本发明提供的一种基于声波导的传感器，包括声波波导、换能器以及驱动电路，所述换能器都安装在声波波导内，所述换能器与驱动电路电连接；

所述声波波导采用柔性结构，所述声波波导在外力的作用下能够发生形变，所述形变包括弯曲、伸长以及扭转；

所述传感器能够在一个换能器或多个换能器下工作；

当换能器的数量为一个时，所述换能器能够产生声波并能够检测在声波波导中传输的声波的回波信息进而获得声波波导的形变信息；

当换能器的数量为多个时，其中一个所述换能器能够产生声波并通过声波波导传输到另一个或另多个换能器进而获得声波波导的形变信息。

优选地，所述声波波导在断裂前能够伸长的最大长度为原来长度的400％。

优选地，所述声波波导采用聚合物制成；

所述聚合物包括有机硅和/或聚氨酯。

优选地，所述声波波导中还设置有填充物层，所述填充物层能够改变声波在所述声波波导和换能器之间传输时的声阻抗。

优选地，所述换能器采用压电陶瓷材料。

优选地，传感器还包括计算单元以及模拟前端；

所述驱动电路驱使换能器产生声波并在声波波导中传播且所述模拟前端能够获得换能器接收到的声波信号并传输给计算单元，所述计算单元输出计算信息进而获得声波波导的形变信息。

优选地，所述模拟前端包括模拟放大器以及数模转换器；

所述数模转换器分别与模拟放大器、计算单元信号连接。

优选地，还包括微控制器，所述微控制器与驱动电路信号连接。

根据本发明提供的一种基于声波导的传感器的制作方法，采用所述的基于声波导的传感器，包括如下步骤：

S1：根据声波波导实际的应用场景制作声波波导的模具；

S2：所述声波波导成型前先将换能器放置到所述模具中规定的位置；

S3：先将聚合物流体脱气后再浇铸在模具中，再对聚合物流体进行脱气后获得硬化成型的声波波导。

优选地，所述模具采用如下任一种加工方式：

-计算机辅助设计软件设计制作并采用3D打印机打印制作；

-数控加工。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明中声波波导通过采用基于聚合物的柔性结构，实现了声波波导形变的感知和测量，能够应用于假肢、机器人人造皮肤等技术，能够实现本体感觉，应用范围广泛，结构简单，检测精度高。

2、本发明能够根据声波波导实际的应用场景制作声波波导的模具，进而实现装置的制作，制作工艺简单，降低了生产成本。

3、本发明中设置有填充物，能够实现对所述声波波导中的声阻抗的改变，降低声阻抗失配，减少声波的损失，提高检测的精度。

4、本发明能够通过设置不同数量的换能器实现对声波波导形变信息的测量，结构灵活，能够根据不同的应用场景合理设计，实用性强。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明声波波导形变检测的原理示意图；

图3为传感器声波产生、传输以及接收的示意图，其中A)为第一个换能器产生波包时间与电压的关系示意图；B)为声波波导未发生形变时第二个换能器接收声波的电压和时间的关系图；C)为声波波导发生形变时第二个换能器接收声波的电压和时间的关系图；D)为声波波导发生伸长或扭转时第二个换能器接收声波的电压和时间的关系图；E)为第一个换能器发射和捕获波包的电压和时间的关系图。

图中示出：

声波波导1 换能器2 导线3

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供了一种基于声波导的传感器，如图1所示，包括声波波导1、换能器2以及驱动电路，所述换能器2都安装在声波波导1内，所述换能器2与驱动电路电连接；所述声波波导1采用柔性结构，所述声波波导1在外力的作用下能够发生形变，所述形变包括弯曲、伸长以及扭转等类型；所述换能器2的数量为一个或多个。当换能器2的数量为一个时，所述换能器2能够产生声波并能够检测在声波波导1中传输的声波的回波变化量进而获得声波波导1的形变信息；当换能器2的数量为多个时，其中一个所述换能器2能够产生声波并通过声波波导1传输到另一个或另多个换能器2进而获得声波波导1的形变信息，其中所述形变信息包括形变位置、形变幅度以及形变的类型等信息。

进一步地，本发明中的传感器包括至少一个所述的声波波导1、至少一个所述换能器2。本发明中声波波导1的形变测量通过换能器2产生声信号并通过检测声波信号进而实现，包括以下实现方式，包括：

-脉冲回波法：通过换能器2发送一个脉冲，由于不连续，这种脉冲产生的回波再由换能器2测量，即本发明中的换能器2既作为声波发射器，又作为声波接收器，如图3所示，实现本发明中的形变的检测。

-发射接收法：使用一个换能器2发送声波脉冲，声波脉冲通过声波波导1传输，所述声波脉冲由另外一个换能器2接收并测量。

-连续谐振频率法：一个换能器2连续产生一个较低振幅的信号，并由另外一个换能器2测量，需要对信号进行精确的频域分析。

-任何其他传统的声学信号处理方法，以及上述方法的组合。

具体地，本发明中的检测可以基于信号幅值、信号相位、信号频率、信号传输时间中的任一个或任多个信号特征。

进一步地，声波波导1的尺寸以及形状、换能器2的频率和换能器2在波导中的位置决定了所产生声波的类型。本发明能够通过换能器2多种类型的波实现形变的检测，包括表面波、横向波、纵向波、扭转波中的任一种或任多种组合。

具体地，本发明中还包括计算单元、微控制器以及模拟前端，所述微控制器与驱动电路信号连接，微控制器能够控制驱动电路输出控制电流进而驱使换能器2产生声波，所述模拟前端能够获得另一个换能器2接收到的声波信息或者能够获得发射声波的换能器2反射出的声波信号，所述模拟前端将获得的声波信息传输给计算单元，所述计算单元输出计算信息进而获得声波波导1的形变信息。在一个优选例中，所述模拟前端包括模拟放大器以及数模转换器，所述数模转换器分别与模拟放大器、计算单元信号连接，换能器2接收到或反射出的声波信号传输给模拟放大器，模拟放大器将微弱的模拟信号进行放大后传输给数模转换器，数模转换器将模拟信号转化为数字信号并传输给计算单元，进而获得声波波导1的形变信息。

进一步地，本发明在一个具体的测试试验中，如图2所示，声波操作板以100V的直流电源作为驱动电压，可调电源(UNI-T UTP3303)用于驱动变压器电路板提供+/-100V直流输出，变压器电路板采用DC-DC升压变换器开发板(YH11068A)，声波操作板采用开发超声波换能器操作板(MAX14808)，由可调电源提供电源供应，例如3.3V或3.5V，声波操作板连接变压器电路板，通过微控制器控制声波操作板进而实现一个换能器2发射声波并能够在发射后获取回波输出给示波器，或者通过另一个换能器2检测声波输出给示波器实现声波的检测进而获得声波波导1的形变量以及形变位置的检测。

具体地，所述声波波导1采用聚合物制成，所述聚合物为柔性结构，所述聚合物由一种或多种聚合物制成，包括有机硅和/或聚氨酯，例如采用硅胶弹性体，再例如聚氨酯弹性体。所述多种聚合物的区别在于力学特性和化学性质，因此能够改变声波在声波波导1中传输的方式以及在压力下声波波导1变形的方式。在一个优选例中，通过采用聚合物制作的声学波导管作为声波波导1，声波由放置在声波波导1内的换能器2产生，并通过声波波导1传输，通过另一个换能器2测量声波的变化能够实现对声波波导1形变的测量。

具体地，所述声波波导1能够进行弯曲、伸长以及扭转，声波波导1扭转时沿轴向方向能够旋转400次/米且不断裂，所述声波波导1在断裂前能够伸长，伸长的最大长度为原来长度的400％。在一个优选例中，声波波导1的尺寸采用长5㎝，宽1.7㎜，高1.7㎜。

在我们的应用中，多层压电陶瓷制作的换能器2能够产生超声波声波包，通过发送声波包，能够同时测量声波传输时间(TOF，time of flight)与信号幅度，同时将应变和力的测量进行解耦，波包可以用沿声波波导1纵向运动的谐振驻波来表示。共振是由于波从换能器2所在的声波波导1中心向波导聚合物/空气边界传输。假设介质是各向同性且边界无损失的，反射出的横波是完全反射的，波导截面被认为是一个侧面为1.7㎜的二维谐振器。谐振器支持第二模对称横波，该横波可在声波波导1中向前传播。

谐振腔的截止频率由下式给出:

fc＝Nv/2d

其中fc为截止频率，v是声波的速度，d是谐振腔侧面长度，N为声波模式，频率高于fc的波都能够在声波波导1中传输，频率低于fc的波都不能在声波波导1中传播。

具体地，本发明还包括连接器，所述连接器与换能器2信号连接，在一个优选例中，所述连接器上设置有SMA连接头，用于与外部的设备连接。一个完整的5cm的声波波导1重量约为5.9g，其中2.7g为带有SMA连接头的连接器。

进一步地，为了实现本发明中的检测，换能器2的密度较大，基于声波波导1的性质和体积相应的匹配合适的换能器2，以满足本发明的实际检测需求。

具体地，本发明在产品的制作过程中，根据声波波导1实际的应用场景制作声波波导1的模具，所述声波波导1成型前先将换能器2放在模具中，再将聚合物流体脱气后浇铸在模具中，再进行脱气硬化后获得声波波导1。其中，声波波导1的尺寸和换能器2在声波波导1内的位置决定了所产生的声波的强弱，同时换能器2在声波波导1内的位置也决定了可以传播的声波的频率和声波模式。

进一步地，在一个优选例中，模具的制作采用计算机辅助设计软件设计，例如Solidworks，并采用3D打印机打印制作；在一个变化例中，模具的制作采用数控加工，数控加工(numerical control machining)是指在数控机床上进行零件加工的一种工艺方法，数控机床加工。用数字信息控制零件和刀具位移的机械加工方法。它是解决零件品种多变、批量小、形状复杂、精度高等问题和实现高效化和自动化加工的有效途径。

制作本发明中的传感器时将选择好的聚合物混合后经脱气后倒进模具，再进行脱气，制作过程中彻底的聚合物脱气是至关重要的，因为气泡会导致声波传输出现不连续的情况。换能器2能够通过手动或自动的方式在模具中放置并对齐声波波导1，换能器2上设置有导线3，待制作完成后将换能器2上的导线3与连接器连接。

具体地，声波波导1可以是任意截面形状、任意大小和任意长度。声波波导1的作用是将声波从一个换能器2传输到另一个换能器2，或者从一个换能器2传输到声波波导1后，然后回波再传输回换能器2，声波波导1通过使用聚合物，我们可以制造出体积小、易于制造的软声波波导1，通过采用软声波波导能够制造更为精密的传感器。声波波导1可传输声波，也可作为某些频率的滤波器。

本发明中设计小型软传感器以及小截面结构的声波波导是最好的，机械坚固性和声学传输也必须考虑在内，为了改善这两种性质，采用将换能器2嵌入声波波导1中，换能器2的位移主要发生在装置的长度上，在实际应用中换能器2与声波波导1对齐并居中布置，在一个优选例中，声波波导1采用横截面积为正方形，正方形的边长为1.7㎜，声波波导1的端部连接有漏斗形结构件并将声波波导1夹紧，能够降低声波反射。

具体地，所述声波波导1中还设置有填充物，能够通过过滤、传输、反射、延迟等方式修改声波，实现对所述声波波导1中的声阻抗的改变。例如，压电陶瓷材料制作的换能器2很硬，而由聚合物制作的声波波导1很软，因此存在较大的声阻抗失配，声波不能很好地从换能器2传输到声波波导1，为了解决这个问题，通常在软声波波导1和换能器2之间创建一个或多个中间聚合物层和/或填充层。这些层在声阻抗和厚度上各不相同，使声波从换能器2传输声波时没有太多的声反射，减少声波的损失。填充物是内部有填料的聚合物基质。填充物可以是金属颗粒，但也可以是其他物质，用于改变聚合物的声阻抗。

本发明中声波的反射或吸收发生在不同介质之间的边界，取决于入射波与反射面或吸收面之间的夹角、反射和透射声波的振幅等因素，介质1到介质2的透射波(T)和反射波(R)的振幅由以下关系决定:

其中，声阻抗定义为:Z＝ρ*V，其中Z为声阻抗，ρ为体积密度，V为声波速度，因此，任何两种介质的声阻抗不匹配都会导致明显的声反射。

本发明的换能器2是在大表面上能够通过伸缩的方式感应大的机械变形。

具体地，所述驱动电路能够在给定的电压、频率下驱动换能器2，当采用脉冲回波模式时，驱动电路还可以保护换能器2的模拟前端。驱动电路采用数字电路，可以在多个传感器之间切换或复用，由一个数字控制电路，如微控制器来控制。其中所述的模拟前端用于测量到达或返回到换能器2的声波，测量敏感，因为声波可以很弱。模拟前端由几个不同的运算放大器和一个模数转换器组成。模拟前端还可以添加其他模拟电路，如解调器或滤波器，这取决于应用程序。模拟前端通常连接到一个微控制器或其他数字控制电路，在压缩、拉伸、压力条件下，对测量到的声波进行修正，从而实现对特定参数的监测。

本发明的工作原理如下：

声波由换能器2产生，声波在声波波导1中传输，由于我们制造的声波波导1是软的，能够被拉伸、弯曲以及扭转，当声波传递到另一个换能器2或返回到原始换能器2时，换能器2能够对声波信息进行测量，通过对声波测量获得的信息进而得出声波波导1变形的信息，包括拉伸、弯曲以及扭转的幅度以及位置，如图3所示。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (9)

1.一种基于声波导的传感器，其特征在于，包括声波波导(1)、换能器(2)以及驱动电路，所述换能器(2)都安装在声波波导(1)内，所述换能器(2)与驱动电路电连接；

所述声波波导(1)采用聚合物制成的柔性结构，所述聚合物包括有机硅和/或聚氨酯，所述声波波导(1)在外力的作用下能够发生形变，所述形变包括弯曲、伸长以及扭转；

所述传感器能够在一个换能器(2)或多个换能器(2)下工作；

当换能器(2)的数量为一个时，所述换能器(2)能够产生声波并能够检测在声波波导(1)中传输的声波的回波信息进而获得声波波导(1)的形变信息；

当换能器(2)的数量为多个时，其中一个所述换能器(2)能够产生声波并通过声波波导(1)传输到另一个或另多个换能器(2)进而获得声波波导(1)的形变信息。

2.根据权利要求1所述的基于声波导的传感器，其特征在于，所述声波波导(1)在断裂前能够伸长的最大长度为原来长度的400％。

3.根据权利要求1所述的基于声波导的传感器，其特征在于，所述声波波导(1)中还设置有填充物层，所述填充物层能够改变声波在所述声波波导(1)和换能器(2)之间传输时的声阻抗。

4.根据权利要求1所述的基于声波导的传感器，其特征在于，所述换能器(2)采用压电陶瓷材料。

5.根据权利要求1所述的基于声波导的传感器，其特征在于，还包括计算单元以及模拟前端；

所述驱动电路驱使换能器(2)产生声波并在声波波导(1)中传播且所述模拟前端能够获得换能器(2)接收到的声波信号并传输给计算单元，所述计算单元输出计算信息进而获得声波波导(1)的形变信息。

6.根据权利要求5所述的基于声波导的传感器，其特征在于，所述模拟前端包括模拟放大器以及数模转换器；

所述数模转换器分别与模拟放大器、计算单元信号连接。

7.根据权利要求1所述的基于声波导的传感器，其特征在于，还包括微控制器，所述微控制器与驱动电路信号连接。

8.一种基于声波导的传感器的制作方法，其特征在于，采用权利要求1至7任一项所述的基于声波导的传感器，包括如下步骤：

S1：根据声波波导(1)实际的应用场景制作声波波导(1)的模具；

S2：所述声波波导(1)成型前先将换能器(2)放置到所述模具中规定的位置；

S3：先将聚合物流体脱气后再浇铸在模具中，再对聚合物流体进行脱气后获得硬化成型的声波波导(1)。

9.根据权利要求8所述的基于声波导的传感器的制作方法，其特征在于，所述模具采用如下任一种加工方式：

-计算机辅助设计软件设计制作并采用3D打印机打印制作；

-数控加工。

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