CN112615565A - 一种基于微型温差发电的物质识别装置及其识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于微型温差发电的物质识别装置及其识别方法，包括：微型温差发电单元和热源单元，所述微型温差发电单元为方形温差发电模块，所述方形温差发电模块由精密刻蚀或者是精密加工的PN节组成，所述方形温差发电模块的一侧设有冷端接触头；所述热源单元为热板，所述热板与所述方形温差发电模块紧密接触，本发明主要利用控制温差发电模块恒温在冷端接触头触碰物体时会得到电压反馈，从而起到精准的识别触碰物体的物质属性。

Description

一种基于微型温差发电的物质识别装置及其识别方法

技术领域

本发明涉及勘探技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于微型温差发电的物质识别装置及其识别方法。

背景技术

塞贝克效应的应用非常广泛，有收集能量方面的应用，比如自供电设备以及大面积的温差发电，还有传感器方面的应用，比如热电偶。在本专利中利用了塞贝克效应来实现一个简单且易实现的热触觉传感器，用于测量材料的类型，结构简单且测量结果精准可靠。

主要几种应用背景如下：首先便是智能机器人的应用，材料的识别一直是机器人感知方面的重要组成部分，它可以辅助机器人完成更加复杂的无人自主操作。在机器人完成复杂的任务时，无论是在日常环境中辅助人类工作的任务还是在高度危险环境中代替人类进行探索排查等任务，材料的种类都是一个非常有用的信息，可以增加采集样品和搜救工作等任务的成功率。除此之外，在工业上的机器人在工厂的多材料环境中进行可靠的分类别分拣动作非常依赖该类传感器。且在工厂这种被测材料种类较少的简单识别环境中，该传感器可以非常高效快速地完成几种材料的识别过程以辅助机器人完成分拣动作。

其次在医疗方面，可以应用在假肢中，可以将材料类型的信息传达给使用者。使假肢的设计更加人性化，符合人类的使用习惯。在商业上还可以代替人类的触觉感知进行触摸实验，进一步优化产品的触摸体验，优势在于不带有个人喜好色彩，且灵敏度相较于人类感知更高，感知的范围也比人类更加广泛。

在水下的应用也是非常广泛，除了配合水下机器人进行样本采集和水中搜救的任务，还可以实现水下地基勘探和水下管道位置的测量等任务，但是完成类似的大型任务相应的功率也应该有所提高。但是其它基于热力学原理的触觉传感器在水中测量材料类型是一个难题，因为考虑到水下水流无法确定，水流的强制对流换热会给装置的测量过程带来很大的干扰。本专利中的设备则在保证更高精度的同时还很好地解决了水流干扰这个问题。

虽然材料识别传感器的应用范围非常广泛，但是目前市场上的大多数材料识别传感器要么成本高昂、技术复杂，比如依赖人工智能和高算力的图像识别，要么成本低廉但是材料种类识别范围较小，比如基于涡流或者磁效应的传感器，只能辨别部分金属材料。所以目前急需一种成本低且辨别范围较广的材料识别传感器。

因此需要设计一种基于微型温差发电的物质识别方法与装置。

发明内容

根据上述提出现有的材料识别需要借助多种复杂技术进行识别的技术问题，而提供一种基于微型温差发电的物质识别装置及其识别方法。本发明主要利用控制温差发电模块恒温在冷端接触头触碰物体时会得到电压反馈，从而起到精准的识别触碰物体的物质属性。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于微型温差发电的物质识别装置，其特征在于，包括：微型温差发电单元和热源单元，所述微型温差发电单元为方形温差发电模块，所述方形温差发电模块由精密刻蚀或者是精密加工的PN节组成，所述方形温差发电模块的一侧设有冷端接触头；所述热源单元为热板，所述热板与所述方形温差发电模块紧密接触。

进一步地，所述方形温差发电模块设有所述冷端接触头的对侧面设有热端平衡触头，所述热端平衡触头的尺寸与所述冷端接触头相同。

进一步地，所述热板通过防护安装支架安装在所述方形温差发电模块上，所述防护安装支架的截面呈C型结构，所述防护安装支架的中段设有安装固定孔，所述热板设置在所述安装固定孔中。

进一步地，所述热板的侧面设有热电偶Ⅰ，所述热电偶Ⅰ设置在所述方形温差发电模块和所述防护安装支架之间；所述方形温差发电模块的所述冷端接触头和所述热端平衡触头之间的端面设有热电偶Ⅱ。

进一步地，所述防护安装支架的前端和后端设置在所述方形温差发电模块的所述冷端接触头和所述热端平衡触头之间的两侧面上，所述防护安装支架的前端设有热电偶防护开孔。

进一步地，所述冷端接触头的前端设有半球形导热硅胶。

本发明还提供了一种基于微型温差发电的物质识别装置的识别方法，其特征在于，所述微型温差发电单元的所述冷端接触头与接触物体接触时，所述冷端接触头的热量通过所述半球形导热硅胶传向所述接触物体，所述微型温差发电单元的冷端温度降低，在所述微型温差发电单元中产生温差使所述微型温差发电单元中产生电压，通过电压的不同改变最终能够对所述接触物体进行区分识别。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的一种基于微型温差发电的物质识别装置及其识别方法，结构简单，成本较低，便于推广使用。

2、本发明提供的一种基于微型温差发电的物质识别装置及其识别方法的传感器部分是以自供电的形式进行工作，而且灵敏度较高。

3、本发明提供的一种基于微型温差发电的物质识别装置及其识别方法，在应用于有强制对流换热的场景中时，尤其是应用于水下环境时，由于温差发电片两端同时处于同一散热环境中，因此可以直接将强制对流换热带来的干扰屏蔽掉。

4、本发明提供的一种基于微型温差发电的物质识别装置及其识别方法，对其他辅助设备的需求较少，装置工作的独立性较强。

5、本发明提供的一种基于微型温差发电的物质识别装置及其识别方法，在水上和水下两大场景中都能正常有效地工作。

基于上述理由本发明可在勘探技术等领域广泛推广。

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种基于微型温差发电的物质识别装置及其识别方法的示意图。

图2为本发明一种基于微型温差发电的物质识别装置及其识别方法的主视图。

图3为本发明一种基于微型温差发电的物质识别装置及其识别方法的应用示意图。

图中：1、热板；2、热电偶Ⅰ；3、热电偶Ⅱ；4、方形温差发电模块；5、冷端接触头；6、热端平衡触头；7、机械臂；8、防护安装支架。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1-3所示，本发明提供了一种基于微型温差发电的物质识别装置，包括：微型温差发电单元和热源单元，所述微型温差发电单元为方形温差发电模块4，所述方形温差发电模块4由精密刻蚀或者是精密加工的PN节组成，所述方形温差发电模块4的一侧设有冷端接触头5，所述冷端接触头5的前端设有半球形导热硅胶，所述方形温差发电模块4设有所述冷端接触头5的对侧面设有热端平衡触头6，所述热端平衡触头6的尺寸与所述冷端接触头5相同；所述热源单元为热板1，所述热板1与所述方形温差发电模块4紧密接触；所述热板1通过防护安装支架8安装在所述方形温差发电模块4上，所述防护安装支架8的截面呈C型结构，所述防护安装支架8的中段设有安装固定孔，所述热板1设置在所述安装固定孔中，所述热板1的侧面设有热电偶Ⅰ2，所述热电偶Ⅰ2设置在所述方形温差发电模块4和所述防护安装支架8之间；所述方形温差发电模块4的所述冷端接触头5和所述热端平衡触头6之间的端面设有热电偶Ⅱ3；所述防护安装支架8的前端和后端设置在所述方形温差发电模块4的所述冷端接触头5和所述热端平衡触头6之间的两侧面上，所述防护安装支架8的前端设有热电偶防护开孔。

本发明还提供了一种基于微型温差发电的物质识别装置的识别方法，其特征在于，所述微型温差发电单元的所述冷端接触头5与接触物体接触时，所述冷端接触头5的热量通过所述半球形导热硅胶传向所述接触物体，所述微型温差发电单元的冷端温度降低，在所述微型温差发电单元中产生温差使所述微型温差发电单元中产生电压，通过电压的不同改变最终能够对所述接触物体进行区分识别。

实施例1

如图1-3所示，本发明提供了一种基于微型温差发电的物质识别装置，包括：微型温差发电单元和热源单元，所述微型温差发电单元为方形温差发电模块4，所述方形温差发电模块4由精密刻蚀或者是精密加工的PN节组成，它们是基于塞贝克效应进行工作，即在温差发电单元的热端和冷端存在温差的情况下，温差发电单元就能输出相应的电势，输出的电势仅与微型温差发电单元内的PN结电腿材料本身性质以及温差大小有关，所述方形温差发电模块4的一侧设有冷端接触头5，所述冷端接触头5的前端设有半球形导热硅胶，所述半球形导热硅胶与所述冷端接触头5之间通过导热胶连接，所述半球形导热硅胶在识别不同形状和不同粗糙度的材料表面时，都能有一个良好的接触条件，所述方形温差发电模块4设有所述冷端接触头5的对侧面设有热端平衡触头6，所述热端平衡触头6的尺寸与所述冷端接触头5相同，所述热端平衡触头6的作用是在环境中所述热端平衡触头6和所述冷端接触头5的散热环境完全相同，此时所述微型温差发电单元并没有电压；所述热源单元为热板1，所述热板1与所述方形温差发电模块4紧密接触，所述热板1的热源可为帕尔贴效应形成的热源或焦耳热效应比如电池的余热(使用相变材料稳定温度波动)；所述热板1通过防护安装支架8安装在所述方形温差发电模块4上，所述防护安装支架8的截面呈C型结构，所述防护安装支架8的中段设有安装固定孔，所述热板1设置在所述安装固定孔中，所述热板1的侧面设有热电偶Ⅰ2，所述热电偶Ⅰ2设置在所述方形温差发电模块4和所述防护安装支架8之间；所述方形温差发电模块4的所述冷端接触头5和所述热端平衡触头6之间的端面设有热电偶Ⅱ3；所述防护安装支架8的前端和后端设置在所述方形温差发电模块4的所述冷端接触头5和所述热端平衡触头6之间的两侧面上，所述防护安装支架8的前端设有热电偶防护开孔。

本发明还提供了一种基于微型温差发电的物质识别装置的识别方法，其特征在于，所述微型温差发电单元的所述冷端接触头5与接触物体接触时，根据热力学第二定律，热量一定自发地从高温物体向低温物体传递，因此无外力干扰情况下热量一定会传递到物体，再根据热力学第一定律，所述微型温差发电单元的所述冷端接触头6失去热量一定会导致冷端降温，所述微型温差发电单元的冷端温度降低，在所述微型温差发电单元中产生温差使所述微型温差发电单元中产生电压，不同材料导致的微型温差发电单元冷端降温不同，因此通过所述微型温差发电单元的所述冷端接触头6接触被测物体导致的冷热两端温差不同能够反应到电压上，通过电压的不同改变最终能够对所述接触物体进行区分识别。

实施例2

如图3所示，机械臂7主要应用于水下环境之中，由所述机械臂7来进行多个自由度的运动调节并带本发明的所述冷端接触头5和未知物体进行接触，通过机械手施加一定的压力后，能使二者的表面进行充分接触以此来进行材料种类的识别。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种基于微型温差发电的物质识别装置，其特征在于，包括：微型温差发电单元和热源单元，所述微型温差发电单元为方形温差发电模块，所述方形温差发电模块由精密刻蚀或者是精密加工的PN节组成，所述方形温差发电模块的一侧设有冷端接触头；所述热源单元为热板，所述热板与所述方形温差发电模块紧密接触。

2.根据权利要求1所述的一种基于微型温差发电的物质识别装置，其特征在于，所述方形温差发电模块设有所述冷端接触头的对侧面设有热端平衡触头，所述热端平衡触头的尺寸与所述冷端接触头相同。

3.根据权利要求1所述的一种基于微型温差发电的物质识别装置，其特征在于，所述热板通过防护安装支架安装在所述方形温差发电模块上，所述防护安装支架的截面呈C型结构，所述防护安装支架的中段设有安装固定孔，所述热板设置在所述安装固定孔中。

4.根据权利要求1所述的一种基于微型温差发电的物质识别装置，其特征在于，所述热板的侧面设有热电偶Ⅰ，所述热电偶Ⅰ设置在所述方形温差发电模块和所述防护安装支架之间；所述方形温差发电模块的所述冷端接触头和所述热端平衡触头之间的端面设有热电偶Ⅱ。

5.根据权利要求1所述的一种基于微型温差发电的物质识别装置，其特征在于，所述防护安装支架的前端和后端设置在所述方形温差发电模块的所述冷端接触头和所述热端平衡触头之间的两侧面上，所述防护安装支架的前端设有热电偶防护开孔。

6.根据权利要求1所述的一种基于微型温差发电的物质识别装置，其特征在于，所述冷端接触头的前端设有半球形导热硅胶。

7.一种如权利要求1-6任意权利要求所述的一种基于微型温差发电的物质识别装置的识别方法，其特征在于，所述微型温差发电单元的所述冷端接触头与接触物体接触时，所述冷端接触头的热量通过所述半球形导热硅胶传向所述接触物体，所述微型温差发电单元的冷端温度降低，在所述微型温差发电单元中产生温差使所述微型温差发电单元中产生电压，通过电压变化的不同改变最终能够对所述接触物体进行区分识别。

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