CN113551818B - 一种基于负泊松比结构的测量方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于负泊松比结构的测量方法及系统，将光源、负泊松比结构和光电池依次平行设置，将负泊松比结构作为基底与被测物接触，当被测物产生变形后对负泊松比结构施加力的作用，负泊松比结构产生弹性变形，光源发出的光线经弹性变形后的负泊松比结构照射在光电池上，通过数据采集设备采集光电池的电信号，利用电信号与被测量之间的关系获取被测量大小。本发明可选结构灵活多样，整体设计简便；组成部分相互独立，没有物理连接，能有效减少干扰和噪声的传递，测量精度较高。
Description
技术领域
本发明属于测量技术领域，具体涉及一种基于负泊松比结构的测量方法及系统。
背景技术
现有力的测量方法或系统通常由敏感元件、转换元件和后处理电路组成，其原理是利用转换元件将敏感元件在受到力作用后产生的形变转换为电信号的变化，在力与电信号之间建立一一对应的关系，通过获取电信号来得到被测力的大小。现有位移测量的方法或系统，一部分与力的测量类似，其原理是利用了位移和电容、电涡流或电感之间的关系，将位移大小转换为电容、电涡流或电感的变化，再由后处理电路进行输出，最后在位移与电信号之间建立一一对应关系，通过获取电信号来得到被测位移的大小。基于以上力或位移测量方法而设计的各类传感器，通常要使敏感元件和转换元件相接触，这使得敏感元件和转换元件的设计、制备等受到很大的限制，且由于两者需要相互接触，噪声和干扰在两者之间的传播也不可避免，影响了传感器的测量精度。在一些测量空间受限的场合，安装困难、使用不便、环境要求高，继而造成的测量设备价格高或体积不合适等问题，都对力或位移的测量造成了极大的不便。
负泊松比结构因其具有独特的拉胀特性，成为新兴技术研究领域中的一个热点。负泊松比结构的孔隙率在其沿垂直(或水平)方向产生位移后会发生相应的变化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于负泊松比结构的测量方法及系统，采用光源、负泊松比结构和光电池组成，可看作传感器基底负泊松比结构和可看作转换元件之间的光电池之间没有接触，能有效减少干扰和噪声，提高测量精度，同时降低设计难度。
本发明采用以下技术方案：
一种基于负泊松比结构的测量方法，包括以下步骤：
将光源、负泊松比结构和光电池依次平行设置，将负泊松比结构作为基底与被测物接触，当被测物对负泊松比结构施加力的作用后，负泊松比结构产生弹性变形，光源发出的光线经弹性变形后的负泊松比结构照射在光电池上，通过数据采集设备采集光电池的电信号，利用电信号与被测量之间的关系获取被测量大小。
具体的，光电池输出的电信号与被测量d的关系如下：
d＝aU+b
其中，a和b为常数，U为光电池输出的电信号。
进一步的，光电池输出的电信号与光电池接收到光源的进光量的关系如下：
U＝kQv
其中，k为比例系数，U为光电池输出的电信号，Qv为光电池进光量。
具体的，光源通过负泊松比结构进入光电池的进光量因负泊松比结构孔隙率的变化而改变，光电池进光量Qv为：
Qv＝Qv0P
其中，Qv0为光电池不被遮挡时的进光量，P为孔隙率。
具体的，负泊松比结构的孔隙率P在负泊松比结构产生变形后发生改变，使得光源通过负泊松比结构到达光电池的进光量发生改变，孔隙率P为：
P＝(s-sc)/s
其中，s为光电池在无遮挡时所受光照的面积，sc为光电池在受负泊松比结构遮挡的受光照面积。
具体的，光源包括平面或非平面光源、可见光源或红外。
具体的，负泊松比结构为蜂窝状多孔结构，当x方向受拉伸时,y方向在弹性范围内横向发生膨胀，当x方向受压缩时，y方向发生收缩。
进一步的，负泊松比结构的泊松比为-1到-8。
本发明的另一技术方案是，一种基于负泊松比结构的测量系统，包括负泊松比结构，负泊松比结构与被测物接触，负泊松比结构设置在光源和光电池之间，光电池与数据采集设备电连接。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种基于负泊松比结构的测量方法，基于负泊松比结构独特的力学性能，利用光电池输出的电信号的大小与其受光照面积成正比的性质，在被测量与光电池输出电信号之间建立一一对应的关系，使对被测量的测量转化为对太阳能电池输出电信号的测量。本测量方法中，基底和转换元件没有物理接触，降低了干扰与噪声；转换元件的选择与设计也不再受基底尺寸的限制；测量方法简单，精度高，成本低。
进一步的，光电池输出的电信号和被测量之间存在线性关系：d＝aU+b；当常数a和b通过标定得到以后，可以方便地通过所测得的电信号U获得被测量d。
进一步的，光电池输出的电信号与光电池接收到光源的进光量成正比，这种正比关系是一种线性关系，可以提高测量方法及系统的线性度，从而减少测量误差。
进一步的，光电池进光量Qv与负泊松比结构的孔隙率成正比关系，这种正比关系是一种线性关系，可以提高测量方法及系统的线性度，从而减少测量误差。
进一步的，光源发出的光一部分被负泊松比结构的实体遮挡，另一部分通过负泊松比结构的孔隙照射到光电池上，孔隙率的变化能够改变光源照射到光电池上的进光量。从而建立被测量与进光量的关系。
进一步的，光源性质不受限制，选择范围广。可针对不同的应用环境，选择平面光源或非平面光源，可见光光源或红外等非可见光光源。该设置扩大了本测量方法及系统的使用范围。
进一步的，负泊松比结构通过弹性变形实现设备的运动，无运动副，因而无间隙泄漏，无磨损，便于安装和维护。
进一步的，负泊松比结构的选择灵活，具有蜂窝性质的元胞结构拓扑而成的负泊松比结构，均可应用于本测量方法及系统中。该设置扩大了本测量方法及系统的使用范围。
一种基于负泊松比结构的测量系统，由负泊松比结构、光源、光电池和数据采集设备组成。其中负泊松比结构与被测物接触，负泊松比结构设置在光源和光电池之间，光电池与数据采集设备电连接。该设置可以将基底与转换元件离开，减少设计过程中两者的相互限制和影响，也能减少误差和噪声的传递。该设置也能够灵活选择光源和负泊松比结构。
综上所述，本发明具有结构灵活，设计难度低，噪声与干扰传递小，精度高等特点。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的测量原理示意图；
图2为本发明作为基底的一种负泊松比结构样例图，其中，(a)为变形前，(b)为变形后；
图3为本发明对比图，其中，(a)为负泊松比结构和普通结构的实验对比，(b)为负泊松比结构做的重复性实验；
图4为本发明作为基底的另一种负泊松比结构样例图，其中，(a)为变形前，(b)为变形后。
其中：1.光源；2.负泊松比结构；3.光电池；4.数据采集设备。
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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”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发明和简化描述，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发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
本发明提供了一种基于负泊松比结构的测量方法，基于负泊松比结构在受到轴向压缩(或拉伸)时，其垂直方向会产生收缩(或膨胀)的力学特性，根据光电池输出电流大小与受光照面积(进光量)成正比的性质，将负泊松比结构置于光源与光电池之间，光源通过负泊松比结构照射在光电池上，光电池在受光照后，产生一定的电信号，其大小可通过采集系统进行采集分析。负泊松比结构与被测物接触，被测物在负泊松比结构上产生力的作用后，从而造成负泊松比结构发生形变，其孔隙率会随之改变，此时光源通过负泊松比结构照射在光电池上的照射面积会随之发生变化，最终导致光电池的输出电信号发生变化。此测量方案建立了被测量与光电池输出电信号之间的对应关系。通过光电池输出电信号的变化量而获得被测量的大小。
请参阅图1，本发明一种基于负泊松比结构的测量方法，包括以下步骤：
S1、依次将光源1、负泊松比结构2和光电池3平行设置，光电池3的输出连接数据采集设备4；
光源1、负泊松比结构2和光电池3采用非接触式设置，负泊松比结构2位于光源1和光电池3之间。
S2、将负泊松比结构2作为基底与被测物接触，当被测物对负泊松比结构2施加力的作用后，负泊松比结构2产生弹性变形，光电池3作为转换元件，将所受的进光量转换为电信号输出，光电池3输出的电信号大小与光电池3接收到光源1的进光量成比例；光源1通过负泊松比结构2进入光电池3的进光量会因负泊松比结构2孔隙率的变化而改变。负泊松比结构2的孔隙率在负泊松比结构2因被测量发生改变而改变。因此通过光电池3输出的电信号能够反映出被测量的大小。
光电池输出的电信号与被测量d的关系如下：
d＝aU+b
其中，a和b为常数，U为光电池输出的电信号，与光电池接收到光源的进光量成比例关系。
光电池输出的电信号与光电池接收到光源的进光量的比例关系如下：
U＝kQv
其中，k为比例系数，U为光电池输出的电信号，Qv为光电池进光量。
S3、将负泊松比结构2作为基底与被测物接触，当被测物对负泊松比结构2施加力的作用后，负泊松比结构2产生弹性变形，光电池3作为转换元件，将所受的进光量转换为电信号输出，光电池3输出的电信号大小与光电池3接收到光源1的进光量成比例。光源1通过负泊松比结构2进入光电池3的进光量会因负泊松比结构2孔隙率的变化而改变。负泊松比结构2的孔隙率在负泊松比结构2所受力的变化而变化。因此通过光电池3输出的电信号能够反映出被测量的大小。
光源通过负泊松比结构进入光电池的进光量因负泊松比结构孔隙率的变化而改变，光电池进光量Qv为：
Qv＝Qv0P
其中，Qv0为光电池不被遮挡时的进光量，P为孔隙率。
负泊松比结构的孔隙率P在负泊松比结构产生变形后发生改变，使得光源通过负泊松比结构到达光电池的进光量发生改变，孔隙率P为：
P＝(s-sc)/s
其中，s为光电池在无遮挡时所受光照的面积，sc为光电池在受负泊松比结构遮挡的受光照面积。
本发明一种基于负泊松比结构的测量系统，包括光源1、负泊松比结构2、光电池3和数据采集设备4，负泊松比结构2设置在光源1和光电池3之间，负泊松比结构2与被测物接触，将被测量的大小转换为电信号，数据采集设备4与光电池3连接，用于采集电信号，并转换为对应的被测量。
光源1可选范围广，平面或非平面光源、可见光源或红外等非可见光源均可用于本测量方法，能够根据不同的应用场景去选择光源1。
负泊松比结构2的基本元胞结构种类不受限制，由具有负泊松比特性且有孔隙率的元胞结构拓扑而成的负泊松比结构均可用于本系统。
优选地，负泊松比结构由两个侧边向内凹陷的六边形通过拓扑构成，能够在x方向受拉伸时,y方向在弹性范围内横向发生膨胀，而在x方向受压缩时，y方向反而发生收缩；负泊松比结构的泊松比为-1到-8。
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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
请参阅图2，为本发明所述的可用于基底的负泊松比结构样例，在垂直方向产生变形后，会改变孔隙率的大小。
被测物对负泊松比结构2产生力的作用后，负泊松比结构2受力后产生弹性变形从而改变孔隙率大小，这会造成光电池3所受光源照射的面积发生改变，最终使光电池3输出的电信号发生改变，建立了被测量的大小与光电池3输出的电信号之间的关系，通过采集光电池3输出的电信号，获得被测量的大小。
请参阅图4，本发明所述的可用于基底的负泊松比结构样例，其在垂直方向受到作用力时会产生横向收缩，从而改变孔隙率的大小。在本发明中，负泊松比结构2在受力后产生弹性变形从而改变孔隙率大小，这会造成光电池3所受光源照射的面积发生改变，最终使光电池3输入的电信号发生改变。这就建立了负泊松比结构2所受的力的大小与光电池3输入的电信号之间的关系，通过采集光电池3输出的电信号就能够获得负泊松比结构2所受力的大小，即被测物(点)的力的大小。
请参阅图3，图3(a)是用负泊松比结构和普通结构的实验对比。从图中可以明显看出，在本测量系统中使用负泊松比结构具有更高的灵敏度和线性度。
图3(b)是用负泊松比结构做的重复性实验，可以看出，在本测量系统中使用负泊松比结构具有很好的重复性和稳定性。
综上所述，本发明一种基于负泊松比结构的测量方法及系统，可选结构灵活多样，整体设计简便；组成部分相互独立，没有物理连接，能有效减少干扰和噪声的传递，测量精度较高。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于负泊松比结构的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
将光源、负泊松比结构和光电池依次平行设置，将负泊松比结构作为基底与被测物接触，当被测物对负泊松比结构施加力的作用后，负泊松比结构产生弹性变形，光源发出的光线经弹性变形后的负泊松比结构照射在光电池上，通过数据采集设备采集光电池的电信号，利用电信号与被测量之间的关系获取被测量大小；
光源通过负泊松比结构进入光电池的进光量因负泊松比结构孔隙率的变化而改变，光电池进光量Qv为：
Qv＝Qv0P
其中，Qv0为光电池不被遮挡时的进光量，P为孔隙率；
负泊松比结构的孔隙率P在负泊松比结构产生变形后发生改变，使得光源通过负泊松比结构到达光电池的进光量发生改变，孔隙率P为：
P＝(s-sc)/s
其中，s为光电池在无遮挡时所受光照的面积，sc为光电池在受负泊松比结构遮挡的受光照面积。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，光电池输出的电信号与被测量d的关系如下：
d＝aU+b
其中，a和b为常数，U为光电池输出的电信号。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，光电池输出的电信号与光电池接收到光源的进光量的关系如下：
U＝kQv
其中，k为比例系数，U为光电池输出的电信号，Qv为光电池进光量。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，光源包括平面或非平面光源、可见光源或红外。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，负泊松比结构为蜂窝状多孔结构，当x方向受拉伸时,y方向在弹性范围内横向发生膨胀，当x方向受压缩时，y方向发生收缩。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，负泊松比结构的泊松比为-1到-8。
7.一种基于负泊松比结构的测量系统，其特征在于，利用权利要求1所述的方法，包括负泊松比结构(2)，负泊松比结构(2)与被测物接触，负泊松比结构(2)设置在光源(1)和光电池(3)之间，光电池(3)与数据采集设备(4)电连接。
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