CN114544053B - 基于超声波-软体波导管的压力与应变传感器 - Google Patents

基于超声波-软体波导管的压力与应变传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于超声波‑软体波导管的压力与应变传感器，包括：超声波发射器、软体波导管、超声波接收器；软体波导管，一端与所述超声波发射器连接，另一端与所述超声波接收器连接；其中，所述软体波导管可拉伸形变以改变所述软体波导管的长度；和/或所述软体波导管可按压形变以改变所述软体波导管的横截面积。由于本发明通过软体波导管的形变，检测拉伸应变和/或接触压力，不受外界电磁干扰，检测的准确性较高。由于通过传播时间和振幅衰减分别检测拉伸应变和接触压力，接触压力的检测和拉伸应变的检测两者相互独立，不会相互影响，避免两者耦合现象导致的准确性低的问题，从而进一步提高了检测准确性。

Description

基于超声波-软体波导管的压力与应变传感器
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及的是一种基于超声波-软体波导管的压力与应变传感器。
背景技术
传感器是一种重要的信息检测装置，它能感受到被测量的压力和应变信息，并能将感受到的信息，转变成为电信号形式的信息输出，以满足被测压力和应变信息的传输、处理和控制等要求。传感器能够为自动化设备控制提供精准的反馈信息，以提高自动化设备控制的精确度，是实现自动检测和自动控制的必要环节，在工业生产、机器人和虚拟现实等领域得到了重要应用。
现有技术中，柔性传感器以电学式、光学式和磁性式为主，容易受到外界电磁干扰，导致准确性较低，且制作工艺复杂，成本高昂。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于超声波-软体波导管的压力与应变传感器，旨在解决现有技术中柔性传感器传感的准确性低、测量模态单一及降低制造成本的问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种基于超声波-软体波导管的压力与应变传感器，其中，包括：
超声波发射器和超声波接收器；
软体波导管，一端与所述超声波发射器连接，另一端与所述超声波接收器连接；
其中，所述软体波导管可拉伸形变以改变所述软体波导管的长度；和/或
所述软体波导管可受压形变以改变所述软体波导管的横截面积。
所述的基于超声波-软体波导管的压力与应变传感器，其中，所述超声波发射器通过声音发射封闭端头与所述软体波导管连接；
所述超声波接收器通过声音接收封闭端头与所述软体波导管连接。
所述的基于超声波-软体波导管的压力与应变传感器，其中，所述软体波导管内形成通孔，所述通孔的内壁上设置有超声反射涂层。
所述的基于超声波-软体波导管的压力与应变传感器，其中，所述软体波导管采用软体硅胶管；和/或
所述超声波发射器的频率大于20kHz。
所述的基于超声波-软体波导管的压力与应变传感器，其中，所述超声波发射器采用超声波发射换能器；和/或
所述超声波接收器采用超声波接收换能器。
一种压力测量方法，其中，所述压力测量方法采用如上述任意一项所述基于超声波-软体波导管的压力与应变传感器进行测量；所述压力测量方法包括步骤：
将软体波导管与待测点相接触；
启动超声波发射器发射超声波，并通过超声波接收器接收超声波；
根据所述超声波发射器发射的超声波和所述超声波接收器接收的超声波，确定所述待测点的拉伸应变值和/或接触压力值。
所述的压力测量方法，其中，所述软体波导管与所述待测点的接触方式采用直接接触或间接接触的方式。
所述的压力测量方法，其中，所述待测点的力包括拉伸应变和/或接触压力；
所述根据所述超声波发射器发射的超声波和所述超声波接收器接收的超声波，确定所述待测点的拉伸应变值和接触压力值，包括：
根据所述超声波发射器发射的超声波和所述超声波接收器接收的超声波，确定超声波的传输时间改变量和/或超声波的幅值改变量；
根据所述超声波的传输时间改变量，确定所述待测点的拉伸应变值；和/或
根据所述超声波的幅值改变量，确定所述待测点的接触压力值。
一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其中，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一项所述方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述的方法的步骤。
有益效果：由于本发明通过软体波导管的形变，检测拉伸应变和/或接触压力，不受外界电磁干扰，检测的准确性较高。
附图说明
图1是本发明中压力测量方法的流程图。
图2是本发明中基于超声波-软体波导管的压力与应变传感器的爆炸图。
图3是本发明中基于超声波-软体波导管的压力与应变传感器的原始状态的结构示意图。
图4是本发明中基于超声波-软体波导管的压力与应变传感器的拉伸状态的结构示意图。
图5是本发明中基于超声波-软体波导管的压力与应变传感器的按压状态的结构示意图。
图6是本发明中基于超声波-软体波导管的压力与应变传感器的拉伸状态的原理示意图。
图7是本发明中基于超声波-软体波导管的压力与应变传感器的按压状态的原理示意图。
图8是本发明中带超声反射涂层的软体波导管的制备流程示意图。
附图标记说明：
10、超声波发射器；20、超声波接收器；30、软体波导管；40、声音发射封闭端头；50、声音接收封闭端头。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请同时参阅图2-图8，本发明提供了一种基于超声波-软体波导管的压力与应变传感器的一些实施例。
如图2-图3所示，本发明的基于超声波-软体波导管30的压力与应变传感器，包括：
超声波发射器10和超声波接收器20；
软体波导管30，一端与所述超声波发射器10连接，另一端与所述超声波接收器20连接；
其中，所述软体波导管30可拉伸形变以改变所述软体波导管30的长度；和/或
所述软体波导管30可按压形变以改变所述软体波导管30的横截面积。
值得说明的是，软体波导管30用于传送超声波，软体波导管30可以以极小的损耗传送超声波。软体波导管30是指柔性的波导管，也就是说，软体波导管30可以产生形变，形变包括拉伸形变和/或受压形变，在拉伸力拉伸软体波导管30时，软体波导管30的长度变长，则超声波在软体波导管30中传播的时间变长，传播时间的改变量与软体波导管30的长度相关，而软体波导管30的长度与拉伸应变有关，因此，可以根据传播时间的改变量检测拉伸应变的大小。在压力作用在软体波导管30时，软体波导管30的横截面积减小，则超声波在软体波导管30中的振幅变小，振幅的改变量与软体波导管30的横截面积相关，而软体波导管30的横截面积与接触压力有关，因此，可以根据振幅的改变量检测接触压力的大小。总之，通过传感器可以建立压力与应变的关系，实现接触压力与拉伸应变的测量。
由于本发明通过软体波导管30的形变，检测拉伸应变和/或接触压力，不受外界电磁干扰，检测的准确性较高，且制造方便，成本低廉。
需要说明的是，本发明中软体波导管30在检测接触压力和拉伸应变时，是通过传播时间和振幅衰减分别检测的，因此接触压力的检测和拉伸应变的检测两者相互独立，不会相互影响，避免两者耦合现象导致的准确性低的问题，从而进一步提高了检测准确性。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，所述软体波导管30内形成通孔，所述通孔用于传送超声波。
具体地，如图4和图5所示，软体波导管30内形成通孔，超声波在软体波导管30内传送。通过检测超声波的传播时间，并通过传播时间和超声波的原始传播时间，可以得到传播时间的改变量，通过传播时间的改变量和传播速度，可以得到软体波导管30的长度的改变量，通过软体波导管30的长度的改变量和软体波导管30的弹性系数，可以得到软体波导管30受到的拉伸应变。如图6所示，长度的改变量s等于超声波传播速度(具体为340m/s)乘以传播时间的改变量t，即s＝340*t。
如图7所示，通孔的直径根据需要设定，通过检测超声波的振幅差值，并通过振幅差值和超声波的原始振幅差值，可以得到软体波导管30的振幅的改变量，通过振幅的改变量，可以确定软体波导管30的直径的改变量，通过软体波导管30的直径的改变量和软体波导管30的弹性系数，可以得到软体波导管30受到的接触压力。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，所述通孔的内壁上设置有超声反射涂层，为了减少超声波传播损耗，延长传播距离，在通孔的内壁上设置超声反射涂层，具体采用超声反射材料形成涂层。
如图8所示，先制备软体波导管，然后对软体波导管进行预拉伸，并采用高压喷涂的方式，将超声反射材料喷涂在软体波导管的通孔中，经过干燥成型后释放拉力，则可以得到带有超声反射涂层的软体波导管。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图2-图3所示，所述超声波发射器10通过声音发射封闭端头40与所述软体波导管30连接；所述超声波接收器20通过声音接收封闭端头50与所述软体波导管30连接。
具体地，为了防止超声波的外泄，采用声音发射封闭端头40连接超声波发射器10和软体波导管30，并采用声音接收封闭端头50连接超声波接收器20和软体波导管30。声音发射封闭端头40和声音接收封闭端头50采用相同结构，具体地，声音发射封闭端头40包括：
包裹部，包裹在超声波发射器10外；
连接部，与包裹部连接，且与软体波导管30连接。
包裹部围绕在超声波发射器10外，连接部呈圆锥台状，连接部的顶部连接软体波导管30，连接部的底部连接包裹部。声音发射封闭端头40内形成通道，该通道与软体波导管30的通孔连通，以便超声波的传播。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，所述软体波导管30采用软体硅胶管。具体地，软体波导管30采用软体硅胶管，从而可以实现软体波导管30的柔性。采用软体硅胶管，可以降低传感器的成本。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，所述超声波发射器10的频率大于20kHz。具体地，超声波的频率大于20kHz时，传感器的数据测量具有较高的刷新频率。进一步提高了传感器的检测准确性。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图2-图3所示，所述超声波发射器10采用超声波发射换能器；和/或所述超声波接收器20采用超声波接收换能器。
具体地，超声波发射换能器可以将电信号转化成超声波发射信号，从而发射相应的超声波。超声波接收换能器可以接收超声波并形成超声波接收信号，并将超声波信号转化成电信号。采用超声波发射换能器和超声波接收换能器不仅可以便于进行数据处理，而且成本较低。
基于上述任意一实施例的超声波-软体波导管的压力与应变传感器，本发明采用该传感器进行测量，提供了一种压力测量方法的较佳实施例：
如图1所示，本发明的压力测量方法，包括以下步骤：
步骤S100、启动超声波发射器发射超声波，并通过超声波接收器接收超声波。
具体地，当软体波导管与待测点相接触后，启动超声波发射器发射超声波，发射的超声波经过软体波导管传播到超声波接收器，通过超声波接收器接收超声波。
具体地，所述软体波导管与所述待测点的接触方式采用直接接触或间接接触的方式。软体波导管与待测点接触，从而可以通过软体波导管感应待测点的受力。待测点的受力产生位移会带动软体波导管产生形变。
步骤S200、根据所述超声波发射器发射的超声波和所述超声波接收器接收的超声波，确定所述待测点的拉伸应变值和/或接触压力值。
具体地，所述待测点的力包括拉伸应变和/或接触压力。待测点受到的力可以是拉伸应变，也可以是接触压力，或者两者都有。通过超声波发射器发射的超声波与超声波接收器接收的超声波，确定待测点的拉伸应变值和/或接触压力值。
步骤S200具体包括：
步骤S210、根据所述超声波发射器发射的超声波和所述超声波接收器接收的超声波，确定超声波的传输时间改变量和/或超声波的幅值改变量。
步骤S220、根据所述超声波的传输时间改变量，确定所述待测点的拉伸应变值。
具体地，如图6所示，通过超声波的发射时间和接收时间可以得到超声波的传播时间，超声波的传播时间减去超声波的原始传播时间，得到传播时间改变量。通过传播时间改变量和传播速度，以得到软体波导管的长度改变量，长度改变量与拉伸应变呈正比，则可以得到拉伸应该值。
步骤S230、根据所述超声波的幅值改变量，确定所述待测点的接触压力值。
具体地，如图7所示，通过发射的超声波的振幅减去接收到的超声波的振幅差值，根据超声波的振幅差值减去超声波的原始振幅差值得到振幅改变量，振幅改变量与软体波导管的直径改变量成正比，而直径改变量与接触压力呈正比，则可以通过振幅改变量得到接触压力值。
基于上述任意一实施例的压力测量方法，本发明还提供了一种计算机设备的较佳实施例：
计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
将软体波导管与待测点相接触；
启动超声波发射器发射超声波，并通过超声波接收器接收超声波；
根据所述超声波发射器发射的超声波和所述超声波接收器接收的超声波，确定所述待测点的拉伸应变值和/或接触压力值。
基于上述任意一实施例的压力测量方法，本发明还提供了一种计算机可读存储介质的较佳实施例：
计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
将软体波导管与待测点相接触；
启动超声波发射器发射超声波，并通过超声波接收器接收超声波；
根据所述超声波发射器发射的超声波和所述超声波接收器接收的超声波，确定所述待测点的拉伸应变值和/或接触压力值。
应当理解的是，本发明的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 (6)

1.一种压力测量方法，其特征在于，所述压力测量方法采用基于超声波-软体波导管的压力与应变传感器进行测量；所述基于超声波-软体波导管的压力与应变传感器包括：
超声波发射器和超声波接收器；
软体波导管，一端与所述超声波发射器连接，另一端与所述超声波接收器连接；
其中，所述软体波导管可拉伸形变以改变所述软体波导管的长度；所述软体波导管可受压形变以改变所述软体波导管的横截面积；所述超声波发射器通过声音发射封闭端头与所述软体波导管连接；所述超声波接收器通过声音接收封闭端头与所述软体波导管连接；所述软体波导管内形成通孔，所述通孔的内壁上设置有超声反射涂层；软体波导管预拉伸后，采用高压喷涂的方式，将超声反射材料喷涂在软体波导管的通孔中，经过干燥成型后释放拉力，得到带有超声反射涂层的软体波导管；
所述压力测量方法包括步骤：
将软体波导管与待测点相接触；
启动超声波发射器发射超声波，并通过超声波接收器接收超声波；
根据所述超声波发射器发射的超声波和所述超声波接收器接收的超声波，确定所述待测点的拉伸应变值和接触压力值；
所述待测点的力包括拉伸应变和接触压力；
所述根据所述超声波发射器发射的超声波和所述超声波接收器接收的超声波，确定所述待测点的拉伸应变值和接触压力值，包括：
根据所述超声波发射器发射的超声波和所述超声波接收器接收的超声波，确定超声波的传输时间改变量和超声波的幅值改变量；
根据所述超声波的传输时间改变量，确定所述待测点的拉伸应变值；
根据所述超声波的幅值改变量，确定所述待测点的接触压力值；
通过所述超声波的传播时间改变量和传播速度，得到软体波导管的长度改变量，长度改变量与拉伸应变呈正比；振幅改变量与软体波导管的直径改变量成正比，直径改变量与接触压力呈正比。
2.根据权利要求1所述的压力测量方法，其特征在于，所述软体波导管与所述待测点的接触方式采用直接接触或间接接触的方式。
3.根据权利要求1所述的压力测量方法，其特征在于，所述软体波导管采用软体硅胶管；和/或
所述超声波发射器的频率大于20kHz。
4.根据权利要求1所述的压力测量方法，其特征在于，所述超声波发射器采用超声波发射换能器；和/或
所述超声波接收器采用超声波接收换能器。
5.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至4中任一项所述方法的步骤。
6.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至4中任一项所述的方法的步骤。
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