CN114720025B - 折叠卷绕结构的电容型柔性力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种折叠卷绕结构的电容型柔性力传感器，其解决了现有介电弹性体传感器迟滞大的技术问题，其包括由折叠部分和卷绕部分组成的本体，本体是由平展状态的介电弹性体传感器经过折叠、拉伸、卷绕制备而成。本发明可广泛应用于软体机器人、外骨骼、人体运动测量、医疗康复、运动训练等领域的力测量。

Description

折叠卷绕结构的电容型柔性力传感器

技术领域

本发明涉及柔性传感器技术领域，具体而言，涉及一种折叠卷绕结构的电容型柔性力传感器。

背景技术

介电弹性体传感器是一种新型的柔性传感器，其在软体机器人、外骨骼、人体运动测量、医疗康复、运动训练等领域应用越来越广泛。

参考申请公布号为CN106441073A的中国发明专利申请，介电弹性体传感器的基本结构是由两层柔性电极夹一层介电薄膜组成的三明治结构，其相当于一个柔性平行板电容器；在外力的作用下，会使传感器的有效面积或有效厚度改变，导致其电容值发生变化，通过检测电容值的变化便可检测外力或位移。参考授权公告号为CN110595649B的发明专利，其公开了一种介电弹性体传感器，该介电弹性体传感器的结构设有正电极、第一负电极、第二负电极、第一屏蔽层、第二屏蔽层、第一介电弹性体、第二介电弹性体、第三介电弹性体和第四介电弹性体。介电弹性体是采用硅橡胶等高分子聚合物制作，高分子聚合物具有粘弹性，在变形时由于内摩擦的作用，会出现动态滞后现象，也就是说应变的变化落后于应力的变化；因此，利用高分子材料制成的介电弹性体传感器具有较大的迟滞，迟滞一般在5％～60％，迟滞会降低传感器的检测精度，迟滞越大对传感器精度的影响越大。目前，针对介电弹性体传感器迟滞大的问题，减小迟滞的方法主要有以下几种：

(1)通过设计传感器多孔结构，充分利用传感器的结构变形带来的电阻的变化从而检测压力，尽量减少材料变形，减小粘弹性对检测的影响。该方法所应用的柔性电阻型传感器的重复性精度通常较差、灵敏度变化剧烈，并且结构设计和制备工艺通常较复杂。

(2)利用化学方法将导电材料与弹性体之间的弱连接作用变为强共价键的连接或者将聚合物高分子链交联成为网状。该方法一般是通过缩聚反应或者加聚反应完成的，需要严格控制各个成分的比例，过程比较复杂；另外，由于交联产生的链与链之间的交联点抑制高分子链间的滑动，材料的模量和硬度将随着交联密度的增加而增加，可能会影响传感器的柔性和穿戴舒适性。

(3)改善弹性体中液态导电材料通道结构和受力情况。该方法在减小迟滞的同时其灵敏度一般会因为变形量或导电材料流动量的减少而有所下降，并且这种方法仅适用于液态导电材料的传感器，方法具有局限性。

(4)建立数学模型或者利用神经网络的方法对迟滞进行补偿或预测。要建立与实际情况极大程度相符的数学模型是很困难的，补偿后检测误差仍然很大并常出现量程内各处补偿不均匀的情况。神经网络的方法可以达到很高的预测精度，但是需要进行大量实验提取训练数据，并且当因温度、湿度、长期加载等因素导致的材料物理参数改变时，原有的神经网络模型参数可能不再适用从而出现较大的预测误差。

因此，低迟滞、高重复性精度、设计和制备简单的介电弹性体传感器仍需研究与开发，以适用于快速发展的柔性传感器应用领域，并应用于软体机器人、外骨骼、人体运动测量、医疗康复、运动训练等领域的力测量。

发明内容

本发明就是为了解决现有介电弹性体传感器迟滞大的技术问题，提供一种极大程度减小迟滞的折叠卷绕结构的折叠卷绕结构的柔性电容型力传感器。

本发明提供一种折叠卷绕结构的电容型柔性力传感器，包括本体，本体设有折叠部分和卷绕部分；

折叠卷绕结构的电容型柔性力传感器是由平展状态的介电弹性体传感器制备而成，平展状态的介电弹性体传感器包括介电层、第一电极层、第二电极层、第一硅橡胶层和第二硅橡胶层；制备过程如下：

第一步，进行折叠：沿平展状态的介电弹性体传感器长度方向选取一部分，第一次沿长度方向从左向右折叠，从而形成双层部分；第二次对第一次折叠形成的双层部分沿长度方向从左向右折叠，从而形成四层部分；第三次对整体沿宽度方向从前向后折叠，形成了8层部分；第四次对第三次折叠形成的8层部分沿长度方向从左向右折叠，进而形成本体的折叠部分；

第二步，进行拉伸、卷绕：将平展状态的介电弹性体传感器的剩余部分预拉伸，然后在其里侧涂抹硅胶粘结剂从而形成待卷部分，之后将折叠部分预压缩，最后将待卷部分对压缩后的折叠部分进行卷绕从而形成本体的卷绕部分；

第一电极层和第二电极层均连接有引脚。

优选地，第二步中，将平展状态的介电弹性体传感器的剩余部分预拉伸为原长的三倍；将折叠部分预压缩到原始厚度的80％；将待卷部分对压缩后的折叠部分进行卷绕的圈数是三圈。

本发明还提供一种折叠卷绕结构的电容型柔性力传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，准备平展状态的介电弹性体传感器；平展状态的介电弹性体传感器包括介电层、第一电极层、第二电极层、第一硅橡胶层和第二硅橡胶层；

步骤2，进行折叠：沿平展状态的介电弹性体传感器长度方向选取一部分，第一次沿长度方向从左向右折叠，从而形成双层部分；第二次对第一次折叠形成的双层部分沿长度方向从左向右折叠，从而形成四层部分；第三次对整体沿宽度方向从前向后折叠，形成了8层部分；第四次对第三次折叠形成的8层部分沿长度方向从左向右折叠；

步骤3，进行拉伸、卷绕：将平展状态的介电弹性体传感器的剩余部分预拉伸，然后在其里侧涂抹硅胶粘结剂从而形成待卷部分，之后将折叠部分预压缩，最后将待卷部分对压缩后的折叠部分进行卷绕；

步骤4，用两个引脚分别与第一电极层、第二电极层连接。

优选地，步骤3中，将平展状态的介电弹性体传感器的剩余部分预拉伸为原长的三倍，将折叠部分预压缩到原始厚度的80％，将待卷部分对压缩后的折叠部分进行卷绕的圈数是三圈。

本发明还提供一种折叠卷绕结构的电容型柔性力传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，准备平展状态的介电弹性体传感器；平展状态的介电弹性体传感器包括介电层、第一电极层、第二电极层、第一硅橡胶层和第二硅橡胶层，第一电极层、第二电极层连接有引脚；

步骤2，进行折叠：沿平展状态的介电弹性体传感器长度方向选取一部分，第一次沿长度方向从左向右折叠，从而形成双层部分；第二次对第一次折叠形成的双层部分沿长度方向从左向右折叠，从而形成四层部分；第三次对整体沿宽度方向从前向后折叠，形成了8层部分；第四次对第三次折叠形成的8层部分沿长度方向从左向右折叠；

步骤3，进行拉伸、卷绕：将平展状态的介电弹性体传感器的剩余部分预拉伸，然后在其里侧涂抹硅胶粘结剂从而形成待卷部分，之后将折叠部分预压缩，最后将待卷部分对压缩后的折叠部分进行卷绕。

优选地，步骤3中，将平展状态的介电弹性体传感器的剩余部分预拉伸为原长的三倍，将折叠部分预压缩到原始厚度的80％，将待卷部分对压缩后的折叠部分进行卷绕的圈数是三圈。

本发明的有益效果是，低迟滞、高重复性精度，提高了信噪比和灵敏度。能够应用于软体机器人、外骨骼、人体运动测量、医疗康复、运动训练等领域的力测量。

本发明进一步的特征和方面，将在以下参考附图的具体实施方式的描述中，得以清楚地记载。

附图说明

图1是折叠卷绕结构的电容型柔性力传感器的实物照片；

图2是折叠卷绕结构的电容型柔性力传感器的结构示意图；

图3中，图(a)是平展状态的介电弹性体传感器的结构示意图，图(b)是第一电极层和硅橡胶层(1101)的尺寸图；

图4是图2所示折叠卷绕结构的电容型柔性力传感器的折叠部分的制作过程示意图；

图5是图2所示折叠卷绕结构的低迟滞柔性电容型力传感器的卷绕部分的制作过程示意图；

图6是折叠卷绕结构的电容型柔性力传感器的剖面图；

图7是图2所示折叠卷绕结构的电容型柔性力传感器的电容相对变化量与加载力的关系；

图8是图2所示折叠卷绕结构的电容型柔性力传感器被加载500次的加载过程的电容相对变化量与加载力的关系；

图9是图2所示折叠卷绕结构的电容型柔性力传感器应用于肩部背包压力测量的实例，其中图(a)是折叠卷绕结构的电容型柔性力传感器集成于背包的背带的夹层中的结构示意图，图(b)是背带与人体的肩部位置关系图；图(c)是折叠卷绕结构的电容型柔性力传感器与常规的刚性传感器的测量数据比较。

图中符号说明：

1.折叠卷绕结构的柔性电容型力传感器，1101.硅橡胶层，1102.第一电极层，1103.第二电极层，1104.第一硅橡胶层，1105.第二硅橡胶层，12.引脚部分，13.折叠部分，14.卷绕部分；2.平展状态的介电弹性体传感器；21.背包，211.背带，2111.夹层，31.肩部。

具体实施方式

以下参照附图，以具体实施例对本发明作进一步详细说明。

折叠卷绕结构的电容型柔性力传感器的产品实物如图1所示。

折叠卷绕结构的电容型柔性力传感器的轴测图如图2所示，其包括本体以及与本体连接的引脚12，本体设有折叠部分13和卷绕部分14。折叠卷绕结构的电容型柔性力传感器是将现有技术中的平展状态的介电弹性体传感器经过折叠、卷绕制作而成。

如图3所示，平展状态的介电弹性体传感器包括硅橡胶层1101、第一电极层1102、第二电极层1103、第一硅橡胶层1104和第二硅橡胶层1105，其中，硅橡胶层1101、第一硅橡胶层1104和第二硅橡胶层1105的尺寸为115mm×20mm，第一电极层1102和第二电极层1103的尺寸为95mm×15mm。其中，硅橡胶层1101作为介电层，第一电极层1102和第二电极层1103分别作为硅橡胶层1101的正极层和负极层，第一硅橡胶层1104和第二硅橡胶层1105作为保护层。每个电极层由铜箔引出，铜箔通过988硅胶接着剂与电极层连接，铜箔作为引脚用来与测量电路进行电性连接。

制作折叠卷绕结构的电容型柔性力传感器的过程是：

第一步，进行折叠，如图4所示，准备平展状态的介电弹性体传感器2(长115mm、宽20mm)，沿其长度方向选取一部分(选取60mm×20mm)，第一次沿长度方向从左向右折叠(沿第1幅图中虚线从左向右折叠)，从而形成双层部分(如第2幅图所示)；第二次对第一次折叠形成的双层部分沿长度方向从左向右折叠(沿第2幅图中虚线从左向右折叠)，从而形成四层部分(如第3幅图所示)；第三次对整体沿宽度方向从前向后折叠(沿着第3幅图中虚线折叠)，第三次折叠后就形成了8层部分；按照第4幅图的图示，第四次对第三次折叠形成的8层部分沿长度方向从左向右折叠，形成了16层部分，即形成折叠部分13。

折叠部分13类似于多个堆叠的三明治结构的电容并联，在沿厚度方向被压缩时电容增大。这部分可提高折叠卷绕结构的柔性电容型力传感器1的初始电容值、增大电容变化量，从而提高信噪比和灵敏度。

第二步，进行拉伸、卷绕，如图5所示，卷绕部分14是对平展状态的介电弹性体传感器2的剩余部分进行拉伸和卷绕(对平展状态的介电弹性体传感器2剩余的长55mm部分进行拉伸和卷绕)。将平展状态的介电弹性体传感器2的剩余部分预拉伸为原长的三倍，然后在其里侧涂抹988A硅胶粘结剂从而形成待卷部分，之后沿垂直于折叠的方向(图5中第二幅图向上箭头所指方向)将折叠部分13预压缩到原始厚度的80％，最后将待卷部分对压缩后的折叠部分13进行卷绕，共卷绕三圈从而形成卷绕部分14。

由于硅橡胶材料在被拉伸到大应变时，大分子链的熵值减小，沿被拉伸方向分子链构象更加舒展，多个分子链的排列更加规则，分子链链段间的内摩擦变小，在被拉伸和恢复过程中由于内摩擦造成的能量损耗减小，因此，硅橡胶的动态滞后将随着应变的增大而减小。因此，卷绕部分14因其大预拉伸量降低了硅橡胶折叠卷绕结构的电容型柔性力传感器的迟滞误差。

图6为按照上述步骤制备的折叠卷绕结构的电容型柔性力传感器的剖面图，剖面图显示折叠部分13共16层，卷绕部分14为三圈。

图7所示为按照上述方法制备的折叠卷绕结构的电容型柔性力传感器1和普通三明治结构的电容型力传感器的电容相对变化量-加载力的曲线的对比，电容相对变化量δ通过式(1)计算，其中，C为力传感器当前加载力作用下的电容值，C₀为力传感器未加载力时的电容值。

可见，折叠卷绕结构的电容型柔性力传感器的力加载-卸载过程中的迟滞相对于普通三明治结构的力传感器有明显减小，普通三明治结构的力传感器的迟滞为17.64％，折叠卷绕结构的电容型柔性力传感器的迟滞误差为4.73％。

图8所示为按照图3、图4和图5的方法制备的折叠卷绕结构的电容型柔性力传感器1和沿长度方向将平展状态的介电弹性体传感器2无折叠、全部卷绕的传感器被加载500次的加载过程的电容相对变化量-加载力的数据对比。折叠卷绕结构的电容型柔性力传感器1由于内侧预压缩的折叠部分的稳定性优于全部卷绕结构的力传感器，从而折叠卷绕结构的电容型柔性力传感器1具有更优的重复性精度。全部卷绕结构的力传感器的加载过程中电容相对变化量-加载力的重复性误差为19.82％，折叠卷绕结构的电容型柔性力传感器1的加载过程中电容相对变化量-加载力的重复性误差低至3.42％。

图9所示为多个图2所示折叠卷绕结构的电容型柔性力传感器1集成于背包21的背带211的夹层2111中用于测量背包对人体肩部的压力。当测量者将背包21背上肩部31，折叠卷绕结构的电容型柔性力传感器1通过背带211进行预压缩，当测试者进行行走、跑步、跳跃等运动时，折叠卷绕结构的电容型柔性力传感器1可实时测量肩部31的压力。图8中图(c)为测试者在跑步过程的折叠卷绕结构的电容型柔性力传感器1与常规的刚性传感器的测量数据对比，折叠卷绕结构的电容型柔性力传感器1的测量误差为4.68％，可以满足动态高精度测量的要求。

需要说明的是，上述图4和图5的制备方法中，将折叠部分13预压缩到原始厚度的80％，只是举例，不限于80％，可以是70％、60％、90％等等比例。第二步中，将平展状态的介电弹性体传感器2的剩余部分预拉伸为原长的三倍只是举例，可以拉伸为原长的1.5倍、2倍等等。卷绕过程的三圈只是举例，不限于3圈，可以是1圈、4圈等等圈数。

以上所述仅对本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡是在本发明的权利要求限定范围内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种折叠卷绕结构的电容型柔性力传感器，其特征是，包括本体，所述本体设有折叠部分和卷绕部分；

所述折叠卷绕结构的电容型柔性力传感器是由平展状态的介电弹性体传感器制备而成，所述平展状态的介电弹性体传感器包括介电层、第一电极层、第二电极层、第一硅橡胶层和第二硅橡胶层；制备过程如下：

第一步，进行折叠：沿平展状态的介电弹性体传感器长度方向选取一部分，第一次沿长度方向从左向右折叠，从而形成双层部分；第二次对第一次折叠形成的双层部分沿长度方向从左向右折叠，从而形成四层部分；第三次对整体沿宽度方向从前向后折叠，形成了8层部分；第四次对第三次折叠形成的8层部分沿长度方向从左向右折叠，进而形成本体的折叠部分；

第二步，进行拉伸、卷绕：将平展状态的介电弹性体传感器的剩余部分预拉伸，然后在其里侧涂抹硅胶粘结剂从而形成待卷部分，之后将折叠部分预压缩，最后将待卷部分对压缩后的折叠部分进行卷绕从而形成本体的卷绕部分；

所述第一电极层和第二电极层均连接有引脚。

2.根据权利要求1所述的折叠卷绕结构的电容型柔性力传感器，其特征是，所述第二步中，将平展状态的介电弹性体传感器的剩余部分预拉伸为原长的三倍；将折叠部分预压缩到原始厚度的80％；将待卷部分对压缩后的折叠部分进行卷绕的圈数是三圈。

3.一种折叠卷绕结构的电容型柔性力传感器的制备方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1，准备平展状态的介电弹性体传感器；所述平展状态的介电弹性体传感器包括介电层、第一电极层、第二电极层、第一硅橡胶层和第二硅橡胶层；

步骤2，进行折叠：沿平展状态的介电弹性体传感器长度方向选取一部分，第一次沿长度方向从左向右折叠，从而形成双层部分；第二次对第一次折叠形成的双层部分沿长度方向从左向右折叠，从而形成四层部分；第三次对整体沿宽度方向从前向后折叠，形成了8层部分；第四次对第三次折叠形成的8层部分沿长度方向从左向右折叠；

步骤3，进行拉伸、卷绕：将平展状态的介电弹性体传感器的剩余部分预拉伸，然后在其里侧涂抹硅胶粘结剂从而形成待卷部分，之后将折叠部分预压缩，最后将待卷部分对压缩后的折叠部分进行卷绕；

步骤4，用两个引脚分别与第一电极层、第二电极层连接。

4.根据权利要求3所述的折叠卷绕结构的电容型柔性力传感器的制备方法，其特征是，所述步骤3中，将平展状态的介电弹性体传感器的剩余部分预拉伸为原长的三倍，将折叠部分预压缩到原始厚度的80％，将待卷部分对压缩后的折叠部分进行卷绕的圈数是三圈。

5.一种折叠卷绕结构的电容型柔性力传感器的制备方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1，准备平展状态的介电弹性体传感器；所述平展状态的介电弹性体传感器包括介电层、第一电极层、第二电极层、第一硅橡胶层和第二硅橡胶层，所述第一电极层、第二电极层连接有引脚；

步骤2，进行折叠：沿平展状态的介电弹性体传感器长度方向选取一部分，第一次沿长度方向从左向右折叠，从而形成双层部分；第二次对第一次折叠形成的双层部分沿长度方向从左向右折叠，从而形成四层部分；第三次对整体沿宽度方向从前向后折叠，形成了8层部分；第四次对第三次折叠形成的8层部分沿长度方向从左向右折叠；

步骤3，进行拉伸、卷绕：将平展状态的介电弹性体传感器的剩余部分预拉伸，然后在其里侧涂抹硅胶粘结剂从而形成待卷部分，之后将折叠部分预压缩，最后将待卷部分对压缩后的折叠部分进行卷绕。

6.根据权利要求5所述的折叠卷绕结构的电容型柔性力传感器的制备方法，其特征是，所述步骤3中，将平展状态的介电弹性体传感器的剩余部分预拉伸为原长的三倍，将折叠部分预压缩到原始厚度的80％，将待卷部分对压缩后的折叠部分进行卷绕的圈数是三圈。