CN114878039B - 基于超声导波的压力传感器及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于超声导波的压力传感器及制作方法，包括：超声波导管、尾塞、致动器以及致动器电路组件；超声波导管包括由软体材料制备而成的空心管，超声波导管的两端分别与尾塞和致动器紧固连接；超声波导管、尾塞以及致动器三者配合形成密闭空间，超声波导管内部填充有液体；致动器用于产生超声振动并且感应回波振动；致动器远离超声波导管的一侧连接有致动器电路组件，致动器电路组件用于激励致动器振动，并且将回波振动转化为电信号。本发明通过分析超声波导管在不同压力状态下的回波信息进行压力的感知和测量，有助于结构简单且降低重量，有助于提高检测精度，从而有助于提高适用范围，有助于降低生产成本。

Description

基于超声导波的压力传感器及制作方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体地，涉及一种基于超声导波的压力传感器及制作方法。

背景技术

软体压力传感器在近些年来在机器人触觉，可穿戴人机交互，和电子皮肤领域都展现了巨大的应用潜力，主要因为软体材料的轻质性并且与人体皮肤的相容性。学者们结合了各类的先进制造技术和材料技术，创造了各种不同类型的压力传感器，并不断突破多类压力检测指标(灵敏度，可检测压力范围，可检测压力极限等)，极大推动了这一领域得发展。

基于电阻式和电容式原理的柔性压力传感器是目前研究最火热的。为了进一步提高它们的感应性能，学者们采用了很多先进的制造技术，制得了具有多种微观结构的压力传感器，比如金字塔形的，来提高了感应灵敏度；同时很多学者采用了微纳米材料来提高原有传感器的性能，比如石墨烯，纳米线，金属微纳米颗粒等。这些方法制得的传感器的某些性能得到了提升，但同时使得制作过程变复杂，重复性下降，以及成本变得高昂。基于压电式和摩擦电的压力传感器也被广泛报道，但是它们难以实现静态压力的测量，限制了其应用的扩展。近些年来基于光学的压力传感器也被广泛报道，制成了手指状的压力传感器，用于机器人触觉中，但是其制作较为复杂而且使用了多个微型摄像头，成本高，限制了其进一步推广应用。

现有公开号为CN106092386B的中国专利，其公开了一种柔性压力传感器。该压力传感器包括：上下层衬底；置于衬底上的电极；电极之间的绝缘填充材料。该压力传感器采用柔性衬底，电极材料采用金属材料或碳粉材料加工而成，电极加工方法采用压印方式，可实现该类器件大规模批量化生产的目的。

现有公开号为CN111006800A的中国专利，其公开了一种柔性压力传感制备方法及柔性压力传感器，该方法包括，采用电喷法将氧化石墨烯分散液沉积于柔性基底上，并对沉积于柔性基底上的氧化石墨烯进行硅烷改性，制得的改性还原氧化石墨烯层内的改性还原氧化石墨烯呈片状、褶皱状和/或球状。

现有公开号为CN101315309B的中国专利，其公开了一种超声波压力传感器及使用该超声波压力传感器的气压监测装置。所述超声波压力传感器包括设有进气口的管体；设置在所述管体的一端以发送超声波的超声波发射器；设置在所述管体的另一端的超声波接收器，所述超声波接收器接收通过所述管体内的空气传播过来的超声波，并依据所接收的超声波输出振幅与所述管体内气压成比例的正弦电压；以及将所述管体、超声波发射器和超声波接收器容置在其内的外壳。

发明人认为现有技术中的压力传感器的某些性能得到了提升，但同时使得制作过程变复杂，重复性下降，以及成本变得高昂，需要提供一种结构简单，制备容易以及压力检测范围大、精度高的压力传感器。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于超声导波的压力传感器及制作方法。

根据本发明提供的一种基于超声导波的压力传感器,包括：超声波导管、尾塞、致动器以及致动器电路组件；所述超声波导管包括由软体材料制备而成的空心管，所述超声波导管的一端与所述尾塞紧固连接，所述超声波导管的另一端与所述致动器紧固连接；所述超声波导管、所述尾塞以及所述致动器三者配合形成密闭空间，所述超声波导管内部填充有液体；所述致动器延伸至所述超声波导管内部，所述致动器用于产生超声振动并且感应回波振动；所述致动器远离所述超声波导管的一侧连接有所述致动器电路组件，所述致动器电路组件用于激励所述致动器振动，并且将回波振动转化为电信号。

优选地，所述软体材料包括橡胶、树脂、硅胶、聚氨酯、塑料以及它们与微纳米材料聚合而成的材料中任一种。

优选地，所述超声波导管的截面包括任意形状。

优选地，所述超声波导管的内腔尺寸合适于声波传播。

优选地，所述尾塞与所述超声波导管可拆卸连接；所述致动器与所述超声波导管固定连接。

优选地，所述液体材料包括水、液态金属、油类液体以及其溶液中任一种。

优选地，所述致动器包括压电陶瓷、聚偏氟乙烯以及磁致伸缩材料中任一种。

优选地，所述电信号通过有线或无线方式传输至上位机进行计算处理。

根据本发明提供的一种制作基于超声导波的压力传感器的方法，采用上述的基于超声导波的压力传感器，包括以下步骤：

S1：制作所述超声波导管；

S2：在所述超声波导管一端固定安装所述致动器；

S3：往所述超声波导管中注入脱气后的所述液体；

S4：在所述超声波导管一端安装所述尾塞；

S5：将所述致动器连接到所述致动器电路组件上。

优选地，所述超声波导管的制备方式包括模具制备、3D打印制备以及商业购买中任一种；所述液体通过负压或注射器注入超声波导管。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明通过内部填充有液体的超声波导管和致动器的配合，通过分析超声波导管在不同压力状态下的回波信息进行压力的感知和测量，有助于结构简单且降低重量，有助于提高制备的简易性，有助于提高检测精度，从而有助于提高适用范围，有助于降低生产成本。

2、本发明通过超声波导管采用软体材料制成，通过简单的装配就可以实现外部压力的检测，有助于减轻质量，有助于降低生产成本。

3、本发明通过超声波导管内填充有液体，有助于减小软体材料的迟滞效应，从而有助于提高检测精度，提高液体可以多次反复填充，有助于满足长期使用需求。

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为本发明主要体现基于超声导波的压力传感器的整体结构示意图。

图中所示：

超声波导管1                         尾塞2

致动器3                             致动器电路组件4

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。

实施例1

如图1所示，根据本发明提供的一种基于超声导波的压力传感器，包括：超声波导管1、尾塞2、致动器3以及致动器电路组件4；超声波导管1包括由软体材料制备而成的空心管，超声波导管1的一端与尾塞2密闭连接，超声波导管1的另一端与致动器3密闭连接；超声波导管1、尾塞2以及致动器3三者配合形成密闭空间，超声波导管1内部填充有液体；致动器3延伸至超声波导管1内部，致动器3用于产生超声振动并且感应回波振动；致动器3远离超声波导管1的一侧连接有致动器电路组件4；致动器电路组件4用于激励致动器3振动，并且将回波振动信号转化为电信号。

超声波导管1是由软体材料制备而成的空心管并且管中可填充液体。尾塞2与超声波导管1的一端配合，用于封装液体。致动器3与超声波导管1的另一端配合，使得超声波导管1内部形成密闭空间，防止液体外泄。致动器3用于产生超声振动并收集回波振动，从而获取超声波导管的压力信息；致动器电路组件4连接着致动器3，用于激励致动器3振动并接收回波振动。本发明通过分析超声波导管1在不同压力状态下的回波信息进行压力的感知和测量，具有重量轻，结构简单，制备容易以及压力检测范围大、精度高的优点。该发明可应用于机器人与触觉，电子皮肤，可穿戴人机交互等技术领域。

超声波导管1、尾塞2以及致动器3三者配合形成密闭空间。优选地，尾塞2与超声波导管1可拆卸连接。致动器3与超声波导管1固定连接。

超声波导管1包括由软体材料制备而成的空心管。软体材料包含能在外部施加压力下产生变形的材料，软体材料包括橡胶、树脂、硅胶、聚氨酯、塑料以及它们与微纳米材料聚合而成的材料中任一种。超声波导管采用软体材料制成，通过简单的装配就可以实现外部压力的检测，降低了生产成本，提高了检测精度，减轻了质量。

超声波导管1内部填充有液体，液体材料可用于传输超声振动能量。液体材料包括水、液态金属、油类液体以及其溶液中任一种。内部的液体能够有效地传导超声机械振动。液体在压力撤除之后，能够迅速地恢复，从而减少软体材料粘滞性带来的迟滞影响，从而提高压力检测的精度。液体可以反复补充和随时更换，满足不同的应用需求并且保证了长期使用性。

超声波导管1的截面包括任意形状，适配于各种安装基础以及技术领域，但是必须考虑保证致动器3可以顺利安装在内。同时考虑安装可靠性与声学特性，安装可靠性要求超声波导管1的壁厚不可过小；声学特性要求超声波导管1的内腔尺寸合适于声波传播。本发明中的压力传感器可以通过在不同厚度或者按压位置实现压力测试灵敏度和测压范围的调整，以满足不同应用场景的需求。

致动器3可以产生超声振动并且感应回波振动，致动器3包括压电陶瓷、聚偏氟乙烯以及磁致伸缩材料中任一种。

致动器电路组件4激励致动器3产生超声振动，并且将致动器3接收回波振动转化为电信号，电信号通过有线或无线方式(蓝牙、WIFI)传输至上位机进行计算处理，从而推导出压力信息。

本发明中的致动器3在受到致动器电路组件4产生的脉冲电压的激励之后，内部晶体产生机械振动。机械振动进一步传导到液体中，使得振动被限制在超声波导管1中并且沿着其长度方向传播。当振动传播到超声波导管1末端时，振动被反射回来并沿着超声波导管1回到致动器3处。反射回来的振动被致动器3接收，转化成电信号后通过致动器电路组件4传输到上位机中，进行下一步信号处理，包括滤波、包络、目标截取与峰值检测。这个反射回来的信号以波包的形式展示，波包的峰值体现了反射振动的一定的强度。当超声波导管1的传播路径经受外部压力而变形时，导致由超声波导管1的尾部反射的振动能量减弱，进而导致反射振动的波包的峰值减小。通过判断峰值减小的程度，就可以实现对压力大小的判断，从而实现压力检测。可以使用归一化峰值(α)来方便表示，归一化峰值由以下关系决定：

其中，V₀为初始峰值(未施加压力时的峰值大小)，V_p为施加压力后的峰值大小。

进一步地，本发明中的压力传感器的超声波导管1在外部压力施加下，通过判断峰值的大小变化实现压力的大小检测，还可以通过判断峰值出现的时间来判断压力发生的位置，实现压力和施压位置的同时检测。

本发明通过致动器3和超声波导管1的配合，使得压力传感器可以非耦合地检测压力以及压力发生的位置，从而使得能够用于机器人与触觉，电子皮肤，可穿戴人机交互等领域。

实施例2

一种制作基于超声导波的压力传感器的方法，基于上述实施例的基于超声导波的压力传感器，包括以下步骤：

S1：制作超声波导管1；

S2：在超声波导管1一端固定安装致动器3；

S3：往超声波导管1中注入脱气后的液体，液体是通过负压或者注射器填入超声波导管1的；

S4：在超声波导管1一端安装尾塞2；

S5：将致动器3连接到致动器电路组件4上。

超声波导管1的制备方式包括模具制备、3D打印制备以及商业购买中任一种。模具的加工方式包括3D打印或数控加工。

当超声波导管1为通过模具制备时，模具由5部分装配而成。5部分分别为上腔块、下腔块，等径的不锈钢圆棒，以及左封装块和右封装块。上腔块、下腔块内有半圆柱状凹槽，用于控制超声波导管1的外径；不锈钢圆棒插在左右封装块中，再固定在上下腔块内用于控制圆管的内径。一份模具含有一个或者多个单独的腔体，一次浇注可以得到与腔体等数量的超声波导管1，方便量产。

组装好左、右封装块和不锈钢圆棒，并置于下腔块中，喷上取模剂，接着倒入混匀并且已经初次排泡的软体胶体，再组装好上腔块，置于恒温干燥台中直至凝固；凝固后，取膜，抽出小钢棒，制得超声波导管1。

当超声波导管1为商用购买时，可以实现压力传感器的全组装优势。

工作原理

超声波导管1是由软体材料制备而成的空心管并且管中可填充液体。尾塞2与超声波导管1的一端配合，用于封装液体。致动器3与超声波导管1的另一端配合，使得超声波导管1内部形成密闭空间，防止液体外泄。致动器3用于产生超声振动并收集回波振动，从而获取超声波导管的压力信息；致动器电路组件4连接着致动器3，用于激励致动器3振动并接收回波振动。致动器3在受到致动器电路组件4产生的脉冲电压的激励之后，内部晶体产生机械振动。机械振动进一步传导到液体中，使得振动被限制在超声波导管1中并且沿着其长度方向传播。当振动传播到超声波导管1末端时，振动被反射回来并沿着超声波导管1回到致动器3处。反射回来的振动被致动器3接收，转化成电信号后通过致动器电路组件4传输到上位机中，进行下一步信号处理，包括滤波、包络、目标截取与峰值检测。

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 (7)

1.一种基于超声导波的压力传感器，其特征在于，包括：超声波导管(1)、尾塞(2)、致动器(3)以及致动器电路组件(4)；

所述超声波导管(1)包括由软体材料制备而成的空心管，所述超声波导管(1)的一端与所述尾塞(2)紧固连接，所述超声波导管(1)的另一端与所述致动器(3)紧固连接；

所述超声波导管(1)、所述尾塞(2)以及所述致动器(3)三者配合形成密闭空间，所述超声波导管(1)内部填充有液体；

所述致动器(3)延伸至所述超声波导管(1)内部，所述致动器(3)用于产生超声振动并且感应回波振动；

所述致动器(3)远离所述超声波导管(1)的一侧连接有所述致动器电路组件(4)，所述致动器电路组件(4)用于激励所述致动器(3)振动，并且将回波振动转化为电信号；

所述软体材料包括橡胶、树脂、硅胶、聚氨酯、塑料以及它们与微纳米材料聚合而成的材料中任一种；

所述超声波导管(1)的截面包括任意形状；

所述电信号通过有线或无线方式传输至上位机进行计算处理。

2.如权利要求1所述的基于超声导波的压力传感器，其特征在于，所述超声波导管(1)的内腔尺寸合适于声波传播。

3.如权利要求1所述的基于超声导波的压力传感器，其特征在于，所述尾塞(2)与所述超声波导管(1)可拆卸连接；

所述致动器(3)与所述超声波导管(1)固定连接。

4.如权利要求1所述的基于超声导波的压力传感器，其特征在于，所述液体材料包括水、液态金属、油类液体以及其溶液中任一种。

5.如权利要求1所述的基于超声导波的压力传感器，其特征在于，所述致动器(3)包括压电陶瓷、聚偏氟乙烯以及磁致伸缩材料中任一种。

6.一种制作权利要求1所述基于超声导波的压力传感器的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：制作所述超声波导管(1)；

S2：在所述超声波导管(1)一端固定安装所述致动器(3)；

S3：往所述超声波导管(1)中注入脱气后的所述液体；

S4：在所述超声波导管(1)一端安装所述尾塞(2)；

S5：将所述致动器(3)连接到所述致动器电路组件(4)上。

7.如权利要求6所述的基于超声导波的压力传感器的制作方法，其特征在于，所述超声波导管(1)的制备方式包括模具制备、3D打印制备以及商业购买中任一种；

所述液体通过负压或注射器注入所述超声波导管(1)。

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