CN115235659B - 一种可控量程柔性缝传感器的制备方法及相关设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可控量程柔性缝传感器的制备方法及相关设备，所述方法包括：制备满足预设要求的异蝎样本，获取所述异蝎样本中缝单元的开口宽度、深度和平面分布情况，并作为观测数据；基于所述观测数据，将蝎子缝感受器等效为包括一侧带有若干凹槽的长方体的缝感受器的等效物理结构仿真模型；基于有限元分析仿真方法建立仿生缝结构可控量程传感器模型，根据所述仿生缝结构可控量程传感器模型制备可控量程柔性缝传感器。本发明根据依据蝎子仿生缝结构可控量程传感器模型精准制备传感器，改善了目前仿生传感器工艺不规范，重复性差的问题，实现了传感器的大批量标准化制作，并通过可控量程柔性缝传感器对纺织品进行分类识别，具有实际应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种可控量程柔性缝传感器的制备方法、系统、终端及计算机可读存储介质。
背景技术
各种节肢动物为了生存进化出优秀的感知能力，由于其感知能力远超现有各种传感器的检测能力，因此在生物结构及感知机理上寻求传感器技术的设计方案，已成为目前的研究热点。其中蝎子、蜘蛛等生物的缝状感知器官由于其应力集中效应能够实现应变放大，因此具有超敏机械量感知特性，是目前仿生传感器的研究重点。
虽然已有研究证明了蝎子、蜘蛛等生物的缝感受器由于其应力集中效应能够实现应变放大，提高感知能力。但目前缺乏对其放大机理的定量分析，即缝单元的空间排布、长度、宽度、深度等因素与感知性能的映射关系。缺乏这种定量关系的研究，导致缝传感器的设计随机、性能不稳定、量程不可控。
目前基于蝎子缝感受器的仿生机械量传感器大多能够具有较高的灵敏度，在测试中也能够体现其超敏的优点。但工程应用中，传感器需要根据实际工况，确定相应测量量程范围内的传感器件，这需要在传感器制备之初，对各个设计参数进行设定。而目前的仿生缝单元传感器仅复现了蝎子超敏感知现象，而量程不可定量调控，缺乏应用价值。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种可控量程柔性缝传感器的制备方法、系统、终端及计算机可读存储介质，旨在解决现有技术导致缝传感器的设计随机、性能不稳定、量程不可控的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种可控量程柔性缝传感器的制备方法，所述可控量程柔性缝传感器的制备方法包括如下步骤：
制备满足预设要求的异蝎样本，获取所述异蝎样本中缝单元的开口宽度、深度和平面分布情况，并作为观测数据；
基于所述观测数据，将蝎子缝感受器等效为包括一侧带有若干凹槽的长方体的缝感受器的等效物理结构仿真模型；
基于有限元分析仿真方法建立仿生缝结构可控量程传感器模型，根据所述仿生缝结构可控量程传感器模型制备可控量程柔性缝传感器。
可选地，所述的可控量程柔性缝传感器的制备方法，其中，所述制备满足预设要求的异蝎样本，获取所述异蝎样本中缝单元的开口宽度、深度和平面分布情况，并作为观测数据，具体包括：
将制备好的异蝎样本置于白光干涉仪的观测台上，调整位置使跖骨末端的缝感受器位于白光干涉仪镜头焦点处，并将跖骨与跗骨的角度调整为150°；
调整白光干涉仪焦距，直至屏幕上明显区分多条缝单元；
静置所述异蝎样本5分钟，待所述异蝎样本完全稳定后开始扫描，扫描时间为5～8分钟；
控制微动台推动跗骨，调整跗骨与跖骨角度为分别为135°、120°、105°和90°，在每次调整后用白光干涉仪扫描蝎子缝感受器三维形貌，以测定蝎子缝感受器的应变响应；
将扫描完成的蝎子缝感受器三维数据生成三维图像，测量位置选取距缝尖端50μm处的缝单元截面，测量时取截面两侧曲率半径最小的点的水平距离作为缝单元的开口宽度，以缝单元底端最低点到曲率半径最小点的垂直距离作为缝单元的深度；
获取所述异蝎样本的观测数据，所述观测数据包括缝单元的开口宽度、深度和平面分布情况。
可选地，所述的可控量程柔性缝传感器的制备方法，其中，所述基于所述观测数据，将蝎子缝感受器等效为包括一侧带有若干凹槽的长方体的缝感受器的等效物理结构仿真模型，具体包括：
根据蝎子缝感受器结构设计缝感受器的等效物理结构仿真模型；
所述等效物理结构仿真模型的基底为长方体，在基底左侧设置多组矩形凹槽以模拟蝎子缝感受器的缝单元，凹槽均匀分布于基底中部，将基底下端设置为固定端，上端设置为受力段，上端施加均匀压强以模拟蝎子的应变形式；
所述等效物理结构仿真模型的参数包括基底长度、基底厚度、基底宽度、凹槽宽度、凹槽深度、间距、材料弹性模量和施加压强；
在施加压强时，随着压强的增大，凹槽逐渐被挤压，表现为凹槽间距的减小，仿真分析时，调整受力端施加的压强，将凹槽刚好闭合的压强定义为凹槽的临界闭合压强。
可选地，所述的可控量程柔性缝传感器的制备方法，其中，所述基于有限元分析仿真方法建立仿生缝结构可控量程传感器模型，具体包括：
将基底下端设置为固定端，上端为受力端，施加固定的压强，基底受力时产生形变，基底形变时，将空白区域定义为主动形变区，阴影区域定义为被动形变区；
对主动形变区进行分析，对于压强p，受力端所受压力为：
F＝pHW；
其中，H为基底厚度，W为基底宽度；
将压力等效为基底底端一点扭矩，此时扭矩Me为：
受扭矩作用，基底产生弯曲，由小挠度薄板理论可知，此处弯曲近似为圆弧，端截面转角θ为：
其中，L为基底长度，E为材料的弹性模量，I为结构的惯性矩，基底截面为矩形截面，此处：
其中，s为凹槽深度；圆心角θ与端截面转角相同，同为：
代入I、Me，即：
基底底端弯曲的曲率半径D为：
代入L、θ即：
考虑被动形变区随主动形变区发生的形变，凹槽临界闭合时，基底底端及顶端为同心圆结构，即：
其中，n为凹槽数量，a为凹槽宽度；
代入L、D，即：
最终得到：
当p为上式的值时，凹槽两端处于临界闭合状态，p即为临界闭合压强。
可选地，所述的可控量程柔性缝传感器的制备方法，其中，所述临界闭合压强为所述可控量程柔性缝传感器的量程。
可选地，所述的可控量程柔性缝传感器的制备方法，其中，所述可控量程柔性缝传感器由柔性基底、基底表面的“M”型电路和PCB引线板组成；
当基底受力弯曲时，缝单元闭合导致“M”型电路受到挤压，金属原子间接触程度发生变化，导致电阻变化，通过电阻的变化量检测所述可控量程柔性缝传感的应变。
可选地，所述的可控量程柔性缝传感器的制备方法，其中，所述可控量程柔性缝传感器用于通过对不同微观表面形貌的纺织品进行分类识别和结果显示。
此外，为实现上述目的，本发明还提供一种可控量程柔性缝传感器的制备系统，其中，所述可控量程柔性缝传感器的制备系统包括：
样本获取模块，用于制备满足预设要求的异蝎样本，获取所述异蝎样本中缝单元的开口宽度、深度和平面分布情况，并作为观测数据；
等效仿真模块，用于基于所述观测数据，将蝎子缝感受器等效为包括一侧带有若干凹槽的长方体的缝感受器的等效物理结构仿真模型；
传感器制备模块，用于基于有限元分析仿真方法建立仿生缝结构可控量程传感器模型，根据所述仿生缝结构可控量程传感器模型制备可控量程柔性缝传感器。
此外，为实现上述目的，本发明还提供一种终端，其中，所述终端包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的可控量程柔性缝传感器的制备程序，所述可控量程柔性缝传感器的制备程序被所述处理器执行时实现如上所述的可控量程柔性缝传感器的制备方法的步骤。
此外，为实现上述目的，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其中，所述计算机可读存储介质存储有可控量程柔性缝传感器的制备程序，所述可控量程柔性缝传感器的制备程序被处理器执行时实现如上所述的可控量程柔性缝传感器的制备方法的步骤。
本发明中，制备满足预设要求的异蝎样本，获取所述异蝎样本中缝单元的开口宽度、深度和平面分布情况，并作为观测数据；基于所述观测数据，将蝎子缝感受器等效为包括一侧带有若干凹槽的长方体的缝感受器的等效物理结构仿真模型；基于有限元分析仿真方法建立仿生缝结构可控量程传感器模型，根据所述仿生缝结构可控量程传感器模型制备可控量程柔性缝传感器。本发明根据依据蝎子仿生缝结构可控量程传感器模型精准制备传感器，改善了目前仿生传感器工艺不规范，重复性差的问题，实现了传感器的大批量标准化制作，并通过可控量程柔性缝传感器对纺织品进行分类识别，具有实际应用价值。
附图说明
图1是本发明可控量程柔性缝传感器的制备方法的较佳实施例的流程图；
图2是本发明可控量程柔性缝传感器的制备方法的较佳实施例中制备蝎子腿段样品的示意图；
图3是本发明可控量程柔性缝传感器的制备方法的较佳实施例中白光干涉实验平台的示意图；
图4是本发明可控量程柔性缝传感器的制备方法的较佳实施例中为缝感受器扫描形貌及尺寸表定位置的示意图；
图5是本发明可控量程柔性缝传感器的制备方法的较佳实施例中为缝感受器尺寸测量方法的示意图；
图6是本发明可控量程柔性缝传感器的制备方法的较佳实施例中为缝感受器的等效物理结构模型设计方法的示意图；
图7是本发明可控量程柔性缝传感器的制备方法的较佳实施例中为仿生缝结构可控量程传感器模型建立及分析方法的示意图；
图8是本发明可控量程柔性缝传感器的制备方法的较佳实施例中可控量程柔性缝传感器结构及尺寸设计的示意图；
图9是本发明可控量程柔性缝传感器的制备方法的较佳实施例中可控量程柔性缝传感器制备工艺的示意图；
图10是本发明可控量程柔性缝传感器的制备方法的较佳实施例中可控量程柔性缝传感器结构及SVM缝单元微观形貌扫描的示意图；
图11是本发明可控量程柔性缝传感器的制备方法的较佳实施例中织物表面触碰识别测试平台的示意图；
图12是本发明可控量程柔性缝传感器的制备方法的较佳实施例中织物表面触碰识别测试结果的示意图；
图13是本发明可控量程柔性缝传感器的制备系统的较佳实施例的原理示意图；
图14为本发明终端的较佳实施例的运行环境示意图。
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。
本发明较佳实施例所述的可控量程柔性缝传感器的制备方法，如图1所示，所述可控量程柔性缝传感器的制备方法包括以下步骤：
步骤S10、制备满足预设要求的异蝎样本，获取所述异蝎样本中缝单元的开口宽度、深度和平面分布情况，并作为观测数据。
具体地，首先要制备满足预设要求的异蝎样本，如图2所示，样品制备方法为：彼得异蝎用乙醚麻醉后，迅速用手术刀将彼得异蝎样本从股骨处切除，用蜂蜡和树脂包埋切口，用酒精棉清洁蝎子跖骨及跗骨表面，以去除蝎子腿部毛刺，此种方法制备的样品能够在3-6小时内保证生物活性，并将样品的跖骨与跗骨关节处置于角度坐标纸原点，坐标纸为极坐标标记(为在A4纸上打印极坐标标记)，共12组坐标轴，坐标轴间隔30°，并裁切为10×10cm尺寸，将所述彼得异蝎腿段样品的跖骨与跗骨关节处置于角度坐标纸原点，所述彼得异蝎腿段样品缝感受器置于白光干涉仪交点处，以扫描观测蝎子缝感受器形貌。
如图3所示，白光干涉仪能够高精度，非接触的测量生物器官表面形貌，白光干涉平台能够有效的观测蝎子缝感受器应变过程，实验方法为：
(1)将制备好的样品置于白光干涉仪的观测台上，调整位置使跖骨末端的缝感受器位于白光干涉仪镜头焦点处，并将跖骨与跗骨的角度调整为150°；
(2)调整白光干涉仪焦距，直至屏幕上能明显区分多条缝单元；
(3)由于生物组织具有弹性，在调试过程中可能发生形变，需静置样品5分钟，待样品完全稳定后开始扫描；
(4)扫描时间为5～8分钟，取决于选取的景深，为避免扫描过程中有对样品的干扰，实验人员保持静止，避免走动；
(5)用微动台(微动推杆)推动跗骨，调整跗骨与跖骨角度为分别为135°、120°、105°、90°，并在每次调整后用白光干涉仪扫描蝎子缝感受器三维形貌，以测定蝎子缝感受器的应变响应；重复以上测量步骤。
如图4所示，白光干涉可以精准的扫描出缝感受器的三维形貌，由于单个的缝单元各处宽度和深度不统一，变化较大，因此测量时取缝单元的固定位置进行测量，将扫描完成的蝎子缝感受器三维数据导入MATLAB生成三维图像；尺寸测量方法为：测量位置选取距缝尖端50μm处的缝单元截面，如图5所示，测量时取截面两侧曲率半径最小的点的水平距离作为缝单元的宽度，以缝单元底端最低点到曲率半径最小点的垂直距离作为缝单元的深度。通过蝎子缝感受器的应变观测方法对缝单元的开口宽度、深度、平面分布情况进行观测，得到观测数据。
步骤S20、基于所述观测数据，将蝎子缝感受器等效为包括一侧带有若干凹槽的长方体的缝感受器的等效物理结构仿真模型。
具体地，依据蝎子缝感受器结构设计缝感受器的等效物理结构模型，如图6所示，模型基底设置为838μm×80μm×20μm的长方体，在基底左侧设置多组矩形凹槽以模拟蝎子缝感受器的缝单元(即模型仿照蝎子缝感受器结构及应变方式建立；一侧带有若干凹槽，仿照蝎子缝感受器结构；一端为固定端，仿照蝎子缝感受器跖骨一端固定的特点；模型另一端为受力端，仿照蝎子缝感受器跗骨一端受力应变的特点)，其中凹槽均匀分布于基底中部480μm，上下两侧179μm处无凹槽，以保证凹槽离受力区较远，避免受力不均。将基底下端设置为固定端，上端施加均匀压强以模拟蝎子的应变形式。模型主要参数分别为：基底长度L、基底厚度H、基底宽度W、凹槽宽度a、凹槽深度s、施加压强p。在施加压强时，随着压强的增大，凹槽逐渐被挤压，表现为凹槽间距的减小，仿真分析时，调整受力端施加的压强，将凹槽刚好闭合(即距离刚好为0)的压强定义为凹槽的临界闭合压强。模型受力时，凹槽逐渐闭合，直至完全闭合后，无论如何受力凹槽也不再形变，仿照蝎子缝感受器在达到形变极限后不再形变的特点；模型参数设置为凹槽宽度、深度、间距、材料弹性模量，模拟分析蝎子不同尺寸的缝结构在应变响应中的应变特性；通过改变凹槽的宽度、深度、间距、材料弹性模量以分析不同参数对缝单元应变响应的影响。
使用ABAQUS有限元分析软件在建立了不同凹槽尺寸的模型后，调整受力端施加压强的大小，直至凹槽刚好闭合，将此时受力端的压强定义为临界闭合压强，以此描述不同尺寸缝结构的应变响应特性。模型与缝感受器的等效物理结构仿真模型相同，为一侧带有若干凹槽的长方体结构，将离散的仿真模型构建为连续的力学模型，以指导仿生缝结构传感器的设计。
基于有限元分析方法建立仿生缝结构可控量程传感器模型，如图7所示，其中，L为基底长度，H为基底厚度，W为基底宽度，a为凹槽宽度，s为凹槽深度，n为凹槽数量。将基底下端设置为固定端，上端为受力端，施加固定的压强p，基底受力时产生形变，取截面进行进一步分析，基底形变时，其阴影区域的结构并未发生形变，仅随空白区域的基部形变而产生角度的改变。此处将空白区域定义为主动形变区，阴影区域定义为被动形变区。
对主动形变区进行分析，对于压强p，受力端所受压力为：
F＝pHW；
其中，H为基底厚度，W为基底宽度；
由于模型主要分析基底的形变，因此将压力等效为基底底端一点扭矩，此时扭矩Me为：
如图7所示，受扭矩作用，基底产生弯曲，由小挠度薄板理论可知，此处弯曲近似为圆弧，端截面转角θ为：
其中，L为基底长度，E为材料的弹性模量，I为结构的惯性矩，基底截面为矩形截面，此处：
其中，s为凹槽深度；圆心角θ与端截面转角相同，同为：
代入I、Me，即：
基底底端弯曲的曲率半径D为：
代入L、θ即：
此时，考虑被动形变区随主动形变区发生的形变，凹槽临界闭合时，基底底端(无凹槽侧)及顶端(有凹槽侧)为同心圆结构，即：
其中，n为凹槽数量，a为凹槽宽度；
代入L、D，即：
最终得到：
当p为上式的值时，凹槽两端处于临界闭合状态，p即为临界闭合压强。
步骤S30、基于有限元分析仿真方法建立仿生缝结构可控量程传感器模型，根据所述仿生缝结构可控量程传感器模型制备可控量程柔性缝传感器。
具体地，如图8所示，传感器参数基于仿生缝结构可控量程传感器模型设计，各个尺寸参数与仿生缝结构可控量程传感器模型一一对应，传感器量程对应仿生缝结构可控量程传感器模型的临界闭合压强p，即通过模型设计传感器尺寸参数，即可控制传感器的量程。共设计了四组不同参数的传感器。
模型定义了临界闭合压强，在达到临界闭合压强后，整个模型不再应变，依据模型设计的传感器，临界闭合压强即为传感器的量程，模型提供了传感器量程的控制方法。
所述可控量程柔性缝传感器由柔性基底、基底表面的“M”型电路、PCB引线板组成，基底受力弯曲时，缝单元闭合导致“M”型电路受到挤压，金属原子间接触程度发生变化，从而导致电阻变化，通过电阻的变化量检测传感器的应变。传感器尺寸及结构参数基于所述仿生缝结构可控量程传感器模型设计，制备工艺为基于MEMS的加工方法以精准控制传感器的结构参数。
柔性基底由PDMS材料构成，基底上具有多组依据所述仿生缝结构可控量程传感器模型设计的不同尺寸的缝单元；PDMS基底上的缝单元为凹槽结构，通过电子制版-光刻的工艺生成；设计有“M”型电路，以增大电路应变幅度提升传感器灵敏度，“M”型电路通过金属生长、湿法腐蚀等工艺完成制备；PCB引线板一端具有导电银浆联通柔性基底的电路，PCB表面在导电银浆处引出电路与焊点，以便于传感器信号采集；检测原理为，基底受力弯曲时，缝单元闭合导致表面电路接触程度发生变化，从而使电阻发生变化完成检测。
所述可控量程柔性缝传感器分为两部分：前端为电阻敏感的柔性应变部分，其表面刻有凹槽状缝单元，缝单元集中于柔性基底中部6000μm，远离基底两端以避免受力不均，柔性基底表面刻有导电层作为应变电阻，导电层连接缝单元表面及内壁。传感器前端设计为尖端结构，减少传感器与检测目标的接触面积，以更加精准地检测点位移，避免检测目标表面过于粗糙而干扰传感器检测精度。后端为传感器刚性封装引线区域，其目的为将传感器封装到尾部PCB板上以便于检测、携带，并设有电路引线以检测传感器电阻变化。检测原理为：当传感器尖端受力发生位移时，传感器向有缝单元一侧弯曲，此时各个缝单元的闭合程度发生变化，进而导致其表面涂覆的导电层电阻变化，依据其电阻的变化率检测其形变大小，进而检测其尖端位移。
进一步地，如图9所示，制备可控量程柔性缝传感器(后文中的传感器均指可控量程柔性缝传感器)的工艺流程为：
(1)电子版图与制版
选取直径为4英寸、厚度500μm的SOI(Silicon-On-Insulator)硅片。如图9所示，依据四组传感器的尺寸设计硅片刻蚀方式及分布位置，进行版图设计，以最大程度利用版图面积。同时，版图设计需保证同一水平线上缝单元的尺寸、间距相同以便于刻蚀缝单元。版图设计完成后，通过掩膜版光刻与版图相同结构的光刻胶，并在SOI片上刻蚀缝单元作为母版。
(2)PDMS倒模成形
基于传感器为满足传感器材料特性，本发明将PDMS预聚物与固化剂按10：1的比例混合以生成弹性模量为2MPa的柔性基底，使用匀胶机将PDMS均匀涂覆于SOI表面，旋涂厚度3mm。待冷却固化后，将PDMS基底拔模取出。
(3)金属层生长
在PDMS基底表面及缝内壁通过蒸镀、溅射的方法生长1μm的Au层，加工完成后，按照设计版图湿法腐蚀多余的Au层，并切割PDMS基底。
(4)封装集成
按设计尺寸切割PCB板，在封装面旋涂BCB胶，厚度为5～10μm，在100℃环境下使用键合机施加一定压力，固化BCB完成PCB与PDMS基底的连接，并在PCB上金属打线以引出电路进行检测，并在PCB与PDMS电路结合处旋涂导电银浆以保证电路连通性。
如图10所示，制备完成后，通过SEM对传感器缝单元进行观察。基于MEMS工艺制备的缝单元清晰可见，间距标准，金属层边界清晰。加工方法具有良好的工艺性，可以精准控制生成的缝单元形貌。
如图11所示，织物表面触碰识别测试方法，实验平台包括微动推杆、数字万用表、控制器及五种不同微观表面形貌的纺织品：金丝绒、竹节布、单层呢、罗纹布、天鹅绒，其中，微动推杆控制传感器步进，数字万用表采集纺织品表面形貌数据。图11的表中指出了五种布料的表明形貌参数，测试方法为：将布料裁切为5×5cm的正方形，紧密粘贴于检测平面，将传感器装夹于微动推杆的前端，与布料表面垂直，随后控制微动推杆推动传感器，使传感器柔性尖端接触到布料表面直至传感器略微弯曲，并控制传感器以1mm/s的速度平行布料表面移动4cm，数字万用表以40Hz的频率采集传感器电阻数据。采集五种不同微观表面形貌的纺织品数据以验证传感器的应用价值。
如图12所示，传感器对不同的织物表面具有稳定的触碰识别能力。本发明提出的仿生缝结构可控量程传感器模型精准，能够指导传感器的设计；提出的可控量程仿生传感器制备方法稳定可靠，制备的传感器具有实际应用价值。
本发明通过蝎子缝感受器的应变观测方法对缝单元的开口宽度、深度、平面分布情况进行观测，由观测数据，将蝎子缝感受器等效为包括一侧带有若干凹槽的长方体的缝感受器的等效物理结构仿真模型，其中凹槽宽度、深度、间距、材料弹性模量参数设计由ABAQUS有限元方法分析仿真；通过定义临界闭合压强与凹槽尺寸、材料的映射关系，建立仿生缝结构可控量程传感器模型，以定量描述缝单元几何结构参数与外界应激信号之间的响应关系，为设计可控量程的仿生柔性缝传感器奠定理论基础；然后，基于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)工艺，实现了可控量程柔性缝传感器的制备方法，制备了仿生可控量程缝传感器；最后，通过对不同微观表面形貌的纺织品进行分类识别，结果显示，可控量程柔性缝传感器对不同的织物表面具有稳定的触碰识别能力。
有益效果：
(1)本发明所述蝎子缝感受器的应变观测方法，能够解决目前仿生研究中，对生物器官应变响应观测方式不稳定的问题，本发明能够在不破坏生物体表结构的前提下精准观测生物器官应变响应；
(2)本发明所述蝎子缝感受器的缝感受器的等效物理结构模型与仿生缝结构可控量程传感器模型，能够将生物缝感受器超敏感知现象以物理模型的形式阐述，提供了一般生物感知机理物理结构的生物-仿真-模型的映射分析方式；
(3)本发明所述传感器设计及制备方法，能够依据所述蝎子仿生缝结构可控量程传感器模型精准设计制备传感器，改善了目前仿生传感器工艺不规范，重复性差的问题。工艺流程标准，可操作性强，能够实现传感器的大批量标准化制作；使仿生传感器高灵敏的优点具有真正的实用价值。
(4)本发明所述织物表面触碰识别测试方法，能够有效的测试传感器的实用价值，本发明所述可控量程柔性缝传感器，能够有效识别五种不同微观表面形貌的纺织品，具有实际应用价值。
进一步地，如图13所示，基于上述可控量程柔性缝传感器的制备方法，本发明还相应提供了一种可控量程柔性缝传感器的制备系统，其中，所述可控量程柔性缝传感器的制备系统包括：
样本获取模块51，用于制备满足预设要求的异蝎样本，获取所述异蝎样本中缝单元的开口宽度、深度和平面分布情况，并作为观测数据；
等效仿真模块52，用于基于所述观测数据，将蝎子缝感受器等效为包括一侧带有若干凹槽的长方体的缝感受器的等效物理结构仿真模型；
传感器制备模块53，用于基于有限元分析仿真方法建立仿生缝结构可控量程传感器模型，根据所述仿生缝结构可控量程传感器模型制备可控量程柔性缝传感器。
进一步地，如图14所示，基于上述可控量程柔性缝传感器的制备方法和系统，本发明还相应提供了一种终端，所述终端包括处理器10、存储器20及显示器30。图14仅示出了终端的部分组件，但是应理解的是，并不要求实施所有示出的组件，可以替代的实施更多或者更少的组件。
所述存储器20在一些实施例中可以是所述终端的内部存储单元，例如终端的硬盘或内存。所述存储器20在另一些实施例中也可以是所述终端的外部存储设备，例如所述终端上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(SecureDigital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述存储器20还可以既包括所述终端的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器20用于存储安装于所述终端的应用软件及各类数据，例如所述安装终端的程序代码等。所述存储器20还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。在一实施例中，存储器20上存储有可控量程柔性缝传感器的制备程序40，该可控量程柔性缝传感器的制备程序40可被处理器10所执行，从而实现本申请中可控量程柔性缝传感器的制备方法。
所述处理器10在一些实施例中可以是一中央处理器(Central Processing Unit,CPU)，微处理器或其他数据处理芯片，用于运行所述存储器20中存储的程序代码或处理数据，例如执行所述可控量程柔性缝传感器的制备方法等。
所述显示器30在一些实施例中可以是LED显示器、液晶显示器、触控式液晶显示器以及OLED(Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管)触摸器等。所述显示器30用于显示在所述终端的信息以及用于显示可视化的用户界面。所述终端的部件10-30通过系统总线相互通信。
在一实施例中，当处理器10执行所述存储器20中可控量程柔性缝传感器的制备程序40时实现所述可控量程柔性缝传感器的制备方法的步骤。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其中，所述计算机可读存储介质存储有可控量程柔性缝传感器的制备程序，所述可控量程柔性缝传感器的制备程序被处理器执行时实现如上所述的可控量程柔性缝传感器的制备方法的步骤。
综上所述，本发明提供一种可控量程柔性缝传感器的制备方法及相关设备，所述方法包括：制备满足预设要求的异蝎样本，获取所述异蝎样本中缝单元的开口宽度、深度和平面分布情况，并作为观测数据；基于所述观测数据，将蝎子缝感受器等效为包括一侧带有若干凹槽的长方体的缝感受器的等效物理结构仿真模型；基于有限元分析仿真方法建立仿生缝结构可控量程传感器模型，根据所述仿生缝结构可控量程传感器模型制备可控量程柔性缝传感器。本发明根据依据蝎子仿生缝结构可控量程传感器模型精准设计制备传感器，改善了目前仿生传感器工艺不规范，重复性差的问题，能够实现传感器的大批量标准化制作，同时可以通过制备了的可控量程柔性缝传感器对不同的纺织品进行分类识别，具有实际应用价值。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者终端中还存在另外的相同要素。
当然，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关硬件(如处理器，控制器等)来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取的计算机可读存储介质中，所述程序在执行时可包括如上述各方法实施例的流程。其中所述的计算机可读存储介质可为存储器、磁碟、光盘等。
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 (7)
1.一种可控量程柔性缝传感器的制备方法，其特征在于，所述可控量程柔性缝传感器的制备方法包括：
制备满足预设要求的异蝎样本，获取所述异蝎样本中缝单元的开口宽度、深度和平面分布情况，并作为观测数据；
基于所述观测数据，将蝎子缝感受器等效为包括一侧带有若干凹槽的长方体的缝感受器的等效物理结构仿真模型；
基于有限元分析仿真方法建立仿生缝结构可控量程传感器模型，根据所述仿生缝结构可控量程传感器模型制备可控量程柔性缝传感器；
所述基于所述观测数据，将蝎子缝感受器等效为包括一侧带有若干凹槽的长方体的缝感受器的等效物理结构仿真模型，具体包括：
根据蝎子缝感受器结构设计缝感受器的等效物理结构仿真模型；
所述等效物理结构仿真模型的基底为长方体，在基底左侧设置多组矩形凹槽以模拟蝎子缝感受器的缝单元，凹槽均匀分布于基底中部，将基底下端设置为固定端，上端设置为受力段，上端施加均匀压强以模拟蝎子的应变形式；
所述等效物理结构仿真模型的参数包括基底长度、基底厚度、基底宽度、凹槽宽度、凹槽深度、间距、材料弹性模量和施加压强；
在施加压强时，随着压强的增大，凹槽逐渐被挤压，表现为凹槽间距的减小，仿真分析时，调整受力端施加的压强，将凹槽刚好闭合的压强定义为凹槽的临界闭合压强；
所述基于有限元分析仿真方法建立仿生缝结构可控量程传感器模型，具体包括：
将基底下端设置为固定端，上端为受力端，施加固定的压强，基底受力时产生形变，基底形变时，将空白区域定义为主动形变区，阴影区域定义为被动形变区；
对主动形变区进行分析，对于压强p，受力端所受压力为：
F＝pHW；
其中，H为基底厚度，W为基底宽度；
将压力等效为基底底端一点扭矩，此时扭矩Me为：
受扭矩作用，基底产生弯曲，由小挠度薄板理论可知，此处弯曲近似为圆弧，端截面转角θ为：
其中，L为基底长度，E为材料的弹性模量，I为结构的惯性矩，基底截面为矩形截面，此处：
其中，s为凹槽深度；圆心角θ与端截面转角相同，同为：
代入I、Me，即：
基底底端弯曲的曲率半径D为：
代入L、θ即：
考虑被动形变区随主动形变区发生的形变，凹槽临界闭合时，基底底端及顶端为同心圆结构，即：
其中，n为凹槽数量，a为凹槽宽度；
代入L、D，即：
最终得到：
当p为上式的值时，凹槽两端处于临界闭合状态，p即为临界闭合压强；
所述临界闭合压强为所述可控量程柔性缝传感器的量程。
2.根据权利要求1所述的可控量程柔性缝传感器的制备方法，其特征在于，所述制备满足预设要求的异蝎样本，获取所述异蝎样本中缝单元的开口宽度、深度和平面分布情况，并作为观测数据，具体包括：
将制备好的异蝎样本置于白光干涉仪的观测台上，调整位置使跖骨末端的缝感受器位于白光干涉仪镜头焦点处，并将跖骨与跗骨的角度调整为150°；
调整白光干涉仪焦距，直至屏幕上明显区分多条缝单元；
静置所述异蝎样本5分钟，待所述异蝎样本完全稳定后开始扫描，扫描时间为5～8分钟；
控制微动台推动跗骨，调整跗骨与跖骨角度为分别为135°、120°、105°和90°，在每次调整后用白光干涉仪扫描蝎子缝感受器三维形貌，以测定蝎子缝感受器的应变响应；
将扫描完成的蝎子缝感受器三维数据生成三维图像，测量位置选取距缝尖端50μm处的缝单元截面，测量时取截面两侧曲率半径最小的点的水平距离作为缝单元的开口宽度，以缝单元底端最低点到曲率半径最小点的垂直距离作为缝单元的深度；
获取所述异蝎样本的观测数据，所述观测数据包括缝单元的开口宽度、深度和平面分布情况。
3.根据权利要求1所述的可控量程柔性缝传感器的制备方法，其特征在于，所述可控量程柔性缝传感器由柔性基底、基底表面的“M”型电路和PCB引线板组成；
当基底受力弯曲时，缝单元闭合导致“M”型电路受到挤压，金属原子间接触程度发生变化，导致电阻变化，通过电阻的变化量检测所述可控量程柔性缝传感的应变。
4.根据权利要求1-3任一项所述的可控量程柔性缝传感器的制备方法，其特征在于，所述可控量程柔性缝传感器用于通过对不同微观表面形貌的纺织品进行分类识别和结果显示。
5.一种可控量程柔性缝传感器的制备系统，其特征在于，所述可控量程柔性缝传感器的制备系统包括：
样本获取模块，用于制备满足预设要求的异蝎样本，获取所述异蝎样本中缝单元的开口宽度、深度和平面分布情况，并作为观测数据；
等效仿真模块，用于基于所述观测数据，将蝎子缝感受器等效为包括一侧带有若干凹槽的长方体的缝感受器的等效物理结构仿真模型；
传感器制备模块，用于基于有限元分析仿真方法建立仿生缝结构可控量程传感器模型，根据所述仿生缝结构可控量程传感器模型制备可控量程柔性缝传感器；
所述基于所述观测数据，将蝎子缝感受器等效为包括一侧带有若干凹槽的长方体的缝感受器的等效物理结构仿真模型，具体包括：
根据蝎子缝感受器结构设计缝感受器的等效物理结构仿真模型；
所述等效物理结构仿真模型的基底为长方体，在基底左侧设置多组矩形凹槽以模拟蝎子缝感受器的缝单元，凹槽均匀分布于基底中部，将基底下端设置为固定端，上端设置为受力段，上端施加均匀压强以模拟蝎子的应变形式；
所述等效物理结构仿真模型的参数包括基底长度、基底厚度、基底宽度、凹槽宽度、凹槽深度、间距、材料弹性模量和施加压强；
在施加压强时，随着压强的增大，凹槽逐渐被挤压，表现为凹槽间距的减小，仿真分析时，调整受力端施加的压强，将凹槽刚好闭合的压强定义为凹槽的临界闭合压强；
所述基于有限元分析仿真方法建立仿生缝结构可控量程传感器模型，具体包括：
将基底下端设置为固定端，上端为受力端，施加固定的压强，基底受力时产生形变，基底形变时，将空白区域定义为主动形变区，阴影区域定义为被动形变区；
对主动形变区进行分析，对于压强p，受力端所受压力为：
F＝pHW；
其中，H为基底厚度，W为基底宽度；
将压力等效为基底底端一点扭矩，此时扭矩Me为：
受扭矩作用，基底产生弯曲，由小挠度薄板理论可知，此处弯曲近似为圆弧，端截面转角θ为：
其中，L为基底长度，E为材料的弹性模量，I为结构的惯性矩，基底截面为矩形截面，此处：
其中，s为凹槽深度；圆心角θ与端截面转角相同，同为：
代入I、Me，即：
基底底端弯曲的曲率半径D为：
代入L、θ即：
考虑被动形变区随主动形变区发生的形变，凹槽临界闭合时，基底底端及顶端为同心圆结构，即：
其中，n为凹槽数量，a为凹槽宽度；
代入L、D，即：
最终得到：
当p为上式的值时，凹槽两端处于临界闭合状态，p即为临界闭合压强；
所述临界闭合压强为所述可控量程柔性缝传感器的量程。
6.一种终端，其特征在于，所述终端包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的可控量程柔性缝传感器的制备程序，所述可控量程柔性缝传感器的制备程序被所述处理器执行时实现如权利要求1-4任一项所述的可控量程柔性缝传感器的制备方法的步骤。
7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有可控量程柔性缝传感器的制备程序，所述可控量程柔性缝传感器的制备程序被处理器执行时实现如权利要求1-4任一项所述的可控量程柔性缝传感器的制备方法的步骤。
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| CN109696185A (zh) * | 2018-12-30 | 2019-04-30 | 吉林大学 | 一种仿生微悬臂梁结构、其制造方法及压阻传感器 |
| CN109921679A (zh) * | 2019-03-08 | 2019-06-21 | 吉林大学 | 一种具备实时反馈功能的仿生柔性致动器及其制备方法 |
| CN110081995A (zh) * | 2019-04-08 | 2019-08-02 | 吉林大学 | 基于蝎子缝感受器的仿生柔性温度传感器及其制备方法 |
| CN111256888A (zh) * | 2020-03-02 | 2020-06-09 | 吉林大学 | 一种仿生多级结构柔性应力、应变复合式传感器及其制备方法 |
| CN111521305A (zh) * | 2020-04-03 | 2020-08-11 | 吉林大学 | 一种用于测量机械信号的仿生传感器及其制造方法 |
| CN113295317A (zh) * | 2021-05-20 | 2021-08-24 | 吉林大学 | 一种基于仿生原理的桥梁施工缆索索力测试方法及装置 |
| CN114216590A (zh) * | 2021-11-24 | 2022-03-22 | 吉林大学 | 一种仿蝎子狭缝压力传感器及其制造方法 |
-
2022
- 2022-07-20 CN CN202210862066.6A patent/CN115235659B/zh active Active
Patent Citations (7)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115235659A (zh) | 2022-10-25 |
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