CN115265852A - 一种基于柔性自供电材料的鼓型多功能传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于柔性自供电材料的鼓型多功能传感器，属于传感器设计领域。所述多功能传感器包括两个端盖，所述两个端盖之间均匀固定若干个弹性应变片，每个弹性应变片上均固定有柔性自供电材料。本发明制备的鼓型传感器可以同时实现压力传感、行程传感、角度传感以及能量回收功能等多种传感功能，并且不同传感模式之间的切换不需要对传感器的结构进行改变，制作简单、成本低廉且功能多样。同时，本发明制备的传感器采用柔性自供电材料作为传感材料，无需连接外部电源，还可以用作能量回收，具有良好的环境友好性。
Description
技术领域
本发明属于物理传感器技术领域，更具体地，涉及一种基于柔性自供电材料的鼓型多功能传感器。
背景技术
传感器是工程领域必不可少的组件，对于各种参数的测量以及机器的控制起着至关重要的作用。一般的单一传感器只能测量一种物理量或化学量，而在工业生产、航空航天等领域，为了准确全面地认识对象或环境，往往需要同时测量多个物理量、化学量。因此需要一种多功能传感器以满足多参数的测量要求。
目前，大多数多功能传感器的实现一般采用把几个敏感元件制作在一起，使一个传感器能够同时测量几个参数，具有多种功能。这种传感器被称为集成化多功能传感器。然而，将多个传感器集成在一起，一方面提高了加工难度，另一方面也使得后端数据处理的工作量大大提高。因此，亟需开发一种一体式多功能传感器，即一个传感器可以实现多种参数的感知功能。
发明内容
本发明的目的是针对现有多功能传感器集成难、测量难的问题，提供一种基于柔性自供电材料的鼓型多功能传感器，可以实现压力感知、行程感知、偏转角度感知或能量回收等多种功能。
为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于柔性自供电材料的鼓型多功能传感器，包括两个端盖，所述两个端盖之间均匀固定若干个弹性应变片，使传感器整体为鼓型结构，每个弹性应变片上均固定有柔性自供电材料。
进一步的，所述两个端盖上均设有与弹性应变片等量的插孔，所述插孔沿端盖边缘均匀设置，所述弹性应变片的端部插入插孔中，与端盖之间采用过盈配合的方式进行固定。
进一步的，所述两个端盖内侧均设有凸台，所述凸台设置于若干插孔围绕的中间，可以防止传感器变形过程中弹性应变片的两端发生接触，起到限位作用。
进一步的，所述弹性应变片与柔性自供电材料之间采用全贴合的方式胶接固定，使柔性自供电材料可跟随弹性应变片的变形一起发生变形并输出电压信号。
进一步的，所述弹性应变片与柔性自供电材料之间通过VHB双面胶进行粘接。
进一步的，所述柔性自供电材料外侧采用单面胶进行封装，防止柔性自供电材料与周围环境进行湿度交换，影响传感信号。
进一步的，所述柔性自供电材料可以选用离子聚合物材料、压电材料或离子凝胶材料等，所述柔性自供电材料的上下表面均覆盖有表面电极。
进一步的，所述弹性应变片的材质为能够产生弹性形变的材料，可以选用弹簧钢或弹性聚合物材料等。
进一步的，所述弹性应变片至少设有3个。
进一步的，所述弹性应变片具有向外突出的初始形状，包括但不限于圆弧形或楔形，使整个多功能传感器的结构呈现为一个鼓型。
本发明所述传感器在不同的应用场景下，可以实现不同的功能，具体如下：
当轴向按压上部的端盖时，弹性应变片发生变形，上部的端盖发生轴向运动，上部端盖的轴向位移越大，柔性自供电材料产生的电压信号越大，即可用作位移传感器。
当上部的端盖发生偏转时，不同的弹性应变片之间的变形不一样，根据每个柔性自供电材料产生的电压信号不同可以计算每个弹性应变片的变形，从而得出上端盖的偏转角度，即可用作角度传感器。
除此以外，该传感器还可以放置于鞋底等场合，人行走时按压上端盖导致柔性自供电材料输出电压信号，并通过能量回收电路进行能量采集。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明制备的鼓型传感器可以同时实现多种传感功能，并且不同传感模式之间的切换不需要对传感器的结构进行改变，制作简单、成本低廉且功能多样。同时，本发明制备的传感器采用柔性自供电材料作为传感材料，无需连接外部电源，还可以用作能量回收，具有良好的环境友好性。
附图说明
图1为实施例1提供的一种基于柔性自供电材料的鼓型多功能传感器的结构示意图；
图2为实施例1所述的端盖的结构示意图；
图3为实施例1所述的弹性应变片与柔性自供电材料结合的结构示意图；
图4为实施例2提供的一种基于柔性自供电材料的鼓型多功能传感器的结构示意图。
图中，1-端盖，11-插孔，12-凸台，2-柔性自供电材料，3-弹性应变片。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例更详细地描述本发明的优选实施方式。
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”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，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。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，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
如图1所示的一种基于柔性自供电材料的鼓型多功能传感器，包括两个端盖1，所述两个端盖1之间均匀固定4个弹性应变片3与4片柔性自供电材料2。
如图2所示，本实施例所述端盖1通过3D打印方式制备，端盖1上有4个6mm*0.5mm的方形的插孔11，插孔11的深度为5mm，插孔11沿端盖1边缘均匀设置，可与弹性应变片3的端部通过过盈配合进行连接；端盖1内侧中间被插孔11围绕的区域设置了厚度为5mm的圆柱形凸台12结构，可以防止传感器变形过程中弹性应变片3的两端发生接触，起到限位作用。
如图3所示，弹性应变片3与柔性自供电材料2之间通过VHB双面胶进行连接；本实施例所述弹性应变片3材料采用65Mn弹簧钢，其宽度为6mm，初始形状为向外突出的圆弧形，具有弧度部分长度为30mm，与端盖1连接部分长度为5mm；本实施例所述柔性自供电材料2采用离子聚合物金属复合材料（IPMC），其尺寸为20mm*5mm，厚度为0.2mm，表面电极为钯/金复合电极。
柔性自供电材料2外侧采用PDMS单面胶进行封装，其目的是为了防止柔性自供电材料与周围环境进行湿度交换，影响传感信号。
实施例2
如图4所示的一种基于柔性自供电材料的鼓型多功能传感器，包括两个端盖1，所述两个端盖1之间均匀固定3个弹性应变片3与3片柔性自供电材料2。
本实施例所述端盖1通过金属加工方式制备，端盖1有3个8mm*0.6mm的方形的插孔11，插孔11的深度为6mm，插孔11沿端盖1边缘均匀设置，可与弹性应变片3的端部通过过盈配合方式进行连接；端盖1内侧中间被插孔11围绕的区域设置了厚度为6mm的圆柱形凸台12结构，可以防止传感器变形过程中弹性应变片3的两端发生接触，起到限位作用。
本实施例所述弹性应变片3与柔性自供电材料2之间通过VHB双面胶进行连接；所述弹性应变片3材料采用70#钢，其宽度为8mm，初始形状为向外突出的楔形，中间成楔形凸起，具有弧度部分长度为40mm，与端盖1连接部分长度为6mm；柔性自供电材料2采用离子聚合物碳复合材料，其尺寸为30mm*6mm，厚度为0.4mm，表面电极为碳纳米管电极。
柔性自供电材料2外侧采用聚氨酯单面胶进行封装，其目的是为了防止柔性自供电材料2与周围环境进行湿度交换，影响传感信号。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和技术原理的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的，这些修改和变更也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于柔性自供电材料的鼓型多功能传感器，其特征在于，包括两个端盖，所述两个端盖之间均匀固定若干个弹性应变片，使传感器整体为鼓型结构，每个弹性应变片上均固定有柔性自供电材料。
2.根据权利要求1所述的基于柔性自供电材料的鼓型多功能传感器，其特征在于，所述两个端盖上均设有与弹性应变片等量的插孔，所述插孔沿端盖边缘均匀设置，所述弹性应变片的端部插入插孔中，与端盖之间采用过盈配合的方式进行固定。
3.根据权利要求2所述的基于柔性自供电材料的鼓型多功能传感器，其特征在于，所述两个端盖内侧均设有凸台，所述凸台设置于若干插孔围绕的中间。
4.根据权利要求1所述的基于柔性自供电材料的鼓型多功能传感器，其特征在于，所述弹性应变片与柔性自供电材料之间采用全贴合的方式胶接固定。
5.根据权利要求1或4所述的基于柔性自供电材料的鼓型多功能传感器，其特征在于，所述弹性应变片与柔性自供电材料之间通过VHB双面胶进行粘接。
6.根据权利要求5所述的基于柔性自供电材料的鼓型多功能传感器，其特征在于， 所述柔性自供电材料外侧采用单面胶进行封装。
7.根据权利要求1或4所述的基于柔性自供电材料的鼓型多功能传感器，其特征在于，所述柔性自供电材料包括但不限于离子聚合物材料、压电材料或离子凝胶材料，所述柔性自供电材料的上下表面均覆盖有表面电极。
8.根据权利要求1或4所述的基于柔性自供电材料的鼓型多功能传感器，其特征在于，所述弹性应变片的材质为能够产生弹性形变的材料，包括但不限于弹簧钢或弹性聚合物材料。
9.根据权利要求1-4中的任意一项所述的基于柔性自供电材料的鼓型多功能传感器，其特征在于，所述弹性应变片至少设有3个。
10.根据权利要求1-4中的任意一项所述的基于柔性自供电材料的鼓型多功能传感器，其特征在于，所述弹性应变片具有向外突出的初始形状，包括但不限于圆弧形或楔形。
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