CN218545975U - 一种可测拉伸及扭转柔性传感器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及柔性应变传感器设计技术领域，具体涉及一种可测拉伸及扭转柔性传感器，包括，衬底和传感单元，传感单元设置于衬底表面上；传感单元包括第一子传感单元及第二子传感单元，第一子传感单元及第二子传感单元沿衬底中轴线对称布置，第一子传感单元及第二子传感单元沿所述衬底中轴线夹角呈预设角度布置。当对传感器施加扭转的力时，通过对传感单元的检测量的测量产生两个测量信号，对两个测量信号进行处理可以得当前时刻两个力的大小和方向，具有能够同时对多维应变进行测量及提高测量精度，减小干扰的优点。该传感器所用材料环保，制作工艺简单的同时还具有高灵敏度、快速响应、超宽的传感范围以及优异的稳定性和耐久性的优点。

Description

一种可测拉伸及扭转柔性传感器

技术领域

本申请涉及柔性应变传感器设计技术领域，具体涉及一种可测拉伸及扭转柔性传感器。

背景技术

随着可穿戴电子设备和软体机器人技术的发展，高性能柔性应变传感器得到了广泛的研究。想要对软体机器人的各种多维动作如拉伸、扭转、缠绕等进行研究则需要能够识别多维应变的变化的传感器。然而，传统的传感器只具备进行单一方向应变检测的能力，缺乏对复杂多维应变检测的能力，特别是对拉伸和扭转方向的检测，这严重限制了其广泛应用。

多模态传感对于软机器人的环境交互和闭环控制至关重要。信号耦合现象在软机器人传感中并不少见，通过内部和外部感知的本体感觉和触觉感知有时是交织在一起的。通过微分感应机械和热刺激也是一个具有挑战性的问题，各种机械变形很难区分，并且不同类型的机械变形的传感信号通常很难区分，如拉伸、扭转和弯曲等

人体运动姿态的测量在医疗、军事、安防与电影制作等领域中有着重要的应用,使用测量系统准确方便地获取人体运动过程中的运动参数是近几年研究的热点。目前测量人体运动姿态的测量方法可分为视觉传感测量及非视觉传感测量。视觉传感测量方法是通过在人体关节上贴上具有反射性的标记点,通过相机记录标记点的位置以获取被试者的运动信息，但视觉传感测量只能在某一特定的测试区测量，大大的限制了运动的空间及运动模式。非视觉传感测量在测量者的身体上放置非视觉传感器,以消除测试区域与测试模式的限制。目前采用的非视觉传感器有电测角仪、陀螺仪、光纤传感器等,但这些传感器都是由刚性材料构成，对人体的适应性较差且存在接触问题，会造成较大的测量误差。

实用新型内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本申请的目的在于提供一种可测拉伸及扭转柔性传感器，能够实现扭转角度及拉伸的多维应变的测量。

为实现上述目的及其他相关目的，本申请提供一种可测拉伸及扭转柔性传感器，包括：

衬底，所述衬底为柔性绝缘材料；

传感单元，所述传感单元设置于所述衬底表面上；

所述传感单元包括第一子传感单元及第二子传感单元，所述第一子传感单元及所述第二子传感单元沿所述衬底中轴线对称布置，所述第一子传感单元及所述第二子传感单元沿所述衬底中轴线夹角呈预设角度布置。

于本申请的一实施例中，所述柔性绝缘材料的弹性模量小于等于10⁹Pa。

于本申请的一实施例中，所述预设角度为15°—75°。

于本申请的一实施例中，所述第一子传感单元及所述第二子传感单元沿所述衬底中轴线两边对称布置以及沿所述衬底中轴线交叉重叠对称布置。

于本申请的一实施例中，所述第一子传感单元及所述第二子传感单元分别包括两个电极和一个应变单元，每个所述应变单元两端分别设置有一个所述电极。

于本申请的一实施例中，所述应变单元包括电阻式传感单元和/或电容式传感单元，所述应变单元为柔性材料。

于本申请的一实施例中，每个所述应变单元包括多个平行设置的子应变单元，多个所述子应变单元之间通过连接段连接。

于本申请的一实施例中，所述连接段可以水平方向布置或者竖直方向布置。

于本申请的一实施例中，多个所述子应变电阻单元之间可通过所述连接段进行串连接或并连接。

于本申请的一实施例中，所述连接段的电阻值小于等于所述子应变单元的电阻值的千分之一。

于本申请的一实施例中，所述传感单元包括两个应变单元，一个拉伸应变单元及四个电极，所述拉伸应变单元位于所述第一子传感单元及所述第二子传感单元之间且沿所述衬底中轴线方向布置，所述拉伸应变单元两端各布置有一个所述电极，所述拉伸应变单元一端与所述第一子传感单元及所述第二子传感单元相连，所述第一子传感单元及所述第二子传感单元未与拉伸应变单元连接的一端分别连接有一个所述电极。

本申请的技术效果在于：

与传统的应变传感器相比，本申请的柔性传感器既可以沿对称轴两边平面布置，也可以沿对称轴交叉重叠布置，便于阵列式布置，大大提高了测量效率。当对传感器施加作用力时，通过对两个应变单元的检测量(当应变单元为电阻应变单元时，该检测量为电阻，当应变单元为电容应变单元时，该检测量为电容)的测量产生两个测量信号，对两个测量信号进行处理可以得当前时刻两个力的大小和方向，具有能够同时对多维应变进行测量及提高测量精度，减小干扰的优点。

与传统的应变传感器相比，本申请的传感单元由至少两个子传感单元构成，子传感单元之间连接形式多样，既可以串连接也可以并连接，能够更好的适应测量环境的需要减小测量误差.

与传统的应变传感器相比，本申请的柔性传感器可以在同一位置同时对拉力、压力及扭转力矩进行测量，也可以通过对整体部位进行测量，利用整体测量结果反应局部测量结果，提高测量精度，减小测量误差，从而解决对局部部位测量结果不理想的问题。

与传统的应变传感器相比，本申请的柔性传感器对柔性对象进行测量时，对被测对象具有良好的适应性，大大减小了对被测对象运动的影响。

与传统的应变传感器相比，本申请的柔性传感器制作方便，制作工艺较为简单，能够实现大规模的生产，当进行阵列式布置生产时，所需要的生产成本更低。

附图说明

图1为传感器的第一子传感单元与第二子传感单元沿衬底中轴线两边对称布置结构示意图。

图2为传感器的第一子传感单元与第二子传感单元沿衬底中轴线交叉重叠布置结构示意图。

图3为传感器的第一子传感单元与第二子传感单元耦合结构示意图。

图4为传感器的传感单元线性排列结构示意图。

图5为传感器测类似于圆柱体传感单元布置方向示意图。

图6a为用于测致动器的弯曲程度全局测量的传感器示意图。

图6b为用于测致动器的弯曲程度局部测量的传感器示意图。

图7为子传感单元的应变单元之间通过连接段并联示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。

首先需要说明的是，柔性传感器是指采用柔性材料制成的传感器，具有良好的柔韧性、延展性、弯折性等，从感知机理来区分的话，柔性传感器可以分为柔性电阻式传感器和柔性电容式传感器等。在具体的实现上，柔性电阻式传感器一般是在基板上放置电阻层、短路层、柔性触点，以及可采集传感信息的电极，比如柔性电阻式压力传感器一般是在压力的作用下让短路层和电阻层叠合，改变系统电路的阻值，进而得出压力值。

柔性电阻式传感器的优点是灵敏度高、结构简单且具有可穿戴功能。和柔性电阻式传感器通过接触面的大小改变阻值进而得出测量数据不同，柔性电容式传感器一般采用基于平行板电容原理的装置，通过改变平板电容器之间的距离来改变传感器的电容。还是以压力传感器为例，通过外界施加压力，平板电容器之间的距离变小，进而得出测量数据。柔性电容式传感器的优点是灵敏度高、响应快、动态范围广等。虽然多了“柔性”二字，不过柔性传感器的本质还是传感器，而让其变得与众不同的是材料的选择。首先是基底，柔性传感器采用的都是柔性基底，一般要求材料具备轻薄、透明、可拉伸、可弯曲、耐腐蚀等特点，聚二甲基硅氧烷(PDMS)是较为常见的柔性基底材料，不仅具有上述的特点，而且容易获得，且化学性质稳定。然后是导电材料，也就是金属材料，主要用于制造电极和导线，一般柔性传感器不使用普通的金属，而是采用金属的纳米粒子或者纳米线，这种材质具有更好的导电性，且容易实现成薄膜。柔性传感器也会用到碳材料，多为石墨烯和碳纳米管。柔性传感器是石墨烯材料重要的落地应用之一，石墨烯轻薄透明且导电性好，和柔性传感器能完美配合。此外还有无机半导体材料和有机材料，主要是用于实现传感器的特性功能，在这方面，材料的压电特性是一个很重要的指标。

请参阅图1-6。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，遂图示中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本实施例提供一种可测拉伸及扭转柔性传感器，是一种能够实现扭转角度及拉伸的多维应变测量的柔性传感器，具有高可用性，高精度以及易操作等特点。所述一种可测拉伸及扭转柔性传感器，包括衬底101及传感单元。

请参阅图1-7，在本实施例中，所述衬底101作为承载传感单元的基体，所述衬底101例如可以是柔性绝缘材料。当被测对象的材料满足所述衬底101的要求时，可以由被测对象自身充当衬底101(见图6a、6b)。作为示例，柔性绝缘材料例如可以是聚乙烯醇(PVA)、聚酯(PET)、聚酰亚胺(PI)、聚萘二甲酯乙二醇酯(PEN)、纸片、纺织材料等，柔性绝缘材料的弹性模量小于等于10⁹Pa。

请参阅图1-7，在本实施例中，传感单元至少包括第一子传感单元及第二子传感单元，第一子传感单元及第二子传感单元沿衬底101中轴线对称布置，第一子传感单元及第二子传感单元沿衬底101中轴线夹角呈预设角度布置。作为示例，所述预设角度为15°—75°，譬如15°、30°、45°、60°及75°。可以理解的是，传感单元例如也可以包括4个或者更多偶数个子传感单元。

其中，第一子传感单元及第二子传感单元分别包括两个电极104和一个应变单元，每个应变单元两端分别设置有一个电极104。应变单元包括电阻式传感单元和/或电容式传感单元，应变单元可以是柔性材料。作为示例，柔性材料例如可以是金属材料、无机半导体材料及碳材料等。

每个应变单元包括多个平行设置的子应变单元102，多个子应变单元102沿平行于衬底101中轴线方向均匀间隔布置，多个子应变单元102之间通过连接段103连接。在一具体实施例中，每个应变单元也可以只包括一个子应变单元102。

连接段103可以水平方向布置或者竖直方向布置，多个子应变单元之间可通过连接段103进行串联连接(图1-6)或并联连接(见图7)，从而能够更好的适应测量环境的需要减小测量误差。连接段103的电阻值小于等于子应变单元102的电阻值的千分之一。

如图1所示，在一具体实施例中，第一子传感单元及第二子传感单元沿衬底101中轴线两边对称布置，第一子传感单元及第二子传感单元分别包括两个电极104和一个应变单元，每个应变单元两端分别设置有一个电极104，每个应变单元包括多个平行设置的子应变单元102，多个子应变单元102沿平行于衬底101中轴线方向均匀间隔布置，多个子应变单元102之间通过连接段103串联连接，当然，也可如图7所示，进行并联连接。整个传感单元呈现片状，具有高度稳定性。

如图2所示，在一具体实施例中，第一子传感单元及第二子传感单元沿衬底101中轴线交叉重叠对称布置，加大了传感器的扭转力承受上限，使得传感器能够承受的扭转力变大，有效降低了扭转刚度所产生的影响。请参阅图1和图2，第一子传感单元及第二子传感单元既可以沿衬底101中轴线两边对称布置也可以沿所述衬底101中轴线交叉重叠对称布置。

如图3所示，在一具体实施例中，传感单元包括两个应变单元，一个拉伸应变单元305及四个电极104，所述拉伸应变单元305位于所述第一子传感单元及所述第二子传感单元之间且沿所述衬底101中轴线方向布置，所述拉伸应变单元305两端各布置有一个所述电极104，所述拉伸应变单元305一端与所述第一子传感单元及所述第二子传感单元相连，所述第一子传感单元及所述第二子传感单元未与拉伸应变单元305连接的一端分别连接有一个所述电极104。

传感器通过将第一子传感单元及第二子传感单元进行耦合，使得电极104布置在第一子传感单元及第二子传感单元之间。因为测量扭转时也会产生拉伸，可以通过测量图中第一电极301和第三电极303得到拉伸量B信号，再通过测量第一电极301和第二电极302可以测得切向力A1和法向力B1的复合信号，测量第一电极301和第四电极304可以测得切向力A2和法向力B2的复合信号。通过将第一子传感单元及第二子传感单元进行耦合可以快速测得拉伸力及各传感子单元的复合信号，使得测量过程更加方便，快捷。

如图4和图5所示，在一具体实施例中，传感器包括衬底101和传感单元，传感单元包括第一子传感单元及第二子传感单元，第一子传感单元及所述第二子传感单元沿衬底101中轴线两边对称布置，第一子传感单元及第二子传感单元分别包括两个电极104和一个应变单元，每个应变单元两端分别设置有一个电极104，每个应变单元包括多个平行设置的子应变单元102，多个所述子应变单元102之间沿两条平行线均匀间隔布置，多个所述子应变单元102之间通过连接段103连接，其中，所述子应变单元102布置方向与两条平行线方向一致，使得传感单元呈现线性结构，可以测量如图5所示的类圆柱体结构，传感单元沿着被测物体表面呈螺旋线布置，使得测量结果更加精确。

如图6a和图6b所示，在一具体实施例中，传感器布置在致动器601表面，用于测致动器601的弯曲程度(拉伸，压缩)，既可以将传感器布满致动器601表面得到全局传感器602用于整体测量，也可以将传感器布置在致动器601表面的一部分得到局部传感器603用于局部测量。

以可测拉伸及扭转柔性传感器的应变单元为电阻式传感单元为例，在进行使用时，将可测拉伸及扭转柔性传感器布置于致动器601的表面，第一子传感单元及第二子传感单元的柔性电极分别通过导线接到电桥测量电路并测得传感器初始电阻，当传感器受到力的作用时，第一子传感单元及第二子传感单元的电阻会发生改变，测得电桥变化量，通过电桥变化量计算得出电阻变化量，根据施加的力与电阻变化量的关系，测得待测量。其中，当传感器受到扭转力矩作用时，第一子传感单元及第二子传感单元所受到的力的效果可以看成切向力与法向力单独对所述第一子传感单元及第二子传感单元力的效果叠加；所述传感单元受到扭转力矩作用时，第一子传感单单元及第二子传感单元会发生切向应变和法向应变，根据第一子传感单元及第二子传感单元单元的电阻值变化，得出传感器受到的扭转力矩的方向、大小、分布、及自身弯曲变形；当传感器受到拉力作用时，所述传感单元的结构会发生形变，根据第一子传感单元及第二子传感单元的电阻值变化，得出传感器受到的拉力的方向、大小、分布、及自身弯曲变形。

综上所述，本申请的可测拉伸及扭转柔性传感器由衬底和传感单元构成，传感单元包括对称布置的第一子传感单元及第二子传感单元。子传感单元通过将子应变单元按照设置好的阵列进行排列，使所制备的传感器具有良好的瞬时检测和准确识别多维应变的能力。与传统的应变传感器相比，本申请的柔性传感器既可以沿对称轴两边平面布置，也可以沿对称轴交叉重叠布置，便于阵列式布置，大大提高了测量效率。当对传感器施加作用力时，通过对两个应变单元的检测量(当应变单元为电阻应变单元时，该检测量为电阻，当应变单元为电容应变单元时，该检测量为电容)的测量产生两个测量信号，对两个测量信号进行处理可以得当前时刻两个力的大小和方向，具有能够同时对多维应变进行测量及提高测量精度，减小干扰的优点。与传统的应变传感器相比，本申请的传感单元由至少两个子传感单元构成，子传感单元之间连接形式多样，既可以串连接也可以并连接，能够更好的适应测量环境的需要减小测量误差。与传统的应变传感器相比，本申请的柔性传感器可以在同一位置同时对拉力、压力及扭转力矩进行测量，也可以通过对整体部位进行测量，利用整体测量结果反应局部测量结果，提高测量精度，减小测量误差，从而解决对局部部位测量结果不理想的问题。与传统的应变传感器相比，本申请的柔性传感器对柔性对象进行测量时，对被测对象具有良好的适应性，大大减小了对被测对象运动的影响。与传统的应变传感器相比，与传统的应变传感器相比，本申请的柔性传感器制作方便，制作工艺较为简单，能够实现大规模的生产，当进行阵列式布置生产时，所需要的生产成本更低。

而且该阵列既可以沿对称轴两边平面布置，也可以沿对称轴交叉重叠布置，大大降低了扭转刚度所产生的影响。当对传感器施加扭转的力时，通过对两个应变单元的检测量变化(当应变单元为电阻应变单元时，该检测量为电阻，当应变单元为电容应变单元时，该检测量为电容)的测量产生两个测量信号，对两个测量信号进行处理可以得当前时刻两个力的大小和方向，具有能够同时对多维应变进行测量及提高测量精度，减小干扰的优点。该传感器所用材料环保，制作工艺简单的同时还具有高灵敏度、快速响应、超宽的传感范围以及优异的稳定性和耐久性的优点

在本文的描述中，提供了许多特定细节，诸如部件和/或方法的实例，以提供对本申请实施例的完全理解。然而，本领域技术人员将认识到可以在没有一项或多项具体细节的情况下或通过其他设备、系统、组件、方法、部件、材料、零件等等来实践本申请的实施例。在其他情况下，未具体示出或详细描述公知的结构、材料或操作，以避免使本申请实施例的方面变模糊。

还应当理解还可以以更分离或更整合的方式实施附图所示元件中的一个或多个，或者甚至因为在某些情况下不能操作而被移除或因为可以根据特定应用是有用的而被提供。

另外，除非另外明确指明，附图中的任何标志箭头应当仅被视为示例性的，而并非限制。此外，除非另外指明，本文所用的术语“或”一般意在表示“和/或”。在术语因提供分离或组合能力是不清楚的而被预见的情况下，部件或步骤的组合也将视为已被指明。

本申请所示实施例的上述描述(包括在说明书摘要中所述的内容)并非意在详尽列举或将本申请限制到本文所公开的精确形式。尽管在本文仅为说明的目的而描述了本申请的具体实施例和本申请的实例，但是正如本领域技术人员将认识和理解的，各种等效修改是可以在本申请的精神和范围内的。如所指出的，可以按照本申请所述实施例的上述描述来对本申请进行这些修改，并且这些修改将在本申请的精神和范围内。

本文已经在总体上将系统和方法描述为有助于理解本申请的细节。此外，已经给出了各种具体细节以提供本申请实施例的总体理解。然而，相关领域的技术人员将会认识到，本申请的实施例可以在没有一个或多个具体细节的情况下进行实践，或者利用其它装置、系统、配件、方法、组件、材料、部分等进行实践。在其它情况下，并未特别示出或详细描述公知结构、材料和/或操作以避免对本申请实施例的各方面造成混淆。

因而，尽管本申请在本文已参照其具体实施例进行描述，但是修改自由、各种改变和替换亦在上述公开内，并且应当理解，在某些情况下，在未背离所提出发明的范围和精神的前提下，在没有对应使用其他特征的情况下将采用本申请的一些特征。因此，可以进行许多修改，以使特定环境或材料适应本申请的实质范围和精神。本申请并非意在限制到在下面权利要求书中使用的特定术语和/或作为设想用以执行本申请的最佳方式公开的具体实施例，但是本申请将包括落入所附权利要求书范围内的任何和所有实施例及等同物。因而，本申请的范围将只由所附的权利要求书进行确定。

Claims (10)

1.一种可测拉伸及扭转柔性传感器，其特征在于，包括：

衬底，所述衬底为柔性绝缘材料；

传感单元，所述传感单元设置于所述衬底表面上；

所述传感单元包括第一子传感单元及第二子传感单元，所述第一子传感单元及所述第二子传感单元沿所述衬底中轴线对称布置，所述第一子传感单元及所述第二子传感单元沿所述衬底中轴线夹角呈预设角度布置。

2.根据权利要求1所述的一种可测拉伸及扭转柔性传感器，其特征在于，所述柔性绝缘材料的弹性模量小于等于10⁹Pa。

3.根据权利要求1所述的一种可测拉伸及扭转柔性传感器，其特征在于，所述预设角度为15°—75°。

4.根据权利要求1所述的一种可测拉伸及扭转柔性传感器，其特征在于，所述第一子传感单元及所述第二子传感单元沿所述衬底中轴线两边对称布置以及沿所述衬底中轴线交叉重叠对称布置。

5.根据权利要求1所述的一种可测拉伸及扭转柔性传感器，其特征在于，所述第一子传感单元及所述第二子传感单元分别包括两个电极和一个应变单元，每个所述应变单元两端分别设置有一个所述电极。

6.根据权利要求5所述的一种可测拉伸及扭转柔性传感器，其特征在于，所述应变单元包括电阻式传感单元和/或电容式传感单元，所述应变单元为柔性材料。

7.根据权利要求5所述的一种可测拉伸及扭转柔性传感器，其特征在于，每个所述应变单元包括多个平行设置的子应变单元，多个所述子应变单元之间通过连接段连接。

8.根据权利要求7所述的一种可测拉伸及扭转柔性传感器，其特征在于，所述连接段水平方向布置或者竖直方向布置。

9.根据权利要求7所述的一种可测拉伸及扭转柔性传感器，其特征在于，多个所述子应变单元之间可通过所述连接段进行串连接或并连接。

10.根据权利要求1中所述的一种可测拉伸及扭转柔性传感器，其特征在于，所述传感单元包括两个应变单元，一个拉伸应变单元及四个电极，所述拉伸应变单元位于所述第一子传感单元及所述第二子传感单元之间且沿所述衬底中轴线方向布置，所述拉伸应变单元两端各布置有一个所述电极，所述拉伸应变单元一端与所述第一子传感单元及所述第二子传感单元相连，所述第一子传感单元及所述第二子传感单元未与拉伸应变单元连接的一端分别连接有一个所述电极。

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