[實用新型]一種基于纖維增強復合材料的曲面壓力傳感裝置

有效

• 申請號: 201721241872.2
• 申請日: 2017-09-26
• 公開（公告）號: CN207263346U
• 公開（公告）日: 2018-04-20
• 發明（設計）人: 程曉穎;周洪水;吳震宇;胡旭東
• 申請（專利權）人: 浙江理工大學
• 主分類號: G01L1/22
• 分類號: G01L1/22
• 代理公司: 紹興市知衡專利代理事務所(普通合伙)33277
• 代理人: 施春宜

技術領域

本實用新型涉及力傳感裝置，尤其是涉及一種基于纖維增強復合材料的曲面壓力傳感裝置

背景技術

對接觸壓力分布信息的檢測在工業與生活領域存在著廣泛的需求，而其中在曲面上的應用一直是研究的熱點。傳統的硅基敏感材料在平面上的壓力分布信息檢測方面已經實現了商業的應用，而因為本身的硬脆性，其在曲面上的使用受到了限制。為了解決這一問題，目前能夠實現曲面壓力分布信息測量的傳感器件可以分為兩種：基于柔順性敏感材料的壓力傳感器與基于延展性敏感材料的壓力傳感器。

在延展性敏感材料的研究取得重大進展之前，曲面壓力檢測主要采用的是可彎曲的柔順性敏感材料來制備傳感陣列。如Tekscan公司利用壓阻聚合物材料制備出了柔順性壓力傳感陣列，并實現了商業應用。但這種方式只能應用在簡單曲面上，而在復雜曲面，如在高斯曲率不是處處為0的不可展開曲面上(如圖1中的凸出曲面)上不能應用，因為平面傳感陣列無法與復雜曲面完全貼合。

隨著本世紀初納米制造技術，轉印技術等新興技術的發展，柔性電子技術越發成熟，針對具備延展性的曲面壓力傳感器件的研究也越來越受到重視，但是這些研究目前主要仍處于實驗室階段，尚未有比較成功的商業應用。如東京大學的染矢高雄等人利用屈曲結構可以使極薄的壓力傳感陣列具備230％的拉伸能力，理論上甚至能實現在舌頭表面上的完全貼合，并可以實現壓力分布檢測。雖然這種方法可以在復雜曲面上應用，但延展性敏感材料本身的強度往往較差，并且其結構與制造過程較為復雜，因此易發生損壞，長期工作穩定性不足。

而纖維增強復合材料在“結構功能一體化”上已經取得了很大的進展：在航空航天、船舶機車等領域內的應用已經說明了纖維增強復合材料應用于復雜結構上的優勢；而在功能上，碳纖維增強復合材料發生變形會導致內部碳纖維電阻的變化，故不需要增加其他器材，僅通過測量碳纖維的電阻值就可以有效判斷復合材料的受力情況，因此，這種碳纖維增強復合材料的自敏感特性越來越受到重視。

基于此，本申請利用纖維增強復合材料的曲面適應性與自敏感特性，設計出一種能夠在復雜曲面上長期穩定工作的曲面壓力傳感裝置。

實用新型內容

針對現有技術中所存在的上述缺陷，本申請提供一種能夠在曲面上進行接觸壓力分布測量的傳感裝置，其采用纖維增強復合材料作為敏感元件，利用了纖維增強復合材料的可設計性特點，能夠完全貼合在復雜曲面基底上；利用了纖維增強復合材料的自敏感特性，能夠實現對外部壓力的分布信息測量。

為實現上述目的，本申請采用的技術方案如下：

一種基于纖維增強材料的曲面壓力傳感器，包括曲面壓力敏感陣列傳感器和多路數據處理模塊，曲面壓力敏感陣列傳感器安裝在需要測量接觸壓力的曲面基底上，其形狀與曲面基底吻合；當有外力作用在曲面壓力敏感陣列傳感器表面上時，復合材料基體受力發生形變，處于其內的具備壓力敏感特性的碳纖維陣列隨之變形，其中的經向碳纖維與緯向碳纖維在交叉點處相互靠近，使得接觸電阻隨著外力大小產生相應的變化；碳纖維陣列中每個交叉點的電阻值通過多路數據處理模塊采集并調理成數字信號，最后多路數據處理模塊基于預存的解耦算法對所得到的電阻值數據進行解耦計算，得到外部作用力的大小與位置等信息。

進一步的，作為優選：

所述的曲面壓力敏感陣列傳感器的結構，包括編織纖維陣列和纖維電極接口；編織纖維陣列包含作為敏感單元的碳纖維和作為間隔單元的絕緣纖維，碳纖維與絕緣纖維通過編織的方法形成經緯交叉的陣列結構；通過導線將經緯兩個方向的碳纖維與多路數據處理模塊相連，以測量所有碳纖維形成的交叉點陣列的電阻值。

通過編織方法所形成的纖維陣列由兩種纖維組成，碳纖維與絕緣纖維，通過調整絕緣纖維的含量可以改變曲面壓力敏感陣列傳感器的空間分辨能力；絕緣纖維含量越高，并排碳纖維之間的間隔越大，因而經向碳纖維與緯向碳纖維的交叉點在空間分布的越稀疏，曲面壓力敏感陣列傳感器的空間分辨能力也就越弱；反之，則空間分辨能力越強。

曲面壓力敏感陣列傳感器由纖維增強復合材料制成，這種材料包含兩個部分，增強纖維與基體聚合物；增強纖維通過編織方法可以形成易于改變形狀的結構，再通過注塑的方法將基體聚合物包覆在纖維表面，固化后形成復合材料；通過改變注塑時的模具形狀，可以使曲面壓力敏感陣列傳感器具有任意的曲面結構，適應對應形狀的曲面基底。