[發(fā)明專利]一種基于多孔柔性材料的拉伸應(yīng)變傳感器

有效

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• 申請日: 2022-01-26
• 公開（公告）號: CN114459333B
• 公開（公告）日: 2023-03-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊賡;葉知秋;梁毅浩;龐高陽;徐凱臣;楊華勇
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號: G01B7/16
• 分類號: G01B7/16;G01L1/22
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 林超

本發(fā)明公開了一種基于多孔柔性材料的拉伸應(yīng)變傳感器。拉伸應(yīng)變傳感器對稱設(shè)置，包括應(yīng)變傳感器主體和應(yīng)變信號讀取接口；應(yīng)變傳感器主體的兩端各設(shè)置有應(yīng)變信號讀取接口，應(yīng)變傳感器主體兩端的應(yīng)變信號讀取接口分別與應(yīng)變傳感器主體的兩端電連接；所述應(yīng)變傳感器主體由應(yīng)變傳感器基底、導(dǎo)電層和主體封裝層構(gòu)成，應(yīng)變傳感器基底表面外附著有導(dǎo)電層，附著有導(dǎo)電層的應(yīng)變傳感器基底嵌裝在主體封裝層中，兩端的應(yīng)變信號讀取接口分別穿過主體封裝層的對應(yīng)端后設(shè)置在應(yīng)變傳感器基底的兩端。本發(fā)明的應(yīng)變傳感器具有拉伸性能好、測量范圍大、易適應(yīng)安裝表面幾何特性等特點(diǎn)，可根據(jù)需求調(diào)節(jié)傳感器結(jié)構(gòu)，提高傳感器的拉伸性和適應(yīng)性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及傳感器技術(shù)領(lǐng)域的一種柔性傳感器，特別是涉及一種基于多孔柔性材料的拉伸應(yīng)變傳感器。

背景技術(shù)

隨著人工智能與機(jī)器人技術(shù)的高速發(fā)展和智能終端的普及，現(xiàn)代科技的發(fā)展以及自動化水平的提高，機(jī)器人與可穿戴式設(shè)備等領(lǐng)域呈現(xiàn)出巨大的市場前景，將對人類社會未來發(fā)展產(chǎn)生重大的影響。柔性拉伸應(yīng)變傳感器在機(jī)器人與可穿戴式設(shè)備等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。一般用于穿戴式人機(jī)交互接口、可穿戴健康監(jiān)測設(shè)備、軟體機(jī)器人柔性皮膚等領(lǐng)域。柔性拉伸應(yīng)變傳感器可以通過采集到的電信號數(shù)據(jù)反應(yīng)自身的形變量，可以用作穿戴式人機(jī)交互接口，如數(shù)據(jù)手套等，采集用戶的人體運(yùn)動數(shù)據(jù)并控制機(jī)器人或其他的設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)；可以用作可穿戴健康監(jiān)測設(shè)備，如安裝在膝關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)處，采集、監(jiān)測穿戴者身體的關(guān)節(jié)角數(shù)據(jù)，估計(jì)穿戴者的肢體運(yùn)動健康狀態(tài)；可以嵌入的軟體機(jī)器人本體內(nèi)或覆蓋在機(jī)器人本體表面，實(shí)時(shí)監(jiān)測軟體機(jī)器人驅(qū)動狀態(tài)，如反饋正壓驅(qū)動的爬行軟體機(jī)器人本體彎曲狀態(tài)，控制軟體機(jī)器人爬行。

傳統(tǒng)的柔性應(yīng)變傳感器基底材料為表面平整的彈性薄膜，其表面嵌入或覆蓋的導(dǎo)電敏感層也為平面結(jié)構(gòu)，在導(dǎo)電敏感層引入裂紋機(jī)制，即隨著應(yīng)變傳感器的拉伸變形，導(dǎo)電敏感層產(chǎn)生裂紋，使得導(dǎo)電通路數(shù)目驟變，可以提升柔性應(yīng)變傳感器對微小應(yīng)力的檢測靈敏度。但受限于平面結(jié)構(gòu)，柔性應(yīng)變傳感器在微小應(yīng)力狀態(tài)下的形變能力有限，采用具有三維骨架結(jié)構(gòu)的柔性多孔基底材料，可以顯著提升柔性應(yīng)變傳感器在微小應(yīng)力狀態(tài)下的形變能力，強(qiáng)化柔性應(yīng)變傳感器對微小應(yīng)力的檢測靈敏度。但柔性多孔基底材料本身的物理性質(zhì)所限制，拉伸形變量由材料性質(zhì)決定，基于柔性多孔基底材料的柔性拉伸應(yīng)變傳感器普遍存在拉伸力學(xué)性能較差的缺點(diǎn)，難以覆蓋較大的拉伸形變檢測范圍。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有的柔性應(yīng)變傳感器導(dǎo)電層易脫落，穩(wěn)定性低，測量范圍較小等問題，本發(fā)明提出了一種基于多孔柔性材料的拉伸應(yīng)變傳感器，可以應(yīng)用于人機(jī)交互接口、可穿戴健康監(jiān)測設(shè)備、軟體機(jī)器人的柔性電子皮膚，提升了應(yīng)變傳感器的應(yīng)變范圍、拉伸性能、靈敏度和穩(wěn)定性。

本發(fā)明解決上述問題所采用的技術(shù)方案為：

拉伸應(yīng)變傳感器對稱設(shè)置，包括應(yīng)變傳感器主體和應(yīng)變信號讀取接口；

應(yīng)變傳感器主體的兩端各設(shè)置有應(yīng)變信號讀取接口，應(yīng)變傳感器主體兩端的應(yīng)變信號讀取接口分別與應(yīng)變傳感器主體的兩端電連接；

所述應(yīng)變傳感器主體由應(yīng)變傳感器基底、導(dǎo)電層和主體封裝層構(gòu)成，應(yīng)變傳感器基底表面外附著有導(dǎo)電層，附著有導(dǎo)電層的應(yīng)變傳感器基底嵌裝在主體封裝層內(nèi)，兩端的應(yīng)變信號讀取接口分別穿過主體封裝層的對應(yīng)端后設(shè)置在應(yīng)變傳感器基底的兩端。

所述應(yīng)變傳感器基底包括多個(gè)柔性拉伸單元和兩個(gè)柔性拉伸端，多個(gè)柔性拉伸單元之間依次連接構(gòu)成直線拉伸結(jié)構(gòu)，直線拉伸結(jié)構(gòu)的兩端分別與兩個(gè)柔性拉伸端相連，兩個(gè)柔性拉伸端中分別設(shè)置有對應(yīng)的應(yīng)變信號讀取接口；

其中每個(gè)柔性拉伸單元內(nèi)開設(shè)有鏤空結(jié)構(gòu)；相鄰柔性拉伸單元之間沿拉伸應(yīng)變傳感器的拉伸方向進(jìn)行拼接后構(gòu)成直線拉伸結(jié)構(gòu)。

所述柔性拉伸單元為柔性菱形塊，每個(gè)柔性菱形塊內(nèi)開設(shè)有菱形鏤空結(jié)構(gòu)；相鄰柔性菱形塊之間沿拉伸應(yīng)變傳感器的拉伸方向進(jìn)行角拼接后構(gòu)成直線拉伸結(jié)構(gòu)。

所述每個(gè)柔性菱形塊的外角均為圓角。