[发明专利]柔性力传感器曲率影响测试装置及方法

说明书

本发明涉及柔性力传感器曲率影响测试装置及方法。该装置包括支架和待测的柔性力传感器，支架支撑有水平轴，水平轴周向套设有曲面筒和周向加载臂，周向加载臂与曲面筒固连；曲面筒具有曲面筒主体；支架还具有纵向通孔，纵向通孔内安置有径向加载杆，径向加载杆上端为承载外部径向负荷的负荷承载端，径向加载杆下端具有弧面；柔性力传感器位于径向加载杆下端和曲面筒主体之间；柔性力传感器的信号输出端与外部数据采集设备连接。本发明能对柔性力传感器在处于不同曲率下受到不同外部径向负荷或不同周向剪切负荷时的输出数据表现进行测试，并获知具体的影响程度。

技术领域

本发明涉及一种柔性力传感器曲率影响测试装置及方法，属于传感器标定技术领域。

背景技术

据申请人所知，接触界面间力的测量通常通过压力的测量间接实现，而压力通常表示为相对于物体的表面每单位面积施加的力，因此为了实现有效的接触力测量，良好的接触面控制显得尤为重要，对于人与外界的接触复杂性，这一点更为重要。随着传感器技术的发展和相关应用需要的增加，以及人体运动检测领域应用的爆发性增长，一方面，以柔性力传感器为代表的传感器性能不断增强，另一方面，传感器灵敏度的要求也越来越高。

针对触觉反馈需要，接触力信息的测量大多使用柔性力传感器实现(Stassi,etal.,2014)，柔性力传感器提供与测量压力成正比的电信号输出(电压或电流)；在传感器性能方面，柔性力传感器所需的关键规格包括线性度、迟滞、温度敏感性、传感尺寸和压力范围等(Almassri,et al.,2015；Stassi,et al.,2014)；柔性力传感器按照感应材料可分为电容式传感器、电阻式传感器、压电式传感器和压阻式传感器(Majumder,et al.,2017)。

电容式传感器由一个悬浮结构极板电容器组成，在外力作用下，极板或电极区域之间的距离缩短，从而产生两个电极之间的电容变化。电容式触觉压力传感技术是检测小挠度变化最敏感的技术之一，具有高空间分辨率、良好的频率响应、低功耗和大量程的动态范围等特点。基于该传感器的商业化人体运动识别系统包括德国Novel公司的EMED足底压力系统和PEDAR鞋垫系统。

电阻式传感器通常由导电聚合物力敏电阻构成，当施加压力时导电层变化，两个电极之间的电阻变小、电流增加。基于该传感器的商业化人体运动识别系统包括美国Tekscan公司matscan压力系统和F-scan鞋垫系统。

压电式传感器是将施加的应力或力转化为电压的传感器，因其压电材料可作为传感器和执行器的特性故被认为是一种智能材料(Almassri,et al.,2015)。压电式传感器具有机械柔性、高压电系数、尺寸固定、重量轻、工作稳定等特性。当施加力时，压电材料也具有高电压输出时的高灵敏度，灵敏度能达到130pC/N。压电式传感器是一种无源传感器，具有高可靠性，适用于各种应用。然而，由于其电压输出随着时间的推移而减小，同时其内部电阻过大，测量静态力优势不明显，因此仅适用于动态力的检测；主要压电材料有石英陶瓷(PZT)、聚偏氟乙烯(PVDF)等，其中石英陶瓷主要用于动态触觉感测，而聚偏氟乙烯更适合触觉压力应用。由于压电器件具有高阻抗，容易受到过多的电干扰，导致不可接受的信号-噪声比，为此在设计压电传感器的电路时，一个超薄的输入阻抗必不可少。基于该传感器的商业化人体运动识别系统包括美国Measurement Specialties系统和美国Piezotronics公司的PCB系统。

压阻式传感器由基于半导体材料的压电材料构成，压电材料受力的影响产生形变，电阻率会随之发生变化，一般情况下，没有外力作用时传感器电阻率高，有外力作用下电阻率降低。压阻式传感器具有成本低、灵敏度高、结构相对简单、长期稳定性低、噪声低、准确度高、可靠性高、技术成熟等优点，但它只能测量一个固定点压力。它们可以定制成各种形状和尺寸，并且可以用于许多应用中，尤其适合检测物体两个表面之间的接触力。美国Tekscan公司的Flexi-Force传感器和德国Paromed公司的Parotec传感器是典型代表。