[实用新型]一种基于纤维增强复合材料的曲面压力传感装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及力传感装置，尤其是涉及一种基于纤维增强复合材料的曲面压力传感装置

背景技术

对接触压力分布信息的检测在工业与生活领域存在着广泛的需求，而其中在曲面上的应用一直是研究的热点。传统的硅基敏感材料在平面上的压力分布信息检测方面已经实现了商业的应用，而因为本身的硬脆性，其在曲面上的使用受到了限制。为了解决这一问题，目前能够实现曲面压力分布信息测量的传感器件可以分为两种：基于柔顺性敏感材料的压力传感器与基于延展性敏感材料的压力传感器。

在延展性敏感材料的研究取得重大进展之前，曲面压力检测主要采用的是可弯曲的柔顺性敏感材料来制备传感阵列。如Tekscan公司利用压阻聚合物材料制备出了柔顺性压力传感阵列，并实现了商业应用。但这种方式只能应用在简单曲面上，而在复杂曲面，如在高斯曲率不是处处为0的不可展开曲面上(如图1中的凸出曲面)上不能应用，因为平面传感阵列无法与复杂曲面完全贴合。

随着本世纪初纳米制造技术，转印技术等新兴技术的发展，柔性电子技术越发成熟，针对具备延展性的曲面压力传感器件的研究也越来越受到重视，但是这些研究目前主要仍处于实验室阶段，尚未有比较成功的商业应用。如东京大学的染矢高雄等人利用屈曲结构可以使极薄的压力传感阵列具备230％的拉伸能力，理论上甚至能实现在舌头表面上的完全贴合，并可以实现压力分布检测。虽然这种方法可以在复杂曲面上应用，但延展性敏感材料本身的强度往往较差，并且其结构与制造过程较为复杂，因此易发生损坏，长期工作稳定性不足。

而纤维增强复合材料在“结构功能一体化”上已经取得了很大的进展：在航空航天、船舶机车等领域内的应用已经说明了纤维增强复合材料应用于复杂结构上的优势；而在功能上，碳纤维增强复合材料发生变形会导致内部碳纤维电阻的变化，故不需要增加其他器材，仅通过测量碳纤维的电阻值就可以有效判断复合材料的受力情况，因此，这种碳纤维增强复合材料的自敏感特性越来越受到重视。

基于此，本申请利用纤维增强复合材料的曲面适应性与自敏感特性，设计出一种能够在复杂曲面上长期稳定工作的曲面压力传感装置。

实用新型内容

针对现有技术中所存在的上述缺陷，本申请提供一种能够在曲面上进行接触压力分布测量的传感装置，其采用纤维增强复合材料作为敏感元件，利用了纤维增强复合材料的可设计性特点，能够完全贴合在复杂曲面基底上；利用了纤维增强复合材料的自敏感特性，能够实现对外部压力的分布信息测量。

为实现上述目的，本申请采用的技术方案如下：

一种基于纤维增强材料的曲面压力传感器，包括曲面压力敏感阵列传感器和多路数据处理模块，曲面压力敏感阵列传感器安装在需要测量接触压力的曲面基底上，其形状与曲面基底吻合；当有外力作用在曲面压力敏感阵列传感器表面上时，复合材料基体受力发生形变，处于其内的具备压力敏感特性的碳纤维阵列随之变形，其中的经向碳纤维与纬向碳纤维在交叉点处相互靠近，使得接触电阻随着外力大小产生相应的变化；碳纤维阵列中每个交叉点的电阻值通过多路数据处理模块采集并调理成数字信号，最后多路数据处理模块基于预存的解耦算法对所得到的电阻值数据进行解耦计算，得到外部作用力的大小与位置等信息。

进一步的，作为优选：

所述的曲面压力敏感阵列传感器的结构，包括编织纤维阵列和纤维电极接口；编织纤维阵列包含作为敏感单元的碳纤维和作为间隔单元的绝缘纤维，碳纤维与绝缘纤维通过编织的方法形成经纬交叉的阵列结构；通过导线将经纬两个方向的碳纤维与多路数据处理模块相连，以测量所有碳纤维形成的交叉点阵列的电阻值。

通过编织方法所形成的纤维阵列由两种纤维组成，碳纤维与绝缘纤维，通过调整绝缘纤维的含量可以改变曲面压力敏感阵列传感器的空间分辨能力；绝缘纤维含量越高，并排碳纤维之间的间隔越大，因而经向碳纤维与纬向碳纤维的交叉点在空间分布的越稀疏，曲面压力敏感阵列传感器的空间分辨能力也就越弱；反之，则空间分辨能力越强。

曲面压力敏感阵列传感器由纤维增强复合材料制成，这种材料包含两个部分，增强纤维与基体聚合物；增强纤维通过编织方法可以形成易于改变形状的结构，再通过注塑的方法将基体聚合物包覆在纤维表面，固化后形成复合材料；通过改变注塑时的模具形状，可以使曲面压力敏感阵列传感器具有任意的曲面结构，适应对应形状的曲面基底。