[发明专利]一种基于压电传感器的柔性六维力传感器

说明书

本发明公开了一种基于压电传感器的柔性六维力传感器。包括阶梯状圆台、底座和压力传感器；阶梯状圆台由同轴布置的上圆台和下圆台组成，下圆台直径大于上圆台；下圆台下表面与底座上表面上下对接组成圆台结构，底座上表面设置有十字梁凸台，下圆台下表面结构与十字梁凸台相适配；阶梯状圆台和底座的对接处设置有多个压力传感器。本发明采用柔性硅胶材料嵌合空间三轴方向的压电传感器，通过采集各个节点不同方向上所预埋压电传感器的信号，实现对六维力的实时测量，传感器整体为柔性材料，摒弃了传统的刚性材料，拓宽了其应用场合，使其作为一种可穿戴传感器更加贴合人体皮肤。

技术领域

本发明属于传感器领域，具体涉及一种基于压电传感器的柔性六维力传感器。

背景技术

随着人工智能和可穿戴电子技术的发展，人们对高灵敏度、高分辨率和高可靠性的物理传感器的需求越来越大，针对不同需求提出了不同类型的可穿戴传感器，包括应变传感器、压力传感器和温度传感器等，将各种机械运动或温度转换为可检测的信号变化，使其适用于个人健康监测、人机交互和可穿戴设备。而理想的物理传感器应该能够在不干扰外部变量的情况下对多轴运动进行可区分的检测。

压电传感器是一种能将瞬态的机械能转化为电能的传感器，在检测动态刺激，例如振动、声波和人体运动等方面发挥着重要的作用。

六维力传感器是一种测量X、Y、Z轴三个方向压力分量以及三个方向力矩分量的传感器。现有的六维力传感器多为刚性梁式框架结构，在各个节点上分别设置不同方向的压力传感器和扭力传感器，但这种传感器在制备时大多使用刚性材料铸成，使其在安装时要求精度高，局限性较大。

发明内容

为了解决现有六维力传感器刚度大、安装要求高、使用局限性大的问题，本发明提供了一种基于压电传感器的柔性六维力传感器，采用柔性硅胶材料嵌合空间三轴方向的压电传感器，通过采集各个节点不同方向上所预埋压电传感器的信号，实现对六维力的实时测量，传感器整体为柔性材料，摒弃了传统的刚性材料，拓宽了其应用场合，使其作为一种可穿戴传感器更加贴合人体皮肤。

本发明所提出的一种基于压电传感器的柔性六维力传感器，整体为柔性硅胶材料，包括阶梯状圆台和十字梁底座，所述十字梁底座在其上表面和相对的侧面之间分别设置有压力传感器，所述压力传感器即为压电式传感器，是采用多巴胺改性包裹后的无机压电材料钛酸钡(BaTiO₃，BTO)纳米颗粒掺杂加入压电聚合物P(VDF-TrFE)中，然后利用流涎法制备得到柔性复合压电薄膜，对制备所得的薄膜采用蒸镀电极的工艺手段，在薄膜上下表面分别蒸镀金电极，上下表面的金电极通过铜导线与外部检测设备相连。

一、一种基于压电传感器的柔性六维力传感器

包括阶梯状圆台、底座和压力传感器；阶梯状圆台由同轴布置的上圆台和下圆台组成，下圆台直径大于上圆台；下圆台下表面与底座上表面上下对接组成圆台结构，底座上表面设置有十字梁凸台，下圆台下表面结构与十字梁凸台相适配；阶梯状圆台和底座的对接处设置有多个压力传感器。

十字梁凸台的四条臂上均设置有三个压力传感器，三个压力传感器分别位于十字梁每条臂的顶面和两侧面。

所述上圆台沿径向开设有贯穿上圆台的通道；通道内穿过不锈钢丝，不锈钢丝外径与通道内径间隙配合。

所述压力传感器为压电式传感器，用于将外界刺激转换为可收集的电压信号；在压电复合薄膜上蒸镀电极后进行封装获得压电式传感器。

对压电复合薄膜采用蒸镀电极的工艺手段：在薄膜上下表面分别蒸镀金电极，上下表面的金电极通过铜导线与外部检测设备相连。

将多巴胺改性包裹后的无机压电材料(BTO纳米颗粒)掺杂加入压电聚合物P(VDF-TrFE)中，然后利用流涎法制备得到压电复合薄膜。

P(VDF-TrFE)是VDF(聚偏二氟乙烯)与三氟乙烯(TrFE)的共聚物，具有很好的铁电压电性能。