CN112816112B - 一种柔性传感器组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔性传感器组件，包括：柔性弹性体和电阻应变片；所述电阻应变片嵌入在所述柔性弹性体中；所述柔性弹性体由液态超弹性材料固化而成。所述柔性弹性体与所述电阻应变片形成整体。本发明测量精确度高，稳定便于使用。应变片固结在超弹性柔性材料内部特定的位置，可以拓展电阻应变片的应用范围，形成测量功能各异的专用力学量传感器，提高测量的灵敏度，测量结果精确且线性程度好，传感器组件稳定且便于测量。

Description

一种柔性传感器组件

技术领域

本发明涉及柔性传感器技术领域，特别是涉及一种柔性传感器组件。

背景技术

随着技术的发展，力学量柔性传感器的应用越来越广泛，从人体状态测量，到智能机器人的信息传感需求。近年来多种柔性力学量传感器被研制出来，常见的有电容式，体电阻式和电感式，基本原理是当传感器受到被测力学量作用时，其内部结构的电容、体电阻或电感发生相应的变化。这些电学量的变化作为传感器的输出，与输入的力学相对应。但是这些传感器也有相应的缺点。电容式，电感式传感器都呈非线性的性质，即输出与输入之间为非线性关系，体电阻式一般为线性关系，但重复性相对较差。

发明内容

本发明的目的是提供一种柔性传感器组件，可以测量多种力学量，且能够提高力学量测量的灵敏度，测量结果精确且线性程度好，传感器组件稳定且便于测量。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种柔性传感器组件，包括：

柔性弹性体和电阻应变片；所述电阻应变片嵌入在所述柔性弹性体中；所述柔性弹性体由液态超弹性材料固化而成。

优选地，所述柔性弹性体为两端部宽于中部的片状柔性弹性体，所述电阻应变片设置于所述柔性弹性体的中部。

优选地，所述电阻应变片嵌入在所述柔性弹性体二分之一厚度的位置处。

优选地，所述电阻应变片嵌入在偏离所述柔性弹性体二分之一厚度的位置处。

优选地，所述柔性弹性体包括由下向上平铺排列的第一弹性体层和第二柔性层，所述第一弹性体层的刚度大于所述第二柔性层的刚度；所述电阻应变片为两组四片全桥应变片组，包括四个所述垂直栅片和四个所述平行栅片，每两个所述垂直栅片串联形成一个桥臂，每两个所述平行栅片串联形成另一个桥臂，总计四个桥臂，四个所述桥臂形成一个全桥电路；所述垂直栅片重叠放置在所述第一弹性体层和第二柔性层之间的界面之间；所述平行栅片对称放置在所述第二柔性层中。

优选地，所述柔性弹性体包括由下向上平铺排列的第一弹性层和第二柔性体层，所述第一弹性层的刚度大于所述第二柔性体层的刚度；所述电阻应变片为圆形一体式应变片，包括内环电阻片和外环电阻片，所述外环电阻片由两个半圆径向栅片构成，所述内环电阻片由两个半圆环向栅片构成；所述半圆径向栅片和所述半圆环向栅片形成一个全桥电路，所述环形栅片位于所述第一弹性层和所述第二柔性体层之间的界面之间的中央位置处，所述径向栅片位于所述第二柔性体层中。

优选地，还包括：柔性框；

所述柔性框为中空圆筒结构；所述柔性弹性体为圆形的柔性膜；所述柔性膜覆盖在所述柔性框的底面开口处，所述柔性框与所述柔性膜通过柔性胶固化连接。

优选地，还包括：

应变片引出线，所述应变片引出线与所述电阻应变片连接，所述电阻应变片布置在膜内侧且平行于膜的位置处。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明中所述柔性弹性体由液态超弹性材料固化而成，所述电阻应变片浸没在所述液态超弹性材中，所述柔性弹性体与所述电阻应变片形成整体。本发明测量精确度高，稳定便于使用。应变片固结在超弹性柔性材料内部特定的位置，可以拓展电阻应变片的应用范围，形成测量功能各异的专用力学量传感器，提高测量的灵敏度，测量结果精确且线性程度好，传感器组件稳定且便于测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的实施例中柔性传感器组件的结构示意图；

图2为本发明提供的实施例中柔性传感器组件中电阻应变片的第一种位置示意图；

图3为本发明提供的实施例中电阻应变片的结构示意图；

图4为本发明提供的实施例中应变片测量电路的电路结构图；

图5为本发明提供的实施例中柔性传感器组件中电阻应变片的第二种位置示意图；

图6为本发明提供的实施例中测量手指弯曲度示意图；

图7为本发明提供的实施例中柔性传感器组件中电阻应变片的第三种位置示意图；

图8为本发明提供的实施例中两种圆形膜示意图；其中图8（a）为垂直平行栅的圆形膜示意图，图8（b）为径向环向栅的圆形膜示意图；

图9为本发明提供的实施例中柔性传感器组件中电阻应变片的第四种位置示意图，其中图9（a）为柔性传感器组件整体示意图，图9（b）为柔性传感器组件俯视图，图9（c）为柔性传感器组件中应变片位置结构示意图。

符号说明：

1-电阻应变片，2-柔性弹性体，3-应变片引出线，4-垂直栅片，5-平行栅片，6-引线，7-拉伸敏感条，8-第一弹性体层，9-第二柔性层，10-柔性膜，11-柔性框，12-敏感栅。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种柔性传感器组件，可以测量多种力学量，且能够提高测量的灵敏度，测量结果精确且线性程度好，传感器组件稳定且便于测量。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明提供的实施例中柔性传感器组件的结构示意图，如图1所示，本发明一种柔性传感器组件，包括：柔性弹性体2和电阻应变片1；所述电阻应变片1嵌入在所述柔性弹性体2中；所述柔性弹性体2由液态超弹性材料固化而成。本实施方式中可以电阻应变片内嵌入柔性弹性体中，可以提高测量的灵敏度，测量结果精确且线性程度好。

优选地，还包括：

应变片引出线3，与所述电阻应变片1连接。

具体的，所述电阻应变片布置在膜内侧且平行于膜的位置处。

优选地，所述电阻应变片1包括垂直栅片4和平行栅片5。

图2为本发明提供的实施例中柔性传感器组件中电阻应变片的第一种位置示意图，如图2所示，本发明柔性传感器组件可以为拉伸敏感条，其中所述柔性弹性体2为两端部宽于中部的片状柔性弹性体2，所述电阻应变片1设置于所述柔性弹性体2的中部。如图2中给出了电阻应变片1在材料内部的位置。所述电阻应变片1嵌入在所述柔性弹性体2二分之一厚度的位置处。所述柔性弹性体2两端的宽度(也可能包括厚度)大于中间有电阻应变片1的部位，这是为了提高应变片部位的变形，提高测力灵敏度。拉伸敏感条的第一作用是测量拉伸变形（也可称拉伸应变或拉力），被测外力的合力作用在敏感条的两端且与轴线（图1中的点划线）重合。此时电阻应变片1位于敏感条二分之一厚度（沿厚度对称）的位置，电阻应变片1可以是单片，也可以是两片（由一个纵栅应变片一横栅应变片组成），通常称为半桥；更常用的是四片（由两个纵栅应变片两横栅应变片组成），组成全桥。在本实施方式中，拉伸敏感条能够提高所示电阻应变片部位的变形，提高测量拉伸力的灵敏度和精确度。

电阻应变片1是一种应变测量技术中的器件，主要结构是金属材料制的应变敏感栅，敏感栅附着在绝缘基底（薄膜）上。图3为本发明提供的实施例中电阻应变片1的结构示意图，如图3所示，电阻应变片分为两组平行栅片5和两组垂直栅片4。即包括了四个单独的电阻应变片1，每个栅片相当于一个电阻，当栅片在外力作用下，栅片中丝栅形状伸长或缩短，其自身电阻值会发生变化。电阻的变化与栅片的变形或应变成比例，测出电阻的变化，就知道了应变的变化，也可以说知道了敏感栅的受力大小。图中引线6为电阻应变片1的引线，引线6根数为4个，2个为电源线，2个为输出线。

电阻应变片1的经典应用是将其粘贴在钢，铝等弹性固体表面，固体变形时电阻应变片1随之变形，测量出应变就可知道固体内的应力，不仅如此，还可以利用电阻应变片1制成各种力学量传感器。

优选地，还包括：

应变片测量电路，与所述应变片引出线3连接，用于测量所述电阻应变片1的电信号，所述应变片测量电路为多个电阻应变片1组成的全桥电路。

图4为本发明提供的实施例中应变片测量电路的电路结构图，利用电阻应变片做成传感器时，一般用四片电阻应变片。因为需要采用电桥电路测量电阻应变片的电阻变化，如图4所示，四个桥臂电阻R1，R2，R3和R4可以都是电阻应变片（全桥），通常情况下R1、R3；R2、R4方向相同，即两者同时为平行栅或者垂直栅，也可以不是，比如两个是，另两个是外接电阻。图中U是供电电源，将供电电源接入A和C两个供电点，ΔV电阻变化时的电压输出，通过B和D两个电压测量点进行测量。

优选地，所述电阻应变片1嵌入在偏离所述柔性弹性体2二分之一厚度的位置处。图5为本发明提供的实施例中柔性传感器组件中电阻应变片的第二种位置示意图，如图5所示，拉伸敏感条的第二个作用是测量转曲度。此时电阻应变片1放置在偏离厚度中间的一侧。当拉伸敏感条7发生转曲变形时，电阻应变片1的电阻变化与转曲角度一一对应。图6为本发明提供的实施例中测量手指弯曲度示意图，此拉伸敏感条若粘贴在手指背的关节处，就可用于测量人的手指或智能机器手指的弯曲度，如图6所示。在本实施方式中，通过偏离柔性弹性体的电阻应变片，可以测量到精确的弯曲度数据。

可选地，所述电阻应变片包括垂直栅片和平行栅片。所述柔性弹性体2包括由下向上平铺排列的第一弹性体层8和第二柔性层9，所述第一弹性体层8的刚度大于所述第二柔性层9的刚度；所述垂直栅片4嵌入在所述第一弹性体层8和第二柔性层9之间的界面之间；所述平行栅片5嵌入在所述第二柔性层9中。图7为本发明提供的实施例中柔性传感器组件中电阻应变片的第三种位置示意图；本发明柔性传感器组件可以为超弹性挤压敏感膜片组件，此组件可用于测量两平面之间的挤压力，尤其是两平面间的距离比较小时，比如小于2mm。敏感膜片由两种固化后不同刚度的柔性材料构成。平行栅的部位在压力作用下变倾斜（如图中虚线）而产生拉伸变形，测出这一应变可知外部压力的大小。相对刚度高的膜片（第一弹性体层8）的面积约占应变片面积的一半（也可大于或小于应变片面积的一半）。一般情况下，采用两组四片全桥应变片组（八个丝栅）。可将两个全桥分别测量（分别加电，和读取输出），也可将八个丝栅，两两串联，比如，两个垂直栅串联形成一个桥臂，两个平行栅串联形成另一个桥臂，总计四个桥臂（每个桥臂等价于一个电阻）形成一个电桥。将两组全桥中的敏感栅垂直栅部分4重叠放置在刚度相对大的膜上，两组全桥中的平行栅部分被置于刚度相对小的膜（第二柔性层9）内部，且对称放置，如图7及图8（a）所示。当膜的上表面受到压力作用时，以均匀受压为例，在刚度大的膜的部位（垂直栅部位），垂直位移沿膜厚度方向的位移小。而在平行栅部位，两侧刚度相同，此部位的垂直位移比相邻的垂直栅部分大，导致平行栅5受拉伸。图8（a）的柔性膜也可以不是圆形，比如，矩形。

图8（b）也可以作为圆形膜的例子。刚度相对大的膜的厚度约为膜总厚度的一半（也可大于或小于一半，以控制灵敏度）。圆形一体式应变片（全桥）的中央部位的环形栅位于第一弹性体和第二柔性体层之间的界面处，径向栅位于第二柔性体层内。其测量原理与图8（a）相同，对称性更好。在本实施方式中，本发明的超弹性挤压敏感膜片通过设置在不同刚度的柔性材料中的电阻应变片，能够精确的测量压力数据。总体上说，两种刚度的柔性材料及电阻应变片1固化成一体后，形成厚度小于2mm的敏感膜。当膜的表面受挤压作用力时，位于不同材料刚度部位的电阻应变片1会发生拉压变形，从而实现挤压力测量。

优选地，所述电阻应变片1包括内环电阻片和外环电阻片，所述外环电阻片由两个半圆径向栅片构成，所述内环电阻片由两个半圆环向栅片构成。敏感栅12的方向与膜内应力分布方向一致。不同方向的敏感栅12形成四片电阻应变片1并组成全桥。当膜的外侧受到微小气体压强或微小力作用时，超弹性柔性膜10就会沿着环向或径向产生变形，由电阻应变片1测量变形即可知道压强或力的大小。

通常情况下电阻应变片中R1、R3；R2、R4方向相同，即两者同时为半圆径向栅片或者半圆环向栅片，有的也可以不是，比如两个是，另两个是外接电阻。

本发明柔性传感器组件还包括：柔性框11。所述柔性框11为中空圆筒结构；所述柔性弹性体2为圆形的柔性膜10；所述柔性膜10覆盖在所述柔性框11的底面开口处，所述柔性框11与所述柔性膜10通过柔性胶固化连接。

图9为本发明提供的实施例中柔性传感器组件中电阻应变片的第四种位置示意图，本发明柔性传感器组件可以为超弹性柔性压力传感器组件，此组件可用于测量气体的微压强，人的呼吸，甚至人的脉搏跳动。整个结构包括柔性框（圆框为中空圆筒）和覆盖在柔性框一端的柔性膜10，柔性框11与柔性膜10通过硅橡胶固化连接，所述柔性框可以为金属，也可为硅橡胶，如图9（a）和（b）所示。膜和圆框也可一次固化成形，在膜内侧平行于膜布置电阻应变片1，以测量膜的变形。电阻应变片1位于膜的内侧靠近下表面，引线6从膜内侧圆框开口的方向引出。

本发明的有益效果如下：

（1）本发明在液态超弹性材料中的恰当位置放置电阻应变片，固化后形成多种超弹性柔性应变敏感组件，这些组件可单独用作传感器，测量多种力学量。也可与其他构件组成另一种传感器。组合安装方便，便于实际应用。

（2）本发明中的电阻应变片测量精确度高，稳定便于使用，固结在超弹性柔性材料内部特定的位置。可以拓展电阻应变片的应用范围，形成测量功能各异的专用力学量传感器。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种柔性传感器组件，其特征在于，包括：

柔性弹性体和电阻应变片；所述电阻应变片嵌入在所述柔性弹性体中；所述柔性弹性体由液态超弹性材料固化而成；所述柔性弹性体包括由下向上平铺排列的第一弹性层和第二柔性体层，所述第一弹性层的刚度大于所述第二柔性体层的刚度；所述电阻应变片为圆形一体式应变片，包括内环电阻片和外环电阻片，所述外环电阻片由两个半圆径向栅片构成，所述内环电阻片由两个半圆环向栅片构成；所述半圆径向栅片和所述半圆环向栅片形成一个全桥电路，所述半圆环向栅片位于所述第一弹性层和所述第二柔性体层之间的界面之间的中央位置处，所述半圆径向栅片位于所述第二柔性体层中。

2.根据权利要求1所述的柔性传感器组件，其特征在于，所述柔性弹性体为两端部宽于中部的片状柔性弹性体，所述电阻应变片设置于所述片状柔性弹性体的中部。

3.根据权利要求2所述的柔性传感器组件，其特征在于，所述电阻应变片嵌入在所述片状柔性弹性体二分之一厚度的位置处。

4.根据权利要求2所述的柔性传感器组件，其特征在于，所述电阻应变片嵌入在偏离所述片状柔性弹性体二分之一厚度的位置处。

5.根据权利要求1所述的柔性传感器组件，其特征在于，还包括：柔性框；

所述柔性框为中空圆筒结构；所述柔性弹性体为圆形的柔性膜；所述柔性膜覆盖在所述柔性框的底面开口处，所述柔性框与所述柔性膜通过柔性胶加热固化连接。

6.根据权利要求5所述的柔性传感器组件，其特征在于，还包括：应变片引出线，所述应变片引出线与所述电阻应变片连接，所述电阻应变片布置在所述柔性膜内侧且平行于所述柔性膜的位置处。

7.一种柔性传感器组件，其特征在于，包括：

柔性弹性体和电阻应变片；所述电阻应变片嵌入在所述柔性弹性体中；所述柔性弹性体由液态超弹性材料固化而成；所述柔性弹性体包括由下向上平铺排列的第一弹性体层和第二柔性层，所述第一弹性体层的刚度大于所述第二柔性层的刚度；所述电阻应变片为两组四片全桥应变片组，包括四个垂直栅片和四个平行栅片，每两个所述垂直栅片串联形成一个桥臂，每两个所述平行栅片串联形成另一个桥臂，总计四个桥臂，四个所述桥臂形成一个全桥电路；所述垂直栅片重叠放置在所述第一弹性体层和第二柔性层之间的界面之间；所述平行栅片对称放置在所述第二柔性层中。

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