利索能及
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专利号: 2022103964446
申请人: 合肥工业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-12-30
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种柔性的多维接触应力传感器,其用于测量安装位点处的纵向压缩应力和多个方向上的横向剪切应力;其特征在于,所述多维接触应力传感器包括:敏感元件,其包括基体和多组具有不同延伸方向的平行电极对;所述基体采用具有弹性的绝缘材料制备而成,所述基体内部的中央开设有位于同一水平面内的多条互不连通空腔,所述空腔用于容置各个所述平行电极对;每组所述平行电极对由两条相互平行且间隔设置的均匀的线性导体构成,每组平行电极对中的两条线性导体完全相同;所述敏感元件中的线性导体采用在常温状态下呈液态的低温共熔体制备而成;且满足:(1)当平行电极对数量n=1时,两条线性导体相互平行;(2)当平行电极对数量n>1时,各条线性导体在同一平面内按照具有n组平行相等边的2n边形的形状布局,且任意两条相邻线性导体的端部被所述基体隔断;以及转换元件,其包括电阻检测电路和应力输出模块;所述电阻检测电路与敏感元件中的每条线性导体的两端电连接,所述电阻检测电路用于检测每条线性导体的实时电阻值;所述应力输出模块中包含压缩应力计算单元和剪切应力计算单元;所述压缩应力计算单元中预设有通过有限元分析方法建立的多个线性导体的电阻变化量与承受的压缩应力值之间的映射关系,所述压缩应力计算单元用于根据多个线性导体的初始电阻和实时电阻计算出对应的压缩应力值;所述剪切应力计算单元中预设有通过有限元分析方法建立的平行电极对中两个线性导体的电阻变化量与剪切应力值之间的映射关系,所述剪切应力计算单元用于根据每组平行电极对中的两条线性导体的实时电阻和初始电阻计算出对应方向上的剪切应力值;

在所述敏感元件中,每组所述平行电极对构成测量垂直于平行电极延伸方向的横向剪切应力的检测单元,所有或部分线性导体构成检测纵向压缩应力的检测单元。

2.根据权利要求1所述的柔性的多维接触应力传感器,其特征在于:所述多维接触应力传感器中,基体采用柔性的硅树脂、橡胶、聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯中的任意一种材料制备而成;所述线性导体采用镓铟锡合金、镓铟合金、和电解质溶液中的任意一种材料制备而成。

3.根据权利要求2所述的柔性的多维接触应力传感器,其特征在于:所述基体的尺寸大于内部平行电极对构成的组合体的尺寸,且二者结构相似;所述基体上部还设有与基体结构相似的凸台,所述凸台的边缘恰好与下方的各组平行电极对位置重合。

4.根据权利要求1所述的柔性的多维接触应力传感器,其特征在于:所述多维接触应力传感器中的每条线性导体的电阻值R的计算公式如下:上式中,ρ表示所述线性导体的电阻率,l表示线性导体的长度,S表示线性导体的截面积。

5.根据权利要求1所述的柔性的多维接触应力传感器,其特征在于:所述多维接触应力传感器输出的应力检测结果的维度N与平行电极对数量n之间满足如下关系:N=n+1;当所述接触应力传感器中设置n组不同延伸方向的平行电极对时,所述接触应力传感器可用于测量垂直于各个平行电极对延伸方向的n个方向上的横向剪切应力,以及垂直于所有平行电极对所在平面的纵向压缩应力。

6.根据权利要求1所述的柔性的多维接触应力传感器,其特征在于:对于特定结构型式的所述多维接触应力传感器,其检测的纵向压缩应力和各个方向上的横向压缩应力与各个线性导体的电阻变化量之间具有一一对应的映射关系;在所述多维接触应力传感器的转换元件中,存储有用于表征所述映射关系的一个“电阻‑应力对照表”或一个“电阻‑应力函数”;所述压缩应力计算单元和剪切应力计算单元先根据各个线性导体的实时电阻和初始电阻计算出对应电阻变化量;然后根据所述电阻变化量查询所述“电阻‑应力对照表”,或输入到所述“电阻‑应力函数”中;计算出相应的纵向压缩应力或横向剪切应力。

7.根据权利要求1所述的柔性的多维接触应力传感器,其特征在于:所述电阻检测电路和应力输出模块均采用柔性电路板制备而成。

8.根据权利要求1所述的柔性的多维接触应力传感器,其特征在于:其还包括一个压电发电单元和电池模组,所述压电发电单元用于收集所述纵向压缩应力方向和/或任意所述横向剪切应力方向上的部分势能,并将所述势能转化为电能;所述电池模组用于存储所述压电发电单元生成的电能,以及用于为所述多维接触应力传感器中的转换元件供电。

9.一种多维接触应力传感器的制备方法,其用于制造如权利要求1‑8中任意一项所述的柔性的多维接触应力传感器,其特征在于,所述制备方法包括试样生产阶段和量产阶段;

其中,所述试样生产阶段包括如下步骤:

(1)根据应用的场景设计相应的柔性的多维接触应力传感器的目标结构型式,具有所述目标结构型式的多维接触应力传感器可满足目标场景下的纵向压缩应力和多个方向上的横向剪切应力的测量需求;

(2)基于设计出的所述目标结构型式,利用基体的原料通过3D打印的加工方式打印出具有相应空腔的基体,并在每个空腔的两端预留用于埋设引线和注射材料的孔洞;

(3)通过所述孔洞向所述空腔内注射在常温状态下呈液态的所述低温共熔体材料,进而得到所需的线性导体;

(4)在每个空腔的孔洞处安装柔性导线,并通过柔性导线与所述转换元件中的电阻检测电路电连接;

(5)继续利用基体的原料通过3D打印的方式将转换元件完整封装到敏感元件上;得到包含敏感元件和转换元件的产品试样;在所述产品试样中,应力输出模块设置为不参与工作的空闲状态;

(6)根据预设的采集方案对产品试样进行实验测量,采集产品试样在不同接触应力状态下,各个线性导体的电阻随应力变化的状态数据,进而得到包含多组状态数据的原始数据集;

(7)基于所述原始数据集采用有限元分析方法建立产品试样的应力应变模型,并根据构建的应力应变模型分析得到:多个线性导体的电阻变化量与承受的压缩应力值之间的映射关系,以及构成平行电极对的两个线性导体的电阻变化量与相应方向上的剪切应力值之间的映射关系;

所述量产阶段包括如下步骤:

(8)根据设计出的目标结构型式,采用如步骤(2)‑(5)的制造流程批量生产得到量产产品;

(9)将用于表征步骤(7)中得到的“所有线性导体的电阻变化量与承受的压缩应力值之间的映射关系,以及构成平行电极对的两个线性导体的电阻变化量与相应方向上的剪切应力值之间的映射关系”的“电阻‑应力对照表”或“电阻‑应力函数”写入到所述转换元件的应力输出模块中;

(10)调整所述量产产品的应力输出模块为工作状态。

10.根据权利要求9所述的多维接触应力传感器的制备方法,其特征在于:步骤(6)的所述预设采集方案中包括:(ⅰ)采集仅施加纵向压缩应力的状态数据;

(ⅱ)采集仅施加单向或多向横向剪切应力的状态数据;

(ⅲ)采集同时施加纵向压缩应力,以及单向或多向横向剪切应力的状态数据。