基于电活性高弹体聚合物的位移传感器制造技术

技术编号:12338810 阅读:91 留言:0更新日期:2015-11-18 11:29
本发明专利技术公开了一种基于电活性高弹体聚合物的位移传感器;包括信号生产与调理装置、第一连接电极、传感器装置、第二连接电极以及信号反馈与检测装置。所述传感器装置为多层结构,自上而下包括:保护层、柔性电极层、电活性高弹体聚合物层、柔性电极层和保护层;传感器装置具有大的长宽比和薄层厚度。本发明专利技术结构简单,制作方便,材料和结构参数选择灵活,可适用不同的工况需求,具有全柔性特点,可以用于人工肌肉、人造器官、人体运动功能检测,可穿戴设备和医疗康复等领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及传感器
,具体是一种基于电活性高弹体聚合物的位移传感 器。
技术介绍
随着软体机器人技术的发展,传统意义上的刚性驱动和传感技术无法满足要求。 软机器人广泛采用弹性或粘弹性材料元件,具有无限自由度运动和连续变形的能力,可在 大范围内任意改变自身形状和尺寸。如何设计柔性的传感器测量软驱动器和机器人的位移 变化是当前研究的一大热点和挑战。 经过对现有技术文献的检索发现,中国申请号为201410803826. 1,名称为"压入式 介电高弹体压力传感器",和中国申请号为201510142816. 2,名称为"基于电活性聚合物的 分布式柔性压力传感器"的专利,专利技术了两种柔性传感器。但这两项专利技术中,只涉及压入式 的压力传感器的设计,平面上一般都是正方形的构型,无法用于实现位移测量。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷,本专利技术的目的是提供一种基于电活性高弹体聚合物的位 移传感器,通过设定特定的长宽比和厚度方向上的约束,检测长度方向的位移变化,实现位 移测量。 本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的: 本专利技术提供了一种基于电活性高弹体聚合物的位移传感器,包括信号生产与调理 装置、第一连接电极、传感器装置、第二连接电极以及信号反馈与检测装置;所述信号产生 与调理装置通过第一连接电极与传感器装置一端相连,所述信号反馈与检测装置通过第二 连接电极与传感器装置另一端相连;所述传感器装置为长方体的多层结构,自上而下包括: 柔性电极层、电活性高弹体聚合物层、柔性电极层;所述电活性高弹体聚合物层在受到电压 或者外部位移运动产生的应力时长度会变形伸长。传感器装置为一种具有大长宽比和薄层 厚度的长方体结构。柔性电极层均匀覆盖于电活性高弹体聚合物层的上下表面。 优选地,所述传感器装置的长宽比在10~20,厚度在Imm以内。 优选地,所述传感器装置的长宽比为10~15,厚度为0. 2~1mm。 所述的长宽比限定在10~15这个范围是为了保证,传感器在使用中,主要通过测 量阻抗或容抗的变化,来反应长度方向的位移变化,忽略在宽度方向上的影响。所述的厚度 在0. 2~Imm范围内,传感器的检测灵敏度或者说精度能得到较好的保证,可以达到很好的 性能。 优选地,所述传感器装置的柔性电极层外侧还设置有保护层。其功能在于防止柔 性电极层直接暴露于外界,同时便于安装于不同的应用场合。 优选地,所述保护层的材料为软且可跟人体接触的材料。 优选地,所述第一连接电极和第二连接电极与传感器装置的柔性电极层相连。 优选地,所述柔性电极层的弹性模量比所述电活性高弹体聚合物层的弹性模量低 一个数量级,所述柔性电极层的厚度应比所述电活性高弹体聚合物层的厚度低2个数量 级。所述的传感器装置中的柔性电极层具有薄、非常柔顺、可导电的特性,其弹性模量需要 远大于电活性高弹体聚合物层的弹性模量,其厚度需要远低于电活性高弹体聚合物层的厚 度,保证在拉伸过程中,不会在柔性电极层中产生应力或者局部出现非导电现象。电活性高 弹体聚合物层为一种软材料的薄膜结构,与柔性电极层整体一起构成一电容器的功能,当 电活性高弹体聚合物层的薄膜结构在受到电压或者外部位移运动产生的应力时会产生柔 顺大变形,形成传感功能。 传感器使用中,聚合物材料在长度方向有位移增加时,厚度方向上会同时有减小。 所述的电极的厚度远低于聚合物厚度低2个数量级,是保证电极只起导电的左右,而不会 因为电极的厚度影响或者约束到聚合物厚度的变形。 优选地,所述柔性电极层的材料为碳脂、碳粉、金属薄层、水凝胶、离子凝胶中的一 种或多种组合。 优选地,所述柔性电极层的材料为碳脂、离子凝胶。 优选地,所述电活性高弹体聚合物层的材料为硅胶、硅树脂、聚亚安酯、丙烯酸树 脂中的一种或多种组合。 优选地,所述电活性高弹体聚合物层的材料为硅胶、丙烯酸树脂。 本专利技术还提供了一种基于电活性高弹体聚合物的位移传感器的使用方法,信号生 产与调理装置产生周期性的激励信号,通过第一连接电极传输到柔性电极层,柔性电极层 将接收的信号转换成应力,促使电活性高弹体聚合物层位移发生变化;信号反馈与检测装 置通过第二连接电极与柔性电极层连接,检测位移发生变化后的电活性高弹体聚合物层的 阻抗或容抗的变化,通过数据分析和处理,完成阻抗或容抗与位移变化的对应关系。 优选地,所需的测量信号为周期性正弦激励信号。 本专利技术设计了一种具有大的长宽比的这种结构,中间不需要设计各种凸起或凸起 的组合,主要通过检测容抗或阻抗的变化来测量位移的变化。且通过增加一层保护层,可实 现封装,且便于使用的安装。 本专利技术所述的信号生产与调理装置以及信号反馈与检测装置,电路方案设计部分 具有通用性,选择方案具有多样性,可根据实际应用场合选择,缩短产品开发周期,降低了 成本,减少了功耗。 本专利技术所述的传感器装置的工作原理为:传感器装置在有激励信号的作用下,在数,s为平行板电容器的面积(即是电活性高弹体聚合物和电极覆盖区域的平面面积),h为平行板电容器间的距离(即是电活性高弹体聚合物的厚度),两外部位移变化时,主 要是长度方向的伸长,宽度方向的位移变化忽略,假设平行板电容器的初始面积和厚度 为S和H,位移变化后,长度方向的伸长比例为A,根据电活性高弹体聚合物的体积不变,端就是阻抗R两端的电压信号会变化。根据电路原理,采集的阻抗R两端的电压信号为 本专利技术提供的基于电活性高弹体聚合物的位移传感器的工作原理为: 工作状态,信号生产与调理装置、传感器装置和信号反馈与检测装置构成一个通 路,其中,信号生产与调理装置以周期性正弦信号(V=VanpSinQ3Icot),co为采用的角频 率)激励传感器装置,信号反馈与检测装置采集传感器装置的输出信号,将传感器的阻抗 等效为1/j?C,且已知信号反馈与检测装置的阻抗R阻抗,利用通用的外部位移传感器建 立检测到传感器输出端的电压变化关系,或传感器输入输出端的阻抗变化关系。经过这个 校准过程,实际应用中就可以根据测量的信息直接确定位移信息。 与现有技术相比,本专利技术具有如下的有益效果: 1、本专利技术的传感器装置具有大的长宽比的结构,中间不需要设计各种凸起或凸起 的组合,主要通过检测容抗或阻抗的变化即可实现测量位移的变化。 2、本专利技术结构简单,制作方便,材料和结构参数选择灵活,可适用不同的工况需 求。传感器具有全柔性特点,可以实现多自由度和任意形状曲面的贴合,而且所需的测量信 号的电压较低,可以用于人工肌肉、人造器官、人体运动功能检测,可穿戴设备和医疗康复 等领域,实现位移测量。【附图说明】 通当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于电活性高弹体聚合物的位移传感器,其特征在于,包括信号生产与调理装置、第一连接电极、传感器装置、第二连接电极以及信号反馈与检测装置;所述信号产生与调理装置通过第一连接电极与传感器装置一端相连,所述信号反馈与检测装置通过第二连接电极与传感器装置另一端相连;所述传感器装置为长方体的多层结构,自上而下包括:柔性电极层、电活性高弹体聚合物层、柔性电极层;所述电活性高弹体聚合物层在受到电压或者外部位移运动产生的应力时长度会变形伸长。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员:谷国迎朱利民朱向阳
申请(专利权)人:上海交通大学
类型:发明
国别省市:上海;31

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