柔性力传感器曲率影响测试装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及柔性力传感器曲率影响测试装置及方法。该装置包括支架和待测的柔性力传感器，支架支撑有水平轴，水平轴周向套设有曲面筒和周向加载臂，周向加载臂与曲面筒固连；曲面筒具有曲面筒主体；支架还具有纵向通孔，纵向通孔内安置有径向加载杆，径向加载杆上端为承载外部径向负荷的负荷承载端，径向加载杆下端具有弧面；柔性力传感器位于径向加载杆下端和曲面筒主体之间；柔性力传感器的信号输出端与外部数据采集设备连接。本发明专利技术能对柔性力传感器在处于不同曲率下受到不同外部径向负荷或不同周向剪切负荷时的输出数据表现进行测试，并获知具体的影响程度。

Measuring device and method of curvature influence of flexible force sensor

The invention relates to a flexible force sensor curvature influence test device and a method. The device comprises a bracket and a flexible force sensor to measure the support with horizontal axis and horizontal axis circumferential surface and cylinder sleeve is provided with a circumferential loading arm, circumferential loading arm and surface cylinder is fixedly connected with a curved surface; surface cylinder cylinder body; bracket also has a vertical hole, the hole is arranged in the radial loading rod the longitudinal, radial loading rod for bearing external radial load load bearing ends, lower radial loading rod with arc surface; flexible force sensor in the radial loading rod and the surface between the cylinder body; flexible force sensor signal output end of the data acquisition device is connected with external. The invention can test the output data of the flexible force sensor at different curvature and subjected to different external radial load or different circumferential shear load, and get the specific influence degree.

【技术实现步骤摘要】
柔性力传感器曲率影响测试装置及方法
本专利技术涉及一种柔性力传感器曲率影响测试装置及方法，属于传感器标定

技术介绍
据申请人所知，接触界面间力的测量通常通过压力的测量间接实现，而压力通常表示为相对于物体的表面每单位面积施加的力，因此为了实现有效的接触力测量，良好的接触面控制显得尤为重要，对于人与外界的接触复杂性，这一点更为重要。随着传感器技术的发展和相关应用需要的增加，以及人体运动检测领域应用的爆发性增长，一方面，以柔性力传感器为代表的传感器性能不断增强，另一方面，传感器灵敏度的要求也越来越高。针对触觉反馈需要，接触力信息的测量大多使用柔性力传感器实现(Stassi,etal.,2014)，柔性力传感器提供与测量压力成正比的电信号输出(电压或电流)；在传感器性能方面，柔性力传感器所需的关键规格包括线性度、迟滞、温度敏感性、传感尺寸和压力范围等(Almassri,etal.,2015；Stassi,etal.,2014)；柔性力传感器按照感应材料可分为电容式传感器、电阻式传感器、压电式传感器和压阻式传感器(Majumder,etal.,2017)。电容式传感器由一个悬浮结构极板电容器组成，在外力作用下，极板或电极区域之间的距离缩短，从而产生两个电极之间的电容变化。电容式触觉压力传感技术是检测小挠度变化最敏感的技术之一，具有高空间分辨率、良好的频率响应、低功耗和大量程的动态范围等特点。基于该传感器的商业化人体运动识别系统包括德国Novel公司的EMED足底压力系统和PEDAR鞋垫系统。电阻式传感器通常由导电聚合物力敏电阻构成，当施加压力时导电层变化，两个电极之间的电阻变小、电流增加。基于该传感器的商业化人体运动识别系统包括美国Tekscan公司matscan压力系统和F-scan鞋垫系统。压电式传感器是将施加的应力或力转化为电压的传感器，因其压电材料可作为传感器和执行器的特性故被认为是一种智能材料(Almassri,etal.,2015)。压电式传感器具有机械柔性、高压电系数、尺寸固定、重量轻、工作稳定等特性。当施加力时，压电材料也具有高电压输出时的高灵敏度，灵敏度能达到130pC/N。压电式传感器是一种无源传感器，具有高可靠性，适用于各种应用。然而，由于其电压输出随着时间的推移而减小，同时其内部电阻过大，测量静态力优势不明显，因此仅适用于动态力的检测；主要压电材料有石英陶瓷(PZT)、聚偏氟乙烯(PVDF)等，其中石英陶瓷主要用于动态触觉感测，而聚偏氟乙烯更适合触觉压力应用。由于压电器件具有高阻抗，容易受到过多的电干扰，导致不可接受的信号-噪声比，为此在设计压电传感器的电路时，一个超薄的输入阻抗必不可少。基于该传感器的商业化人体运动识别系统包括美国MeasurementSpecialties系统和美国Piezotronics公司的PCB系统。压阻式传感器由基于半导体材料的压电材料构成，压电材料受力的影响产生形变，电阻率会随之发生变化，一般情况下，没有外力作用时传感器电阻率高，有外力作用下电阻率降低。压阻式传感器具有成本低、灵敏度高、结构相对简单、长期稳定性低、噪声低、准确度高、可靠性高、技术成熟等优点，但它只能测量一个固定点压力。它们可以定制成各种形状和尺寸，并且可以用于许多应用中，尤其适合检测物体两个表面之间的接触力。美国Tekscan公司的Flexi-Force传感器和德国Paromed公司的Parotec传感器是典型代表。这些柔性力传感器能够感测触觉和适应不同形状，除了所需的模拟人体皮肤的高整合性，他们的主要缺点在于特殊条件下滞后传感响应，影响了测量的重复性，因此针对这些传感器的特性进行进一步研究，以使其进行高精度的测量应用(Stassi,etal.,2014；Wong,2012)；此外，通过有效的信号提取也能弥补测量上不足(Aroca,etal.,2013)。目前，人体运动信息获取技术的发展趋势表明，日常生活参数实时、实地测量必须适应快速变化和科学复杂的生活环境(Razak,etal.,2012)。为了实现不间断人与外界接触的作用力信息测量，并如实反应现实生活中的日常人体活动，采用能实现可移动、没有附着感、与接触面测量的柔性力传感器成为了充分整合目标环境下的有效措施。上世纪90年代初，Zhu等使用7个力敏电阻传感器(FSR)开发了一种用于测量鞋内足底压力分布的系统，用于区分不同步态之间的压力特征(Zhu,etal.,1991)。随后，类似的研究开始越来越多。2011年，Feng等基于Flexi-Force柔性力传感器设计了一个采用动态足底压力人体识别系统，他们比较了不同位置关键点压力信息和使用支持向量机(SVM)分类算法进行步态识别，系统能达到96％的识别精度(Feng,etal.,2011)。Salpavaara等人选择标枪运动设计一种基于电容式传感器的系统，用来监测投掷运动员下肢的发力时机(Salpavaara,etal.,2009)。这些研究证实了柔性力传感器可以很好的适用于足底压力信息的实时获取，可以测量足与地面的接触力信息以获得步态等关键信息。作为人与外界接触信息的另一种来源，近年来研究者们也开始关注手部接触力信息的实时获取。Rogers等开发了一种低成本的系统，使用兼容MRI力敏电阻(FSR)评估指序列任务期间的表现，该系统还提供了手指协调的信息，包括序列之间的间隔时间、敲击之间的间隔和敲击持续时间(Rogers,etal.,2010)。Komi等基于Flexi-Force柔性力传感器设计了一个高尔夫球手套系统，测量高尔夫挥杆中握力特征(Komi,etal.,2007)。Aroca等整合Flexi-Force柔性力传感器等设计了一种可穿戴采摘水果评级系统，通过手套式系统用来分析和测量水果的属性(Aroca,etal.,2013)。所有上述研究都是无线系统应用，目的均是为了尽量避免设备对人体运动的阻碍，同时研究均使用商业化柔性力传感器。为了测量接触对象和皮肤之间的界面压力，传感器除了应具有小、薄、柔性以及对低压力的敏感外，并还需考虑皮肤表面曲率的影响(Ferguson-Pell,etal.,2000)。比如在手抓握功能测试中，一方面，传感器不能影响操作对象的特征以及操作者的动作，因此传感器必须有效设计整合反映真实用力状况；另一方面，以握力计为代表的设备中所使用的力传感器只能测量一个方向的力，空间分辨率差，同时受传感器刚性影响，很难将多个传感器应用到曲面夹持的表面上，因此柔性力传感器成为曲面接触条件下接触力测量的最适宜方式(Komi,etal.,2007)。Ferguson-Pell等使用Flexi-Force传感器进行微小力测量的研究时发现，表面曲率半径从8.0mm到51.7mm增加，对传感器的预紧力随着半径的增加而减小，半径低于32.5mm时传感器的灵敏度下降明显(Ferguson-Pell,etal.,2000)。Komi等选取四个不同的表面(平面和直径为30、25和20mm的曲面)对于Tekscan9811、Flexi-Force和QTC三款传感器进行了0到满量程的测试，传感器输出在外加载零负荷显示预紧力均低于1.5N，结果表明曲率变化对Tekscan98本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种柔性力传感器曲率影响测试装置，包括支架和待测的柔性力传感器，其特征是，所述支架支撑有水平轴，所述水平轴周向套设有曲面筒和周向加载臂，所述周向加载臂与曲面筒的一端固连；所述曲面筒具有呈圆柱体的曲面筒主体，所述周向加载臂沿曲面筒主体的径向延伸；所述曲面筒主体的中心轴线与水平轴的中心轴线重合，且周向加载臂对称分布于水平轴中心轴线的两侧；所述支架还具有位于曲面筒正上方的纵向通孔，所述纵向通孔内安置有径向加载杆，所述径向加载杆的中心轴线与曲面筒主体的中心轴线垂直相交，所述径向加载杆的上端为承载外部径向负荷的负荷承载端，所述径向加载杆的下端具有弧面，所述弧面为一圆柱体的一部分，该圆柱体的中心轴线与曲面筒主体的中心轴线重合，该圆柱体与曲面筒主体的半径之差为柔性力传感器的厚度；所述柔性力传感器位于径向加载杆下端和曲面筒主体之间，且柔性力传感器的中心与径向加载杆的中心轴线重合；所述装置还包括至少一个带钩的砝码，所述周向加载臂的末端具有供砝码钩挂的突起或挂孔；所述柔性力传感器的信号输出端与外部数据采集设备连接。

【技术特征摘要】
1.一种柔性力传感器曲率影响测试装置，包括支架和待测的柔性力传感器，其特征是，所述支架支撑有水平轴，所述水平轴周向套设有曲面筒和周向加载臂，所述周向加载臂与曲面筒的一端固连；所述曲面筒具有呈圆柱体的曲面筒主体，所述周向加载臂沿曲面筒主体的径向延伸；所述曲面筒主体的中心轴线与水平轴的中心轴线重合，且周向加载臂对称分布于水平轴中心轴线的两侧；所述支架还具有位于曲面筒正上方的纵向通孔，所述纵向通孔内安置有径向加载杆，所述径向加载杆的中心轴线与曲面筒主体的中心轴线垂直相交，所述径向加载杆的上端为承载外部径向负荷的负荷承载端，所述径向加载杆的下端具有弧面，所述弧面为一圆柱体的一部分，该圆柱体的中心轴线与曲面筒主体的中心轴线重合，该圆柱体与曲面筒主体的半径之差为柔性力传感器的厚度；所述柔性力传感器位于径向加载杆下端和曲面筒主体之间，且柔性力传感器的中心与径向加载杆的中心轴线重合；所述装置还包括至少一个带钩的砝码，所述周向加载臂的末端具有供砝码钩挂的突起或挂孔；所述柔性力传感器的信号输出端与外部数据采集设备连接。2.根据权利要求1述及的柔性力传感器曲率影响测试装置，其特征是，所述曲面筒、周向加载臂分别与水平轴构成具有轴向约束的转动副；所述径向加载杆与纵向通孔构成具有水平约束的纵向移动副；所述支架与水平轴构成具有轴向约束的转动副。3.根据权利要求1述及的柔性力传感器曲率影响测试装置，其特征是，所述装置具有：将周向加载臂的延伸方向调整为水平方向，将外部径向负荷加载于径向加载杆负荷承载端，在径向加载杆下端的作用下柔性力传感器与曲面筒主体表面贴合的第一测试状态；以及，在第一测试状态的基础上，将预定砝码挂在周向加载臂末端的第二测试状态；当装置处于第一测试状态或第二测试状态时，通过外部数据采集设备采集柔性力传感器的输出数据。4.根据权利要求1述及的柔性力传感器曲率影响测试装置，其特征是，所述周向加载臂呈片状且一体成型，所述周向加载臂由两梯形片状件对称固连而成，两梯形片状件的长底边相互连接且连接处以弧线过渡，两梯形片状件的短底边呈弧线状且分别构成周向加载臂的末端；所述周向加载臂所处平面与水平轴垂直。5.根据权利要求1至4任一项述及的柔性力传感器曲率影响测试装置，其特征是，所述曲面筒还具有连接台，所述连接台呈圆柱体且与曲面筒主体同轴，所述连接台的半径小于曲面筒主体...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶强，高杉，高润，胡冠宇，
申请(专利权)人：叶强，高杉，高润，胡冠宇，
类型：发明
国别省市：江苏,32