测量热学参数的方法、装置及热觉传感器制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种测量热学参数的方法、装置及热觉传感器，其中，该方法包括：获取热觉传感器与待测物体接触时的电压和电流，根据该电压和电流，确定热觉传感器与待测物体接触时的电阻；根据该电阻，以及预先标定得到的热觉传感器电阻与温度的关系，确定热觉传感器与待测物体接触面的实测温度；根据热觉传感器与待测物体接触时温度随时间变化的关系，以及热觉传感器与待测物体接触面的实测温度，得到待测物体的热学参数；所述温度随时间变化的关系通过一个传热模型求得。上述技术方案实现了定量测量被接触物体的热学参数。

【技术实现步骤摘要】
测量热学参数的方法、装置及热觉传感器
本专利技术涉及热学参数测量
，特别涉及一种测量热学参数的方法、装置及热觉传感器。
技术介绍
随着微型计算机与物联网技术的发展以及工业4.0的实施，传感器作为物联网感知信号的基础，其越来越得到重视与发展。触觉传感器模仿人体皮肤复杂的传感系统，可以检测许多重要的信号比如压力、温度、纹理、振动等等，其中热觉传感器是其中的重要组成部分，通过传感器和物体的接触得到信息，主要用于以下三个方面：得到温度信息，例如电子皮肤测温用于健康监测、机器人感知环境温度等；通过温度信息获取其他信息，例如血液流速/风速测量、进行材料的定性识别；触觉再现与远程触觉，例如模拟触摸到给定物体的热触觉。目前大部分热学参数的测量方法只能实现定性测量，无法对所接触材料热学参数的进行定量测量。
技术实现思路
本专利技术实施例提供了一种测量热学参数的方法，用以定量测量被接触物体的热学参数，该方法包括：获取热觉传感器与待测物体接触时的电压和电流，根据所述电压和电流，确定热觉传感器与待测物体接触时的电阻；根据热觉传感器与待测物体接触时的电阻，以及预先标定得到的热觉传感器电阻与温度的关系，确定热觉传感器与待测物体接触面实测温度；根据热觉传感器与待测物体接触时温度随时间变化的关系，以及所述热觉传感器与待测物体接触面实测温度，得到待测物体的热学参数；所述温度随时间变化的关系通过一个传热模型求得；其中，所述传热模型描述应用热觉传感器的设备、热觉传感器和待测物体的一维传热问题；所述应用热觉传感器的设备、热觉传感器和待测物体的起始温度相同，应用热觉传感器的设备和热觉传感器之间的接触热阻为零，热觉传感器和待测物体之间存在一个不为零的接触热阻，热觉传感器内部存在一个内热源。本专利技术实施例还提供了一种测量热学参数的装置，用以定量测量被接触物体的热学参数，该装置包括：电阻确定单元，用于获取热觉传感器与待测物体接触时的电压和电流，根据所述电压和电流，确定热觉传感器与待测物体接触时的电阻；温度确定单元，用于根据热觉传感器与待测物体接触时的电阻，以及预先标定得到的热觉传感器电阻与温度的关系，确定热觉传感器与待测物体接触面实测温度；热学参数确定单元，用于根据热觉传感器与待测物体接触时温度随时间变化的关系，以及所述热觉传感器与待测物体接触面实测温度，得到待测物体的热学参数；所述温度随时间变化的关系通过一个传热模型求得；其中，所述传热模型描述应用热觉传感器的设备、热觉传感器和待测物体的一维传热问题；所述应用热觉传感器的设备、热觉传感器和待测物体的起始温度相同，应用热觉传感器的设备和热觉传感器之间的接触热阻为零，热觉传感器和待测物体之间存在一个不为零的接触热阻，热觉传感器内部存在一个内热源。本专利技术实施例还提供了一种热觉传感器，用以定量测量被接触物体的温度，该热觉传感器包括：基底；温度敏感层，温度敏感层的第一表面附着在所述基底上，用于获得与待测物体接触时的电阻；所述电阻用于确定待测物体的实测温度，电阻根据与待测物体接触时的电压和电流确定；绝缘保护层，绝缘保护层的第一表面附着在所述温度敏感层的背向基底的第二表面上。本专利技术实施例还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述测量热学参数的方法。本专利技术实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行测量热学参数的方法的计算机程序。本专利技术实施例提供的技术方案达到的有益技术效果是：首先，本专利技术实施例提供的热觉传感器能将外界温度信息转化为与待测物体接触时的电阻，电阻根据与待测物体接触时的电压和电流确定，该电阻用于确定热觉传感器与待测物体接触面实测温度，从而实现了定量测量被接触物体的温度，并且利用电压和电流电信号的变化来感知外界温度的变化，测量精度高，进而根据该热觉传感器测量的精确温度，确定的热学参数精度也高。其次，获取热觉传感器与待测物体接触时的电压和电流，根据该电压和电流，确定热觉传感器与待测物体接触时的电阻；根据该电阻，以及预先标定得到的热觉传感器电阻与温度的关系，确定热觉传感器与待测物体接触面实测温度；根据热觉传感器与待测物体接触时温度随时间变化的关系，以及所述热觉传感器与待测物体接触面实测温度，得到待测物体的热学参数，实现了定量测量被接触物体的热学参数，提高了热学参数测量的精确度。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本专利技术的限定。在附图中：图1是本专利技术实施例中测量应用场景示意图；图2是本专利技术实施例中测量热学参数的方法的流程示意图；图3是本专利技术实施例中测量热学参数的方法所用传热模型示意图；图4是本专利技术实施例中获取与待测物体接触时的电压和电流的原理示意图；图5是本专利技术实施例中热觉传感器的主视结构示意图；图6是本专利技术实施例中预先标定得到的热觉传感器电阻与温度的关系示意图；图7是本专利技术实施例中涉及的现有拟合方法原理示意图；图8是本专利技术实施例中采用拟合方法的原理示意图；图9是本专利技术实施例中测量热学参数的装置的结构示意图；图10是本专利技术实施例中热觉传感器的立体分解结构示意图；图11是本专利技术实施例中温度敏感层局部结构放大示意图；图12是本专利技术实施例中热觉传感器的制作方法的流程示意图；图13是本专利技术又一实施例中热觉传感器的制作方法的流程示意图；图14是图13中热觉传感器的制作方法的原理示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本专利技术做进一步详细说明。在此，本专利技术的示意性实施方式及其说明用于解释本专利技术，但并不作为对本专利技术的限定。专利技术人发现：目前大部分利用热觉传感器测量被接触物体热学参数的方案均只能实现定性测量，没有进行理论模型的建立和计算，无法对所接触材料热学参数进行定量测量。因此，考虑到上述技术问题，专利技术人提出了一种测量热学参数的方法、装置及热觉传感器。该方案实现了定量测量被接触物体的热学参数，可以用于机器人灵巧手、智能义肢等需要热觉感知的场合。下面首先对该方案的应用场景进行介绍。如图1所示，热觉传感器2贴合在机器人手指(应用热觉传感器的设备)3上，与待测物体1(被接触物体)接触，获取被接触物体温度。下面对该方案进行详细介绍如下。图2是本专利技术实施例中测量热学参数的方法的流程示意图，如图2所示，该方法包括如下步骤：步骤101：获取热觉传感器与待测物体接触时的电压和电流，根据所述电压和电流，确定热觉传感器与待测物体接触时的电阻；步骤102：根据热觉传感器与待测物体接触时的电阻，以及预先标定得到的热觉传感器电阻与温度的关系，确定热觉传感器与待测物体接触面实测温度；步骤103：根据热觉传感器与待测物体接触时温度随时间变化的关系，以及所述热觉传感器与待测物体接触面实测温度，得到待测物体的热学参数；所述温度随时间变化的关系通过一个传热模型求得；其中，如图3所示，所述传热模型描述应用热觉传感器的设备、热觉传感器和待测物体的一维传热问题；所述应用热觉传感器的设备、热觉传感器和待测物体的起始温度相同，应用热觉传感器的设备和热觉传感器之间的接触热阻为零，热觉传感器和待测物体之间存在一个不为零的接触热阻，应用热觉传感器的设备和待测物体被视为半无限大物体，热本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种测量热学参数的方法，其特征在于，包括：获取热觉传感器与待测物体接触时的电压和电流，根据所述电压和电流，确定热觉传感器与待测物体接触时的电阻；根据热觉传感器与待测物体接触时的电阻，以及预先标定得到的热觉传感器电阻与温度的关系，确定热觉传感器与待测物体接触面的实测温度；根据热觉传感器与待测物体接触时温度随时间变化的关系，以及所述热觉传感器与待测物体接触面的实测温度，得到待测物体的热学参数；所述温度随时间变化的关系通过一个传热模型求得；其中，所述传热模型描述应用热觉传感器的设备、热觉传感器和待测物体的一维传热问题；所述应用热觉传感器的设备、热觉传感器和待测物体的起始温度相同，应用热觉传感器的设备和热觉传感器之间的接触热阻为零，热觉传感器和待测物体之间存在一个不为零的接触热阻，热觉传感器内部存在一个内热源。

【技术特征摘要】
1.一种测量热学参数的方法，其特征在于，包括：获取热觉传感器与待测物体接触时的电压和电流，根据所述电压和电流，确定热觉传感器与待测物体接触时的电阻；根据热觉传感器与待测物体接触时的电阻，以及预先标定得到的热觉传感器电阻与温度的关系，确定热觉传感器与待测物体接触面的实测温度；根据热觉传感器与待测物体接触时温度随时间变化的关系，以及所述热觉传感器与待测物体接触面的实测温度，得到待测物体的热学参数；所述温度随时间变化的关系通过一个传热模型求得；其中，所述传热模型描述应用热觉传感器的设备、热觉传感器和待测物体的一维传热问题；所述应用热觉传感器的设备、热觉传感器和待测物体的起始温度相同，应用热觉传感器的设备和热觉传感器之间的接触热阻为零，热觉传感器和待测物体之间存在一个不为零的接触热阻，热觉传感器内部存在一个内热源。2.如权利要求1所述的测量热学参数的方法，其特征在于，所述热学参数包括：热导率和热扩散率。3.如权利要求1所述的测量热学参数的方法，其特征在于，所述传热模型的传热方程为：所述传热方程的起始条件为：T3(x,0)＝T0；T2(x,0)＝T0；T1(x,0)＝T0；所述传热方程的边界条件为：T3(L1,t)＝T2(L1,t)；T1(x,t)|x＝-∞＝T0＝T3(x,t)|x＝∞；所述传热方程经过拉氏变换后存在的通解：其中，由所述边界条件可得：A1＝B3＝0；对所述边界条件作拉式变换，再将所述通解带入下述公式进行求解，得到A2和B2：将A2和B2带入公式中，求得如下热觉传感器与待测物体接触时温度随时间变化的函数：V＝[0.0833333333-32.083333331279.000076-15623.6668984244.16946-236957.5129375911.6923-340071.6923164062.5128-32812.50256]；所述温度随时间变化的函数为温度随时间变化的关系；其中，T0为系统起始温度，T1为待测物体材料温度，T2为热觉传感器的温度，T3为应用热觉传感器设备的温度，x为坐标位置，t为时间，α1为待测物体材料热扩散率，α2为热觉传感器热扩散率，α3为应用热觉传感器设备的热扩散率，k1为待测物体材料热导率，k2为热觉传感器热导率，k3为应用热觉传感器设备的热导率，qv为热觉传感器内存在的一个内热源，L1为热觉传感器的厚度，θ1为T1经过拉式变换后的值，θ2为T2经过拉式变换后的值，θ3为T3经过拉式变换后的值，A1，A2，A3，B1，B2和B3为通解中待求的未知数，s为复变量，p1，p2和p3为中间变量，e为自然常数，Rj为热觉传感器与待测物体之间的接触热阻。4.如权利要求1所述的测量热学参数的方法，其特征在于，根据热觉传感器与待测物体接触时温度随时间变化的关系，以及所述热觉传感器与待测物体接触面的实测温度，包括：利用所述温度随时间变化的关系和所述热觉传感器与待测物体接触面的实测温度，通过最小二乘法拟合得到待测物体的热学参数。5.如权利要求1所述的测量热学参数的方法，其特征在于，所述热觉传感器包括：基底；温度敏感层，温度敏感层的第一表面附着在所述基底上，用于获得与待测物体接触时的电阻；所述电阻用于确定待测物体的实测温度，电阻根据与待测物体接触时的电压和电流确定；绝缘保护层，绝缘保护层的第一表面附着在所述温度敏感层的背向基底的第二表面上。6.一种测量热学参数的装置，其特征在于，包括：电阻确定单元，用于获取热觉传感器与待测物体接触时的电压和电流，根据所述电压和电流，确定热觉传感器与待测物体接触时的电阻；温度确定单元，用于根据热觉传感器与待测物体接触时的电阻，以及预先标定得到的热觉传感器电阻与温度的关系，确定热觉传感器与待测物体接触面的实测温度；热学参数确定单元，用于根据热觉传感器与待测物体接触时温...

【专利技术属性】
技术研发人员：张旻，潘兵，王晓浩，
申请(专利权)人：清华大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东,44