一种可变热容的温度触觉再现装置制造方法及图纸

一种可变热容的温度触觉再现装置，设有半导体制冷器、散热器、温度传感器及测控电路，以半导体制冷器作为温度控制及人手感知的核心，其中：半导体制冷器系由通有直流电的Ｐ－Ｎ结构成，具有冷、热两个端面；散热器包括设有空腔的交换室以及冷却液、气两路交换系统，冷却液交换系统系由设置的冷却液槽通过管道向交换室空腔进冷却液，交换室通过出冷却液管道与冷却液槽连通；气路交换系统系由与交换室空腔连通的进、出气管道交换空气；冷却液、气两路交换系统中的管道上均分别设有电磁阀及泵，电磁阀及泵与测控电路的输出控制信号连接；测控电路含有公知的电源电路，模数转换电路，信号调理电路及控制芯片；设有两个温度传感器，分别采集人手和半导体制冷器的温度并输入至测控电路。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及虚拟现实技术中的触觉再现，尤其是一种可变热容的温度触觉再现装 置，该装置可实现远程温度触觉的近端复现，属于测试

技术介绍
随着电子信息技术的飞速发展，虚拟现实技术作为当前信息
研究的前沿 和热点，成为二十一世纪最令人鼓舞的信息应用技术之一。“多感知、交互性和临场感”是 理想的虚拟现实系统所追求的目标。技术的重要性已经被广泛认识并得+到深入研究，不 断优化和完善的力触觉算法及柔性、纹理触觉复现装置已能够较好地模拟虚拟场景物体柔 性、纹理力触觉特性，而形状触觉、温度触觉等触觉可以感知物体的形状特性、热量属性等， 在该领域的人机交互技术研究尚少。触觉是人类感知外部世界的重要手段。温度触觉作为触觉的一种在人的整个感知 系统中发挥着重要作用，人手触摸不同热属性的物体时有着不同的温度感觉，据此人可以 判断出物体的热属性。到目前为止，国内外对触觉的研究都集中于力触觉，也有力触觉再现 装置的出现。而温度触觉作为力触觉的主要辅助手段，在触觉建立过程中发挥了重要的作 用。在虚拟现实技术中加入温度触觉可以增强人的临场感和沉浸感。温度触觉再现技术是一项新兴的研究方向，所涉及的学科众多，跨越的学科有电 路电子、机械、材料学等多个方面。温度触觉再现技术的深入研究，将会进一步加强其在医 学、军事、机器人仿真、工业制造、教育及其娱乐各领域的广泛应用。由于温度触觉再现装置中涉及温度的传递及控制，因此比热容的概念十分重要， 比热容又称比热容量，简称比热容，是单位质量物质的热容量，即是单位质量物体改变单位 温度时的吸收或释放的内能。常见物质的比热容值如下表所示，比热容越高，升高相同的温 度所需要的能量就越多。<table>table see original document page 3</column></row><table> 半导体制冷又叫热电制冷或者温差电制冷，是具有热电能量转换特性的材料，在 通过直流电时有制冷功能，因此叫做热电制冷。热电制冷是热电效应主要是珀尔帖效应。珀 尔帖效应就是电流流过两种不同导体的界面时，将从外界吸收热量，或向外界放出热量。把 一块P型半导体和一块N型半导体叠放在一起，在上面通过直流电，则会在P型半导体和N 型半导体的接头上产生温差和热量的交换(如图1)，通过大电流的时候，并且在热端散热很好的情况下，冷端可以很快地进行降温。目前国外在温度触觉感知与再现装置方面，主要是单热源的、基于半导体致热致 冷，单纯是风冷式或者水冷式，降温速率可以达到-4°C/s，使用风冷的效果明显没有水冷 的好，使用水冷的温度触觉复现装置并没有考虑在半导体制冷器在加热的过程中由于水的 存在而提高了比热容使升温速率下降很快。经检索，国内基于温度的触觉再现装置的专利有CN200510038437. 5和 CN200510038437. 5，这两个专利基于冷却液射流的温度触觉再现装置，采用一定温度，一定 压力的水射流给近端的实验者以实现近端的触觉再现。目前国内还没有基于半导体制冷器 的温度触觉再现装置。
技术实现思路
针对现有技术，本专利技术提出了一种可变热容的温度触觉再现装置。该装置可以再 现人手触摸不同热容量物体时人手的温度变化。让人可以根据温度变化对物体的热容量进 行判断，实现远程环境的复现。本装置可快速率升降温，达到10°C /s的升温速率以及-5°c / s的降温速率，可以快速改变半导体温度制冷器的温度并通过一定的算法控制在恒定的温度。本专利技术装置的技术方案是一种可变热容的温度触觉再现装置，其特征在于设 有半导体制冷器、散热器、温度传感器及测控电路，以半导体制冷器作为温度控制及人手感 知的核心，其中半导体制冷器系由通有直流电的P-N结构成，具有冷、热两个端面；散热器 包括设有空腔的交换室以及冷却液、气两路交换系统，冷却液交换系统系由设置的冷却液 槽通过管道向交换室空腔进冷却液，交换室通过出冷却液管道与冷却液槽连通；气路交换 系统系由与交换室空腔连通的进、出气管道交换空气；冷却液、气两路交换系统中的管道上 均分别设有电磁阀及泵，电磁阀及泵与测控电路的输出控制信号连接；测控电路含有公知 的电源电路，模数转换电路，信号调理电路及控制芯片；设有两个温度传感器，分别采集人 手和半导体制冷器的温度并输入至测控电路。冷却液可以采用水、煤油，冰水等。所说两个温度传感器均采用辐射式红外传感器，所说半导体制冷器采用双层的半 导体制冷器结构，也可采用单层的半导体制冷器。本专利技术装置的工作原理两个辐射式红外传感器，一个用于测量人手的温度，一个 用于实时测量半导体制冷器的温度(红外测温的优点在于非接触测量，响应速度快，灵敏 度比传统的传感器高1 4个数量级，体积小，重量轻，本装置使用红外传感器来对温度进 行实时测量，快速的反应速度为控制带来了便利)。由测控电路控制电磁阀的开合以及泵的 动作，当半导体制冷器需要制热时，控制信号1使冷却液电磁阀关闭，控制信号2使气电磁 阀开启，气泵开动，空气进入交换室空腔，降低了交换室空腔内部的热容量。当半导体制冷 器需要制冷时，控制信号1使冷却液电磁阀开启，控制信号2使气电磁阀关闭，冷却液泵开 动，冷却液进入交换室空腔，提高了交换室空腔内部的热容量。交换室内的空腔体积一定， 因此空腔中填充不同的物质(冷却液或者空气)时整个交换室会有不同的热容量，从而使 得半导体制冷器的热端面降温或者升温的速率发生变化，也就直接影响了半导体制冷器的 冷端面的降温或者升温速率。由于冷却液/气切换的使用，在第一次实验结束后可以迅速 地把温度控制在第二次实验的温度上，使得第一次实验的时间和第二次实验的时间可以缩短，减少复现实验的时间。测控电路控制芯片中存有远端的温度传感数据，先把半导体制冷 器控制在由红外传感测出的人手的温度，把半导体制冷器的温度控制在人手的温度值，在 制热时装置不进行散热以提高升温速率。当再现触觉温度比人手温度高时，控制冷却液、气 切换，使空气进入交换室空腔，当人手放在半导体制冷器上时，控制半导体制冷器两端的直 流电极方向可使半导体制冷器制热或者制冷，根据控制芯片的温度传感数据实时控制半导 体制冷器的温度让实验者感受到温度的变化过程；当再现触觉温度比人手温度低时，控制 冷却液气切换，使冷却液进入交换室空腔，当人手放在半导体制冷器上时，控制半导体制冷 器两端的电极方向使半导体制冷器制冷，根据控制芯片的温度传感数据实时控制半导体制 冷器的温度让实验者感受到温度的变化过程。整个装置实现快速升温和快速降温，可虚拟 再现不同物体的热特性。本专利技术装置的专利技术点在于可以通过冷却液、气互换系统改变温度 再现装置的热容量，制冷交换介质采用冷却液、气，热交换器件包括气、冷却液泵和半导体 制冷器。与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于 1、人可以通过温度触觉再现装置对远程或虚拟环境传感手所接触到的热容量进 行温度触觉再现，使其产生温度触觉临场感、沉浸感；2、采用变热容的方法提高了温度触觉再现装置的升温和降温的速率，扩大温度触 觉再现装置再现物体热特性的种类；3、辐射式温度传感器可以实现高速、高精度非接触式温度测量；4、可以大大减小温度触觉再现装置进行重复实验所需要的时间；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可变热容的温度触觉再现装置，其特征在于：设有半导体制冷器、散热器、温度传感器及测控电路，以半导体制冷器作为温度控制及人手感知的核心，其中：半导体制冷器系由通有直流电的Ｐ－Ｎ结构成，具有冷、热两个端面；散热器包括设有空腔的交换室以及冷却液、气两路交换系统，冷却液交换系统系由设置的冷却液槽通过管道向交换室空腔进冷却液，交换室通过出冷却液管道与冷却液槽连通；气路交换系统系由与交换室空腔连通的进、出气管道交换空气；冷却液、气两路交换系统中的管道上均分别设有电磁阀及泵，电磁阀及泵与测控电路的输出控制信号连接；测控电路含有公知的电源电路，模数转换电路，信号调理电路及控制芯片；设有两个温度传感器，分别采集人手和半导体制冷器的温度并输入至测控电路。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴剑锋，李建清，蔡凤，吴剑进，周连杰，宋爱国，陈从颜，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]