本發(fā)明涉及柔性傳感領(lǐng)域，具體涉及一種柔性壓電式三維力傳感器及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、人類(lèi)能夠完成靈巧的操作以及感知觸摸物體的物理屬性等觸覺(jué)任務(wù)，得益于皮膚對(duì)多模態(tài)機(jī)械刺激的解耦感知能力。這種能力將作用于皮膚表面的壓力信號(hào)解耦為沿法向的力和沿皮膚表面的剪切力，通過(guò)兩個(gè)方向力的信息來(lái)完成對(duì)空間中物體的多維感知。

2、然而，傳統(tǒng)柔性壓力傳感器由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題，多以二維力識(shí)別為主，往往不具備檢測(cè)三維力的能力，從而在應(yīng)用上存在短板；其次，傳統(tǒng)壓阻式傳感器以及電容式傳感器檢測(cè)頻率較低，不適用于動(dòng)態(tài)信號(hào)的檢測(cè)，而壓電適用于動(dòng)態(tài)信號(hào)的檢測(cè)，但較少被應(yīng)用于三維力信號(hào)的檢測(cè)。傳感器以接近人類(lèi)皮膚的空間感知能力來(lái)解耦獲得法向力和剪切力依然是一個(gè)充滿(mǎn)挑戰(zhàn)的問(wèn)題。因此，設(shè)計(jì)一種適用于動(dòng)態(tài)信號(hào)、具備高靈敏度、高穩(wěn)定性的于一體的具備三維力檢測(cè)功能柔性傳感器，成為了當(dāng)前亟待解決的技術(shù)挑戰(zhàn)。

3、為了應(yīng)對(duì)以上挑戰(zhàn)，并推動(dòng)柔性傳感器的實(shí)際應(yīng)用，本發(fā)明提出一種柔性壓電式三維力傳感器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明提供了一種柔性壓電式三維力傳感器及其制備方法，制備柔性壓電式三維力傳感器，通過(guò)對(duì)壓電薄膜的極化操作實(shí)現(xiàn)了壓電性能的提升，同時(shí)通過(guò)陣列式電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了三維力信息的檢測(cè)，擴(kuò)大了傳感器的應(yīng)用范圍。

2、技術(shù)方案

3、一種柔性壓電式三維力傳感器，包括安裝于機(jī)械爪內(nèi)側(cè)的柔性壓電式三維力傳感器，所述柔性壓電式三維力傳感器包括上電極極板、壓電層和銅電極陣列下極板。

4、進(jìn)一步的，所述柔性壓電式三維力傳感器在機(jī)械爪做抓握動(dòng)作時(shí)被擠壓，根據(jù)所抓取織物的彈性以及表面粗糙度等特征的不同，壓電信號(hào)會(huì)有所差異，不同的電壓值可以反映物體的彈性以及表面粗糙度等特征。

5、進(jìn)一步的，對(duì)所述柔性壓電式三維力傳感器的四通道電壓變化信號(hào)進(jìn)行采集，得到傳感器檢測(cè)不同織物時(shí)的電壓波形圖，進(jìn)而反映所檢測(cè)織物的彈性及其表面粗糙度等特征。

6、一種柔性壓電式三維力傳感器，其特征在于，所述傳感器包括如下步驟：

7、1)稱(chēng)量0.5g的聚偏二氟乙烯-三氟乙烯pvdf-trfe溶解于9ml的n,n-二甲基甲酰胺dmf中，再加入0.2-0.8g的鈦酸鋇batio3，將上述溶液置于60℃的水浴環(huán)境中加熱攪拌8小時(shí)，取出該溶液；隨后，將溶液倒入預(yù)先制備好的凹模模具中并放入60℃的烘箱中烘干1小時(shí)，待其完全固化成型，之后，將該薄膜置于高壓電場(chǎng)的正負(fù)極板之間進(jìn)行極化操作，完成極化過(guò)程后，將高壓電場(chǎng)的電壓逐漸降至0v，薄膜經(jīng)過(guò)極化操作后，制備出壓電薄膜；

8、2)將附著在聚酰亞胺(pi)基板上的銅帶在頻率為15-25khz、電流為0.5-1.5a、速度為10-20mm/s的條件下進(jìn)行紫外激光切割，制備得到環(huán)形電極陣列作為下極板，同時(shí)制備得到環(huán)形電極作為上極板；用pi膠帶將步驟一制得的壓電薄膜作為壓電層和下極板陣列、上極板三層組裝在一起，制備出柔性壓電式三維力傳感器。

9、如上述所述柔性壓電式三維力傳感器測(cè)試織物，不同種類(lèi)的織物所測(cè)得壓電信號(hào)有所差異，彈性越大的物體，所述柔性壓電式三維力傳感器所測(cè)電容值波形脈沖峰值更小，表面粗糙度越大的物體，所述柔性壓電式三維力傳感器波形波動(dòng)越大，即曲線(xiàn)越寬，根據(jù)所述傳感器織物檢測(cè)信號(hào)中壓電信號(hào)波形的不同，可以區(qū)分不同彈性和不同表面粗糙度的物體。

10、有益效果

11、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

12、1.制備出圓環(huán)狀鈦酸鋇薄膜作為壓電薄膜層，并將其經(jīng)過(guò)高壓電場(chǎng)的極化，通過(guò)極化操作，有效提高了壓電薄膜層的靈敏度和響應(yīng)時(shí)間性能；

13、2.通過(guò)制備圓環(huán)狀銅電極上極板和圓環(huán)狀銅電極陣列下極板電極結(jié)構(gòu)，使壓電式傳感器具備感知三維力的能力，可以通過(guò)四通道電極傳感信號(hào)的差異感知力的大小與方向信息；

14、3.應(yīng)用柔性壓電式三維力傳感器四通道信號(hào)波形的不同，來(lái)檢測(cè)不同種類(lèi)織物的彈性及表面粗糙度等特征。

技術(shù)特征：

1.一種柔性壓電式三維力傳感器，其特征在于：包括安裝于機(jī)械爪內(nèi)側(cè)的柔性壓電式三維力傳感器(1)，所述柔性壓電式三維力傳感器(1)包括上電極極板(2)，壓電層(3)和銅電極陣列下極板(4)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種柔性壓電式三維力傳感器，其特征在于：所述柔性壓電式三維力傳感器(1)通過(guò)設(shè)計(jì)銅電極陣列下極板(4)的方式使壓電式傳感器具備了檢測(cè)三維力的功能。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種柔性壓電式三維力傳感器，其特征在于：所述柔性壓電式三維力傳感器(1)在機(jī)械爪做抓握動(dòng)作時(shí)被擠壓，根據(jù)所抓取織物的彈性以及表面粗糙度等特征的不同，壓電信號(hào)會(huì)有所差異。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種柔性壓電式三維力傳感器，其特征在于：對(duì)所述柔性壓電式三維力傳感器(1)采用四通道電壓變化信號(hào)進(jìn)行采集，得到傳感器檢測(cè)不同織物時(shí)的電壓波形圖。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種柔性壓電式三維力傳感器，其特征在于，所述柔性壓電式三維力傳感器的制備方法包括如下步驟：

6.一種如權(quán)利要求1-5任意一項(xiàng)所述柔性壓電式三維力傳感器的應(yīng)用，其特征在于：所述柔性壓電式三維力傳感器可以用來(lái)測(cè)織物的彈性和粗糙性，不同種類(lèi)的織物所測(cè)得壓電信號(hào)有所差異，彈性越大的物體，所述柔性壓電式三維力傳感器所測(cè)電容值波形脈沖峰值更小，表面粗糙度越大的物體，所述柔性壓電式三維力傳感器波形波動(dòng)越大，即曲線(xiàn)越寬，根據(jù)所述傳感器織物檢測(cè)信號(hào)中壓電信號(hào)波形的不同，可以區(qū)分不同彈性和不同表面粗糙度的物體。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種柔性壓電式三維力傳感器及其應(yīng)用，包括安裝于機(jī)械爪內(nèi)側(cè)的柔性壓電式三維力傳感器，所述柔性壓電式三維力傳感器包括上電極極板、壓電層和銅電極陣列下極板，通過(guò)對(duì)壓電薄膜的極化操作實(shí)現(xiàn)了壓電性能的提升，同時(shí)通過(guò)陣列式電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了三維力信息的檢測(cè)，擴(kuò)大了傳感器的應(yīng)用范圍，將該柔性壓電式三維力傳感器固定在機(jī)械爪上，實(shí)現(xiàn)了傳感器在織物檢測(cè)中的應(yīng)用。

技術(shù)研發(fā)人員：程琳,羅軒梓,劉愛(ài)萍,于航,孫強(qiáng)
受保護(hù)的技術(shù)使用者：浙江理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/11/14