一种螺线型本征柔性间隙和应力传感器测量系统

本发明属于传感器，特别涉及一种螺线型本征柔性间隙和应力传感器测量系统。

背景技术：

1、随着科技的不断进步，许多工程应用领域对柔软且纤薄的传感器的需求日益增长。例如，在人工电子皮肤和机器人触觉系统中，需要同时感知与目标物或障碍物的距离以及触碰物体后所承受的应力大小。另外，在一些国防设备和大型设备中的狭小曲面层间结构中，为了确保零件在有效范围内运行并保证系统安全，需要在零部件运动过程中监测它们之间的间隙和应力大小。然而，传统的刚性传感器无法紧密地贴附在狭小曲面上，因此无法满足这些应用需求。虽然一些科研机构已经开发了柔性位移传感器和柔性应力传感器，但这些传感器的功能相对单一，不能同时测量间隙和应力。为了能长期监测运动机构中的间隙和应力大小，就迫切需要设计一种能同时测量间隙、应力的传感器测量系统。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出一种螺线型柔性间隙与应力传感器测量系统。与传统的金属电涡流线圈、新型柔性位移传感器和新型柔性应力传感器相比，本发明的测量系统结构简单、探头柔软性好，兼具非接触式间隙测量、压缩应力测量的功能，可以长期监测间隙和应力状态，适合应用于人工电子皮肤研制、狭小曲面层间非接触式间隙测量与应力测量等领域。

2、本发明提出的螺线型柔性间隙与应力传感器测量系统，采用以下技术方案：

3、一种螺线型本征柔性间隙和应力传感器测量系统，包含螺线型本征柔性探头、硬件电路和上位机软件；

4、其中，螺线型本征柔性探头的制备方法如下：

5、将导电填料与高分子材料按一定质量比进行混合，加入溶剂进行机械搅拌、水浴加热和超声分散后，加入催化剂和交联剂搅拌均匀，然后填充于带有螺线型凹槽的模具中，形成螺线型复合材料线圈，并在两侧铺设电极，待复合材料硫化后进行脱模和封装，制备得到螺线型本征柔性探头；

6、硬件电路包括正弦波发生模块、带通滤波模块、电路放大系统、参考信号模块、开关电路模块、乘法电路模块、低通滤波模块、偏置电路模块、串口通讯模块、单片机控制系统；

7、所述正弦波发生模块，输入端与单片机控制系统相连，输出端与带通滤波模块输入端连接，为系统提供交流信号；

8、所述带通滤波模块，输入端与正弦波发生模块输出端连接，输出端与电路放大系统输入端连接；

9、所述电路放大系统，包含初级放大电路、电压放大电路、电流放大电路，初级放大电路的输入端与带通滤波模块输出端连接，初级放大电路的输出端与螺线型本征柔性探头输入端、参考信号模块输入端连接，螺线型本征柔性探头的输出端与电压放大电路输入端、电流放大电路输入端连接，电压/电流放大电路输出端与开关电路模块输入端连接；

10、所述参考信号模块，输入端与初级放大电路输出端连接，输出端与开关电路模块输入端连接，参考信号包括0°、90°、180°参考信号；

11、所述开关电路模块，输入端与电压放大电路输出端、电流放大电路输出端、参考信号模块输出端、单片机控制系统连接，输出端与乘法电路输入端连接；

12、所述乘法电路模块，输入端与开关电路输出端连接，输出端与低通滤波模块连接，乘法电路模块用于将电压、电流信号分别与0°、90°、180°参考信号相乘；

13、所述低通滤波模块，输入端与乘法电路输出端连接，输出端与偏置电路模块输入端连接；

14、所述偏置电路模块，输入端与低通滤波模块输出端连接，输出端与单片机控制系统连接；

15、所述串口通讯模块，输入端与单片机控制模块连接，输出端与上位机连接；

16、上位机软件包括初始化模块、数据接收模块、数据预处理模块、数据处理模块、数据校准模块、数据计算模块、数据保存模块、界面显示模块；

17、所述初始化模块，用于配置串口参数、清除数据缓存、定义变量初始值、设置文件保存路径；

18、所述数据接收模块，用于判断串口状态、接收串口数据，并初步判断数据是否符合要求；

19、所述数据预处理模块，用于将串口数据进行分类，将不同类型数据分别进行均值滤波处理；

20、所述数据处理模块，用于对上述预处理后的数据继续进行优化，计算偏置电压、螺线型本征柔性探头的阻抗模和阻抗角大小；

21、所述数据校准模块，用于对电路中的杂散电容、放大器的零点漂移等进行补偿，启用数据校准模块时，可以使用一个标准电阻代替螺线型本征柔性探头，点击校准按钮，即可利用已设置的算法对硬件电路进行校准；

22、所述数据计算模块，用于计算间隙或应力值，具体计算步骤如下：

23、步骤s1，根据数据处理模块中计算得到的阻抗值z判断是否小于临界阻抗值z0，若小于z0，则判断为非接触阶段，进入步骤s2.1，若不小于z0，则判断为压缩阶段，进入步骤s3.1；

24、步骤s2.1，判断当前处于非接触阶段；

25、步骤s2.2，查找非接触阶段的间隙与阻抗之间的关系；

26、步骤s2.3，利用所述间隙与阻抗之间的关系和当前阻抗值，计算得到间隙大小；

27、步骤s3.1，判断当前处于压缩阶段；

28、步骤s3.2，查找压缩阶段的应力与阻抗之间的关系；

29、步骤s3.3，利用所述应力与阻抗之间的关系和当前阻抗值，计算得到应力大小；

30、步骤s4，输出所计算的间隙值、应力值；

31、所述数据保存模块，用于对上述计算得到阻抗模、阻抗角、间隙值和应力值进行保存；

32、所述界面显示模块，用于在前面板展示串口参数、串口状态、校准开关功能，数据显示阻抗模、阻抗角、间隙、应力、校准系数大小，波形图表显示间隙、应力变化趋势。

33、作为本发明一种螺线型本征柔性间隙和应力传感器测量系统的进一步优化方案，在硬件电路的乘法电路中，分别使用了0°和180°参考信号与被测信号相乘，然后取平均值，以得到偏置信号动态数值。

34、本发明的特点及技术效果：

35、(1)本发明的螺线型本征柔性探头对非接触间隙、压缩应力均具有敏感反应；

36、(2)本发明基于硬件电路和上位机软件，可实现间隙和应力的实时测量，并可在间隙测量和应力测量之间实时切换；

37、(3)本发明利用0°和180°参考信号分别与被测信号相乘后相加，可实时测量偏置信号的大小，减小了误差，提高了抗干扰能力。

技术特征：

1.一种螺线型本征柔性间隙和应力传感器测量系统，其特征在于，系统包含螺线型本征柔性探头、硬件电路和上位机软件；

2.根据权利要求1所述一种螺线型本征柔性间隙和应力传感器测量系统，其特征在于，在硬件电路的乘法电路中，分别使用了0°和180°参考信号与被测信号相乘，然后取平均值，以得到偏置信号动态数值。

技术总结本发明涉及一种螺线型本征柔性间隙和应力传感器测量系统，属于传感器技术领域，该系统包括螺线型本征柔性探头、硬件电路和上位机软件，螺线型本征柔性探头是由导电填料和高分子材料复合制备而成，对间隙和应力变化敏感，硬件电路可产生正弦波信号并对施加于螺线型本征柔性探头的电压和电流进行检测，上位机软件可将检测到的电压和电流信号转化为螺线型探头的阻抗模和阻抗角，根据阻抗模和阻抗角的大小判断当前处于非接触阶段还是压缩阶段，然后利用相应阶段的标定算法计算间隙或应力大小，并在界面中实时显示。测量系统操作简单、抗干扰能力强，利用此测量系统可长期监测狭小曲面层间的间隙和应力大小，实现了同一探头的多功能测量。技术研发人员：王璐珩,桂珍受保护的技术使用者：中南大学技术研发日：技术公布日：2024/8/20