一种测量压力与温度的多模态传感器及其多频测量方法

本发明涉及一种柔性多模态传感器，通过测量多个频率下传感器阻抗值的变化，结合机器学习传感器标定模型，实现对压力与温度的同时测量，属于传感器。

背景技术：

1、与单一模态传感器相比，多模态传感器能够同时或交替地测量多个不同的物理量，从而提供更全面的数据采集能力。随着智能材料和机器人领域的发展，多模态触觉传感器受到了广泛的关注，并灵活运用于机器人、电子皮肤以及可穿戴设备等领域。

2、目前，用于测量压力与温度的多模态传感器技术已经取得重大进展。传统上，研究人员为实现多模态传感简单地将多个单模态的温度和压力传感器，集成于一个传感器阵列中。例如，加速度、温度和心电图传感器集成到一个平面型传感器贴片中，以同时检测人体运动、皮肤温度和心电图信号。此外，研究人员利用简单的层压工艺，将湿度、热量和压力传感器堆叠在彼此的顶部，以监测日常生理活动。该方法虽然可以同时输出信号间干扰较弱的测量信号，但阵列传感器尺寸太大、结构和工艺复杂、制造和维护成本高。为此，研究人员直接复合多种不同传感特性的材料制备成单一器件。该方法结构简单、易制备。例如，将不同的碳传感介质材料复合，可同时检测应变、温度和湿度的刺激。该方法最大的局限性在于各物理信号之间存在明显的耦合效应、相互发生串扰，导致传感器的性能不如集成式多模态传感器。此外，绝大多数传感器的测量方法都是采用单频测量，采集的信息量有限，无法捕捉不同频率下的动态行为，不利于解耦不同参数的影响，更重要的是单频数据作为机器学习输入集，无法提供丰富的学习特征，限制了机器学习模型的学习能力和预测效果。而多频测量通过测量不同频率下的数据，提供了丰富的数据样本，有助于解耦多个参数影响以及提高机器学习模型预测准确性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：本发明提出了一种工艺简单、成本低的测量压力与温度的多模态传感器的制备方法及其多频阻抗测量方法。传感器以硅橡胶为多模态传感器主体，向其内部分别添加足够的炭黑和包裹液态氟碳的plga微球，利用食用糖作为牺牲材料形成多孔硅橡胶；传感器测量方法以机器学习的数据融合方案为基础，综合利用实物数据集和仿真数据集来训练测试机器学习模型效果，使传感器在高低频率下能够检测压力与温度，传感器示意图如图1所示。

2、为了实现以上目的，本发明采用的技术方案是：

3、设计一种具备检测压力与温度的多模态传感器，其特征在于：包括压力传感模块、温度传感模块、柔性材料、化学材料及辅助装置；

4、所述柔性材料选用硅橡胶，该材料具备优良的弹性和柔韧性，具有很高的延展性和回弹性能；

5、所述化学材料为炭黑、包裹液态氟碳的plga微球、食用糖；

6、所述压力、温度传感模块分别是在硅橡胶溶液中加入足量的炭黑，压力变化使传感器阻抗变化；在硅橡胶溶液中加入包裹液态氟碳的plga微球，温度变化使传感器阻抗变化；

7、所述辅助装置为烧杯、电子天平、恒温干燥箱、3d打印机。

8、一种具备检测压力与温度的多模态传感器制备方法，包括如下步骤：

9、称取硅橡胶溶液倒入烧杯中，向硅橡胶溶液中先后添加足量的食用糖、炭黑以及包裹液态氟碳的plga微球，充分搅拌；将烧杯中混合物溶液倒入模具中，再将模具放置在恒温干燥箱中固化，固化后取出使用热水溶解食用糖，待完全溶解后取出放置在恒温干燥箱中干燥；最后，在多模态传感器上下两面使用柔性织物胶带固定铜箔电极；具备检测压力与温度的多模态传感器制备完成。

10、一种具备检测压力与温度的多模态传感器基本原理：

11、由于多模态传感器掺杂了炭黑和包裹液态氟碳的plga微球，在低频下，电磁波波长较长，电磁波的能量较低，穿透能力弱，包裹液态氟碳的plga微球阻断电流通过；在高频下，电磁波波长较短，电磁波的能量较高，穿透能力强，包裹液态氟碳的plga微球允许电流通过。因此，在低频下，该传感器阻抗主要是由容抗部分主导，且阻抗值较大，在高频下，该传感器阻抗主要是由电阻部分主导，且阻抗值较小。根据上述特性，可利用该传感器在低频下检测温度，由于plga微球表面包裹的液态氟碳沸点较低，约为29℃，温敏特性较强，当温度升高时，一方面，包裹液态氟碳的plga微球体积变大；另一方面，液态氟碳发生相变转变为气态，微球介电常数降低，传感器阻抗变化。在高频下检测压力，当压力变大时，传感器内部炭黑颗粒接触更加紧密，形成更多的导电路径，传感器阻抗变化。

12、一种具备检测压力与温度的多模态传感器测量方法：

13、依靠搭建的阻抗数据采集系统采集不同压力或温度条件下的多频阻抗数据以构建实物数据集，使用comsol软件搭建传感器几何模型获取不同压力或温度下的多频阻抗数据以构建仿真数据集；将两个数据集中的多频数据进行早期数据融合处理，利用处理完成后的数据集训练rbf核的svr回归模型，再将训练好的模型在测试集上评估压力与温度的预测效果。

技术特征：

1.一种检测压力与温度的多模态传感器的制备方法，其特征在于：包括压力传感模块、温度传感模块、柔性材料、化学材料及辅助装置；

2.根据权利要求1所述的具备检测压力与温度的多模态传感器的制备方法，其特征在于：所述柔性传感器尺寸为20mm*20mm*3mm，采用3d打印技术制作模具。

3.一种如权利要求1所述的具备检测压力与温度的多模态传感器制备方法，其特征在于：

4.一种如权利要求3所述的具备检测压力与温度的多模态传感器基本原理，其特征在于：

5.一种如权利要求3所述的具备检测压力与温度的多模态传感器测量方法，其特征在于：

技术总结本发明提出了一种检测压力与温度的多模态传感器的制备方法及其测量方法，包括压力传感模块、温度传感模块、柔性材料、化学材料及辅助装置。首先，以硅橡胶为主体，向其先后添加足量的食用糖、炭黑和包裹液态氟碳的PLGA微球，充分搅拌；然后将其置于恒温干燥箱固化，待完全固化后置于热水以完全溶解食用糖；最后，待完全溶解食用糖后置于恒温干燥箱干燥，干燥后取出，在传感器上下两面使用柔性织物胶带封装铜箔电极，得到一种检测压力与温度的多模态触觉传感器。该传感器制备工艺简单，成本低，对压力和温度的传感性能良好且两者之间耦合效应较小，可以通过在高低频率范围下的阻抗变化来实现检测压力与温度的功能。技术研发人员：申景金,施浩,王祥祥受保护的技术使用者：南京邮电大学技术研发日：技术公布日：2024/11/4