專利名稱：織物動(dòng)態(tài)摩擦測試的仿生傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬力學(xué)測試技術(shù)和傳感器應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種用于測試皮膚/織物動(dòng) 態(tài)摩擦的多功能仿生傳感器，也可用于力觸覺傳感的摩擦測試。
背景技術(shù)：
在進(jìn)行織物觸感，特別是粘附、粗糙感形成的生物力學(xué)基礎(chǔ)研究過程中，我們需要測 試低載荷作用下織物/皮膚的動(dòng)態(tài)摩擦行為?？椢锲つw之間的摩擦行為主要涉及兩類現(xiàn)象: 一是皮膚與織物之間的粘附，為平行于皮膚表面的切向作用，由皮膚牽拉敏感型觸覺感受 器檢測；二是因織物及皮膚表面的不平整性而導(dǎo)致接觸、滑移過程中的震動(dòng)，由敏感范圍 為250—400Hz的震動(dòng)覺觸覺感受器檢測。在經(jīng)皮膚力覺感測織物表面屬性的過程中，這 兩類作用分別由皮下軟組織中的不同觸覺感受體檢測。而且，織物/皮膚之間的摩擦行為 不滿足一般正壓力比摩擦力大10倍左右的規(guī)律，摩擦力常與正壓力相當(dāng)，甚至更高，一 般的層疊式多分力傳感器難以同時(shí)兼顧二者的靈敏度。同時(shí)，織物屬于粘彈性的纖維集合 體，表面具有規(guī)律的周期性紋理結(jié)構(gòu)，以致動(dòng)態(tài)摩擦過程中震動(dòng)頻率高、粘滑現(xiàn)象明顯。 由于織物特有的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，這樣就需要一種固有頻率高、剛度大、能同時(shí)記錄水平 和垂直方向力的專用小量程多功能傳感器。
關(guān)于織物觸感的摩擦行為評(píng)估的核心是對(duì)織物/皮膚接觸的微小載荷、摩擦力和振動(dòng) 頻率的測量?，F(xiàn)有公知的實(shí)驗(yàn)室測試織物摩擦系數(shù)的測力傳感器為一維力傳感器，主要考 察靜態(tài)摩擦行為，如Instron拉伸實(shí)驗(yàn)儀或同類設(shè)備改裝成的滑塊式摩擦測試儀(塊狀滑 撬、人造手指滑撬)和以KES為代表的震動(dòng)式探針表面摩擦計(jì)[Bueno M A， Renner M. Compasion of a new tribological method for the evaluation of the state of a fabric surface with the KES-F surface tester. Journal Textile Institute, 2001， 92(3) :299-313]，不能同時(shí)反應(yīng)接觸界面間作用力(法向和切向)的實(shí)時(shí)變化，忽視了正 壓力的動(dòng)態(tài)行為，不能模仿觸摸過程中的震動(dòng)。如KES-F摩擦計(jì)初始時(shí)給予探針恒定正壓 力(50cN)，而且不便于測試織物/皮膚之間的相互作用，而這一指標(biāo)對(duì)織物設(shè)計(jì)具有十分 重要的指導(dǎo)意義。文獻(xiàn)提到其它用于摩擦實(shí)驗(yàn)的二維力傳感器，如中國專利公開號(hào) 200510023641. x的"二維微力測量傳感器"，采用彈性體平行梁懸臂結(jié)構(gòu)，由相互垂直的、 對(duì)稱軸位于同一直線的立式彎曲梁和臥式彎曲梁組成，兩組梁上分別貼由應(yīng)變片，分別測 量垂直和水平方向的力。這種傳感器可以進(jìn)行多種接觸方式微摩擦測試，并保證一定的測試精度和分辨率，它的缺點(diǎn)是彈性體整體剛度小，容易變形；固有頻率低，不利于動(dòng)態(tài)測 試。中國專利公開號(hào)200510094990. 0的"二維小量程力傳感器"，彈性體懸臂采用雙孔平 行梁結(jié)構(gòu)，整體剛度不高，而挖孔要求限制了懸臂梁的橫截面尺寸和整體質(zhì)量，以致與同 等量程的懸臂梁相比固有頻率低，而固有頻率影響測量的精度和限制待測力的動(dòng)態(tài)范圍。 文獻(xiàn)"微摩擦測試儀力傳感器的研究"[黎海文，賈宏光，吳一輝.精密工程，2002， 10 (4): 388-391]中，提出了一種用于微機(jī)械樣品間摩擦的傳感器，把傳感器彈性體設(shè)計(jì)為 帶有懸臂梁薄膜和應(yīng)變片電阻的硅梁，彈性體結(jié)構(gòu)決定了其測量量程小，加工工藝復(fù)雜； 在"用于摩擦系數(shù)測試的二維力傳感器"[史炎，內(nèi)燃機(jī)車，2002， 336 (2): 41-43]，這 種傳感器采用直角型組合式傳感器，測試正壓力的橫梁為剪切橋式，相應(yīng)摩擦力測試垂直 梁為雙孔平行梁式，只適用于較大量程力的測量，且不便于攜帶摩擦滑頭。而且，現(xiàn)有公 開的摩擦傳感器沒有專門針對(duì)皮膚/織物接觸、滑移過程中的粘附和振動(dòng)現(xiàn)象，以致測試 結(jié)果不能精確表征織物觸感。因此，上述的各類傳感器在結(jié)構(gòu)、剛度、固有頻率、靈敏度、 測量范圍和特征變量等方面都不滿足皮膚/織物摩擦實(shí)驗(yàn)的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種應(yīng)用于織物/皮膚摩擦測試中的動(dòng)態(tài)測量傳感 器，不僅能同時(shí)分別測量粘附和震動(dòng)分量，且能測量毫牛級(jí)的摩擦力和法向載荷、兩向具 有相當(dāng)?shù)拿舾卸?、固有頻率高。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是提供一種織物動(dòng)態(tài)摩擦測試的仿生傳感 器，包括兩個(gè)連接梁、立式應(yīng)變梁和臥式應(yīng)變梁、基座和內(nèi)嵌PVDF薄膜的摩擦頭，所述 的立式應(yīng)變梁的兩端分別與第一連接梁和第三連接梁連接，臥式應(yīng)變梁兩端分別與第三連 接梁和基座連接，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使傳感器受力時(shí)形變主要發(fā)生在各應(yīng)變梁處，且具有靈 敏的各向異性的力傳遞能力，從而確保各應(yīng)變梁的彎曲敏感方向與待測力的方向一致。第 一連接梁中間開帶內(nèi)螺紋的豎直孔，與連接桿連接；基座中挖有通孔以便把傳感器的一端 固定于工作平臺(tái)，傳感器另一端用于裝配摩擦頭的連接桿；基座上的緊釘螺釘將臥式應(yīng)變 梁固定于基座上；立式應(yīng)變梁和臥式應(yīng)變梁的中性軸對(duì)稱兩側(cè)各貼兩對(duì)箔式應(yīng)變計(jì)，即在 每個(gè)應(yīng)變梁上貼有4片應(yīng)變片，組成一個(gè)惠更斯全橋電路；摩擦頭中內(nèi)嵌PVDF壓電薄膜。 在傳感器受載荷和摩擦力影響下，立式應(yīng)變梁受摩擦力作用發(fā)生應(yīng)變變形，臥式應(yīng)變梁受 載荷發(fā)生應(yīng)變變形，從而這種應(yīng)變促使箔式應(yīng)變電阻發(fā)生變化。正是中心軸線相互垂直的 實(shí)體薄應(yīng)變梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，可增加傳感器整體剛度，提高固有頻率，減小溫度誤差，改進(jìn)測量的精度，以及擴(kuò)大待測力的動(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)保持兩維力傳遞方向有相當(dāng)?shù)撵`敏度。
所述的摩擦頭為復(fù)合結(jié)構(gòu)，外層為醋酸纖維薄膜保護(hù)層，第二層為內(nèi)嵌PVDF壓電薄 膜的硫化橡膠層，內(nèi)層為丙烯酸樹脂凝固體。其中，硫化橡膠層的機(jī)械屬性與人體皮下軟 組織的類似。PVDF體現(xiàn)人體震動(dòng)覺感受器的角色，PVDF的輸出量的時(shí)間變化與皮膚真 皮層中的震動(dòng)覺感受器檢測的信號(hào)變化一致。 有益效果
本發(fā)明的仿生傳感器結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，整體剛度大，固有頻率高，兩向力各向敏 感度高，可以用于皮膚/織物的接觸、滑移過程中粘附、震動(dòng)測試，完全能滿足表征皮膚/ 織物接觸時(shí)形成的粘附、粗糙感的要求。


圖1本發(fā)明仿生傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2本發(fā)明彈性體立體結(jié)構(gòu)示意圖。
其中l(wèi)一第一連接梁 3 —第三連接梁 2 —立式應(yīng)變梁 4一臥式應(yīng)變梁 5、 6 —箔式應(yīng)變片 7 —基座 8 —緊釘螺釘 9一固定基座通孔 IO —連接 桿通孔
圖3彈性體前視圖。
圖4彈性體俯視圖。
圖5電阻應(yīng)變片連接及應(yīng)變響應(yīng)示意圖。 圖6摩擦頭結(jié)構(gòu)示意圖。
其中11 一丙烯酸樹脂凝固體連接桿 13— PVDF壓電薄膜 14一醋酸纖維薄膜
15—硫化橡膠 圖7傳感器受力示意圖。
其中12—摩擦頭16—紡織品 Ff——摩擦力 FN接觸力
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明 而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù) 人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書所限 定的范圍。
本發(fā)明的發(fā)生傳感器整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，本發(fā)明的二維力傳感器采用中軸線
5相互垂直且各按其中軸線對(duì)稱的薄梁彈性體懸臂結(jié)構(gòu)，如圖2所示。懸臂前端連接梁l連 接立式應(yīng)變梁2，連接梁1中間開帶內(nèi)螺紋的豎直孔10，便于與連接桿11連接。通過連 接梁3連接應(yīng)變梁2和應(yīng)變梁4，應(yīng)變梁4與基座7連接，基座7中挖有通孔9以便把傳 感器固定于工作平臺(tái)，基座7上的緊釘螺釘固定臥式應(yīng)變梁4于基座7上。
應(yīng)變梁2、 4中性軸對(duì)稱兩側(cè)各貼兩對(duì)箔式應(yīng)變計(jì)5、 6，如圖3、圖4所示。這樣， 在每個(gè)應(yīng)變梁上貼有4片應(yīng)變片，組成了一個(gè)惠更斯全橋電路，如圖5，相對(duì)于單片形式 提高了傳感器的補(bǔ)償能力和靈敏度。當(dāng)裝配加載端的摩擦頭12滑過織物13表面時(shí)，滑動(dòng) 方向的摩擦力Ff和豎直方向的正壓力FN，分別迫使應(yīng)變梁2、 4發(fā)生形變，并使應(yīng)變梁上 的箔片式電阻5、 6發(fā)生變化，電橋電路平衡被打破，在輸出端輸出電壓，從而根據(jù)輸出 電壓的變化測出兩維矢量力。'
摩擦頭中內(nèi)嵌PVDF壓電薄膜13，如圖6、 7所示。當(dāng)摩擦頭12以常速(與人觸摸評(píng)價(jià)織 物觸感時(shí)手指滑移速度約5cm/s —致，初始正壓力R為1. 96kPa)滑過織物16表面時(shí)，PVDF 壓電薄膜輸出電信號(hào)。
權(quán)利要求
1. 一種織物動(dòng)態(tài)摩擦測試的仿生傳感器，包括兩個(gè)連接梁、立式應(yīng)變梁和臥式應(yīng)變梁、基座和內(nèi)嵌PVDF薄膜的摩擦頭，其特征在于所述的立式應(yīng)變梁(2)的兩端分別與第一連接梁(1)和第三連接梁(3)連接，臥式應(yīng)變梁(4)兩端分別與第三連接梁(3)和基座(7)連接；第一連接梁(1)中間開帶內(nèi)螺紋的豎直孔(10)，與連接桿(11)連接；基座(7)中挖有通孔(9)以便把傳感器的一端固定于工作平臺(tái)，傳感器另一端用于裝配摩擦頭(12)的連接桿；基座(7)上的緊釘螺釘(8)將臥式應(yīng)變梁(4)固定于基座(7)上；立式應(yīng)變梁(2)和臥式應(yīng)變梁(4)的中性軸對(duì)稱兩側(cè)各貼兩對(duì)箔式應(yīng)變計(jì)(5、6)，即在每個(gè)應(yīng)變梁上貼有4片應(yīng)變片，組成一個(gè)惠更斯全橋電路；摩擦頭(12)中內(nèi)嵌PVDF壓電薄膜(13)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種織物動(dòng)態(tài)摩擦測試的仿生傳感器，其特征在于所述的摩 擦頭(12)為復(fù)合結(jié)構(gòu)，外層為醋酸纖維薄膜保護(hù)層，第二層為內(nèi)嵌PVDF壓電薄膜的 硫化橡膠層，內(nèi)層為丙烯酸樹脂凝固體。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種織物動(dòng)態(tài)摩擦測試的仿生傳感器，該傳感器為內(nèi)嵌PVDF薄膜的摩擦頭和中軸線相互垂直且各按其中軸線對(duì)稱的薄梁彈性體懸臂結(jié)構(gòu)，該傳感器包括PVDF薄膜、丙烯酸樹脂凝固體連接桿、醋酸纖維薄膜、硫化橡膠和立式應(yīng)變梁、臥式應(yīng)變梁、基座、連接梁和另一個(gè)連接梁。本發(fā)明的仿生傳感器結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，整體剛度大，固有頻率高，兩維力各向敏感度高，可以用于織物觸感評(píng)價(jià)的摩擦測試，具有旋轉(zhuǎn)式和往復(fù)式滑動(dòng)的靈活性。
文檔編號(hào)G01N19/02GK101520406SQ200910048960
公開日2009年9月2日 申請(qǐng)日期2009年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月8日
發(fā)明者辛 丁, 登 潘, 王如彬, 胡吉永 申請(qǐng)人:東華大學(xué)