专利名称：织物动态摩擦测试的仿生传感器的制作方法
技术领域：
本发明属力学测试技术和传感器应用技术领域，特别是涉及一种用于测试皮肤/织物动 态摩擦的多功能仿生传感器，也可用于力触觉传感的摩擦测试。
背景技术：
在进行织物触感，特别是粘附、粗糙感形成的生物力学基础研究过程中，我们需要测 试低载荷作用下织物/皮肤的动态摩擦行为。织物皮肤之间的摩擦行为主要涉及两类现象: 一是皮肤与织物之间的粘附，为平行于皮肤表面的切向作用，由皮肤牵拉敏感型触觉感受 器检测；二是因织物及皮肤表面的不平整性而导致接触、滑移过程中的震动，由敏感范围 为250—400Hz的震动觉触觉感受器检测。在经皮肤力觉感测织物表面属性的过程中，这 两类作用分别由皮下软组织中的不同触觉感受体检测。而且，织物/皮肤之间的摩擦行为 不满足一般正压力比摩擦力大10倍左右的规律，摩擦力常与正压力相当，甚至更高，一 般的层叠式多分力传感器难以同时兼顾二者的灵敏度。同时，织物属于粘弹性的纤维集合 体，表面具有规律的周期性纹理结构，以致动态摩擦过程中震动频率高、粘滑现象明显。 由于织物特有的结构和力学性能，这样就需要一种固有频率高、刚度大、能同时记录水平 和垂直方向力的专用小量程多功能传感器。
关于织物触感的摩擦行为评估的核心是对织物/皮肤接触的微小载荷、摩擦力和振动 频率的测量。现有公知的实验室测试织物摩擦系数的测力传感器为一维力传感器，主要考 察静态摩擦行为，如Instron拉伸实验仪或同类设备改装成的滑块式摩擦测试仪(块状滑 撬、人造手指滑撬)和以KES为代表的震动式探针表面摩擦计[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]，不能同时反应接触界面间作用力(法向和切向)的实时变化，忽视了正 压力的动态行为，不能模仿触摸过程中的震动。如KES-F摩擦计初始时给予探针恒定正压 力(50cN)，而且不便于测试织物/皮肤之间的相互作用，而这一指标对织物设计具有十分 重要的指导意义。文献提到其它用于摩擦实验的二维力传感器，如中国专利公开号 200510023641. x的"二维微力测量传感器"，采用弹性体平行梁悬臂结构，由相互垂直的、 对称轴位于同一直线的立式弯曲梁和卧式弯曲梁组成，两组梁上分别贴由应变片，分别测 量垂直和水平方向的力。这种传感器可以进行多种接触方式微摩擦测试，并保证一定的测试精度和分辨率，它的缺点是弹性体整体刚度小，容易变形；固有频率低，不利于动态测 试。中国专利公开号200510094990. 0的"二维小量程力传感器"，弹性体悬臂采用双孔平 行梁结构，整体刚度不高，而挖孔要求限制了悬臂梁的横截面尺寸和整体质量，以致与同 等量程的悬臂梁相比固有频率低，而固有频率影响测量的精度和限制待测力的动态范围。 文献"微摩擦测试仪力传感器的研究"[黎海文，贾宏光，吴一辉.精密工程，2002， 10 (4): 388-391]中，提出了一种用于微机械样品间摩擦的传感器，把传感器弹性体设计为 带有悬臂梁薄膜和应变片电阻的硅梁，弹性体结构决定了其测量量程小，加工工艺复杂； 在"用于摩擦系数测试的二维力传感器"[史炎，内燃机车，2002， 336 (2): 41-43]，这 种传感器采用直角型组合式传感器，测试正压力的横梁为剪切桥式，相应摩擦力测试垂直 梁为双孔平行梁式，只适用于较大量程力的测量，且不便于携带摩擦滑头。而且，现有公 开的摩擦传感器没有专门针对皮肤/织物接触、滑移过程中的粘附和振动现象，以致测试 结果不能精确表征织物触感。因此，上述的各类传感器在结构、刚度、固有频率、灵敏度、 测量范围和特征变量等方面都不满足皮肤/织物摩擦实验的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种应用于织物/皮肤摩擦测试中的动态测量传感 器，不仅能同时分别测量粘附和震动分量，且能测量毫牛级的摩擦力和法向载荷、两向具 有相当的敏感度、固有频率高。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种织物动态摩擦测试的仿生传感 器，包括两个连接梁、立式应变梁和卧式应变梁、基座和内嵌PVDF薄膜的摩擦头，所述 的立式应变梁的两端分别与第一连接梁和第三连接梁连接，卧式应变梁两端分别与第三连 接梁和基座连接，这种结构设计，使传感器受力时形变主要发生在各应变梁处，且具有灵 敏的各向异性的力传递能力，从而确保各应变梁的弯曲敏感方向与待测力的方向一致。第 一连接梁中间开带内螺纹的竖直孔，与连接杆连接；基座中挖有通孔以便把传感器的一端 固定于工作平台，传感器另一端用于装配摩擦头的连接杆；基座上的紧钉螺钉将卧式应变 梁固定于基座上；立式应变梁和卧式应变梁的中性轴对称两侧各贴两对箔式应变计，即在 每个应变梁上贴有4片应变片，组成一个惠更斯全桥电路；摩擦头中内嵌PVDF压电薄膜。 在传感器受载荷和摩擦力影响下，立式应变梁受摩擦力作用发生应变变形，卧式应变梁受 载荷发生应变变形，从而这种应变促使箔式应变电阻发生变化。正是中心轴线相互垂直的 实体薄应变梁结构的设计，可增加传感器整体刚度，提高固有频率，减小温度误差，改进测量的精度，以及扩大待测力的动态范围，同时保持两维力传递方向有相当的灵敏度。
所述的摩擦头为复合结构，外层为醋酸纤维薄膜保护层，第二层为内嵌PVDF压电薄 膜的硫化橡胶层，内层为丙烯酸树脂凝固体。其中，硫化橡胶层的机械属性与人体皮下软 组织的类似。PVDF体现人体震动觉感受器的角色，PVDF的输出量的时间变化与皮肤真 皮层中的震动觉感受器检测的信号变化一致。 有益效果
本发明的仿生传感器结构简单，安装方便，整体刚度大，固有频率高，两向力各向敏 感度高，可以用于皮肤/织物的接触、滑移过程中粘附、震动测试，完全能满足表征皮肤/ 织物接触时形成的粘附、粗糙感的要求。
图1本发明仿生传感器结构示意图。 图2本发明弹性体立体结构示意图。
其中l一第一连接梁 3 —第三连接梁 2 —立式应变梁 4一卧式应变梁 5、 6 —箔式应变片 7 —基座 8 —紧钉螺钉 9一固定基座通孔 IO —连接 杆通孔
图3弹性体前视图。
图4弹性体俯视图。
图5电阻应变片连接及应变响应示意图。 图6摩擦头结构示意图。
其中11 一丙烯酸树脂凝固体连接杆 13— PVDF压电薄膜 14一醋酸纤维薄膜
15—硫化橡胶 图7传感器受力示意图。
其中12—摩擦头16—纺织品 Ff——摩擦力 FN接触力
具体实施例方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明 而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术 人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限 定的范围。
本发明的发生传感器整体结构如图1所示。其中，本发明的二维力传感器采用中轴线
5相互垂直且各按其中轴线对称的薄梁弹性体悬臂结构，如图2所示。悬臂前端连接梁l连 接立式应变梁2，连接梁1中间开带内螺纹的竖直孔10，便于与连接杆11连接。通过连 接梁3连接应变梁2和应变梁4，应变梁4与基座7连接，基座7中挖有通孔9以便把传 感器固定于工作平台，基座7上的紧钉螺钉固定卧式应变梁4于基座7上。
应变梁2、 4中性轴对称两侧各贴两对箔式应变计5、 6，如图3、图4所示。这样， 在每个应变梁上贴有4片应变片，组成了一个惠更斯全桥电路，如图5，相对于单片形式 提高了传感器的补偿能力和灵敏度。当装配加载端的摩擦头12滑过织物13表面时，滑动 方向的摩擦力Ff和竖直方向的正压力FN，分别迫使应变梁2、 4发生形变，并使应变梁上 的箔片式电阻5、 6发生变化，电桥电路平衡被打破，在输出端输出电压，从而根据输出 电压的变化测出两维矢量力。'
摩擦头中内嵌PVDF压电薄膜13，如图6、 7所示。当摩擦头12以常速(与人触摸评价织 物触感时手指滑移速度约5cm/s —致，初始正压力R为1. 96kPa)滑过织物16表面时，PVDF 压电薄膜输出电信号。
权利要求
1. 一种织物动态摩擦测试的仿生传感器，包括两个连接梁、立式应变梁和卧式应变梁、基座和内嵌PVDF薄膜的摩擦头，其特征在于所述的立式应变梁(2)的两端分别与第一连接梁(1)和第三连接梁(3)连接，卧式应变梁(4)两端分别与第三连接梁(3)和基座(7)连接；第一连接梁(1)中间开带内螺纹的竖直孔(10)，与连接杆(11)连接；基座(7)中挖有通孔(9)以便把传感器的一端固定于工作平台，传感器另一端用于装配摩擦头(12)的连接杆；基座(7)上的紧钉螺钉(8)将卧式应变梁(4)固定于基座(7)上；立式应变梁(2)和卧式应变梁(4)的中性轴对称两侧各贴两对箔式应变计(5、6)，即在每个应变梁上贴有4片应变片，组成一个惠更斯全桥电路；摩擦头(12)中内嵌PVDF压电薄膜(13)。
2. 根据权利要求1所述的一种织物动态摩擦测试的仿生传感器，其特征在于所述的摩 擦头(12)为复合结构，外层为醋酸纤维薄膜保护层，第二层为内嵌PVDF压电薄膜的 硫化橡胶层，内层为丙烯酸树脂凝固体。
全文摘要
本发明提供了一种织物动态摩擦测试的仿生传感器，该传感器为内嵌PVDF薄膜的摩擦头和中轴线相互垂直且各按其中轴线对称的薄梁弹性体悬臂结构，该传感器包括PVDF薄膜、丙烯酸树脂凝固体连接杆、醋酸纤维薄膜、硫化橡胶和立式应变梁、卧式应变梁、基座、连接梁和另一个连接梁。本发明的仿生传感器结构简单，安装方便，整体刚度大，固有频率高，两维力各向敏感度高，可以用于织物触感评价的摩擦测试，具有旋转式和往复式滑动的灵活性。
文档编号G01N19/02GK101520406SQ200910048960
公开日2009年9月2日 申请日期2009年4月8日 优先权日2009年4月8日
发明者辛 丁, 登 潘, 王如彬, 胡吉永 申请人:东华大学