一种用于破损位置及外轮廓高精度检测的可印刷电子皮肤

本发明涉及表面损毁监测，尤其涉及一种用于破损位置及外轮廓高精度检测的可印刷电子皮肤。

背景技术：

1、近年来，民用基础设施、机械工业装备等不断大规模部署，提出的要求也更加苛刻，如设备或结构的腐蚀、疲劳损伤以及冲击破坏、恶劣环境中的长期服役等。结构和设备的健康监测(尤其是表面破损或损毁检测)对其长期、安全、可靠运行具有重要意义。

2、表面损毁监测是工程结构健康评估的重要组成部分，目前常见的表面毁损检测技术包括：基于分布式光纤光栅传感的损毁监测、基于声波传导的损毁检测、基于视觉传感的损毁检测等。光纤光栅传感因为其速度快、损耗低、尺寸小、抗干扰能力强、信息承载能力大的优势，在电信和数据通信的领域发挥着巨大的作用，但缺点也很明显，光纤材料十分脆弱，非常容易受到损坏，需要适当地涂敷其他材料加以保护。其次，光纤传感技术需要使用较长的光纤线缆，安装比较复杂和繁琐，特别是在复杂的环境下，安装调试难度较大。再次，光纤传感器易受温度影响。由于光纤材料的折射率会随环境的温度变化而变化，因此在温度变化较大的环境下，光学器件的精度容易受到影响。

3、超声波传导检测和视觉传感也有其技术缺点，如超声波传导易受到信号干扰，且器件表面的平整性和均匀性会严重影响其传感信号精度。视觉传感响应速度通常较慢，此外，视觉传感很容易受入射光的光照度影响，在光线较差的封闭环境中应用受到限制。

4、基于电学参数测量的柔性电子皮肤传感技术跟上述技术相比，具有信号稳定、可靠、受温度等外界干扰较小、成本较低等优点，更重要的是，柔性电子皮肤可大面积加工，且具有超薄、质量轻、成本低、可与三维曲线或者动态曲面共形贴附等独特优点，贴附于结构表面后是非常理想的的损毁检测设备和方法。另外，相对于其他的检测方法，柔性电子皮肤可以利用喷墨打印、丝网印刷、3d打印等先进印刷技术进行大规模可控制造，也可以在各种设备表面通过喷涂或者刷涂的方法进行原位制造，应用部署方便、快捷，可实现结构表面损毁事件的可靠监测，具有较好的竞争力和很好的应用前景。

5、目前用于表面毁损检测的电子皮肤多是通过构建导电网络，然后分别采集导电网络中不同导线的电阻值的变化，最终反推和解析毁伤事件的位置和大体轮廓。满足要求的网络结构有多种，不同的结构形式对布线规模、数据采集规模和检测算法复杂度等要求不同，常见的形式包括直通网络结构、环形网络结构、组合网络结构等。

6、直通检测网络可实现面检测和点检测，检测直观方便，逻辑简单。在该网络中，经线导线和纬线导线纵横排布，且这些导线彼此相互隔绝。在检测时，分别测试每根经线和纬线的导电率，如从每根导线的一断发射电信号并检测另一端的接收信号。当破损发生时，破损区域对应的经纬导电就会断裂，电流就无法穿过这些导线，对应的经纬线两端也就测不到电信号。通过对经纬线导通和断裂的检测和分析，可以评估破损的位置和范围。然而，该方法只能对破损位置和面积做出近似估计，但是很难精准检测破损图案和精确面积，尤其当破损位置形状为非矩形，评估得到的位置和形状与实际情况相差非常大，整体定位精度和面积计算精度较差，在实际应用中受到很多限制。

7、上述技术通过不同导线的导通性检测可以实现破损位置和轮廓检测。但该技术只能检测到破损发生的位置和大致范围，无法对破损位置、实际形状和精确面积进行检测。例如，当破损形状为狭缝状，但是根据不同导线导通性检测出来的破损为矩形或正方形，与实际情况相差甚远，尤其在精确描述实际破损外轮廓和计算实际破损面积时，现有技术具有显著的不足，无法进行破损事件的精确定位和准确评估。如何准确、可靠、全面的检测和评估破损事件，目前还未见相关技术方案。且该技术采用的检测网络构筑方法较为繁琐，特别是当检测的表面面积较大或需要的检测精度较高(导线增加)时，导线的布置将十分困难。

8、为了解决上述问题，本发明提出一种用于破损位置及外轮廓高精度检测的可印刷电子皮肤，以实现破损位置、外轮廓和面积的高精确检测，并利用二极管的单向导通特性对经纬传感网络进行信号调控，使经纬传感网络每个交叉传感点位之间的不产生相互干扰，以此将破损位置、轮廓与面积的检测精确到单个破损点及周围线段，可大幅度提高破损定位及检测精度。设计了一种电极—绝缘层—电极—二极管层逐层叠加的经纬传感网络三维构型，以防止经纬电极之间发生短路，并且便于二极管部分的集成。同时，该电子皮肤可以通过全溶液喷印的方式在复杂曲面的同一表面上原位构建，实现设备表面与检测皮肤的一体化。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种用于破损位置及外轮廓高精度检测的可印刷电子皮肤以解决背景技术中所提出的问题：

2、现有技术只能检测到破损发生的位置和大致范围，无法对破损位置、实际形状和精确面积进行检测，且现有技术采用的检测网络构方法较为繁琐，特别是当检测的表面面积较大或需要的检测精度较高时，导线的布置将十分困难。

3、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

4、一种用于破损位置及外轮廓高精度检测的可印刷电子皮肤，所述电子皮肤基于全溶液印刷技术直接在物体表面进行电子皮肤的印刷制备；所述电子皮肤包括柔性聚合物基底、导电经纬网络、绝缘层和二极管元件；所述导电经纬网络采用电极-绝缘层-电极三维平面构型制备获得，所述导电经纬网络的每个点位处的电极上加入一个侧电极，用于二极管阵列的集成；所述电子皮肤从底部向上依次设置有柔性聚合物基底、纬线电极及其侧电极、绝缘层、经线电极及其侧电极和二极管阵列。

5、优选地，所述导电经纬网络的每个交叉点位集成了二极管，各点位之间的信号检测不产生相互干扰。

6、优选地，所述电子皮肤的具体制备过程如下：

7、步骤a：在物体表面喷印柔性聚合物基底层；

8、步骤b：使用导电浆料通过喷墨印刷的方式喷印纬线导电电极；

9、步骤c：干燥后将绝缘层打印在经线电极对应点位上，在进行紫外线光固化后得到一定厚度的绝缘层；

10、步骤d：经过若干次打印操作打印绝缘层；

11、步骤e：使用导电浆料在对应绝缘层上印刷经线导电电极，得到电子皮肤的经纬电极网络部分。

12、优选地，所述电子皮肤的具体制备过程中，二极管元件通过全溶液喷印工艺在经线电极与纬线电极构成的交叉点上进行原位构建；

13、所述二极管采用有机二极管或肖特基二极管；所述有机二极管包括底部电极、n型有机半导体层、p型有机半导体层和顶部电极四层；所述肖特基二极管包括底部电极、聚合物半导体层、绝缘层和顶部电极四层；所述二极管的具体制备步骤如下：

14、步骤1：在经纬网络电极交叉部位中的一个侧电极上喷印底部电极，在100-150℃下烧结固化；

15、步骤2：在底部电极层上喷印一定厚度范围内的第二层，并在100-150℃烧结固化；

16、步骤3：再喷印第三层，并在100-150℃烧结固化；

17、步骤4：最后喷印顶部电极与经纬网络电极交叉部位中的另一个侧电极相接，并在100-150℃下烧结固化；

18、步骤5：每个点位的二极管喷印完成后，在电子皮肤整体表面喷印绝缘保护层。

19、一种用于破损位置及外轮廓高精度检测可印刷电子皮肤的检测方法，包括如下步骤：

20、s1：使用全溶液印刷工艺构建经纬电极相互绝缘的导电经纬网络与交叉点位上的二极管，组成破损检测电子皮肤，并搭建阵列扫描电路；

21、s2：利用二极管的整流特性对经纬传感电极网络的每个交叉点位处上四个方向的电路分别进行电阻或电压信号采集，利用采集的电信号进行破损判断，若判断未出现破损，则持续执行s2，若判断出现破损，则转入s3；

22、s3：统计每个交叉点位的破损情况，基于破损形状轮廓判断算法得到破损外轮廓的图案，再基于面积估算法计算破损轮廓面积。

23、优选地，所述s1中的阵列扫描电路包括四个多路模拟开关、adc、mcu和供电模块，其中，所述mcu与四个多路模拟开关的地址端和控制端相连，控制扫描电路中测量通路与测量方向的选通；所述mcu还与供电模块中四个多路模拟开关的地址端相连，控制供电模块的输出端选通；所述adc接收四个多路模拟开关传输的模拟信号转化为数字信号发送给mcu；所述mcu通过串口通信将数据传输给pc端进行进一步的算法处理与图像显示。

24、优选地，所述s2基于扫描电路对经纬传感电极网络的每个交叉点位处进行破损判断的步骤具体如下：

25、s2.1：mcu控制供电模块为第一多路模拟开关的输入端提供电压信号，mcu控制第一多路模拟开关与第二多路模拟开关处于工作状态，并通过对地址端输入不同的电平信号控制第一多路模拟开关与第二多路模拟开关的通道进行阵列电路的扫描，mcu控制第一多路模拟开关与第四多路模拟开关处于工作状态，重复上述电路扫描步骤；

26、s2.2：mcu控制供电模块为第三多路模拟开关的输入端提供电压信号，然后分别控制第三多路模拟开关与第二多路模拟开关、第三多路模拟开关与第四多路模拟开关处于工作状态，重复上述电路扫描步骤；

27、s2.3：得到每个交叉点位四个方向上的电路通断状态，mcu通过串口通信将数据传输给pc端进行进一步的算法处理与图像显示。

28、优选地，所述s1中采用逐列扫描的方式进行阵列电路的扫描，将电压信号依次由adc转化为数字信号发送给mcu进行存储和分析。

29、优选地，所述s2.3中，当电极网格发生破损时，将测试的四个方向上的信号数据发送到pc端进行破损位置外轮廓的图案检测和面积计算。

30、优选地，s3中所述破损形状轮廓判断算法具体如下：

31、s3.1.1：判断拟断开的网格线段：若交叉点位相邻两个方向的电路都为开路状态，则所述交叉点位相邻两个方向上的公共网格线段判断为拟断开，标记为0；若交叉点位相邻两个方向的电路有一条为连通状态，则所述交叉点位相邻两个方向上的公共网格线段判断为未断开，标记为1；

32、s3.1.2：判断具体断开的网格线段：若相邻两个点位之间的线段都标记为0，则判断该线段为切断状态，取所述相邻两个点位的中点为切断点；

33、s3.1.3：对整个网格图执行s3.1.1～s3.1.2，并在网格图上生成若干个由切断点组成的二维点群，依次连接二维点群的外围点形成破损外轮廓图像。

34、优选地，所述面积估算法具体如下：

35、s3.2.1：对基于外轮廓判断算法生成的外轮廓图像进行细分与逼近得到平滑的外轮廓图像；

36、s3.2.2：在生成的外轮廓多边形内选取一点，然后在外轮廓边缘上均匀选取若干点，将选取的若干点分别与外轮廓多边形的边缘各点进行连接构成若干个三角形，计算内点与边缘各点的距离，并利用海伦公式计算各三角形面积后再进行面积求和，以此计算破损面积。

37、与现有技术相比，本发明提供了一种用于破损位置及外轮廓高精度检测的可印刷电子皮肤，具备以下有益效果：

38、本发明分别测量经线和纬线之间的各个交叉点位的电学信号来快速检测和判断破损位置，同时在交叉部位构建二极管，还通过二极管整流的特性准确评估破损点与周围的线路破损形状和破损外轮廓，并且根据计算机生成的破损外轮廓来准确计算破损面积，能够大幅度提高破损定位及检测精度。且该电子皮肤可以通过全溶液印刷技术制备，可以在被测物体表面按电极—绝缘层—电极—二极管层的结构逐层原位叠加，直接原位构筑的方式可以直接反映物体表面的破损情况，提高破损的检测灵敏度，制备也更加方便快捷。本发明提出的电子皮肤布线较为简单，线间串扰能够完全消除，操作方便，部署难度和成本低，在人机交互界面、太阳能电池板、以及各种机械装备上都有很好的潜在应用。