专利名称：一种温度触觉传感装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种温度触觉传感装置，可应用于测试接触物体的热特性，涉及触觉传感 器领域与温度传感器领域。该温度传感装置可分辨物体的热特性，适用于机器人手指，空 间探测，医疗等多个领域。
背景技术：
触觉是机器人实现与环境直接作用的必需媒介，是机器人获取环境信息的一种仅次于 视觉的重要知觉形式。与视觉不同，触觉本身有很强的敏感能力可直接测量对象和环境的 多种性质特征。可以实现有些视觉无法实现的功能，因此触觉不仅仅只是视觉的一种补充。 与机器人视觉传感技术的广泛应用相比，机器人的触觉传感技术仍然处于发展的初级阶 段，特别是触觉识别方法。由于触觉传感器的多样性及机器人手爪功能的局限性，至今没 有自身特点的理论和方法。
目前触觉传感器的研究内容主要是力触觉传感器，光学触觉传感器的方向，对于温度 触觉传感器的研究相对较少。而触觉传感器的研究主要局限于机器人触觉的应用上。
温度传感器按传感器与被测介质的接触方式可分为两大类 一类是接触式温度传感 器， 一类是非接触式温度传感器。接触式温度传感器的测温元件与被测对象要有良好的热 接触，通过热传导及对流原理达到热平衡。这种测温方法精度比较高，并可测量物体内部 的温度分布。但对于运动的、热容量比较小的及对感温元件有腐蚀作用的对象，这种方法 将会产生很大的误差。非接触测温的测温元件与被测对象互不接触。常用的是辐射热交换 原理。此种测稳方法的主要特点是可测量运动状态的小目标及热容量小或变化迅速的对 象，也可测量温度场的温度分布，但受环境的影响比较大。
温度特性识别在很多领域都有应用，例如机器人手指，材质识别，空间探测等。以材 质识别为例，材质识别可以依赖于红外探测，超声波探测，红外探测和超声波探测，虽然 准确度高，但不确定性易受人体温度和外界温度的干扰影响。温度触觉传感器相对于这些 识别，更经济适用，便捷方便，其应用于机器人手指目的在于更真实模拟人的手指的触觉 辨别能力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种结构简单、测试 过程便于操作的通过接触识别测试对象热特性、反映速度快、识别精度高的温度触觉传感装置。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案
一种温度触觉传感装置，包括温度传感器，包括第一绝缘板、第二绝缘板以及设置在 第一绝缘板与第二绝缘板之间的温度传感器、加热器以及一绝缘基板，所述的绝缘基板设 置在所述的温度传感器与加热器之间。
所述的加热器、绝缘基板以及温度传感器采用上中下三层结构，所述的加热器与温度 传感器水平布置在绝缘基板的上下两侧，且所述的加热器与所述的第一绝缘板连接，所述 的温度传感器与所述的第二绝缘板连接。
所述的加热器、绝缘基板以及温度传感器设置在同一层上，且所述的加热器与温度传 感器水平布置在绝缘基板的左右两侧。
所述的温度传感器包含嵌入的温度传感金属线圈，所述的金属线圈采用半径递减的半 圆螺旋的环绕方式或边长递减的等腰直角三角形螺旋的环绕方式。
所述的加热器包含嵌入的金属加热丝，所述的金属加热丝采用半径递减的半圆螺旋的 环绕方式或边长递减的等腰直角三角形螺旋的环绕方式。
本发明温度传感装置，包括温度传感器部分、加热器部分以及基板三部分组成
温度传感器部分。温度传感器部分由绝缘薄板和嵌入其中的温度传感金属线圈组成。 金属线圈可采用半径递减的半圆螺旋线缠绕方式、边长递减的等腰直角三角形螺旋缠绕方 式，在加工工艺和固定薄板面积的限制条件内，使线圈长度最大，以增大电阻值和接触导 热面积，金属线圈的两个端点外接调理电路构成测试电路，传感器的最外层是一层薄绝缘 层。传感器部分用于接触被测对象表面，通过测试金属线圈的电阻值变化，模拟出电阻值 变化曲线从而识别被测对象热特性，这些热特性包括热扩散系数，导热系数，比热容等。
加热器部分。加热器部分由绝缘薄板和嵌入其中的金属加热丝组成。金属加热丝可采 用半径递减的半圆螺旋线缠绕方式、边长递减的等腰直角三角形螺旋缠绕方式，在加工工 艺和固定薄板面积的限制条件内，使线圈长度最大，以增大电阻值和接触导热面积，金属 加热丝的两个端点外接加热电源，加热器的最外层是一层薄绝缘层。加热器部分用于加热 整个温度传感器，外接加热电路使金属线圈两端通入电流，使金属线圈发热，目的是保持 整个温度传感器装置为恒温，该恒温的温度值可以随着不同的测试对象进行调控。其以保
4持整个传感装置为恒温状态的目的的加热功能，可以使整个装置模拟人的手指接触物体时 的恒温状态，体现传感器装置的触觉功能。
基板部分。基板部分采用热阻较大的导热绝缘材料，旨在减缓传感器的温度变化速度， 可以更好的模拟手指的热触觉感触，而且可以更明显的采集到传感器阻值变化的数据。
本发明适用于机器人手指，空间探测，医疗等多个领域，其主要技术特点是l.采用 特殊的传感器结构，金属线圈使用半圆螺旋线环绕方法，增大了接触的导热面积。2.采用 加热保持恒温的加热结构，目的在于保持一定温度差以便增加测试时间，更好地模拟人手 指的恒温特性，体现传感器的触觉特性。3.通过获得金属线圈电阻值的变化获得温度变化 数据，并由此计算出温度变化曲线，从而辨别出被测对象的热特性。
本技术与现有技术对比，具有如下优点
1. 本发明采用热传导和热电阻原理，结构简单易行。
2. 本发明采用加热器，目的是保持整个传感器装置为恒温状态的可调控温度，可 以简单地模拟人的手指触觉，减少环境温度变化对测试精度的负面影响，识别精度高。
3. 能够直接测出被测对象的阻值变化曲线，直观并且准确地测试、分辨被测对象 的热特性，这些热特性包括热扩散系数，导热系数。
4. 本发明能够做为复合式传感器装置，可以通过传感器接线端的改变实现电容传 感，电感传感的功能。
5. 能广泛用于机器人手指，空间探测，医疗等多个领域。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明做进一步阐述。 图l:为温度触觉传感装置结构示意图。
其中l为温度传感器部分，2为基板部分，3为加热器部分。
图2:为温度传感器内嵌入的金属线圈两种环绕方式示意图。其中2a为边长递减的等 腰直角三角形螺旋缠绕方式，2b为半径递减的半圆螺旋线缠绕方式，2c是2a的局部放大 示意图，2d是2b的局部放大示意图。
图3:为加热器内嵌入的金属线圈两种环绕方式示意图。其中，3a为边长递减的等腰 直角三角形螺旋缠绕方式，3b为半径递减的半圆螺旋线缠绕方式，3c是3a的局部放大示 意图，3d是3b的局部放大示意图。
图4:为被测对象为接触面为平面的固体材料的测试示意图。其中6为外接加热电路，7为外接测试电路，8为被测对象。 图5:为一种测试固体的温度触觉传感装置总体示意图。
其中9为被测对象，IO为温度传感器，11为连接温度触觉传感装置与数据采集模块之 间的导线，12为数据采集模块，包括外接的加热电路、外接的测试电路、模数转换器。 图6:为一种测试液体的温度触觉传感装置总体示意图。
其中包括六面体出去顶面的五个面都采用一块包含温度传感器和加热器的温度触觉 传感器装置，可以放入测试液体中测试液体热特性。 图7:为温度传感装置的一种变形结构。
其中13为传感器，14为加热器，15为传热基板，16为上层绝缘板，17为下层绝缘板。
具体实施例方式
以下为本传感装置测试被测对象的
具体实施例方式
本发明温度触觉传感装置，包括温度传感器1、基板2以及加热器3，绝缘基板设置 在温度传感器l与加热器3之间，如图1所示，温度传感器l、基板2以及加热器3为上 中下三层结构，在加热器3外层附加一层绝缘板5，在温度传感器1外层附加一层绝缘板 4。温度传感器l、基板2以及加热器3也可以为水平布置，即将三者放在同一层，温度传 感器1和加热器3水平布置在绝缘基板2的左右两侧，如图7所示。
温度传感器部分采用如附图2的结构，特殊的传感结构由金属传感线圈和导热性能 好的绝缘薄板组成。金属线圈可采用半径递减的半圆螺旋线缠绕方式、边长递减的等腰直 角三角形螺旋缠绕方式，以最大的增加长度，从而增大电阻接触面积，可以计算出金属线 圈的长度，从而得出金属线圈电阻值的表达式。把温度传感器部分下表面紧贴在被测对象 的表面上，由于被测对象表面与温度传感器下表面之间存在温度差，从而产生热传导，导 致温度传感器内金属传感线圈温度随之发生改变，从而金属传感线圈阻值随之变化，使检 测阻值的信号发生改变，这种时间响应的信号被外接的测试电路检测并分析。由热传导公 式可以看出，采集的数据可以得到被测材料的热特性，包括热扩散系数，导热系数，可以 得到被测对象表面温度场的分布。
加热器部分采用如附图3的结构，特殊的加热器结构由金属加热丝和导热性能良好 的绝缘薄板组成。金属加热丝采用半径递减的半圆螺旋线缠绕方式、边长递减的等腰直角 三角形螺旋缠绕方式，以最大的长度增大电阻接触面积。外接加热电路给金属加热丝通入 电流，使其发热，根据金属加热丝的电阻值判定温度的变化，电阻值变大，温度高于规定温度时，减小输入功率，降低温度，电阻值变小，温度低于规定温度时，增大输入功率， 升高温度，使整个温度触觉传感器装置始终保持规定温度的恒温状态。该规定的恒温温度 值是可以根据不同的测试对象调控改变的， 一般整个传感装置测试温度较高的对象时，调 控该恒温温度值使其低于被测对象温度，这样可以模拟手指的热感觉，测试温度较低的对 象时，调控该恒温温度值使其高于被测对象温度，这样可以模拟手指的冷感觉，这样造成 的传感装置与被测对象之间存在较大的温度差，可以使触觉表现得更灵敏，更好的测试被 测对象的热响应过程。
基板部分采用如附图1的结构，采用热阻较大的导热绝缘材料，旨在减缓传感器的 温度变化速度，从而可以更明显的采集到传感器阻值变化的数据。
数据采集模块部分采用包括外接测试电路、外接加热电路、模数转换器。数据采集 模块可以对加热器提供电源，采集传感器信号，把采集到的模拟信号转换为数字信号，并 把数字信号传输到计算机分析计算数据，得到数据曲线特征，从而得到被测对象热特性。 可以根据不同的测试环境制作出不同的温度触觉传感装置，如图4所示，为被测对象为接 触面为平面的固体材料的测试示意图；图5为一种测试固体的温度触觉传感装置总体示意 图；图6为一种测试液体的温度触觉传感装置总体示意图。
实施例l
被测对象为测试温度低的固体，把加热器温度调高，使其高于被测对象的温度，通过 导热油减少接触电阻，把传感装置平放在被测对象表面上，由于存在的温度差，此时传感 器部分向被测对象传热，传感器温度降低，随之加热器温度降低，增大加热器功率，使加 热器保持恒温，即保持电阻值不变，持续一段时间，使传感装置达到稳定状态，形成恒定 温度场，加热器温度不再变化，传感装置温度也不再变化，测试结束。采集到的数据分析， 得出导热系数、热扩散系数等热特性。
该实施例的导热、测试机理
影响物体传热速率的两个重要参数是导热系数《，热扩散系数"。
《可由傅里叶定律得出《=-《^，《为热流密度，V为温度，X为传热距离。它是傅
里叶定律中的比例系数，是物体的一项重要的物理性质，它反映了物体的导热能力，即在 单位温度梯度作用下能够通过单位面积进行传递的热流量。
"由以下公式定义"=^， /9为密度，C是比热容。它反映了物体的导热能力与储热能力之比，也是一个衡量物体在加热或冷却时内部温度变化传播速度的指标。
把上述测试实例简化为一个简单的模型，把传感装置看做是一块温度为的方形薄
板，被测对象看做是一块温度分布为"("^)的无限深度无限大的物体，v(^是时间^的函 数，"(X，O是传热距离X和时间f的二元函数，传感装置与被测对象紧密接触，在接触处温
度分布为义=0， "(g，0 =々)，这是传感装置的温度。
被测对象的热扩散公式为
^-丄^ = 0，"是被测对象的热扩散系数。 ' 边界条件为
Mc--《一=0 ，
"O是传感装置的温度，似是传感装置的质量，c是传感装置的比热容，^是传感装 置的热量输出，^是被测对象的导热系数。
由测试结果可以直接得出v(O的变化过程，M， c已知，2可以由加热器的加热过
程计算得出，K与"是相关的，因此可以由上述方程解出"(K)，"，《，由此实现测试 被测对象温度场、计算出其热扩散系数，导热系数，从而达到识别被测对象热特性的目的。
权利要求
1、一种温度触觉传感装置，其特征在于包括第一绝缘板(4)、第二绝缘板(5)以及设置在第一绝缘板(4)与第二绝缘板(5)之间的温度传感器(1)、加热器(3)以及一绝缘基板(2)，所述的绝缘基板(2)设置在所述的温度传感器(1)与加热器(3)之间。
2、 根据权利要求1所述的温度触觉传感装置，其特征在于所述的加热器(3)、绝 缘基板(2)以及温度传感器(1)采用上中下三层结构，所述的加热器(3)与温度传感 器(1)水平布置在绝缘基板(2)的上下两侧，且所述的加热器(3)与所述的第一绝缘 板(4)连接，所述的温度传感器(1)与所述的第二绝缘板(5)连接。
3、 根据权利要求1所述的温度触觉传感装置，其特征在于所述的加热器(3)、绝 缘基板(2)以及温度传感器(1)设置在同一层上，且所述的加热器(3)与温度传感器(1)水平布置在绝缘基板(2)的左右两侧。
4、 根据权利要求l、 2或3所述的温度触觉传感装置，其特征在于所述的温度传感 器(1)包含嵌入的温度传感金属线圈，所述的金属线圈采用半径递减的半圆螺旋的环绕 方式或边长递减的等腰直角三角形螺旋的环绕方式。
5、 根据权利要求1、 2或3所述的温度触觉传感装置，其特征在于所述的加热器(3) 包含嵌入的金属加热丝，所述的金属加热丝采用半径递减的半圆螺旋的环绕方式或边长递 减的等腰直角三角形螺旋的环绕方式。
全文摘要
本发明公开一种温度触觉传感装置，包括第一绝缘板、第二绝缘板以及设置在第一绝缘板与第二绝缘板之间的温度传感器、加热器以及一绝缘基板，所述的绝缘基板设置在所述的温度传感器与加热器之间。所述的温度传感器包含嵌入的温度传感金属线圈，所述的金属线圈采用半径递减的半圆螺旋的环绕方式或边长递减的等腰直角三角形螺旋的环绕方式；所述的加热器包含嵌入的金属加热丝，所述的金属加热丝采用半径递减的半圆螺旋的环绕方式或边长递减的等腰直角三角形螺旋的环绕方式。本发明的温度触觉传感装置通过接触方式测量被测对象的温度响应而准确地辨别被测对象的特性，经济适用，具有测试精度高、性能可靠、检测速度快、用途广泛等特点。
文档编号G01N25/18GK101650322SQ200910034949
公开日2010年2月17日 申请日期2009年9月8日 优先权日2009年9月8日
发明者吴剑进, 吴剑锋, 周连杰, 李建清, 王丰华, 陈从颜 申请人:东南大学