一种可测量热导率和热扩散率的触觉传感器及测量方法与流程

本发明涉及触觉传感器，特别是一种可测量热导率和热扩散率的触觉传感器及测量方法。

背景技术：

人体皮肤可以实现丰富的触觉感知，触觉传感器模仿人体皮肤复杂的传感系统，可以检测许多重要的信号比如压力、温度、纹理、振动等等，其中通过触觉传感器和物体的接触得到温度和传热速率等信息是一个重要的研究方向。

目前触觉传感器测量材料的热导率和热扩散率一般只能实现定性测量，无法对所接触材料热导率和热扩散率进行定量测量。在机器人探测的应用场景下，如何实现通过与材料的接触，准确定量测量多种材料热导率和热扩散率的柔性热觉触觉传感器，是现有技术亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种可测量热导率和热扩散率的触觉传感器及测量方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种可测量热导率和热扩散率的触觉传感器，包括基底与设置在所述基底上的热测量单元和压力检测单元，所述压力检测单元用于感知接触压力，所述热测量单元包括测温区和加热区，所述加热区用于对所述热测量单元进行可控加热，所述测温区用于在触觉传感器与待测物体接触时在所述加热区未加热和加热的状态下分别测量热测量单元的初始温度和加热时的实测温度变化，待测物体的热导率和热扩散率根据所测量的所述热测量单元未加热时的初始温度、加热时的实测温度变化、以及预先确定的触觉传感器与待测物体接触时热测量单元温度随时间变化的关系得到。

进一步地：

所述测温区位于中心区域，所述加热区包围所述测温区。

所述热测量单元包括平面式金属结构和引线电极，所述测温区为所述金属结构的中心部分，所述加热区为所述金属结构的外围部分并与所述测温区形成电路上的串联关系，所述引线电极连接所述金属结构，用于将所述金属结构接通电源并提供所述热测量单元的电流和电压信号，所述热测量单元对待测物体的实测温度根据由所述电压和所述电流确定的所述热测量单元的电阻以及预先标定得到的所述热测量单元的电阻与温度的关系得到。

所述引线电极包括第一至第四引线，其中第一引线和第二引线分别与所述加热区的两端连接，通过所述第一引线和所述第二引线测量流过所述金属结构的电流大小，第三引线和第四引线分别与所述测温区的两端连接，通过所述第三引线和所述第四引线测量流过所述测温区两端的电压大小。

所述金属结构为两边对称的迂回弯折盘绕式结构。

所述热测量单元和所述压力检测单元分别附着在所述基底的上表面和下表面。

还包括分别附着在压力检测单元和热测量单元的外侧表面的绝缘保护层。

触觉传感器与待测物体接触时热测量单元温度随时间变化的关系由下式确定：

其中，t0为初始温度，t2为实测温度，x为热测量单元与待测物体接触面的距离，t为时间，θ2为t2经过拉式变换后的值，vj为权系数，n为阶数；

根据式(17)，及热测量单元测量得到的不同时刻的实测温度，用最小二乘法拟合得到待测物体的热导率和热扩散率。

一种测量物体的热导率和热扩散率的方法，使用所述的触觉传感器测量待测物体的热导率和热扩散率。

本发明具有如下有益效果：

本发明提供了一种可测量热导率和热扩散率的触觉传感器，实现了定量测量被接触材料的热导率和热扩散率。本发明触觉传感器的结构设计使得测量所用理论模型满足的条件与实际应用场景接近，使用该触觉传感器测量材料的热导率和热扩散率简单有效，精度高。本发明的触觉传感器可以实际用于机器人灵巧手、智能义肢等需要热觉感知的场合，可以实现温度以及接触材料热导率、热扩散率的测量，具有测量精度高、集成化、微型化等优点。较佳地，该触觉传感器还可以集成用于感知接触压力的压力检测单元，由此形成同时具备热导率、热扩散率以及触觉测量功能的触觉传感器。

附图说明

图1是本发明实施例的测量应用场景示意图；

图2是本发明实施例的触觉传感器的立体分解结构示意图；

图3a和图3b是本发明实施例中热测量单元的结构示意图和金属结构局部放大图；

图4a和图4b是本发明实施例中触觉热测量单元的测量原理图和结构示意图。

图5是本发明实施例的测量流程图；

图6是本发明实施例的触觉热测量单元电阻-温度标定曲线图。

图7是本发明实施例的触觉传感器与铝合金接触时热测量单元测量数据点及拟合曲线。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参阅图1，在一种应用场景中，触觉传感器2贴合在机器人手指3(应用触觉传感器的设备)上，与待测物体1接触，获取被接触的待测物体温度。

参阅图2至图4b，在一种实施例中，一种可测量热导率和热扩散率的触觉传感器，包括基底4、设置在所述基底4上的热测量单元5和压力检测单元6，压力检测单元6用于感知接触压力，所述热测量单元5包括测温区11和加热区12，所述加热区12用于对所述热测量单元5进行可控加热，所述测温区11用于在触觉传感器与待测物体接触时在所述加热区12未加热和加热的状态下分别测量热测量单元5的初始温度和加热时的实测温度变化，待测物体的热导率和热扩散率根据所测量的所述热测量单元5未加热时的初始温度、加热时的实测温度变化、以及预先确定的触觉传感器与待测物体接触时热测量单元5温度随时间变化的关系得到。

在优选的实施例中，所述测温区11位于中心区域，所述加热区12包围所述测温区11。

参阅图2至图4b，在更优选的实施例中，所述热测量单元5包括平面式金属结构9和引线电极10，所述测温区11为所述金属结构9的中心部分，所述加热区12为所述金属结构9的外围部分并与所述测温区11形成电路上的串联关系，所述引线电极10连接所述金属结构9，用于将所述金属结构9接通电源并提供所述热测量单元5的电流和电压信号，所述热测量单元5对待测物体的实测温度根据由所述电压和所述电流确定的所述热测量单元5的电阻以及预先标定得到的所述热测量单元5的电阻与温度的关系得到。

参阅图5，具体地，可先向热测量单元5内通入一个较小电流，测量此时的电压和电流，得到加热区12未加热时热测量单元5的初始温度,然后再向热测量单元5内通入一个较大电流，测量此时的电压和电流，得到加热区12加热时热测量单元5的温度变化。

在更优选的实施例中，所述引线电极10包括第一至第四引线，其中第一引线a和第二引线d分别与所述加热区12的两端连接，通过所述第一引线a和所述第二引线d测量流过所述金属结构9的电流大小，第三引线b和第四引线c分别与所述测温区11的两端连接，通过所述第三引线b和所述第四引线c测量流过所述测温区11两端的电压大小。

采用上述引线电极的优选方案，可以避免引线电阻对电阻测量的影响，提高热测量单元电阻的测量精度。

参阅图3b和图4b，在更优选的实施例中，所述金属结构9为两边对称的迂回弯折盘绕式结构。

在具体实施例中，所述压力检测单元6可以包括：压力敏感材料和引线电极，压力敏感材料可以为激光诱导石墨烯lig。

在较佳的实施例中，所述热测量单元5和所述压力检测单元6分别附着在所述基底4的上表面和下表面。

参阅图2，在较佳的实施例中，触觉传感器还包括分别附着在热测量单元5和压力检测单元6的外侧表面的绝缘保护层7、8。

在优选的实施例中，触觉传感器与待测物体接触时热测量单元温度随时间变化的关系由下式确定：

其中，t0为初始温度，t2为实测温度，x为热测量单元与待测物体接触面的距离，t为时间，θ2为t2经过拉式变换后的值，vj为权系数，n为阶数。

参阅图5，根据式(17)确定的触觉传感器与待测物体接触时热测量单元温度随时间变化的关系，及热测量单元测量得到的不同时刻的实测温度，用最小二乘法拟合得到待测物体的热导率和热扩散率。

参阅图5，在另一种实施例中，一种测量物体的热导率和热扩散率的方法，使用所述的触觉传感器测量待测物体的热导率和热扩散率。在各种具体的实施例中，该测量方法可采用前述任一实施例的具体方案进行测量。

下面对该触觉传感器的具体实施例及测量方法进行详细介绍如下。

该触觉传感器包括基底、压力检测单元、热测量单元和绝缘保护层：压力检测单元附着在基底上表面，用于感知接触压力，通过测量压力值判断触觉传感器与待测材料接触；热测量单元附着在基底下表面，可以通过测量热测量单元与待测材料接触时的电压和电流，根据所述电压和电流，确定热测量单元的电阻；根据热测量单元的电阻，以及预先标定得到的热测量单元电阻与温度的关系，确定热测量单元与待测物体接触面的实测温度；根据触觉传感器与待测材料接触时热测量单元与待测物体接触面的温度随时间变化的关系，以及所述热测量单元与待测物体接触面的实测温度(包括加热区未加热时热测量单元的初始温度和加热区加热时的温度变化)，得到待测材料的热导率和热扩散率；所述温度随时间变化的关系可通过一个理论传热模型确定。绝缘保护层分别附着在压力检测单元和热测量单元的上表面。

在一个实施例中，所述压力检测单元可以包括：压力敏感材料和引线电极，压力敏感材料可以为激光诱导石墨烯lig；

在一个实施例中，所述热测量单元包括：金属结构和引线电极，其中，所述金属结构包括：

测温区，位于金属结构的中心；

加热区，位于金属结构边缘，包围测温区；

其中，所述引线电极包括：

第一引线和第二引线，与金属结构加热区和外部电流表连接；所述外部电流表测量的电流大小为通过金属结构的电流大小。

第三引线和第四引线，与金属结构测温区和外部电流表连接；所述外部电压表测量的电压大小为金属结构测温区两端的电压大小；

具体实施时，上述四线方法测量的方案，可以避免引线电阻对电阻测量的影响，提高热测量单元电阻的测量精度。

具体实施时，金属结构包括测温区和加热区，测温区位于金属结构的中心，加热区位于金属结构边缘包围测温区的优点是：尽量避免测量过程中除垂直于接触面之外其他方向的传热，使得触觉传感器测量过程接近理论模型设定。

具体实施时，触觉传感器放置在机器人手指上，机器人控制手指与材料接触，触觉传感器压力检测单元检测到设定压力值说明实现接触。

热测量单元内通入一个较小电流，测量此时的电压和电流，测量原理如图4a和图4b所示，电流从a端流入热测量单元金属结构，从d端出，测量通过的电流和b、c两端的电压，得到测温区电阻，再根据标定得到的测温区电阻和温度的关系，如图6所示，得到未加热时热测量单元的初始温度；

热测量单元内通入一个较大电流，测量此时的电压和电流，得到热测量单元加热时的温度变化。

根据热测量单元的初始温度和加热时的温度变化，以及触觉传感器与待测物体接触时热测量单元温度随时间变化的关系，得到待测材料的热导率和热扩散率。

触觉传感器与待测物体接触时热测量单元温度随时间变化的关系可以通过建立一个传热模型求得。

在一个实施例中，所述传热模型的传热方程可以为：

所述传热方程的起始条件可以为：

t3(x,0)＝t0；(4)

t2(x,0)＝t0；(5)

t1(x,0)＝t0；(6)

所述传热方程的边界条件可以为：

t1(x,t)|x＝-∞＝t0＝t3(x,t)|x＝∞；(10)

所述传热方程经过拉氏变换后存在的通解：

其中，

由所述边界条件可得：a1＝b3＝0；

对所述边界条件作拉式变换，再将所述通解带入拉式变换后的边界条件，得到：

上述方程组为四元一次方程组，存在唯一解，可解得a2和b2。将a2和b2带入公式中，再通过式(17)进行拉式逆变换可求得触觉传感器与待测物体接触时热测量单元温度随时间变化的函数：

所述温度随时间变化的函数为温度随时间变化的关系；

其中，t0为系统初始温度，t1为待测物体材料温度，t2为热觉触觉传感器的温度，t3为应用热觉触觉传感器设备的温度，x为热测量单元与待测物体接触面的距离，t为时间，α1为待测物体材料热扩散率，α2为热觉触觉传感器热扩散率，α3为应用热觉触觉传感器设备的热扩散率，k1为待测物体材料热导率，k2为热觉触觉传感器热导率，k3为应用热觉触觉传感器设备的热导率，qv为热觉触觉传感器内存在的一个内热源，l1为热觉触觉传感器的厚度，θ1为t1经过拉式变换后的值，θ2为t2经过拉式变换后的值，θ3为t3经过拉式变换后的值，vj为权系数，n为阶数(例如取10)，a1，a2，a3，b1，b2和b3为通解中待求的未知数，s为复变量，p1，p2和p3为中间变量，e为自然常数，r1为触觉传感器与待测物体之间的接触热阻，r2为触觉传感器压力检测单元的热阻。

根据式(17)，及热测量单元测量得到的不同时刻的实际温度值，用最小二乘法拟合即可求出待测材料的热导率和热扩散率。

如图7为触觉传感器与铝合金接触时热测量单元测量数据点及拟合曲线。经过大量的实验表明，该触觉传感器拟合材料热导率的误差在4.5％以内，拟合材料热扩散率的误差在8.5％以内。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。