基于PVDF的三维力机器人触觉传感器的设计
PVDF压电薄膜制作传感器的理论研究
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PVDF 压电薄膜制作传感器的理论分析
收稿日期 ! 2004 -09 -11 3
修回日期 ! 2004 -10 -20
当将 P VDF 压电薄 膜 贴 在 薄 板 上 时 9 板 的 坐 标 轴 J 的 方 向与薄膜的拉伸方向J, 之 间 的 夹 角 为O 9 z 轴 的 方 向 它 们 是 一 致的 9 如图 2 所示 薄板系统符合克希霍夫 ( Ki rchhof f . G ) 薄板理论的假设
1I
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PVDF 压电薄膜的压电方程
压电效应的物态 方 程 反 映 了 晶 体 电 学 量 (E 9 D ) 和 力 学 量 (T 9 S ) 之间的相互关系 9 因此压电方程 14 I 为 T (1 ) Di =d iP T ] + Z ij Ei 式中 T 应 力9 E 电 场 强 度3 D 电 位 移9 Z T 压电应变常数矩阵 介电常数矩阵的转置矩阵 9
H
, 1U HT T , 2 = C T m <O > 8
8 0 8J 8u 0 8}
U
+z P C
T m <O >
HT , 6U H
图2 薄板和薄膜位置关系示意图
2 > u f Y <1 uf 2 > Y/ <1 uf 2 8 I - 2 U 8J 2 8 I - 2 8}
0 0 H 8} + 8J U
-3
则选取 9 如图 1 所示
其压电应变常数矩阵为 0 0 0
H 0
= 0
0 0
d 15
0 0
0U 0 0U (2 )
d 24
0
H d 31 d 32 d 33
~z 到 10 9 ~z 均 能 转 换 机 电 效 应 9 而
PVDF压电薄膜及其传感器的制备与性能研究共3篇
PVDF压电薄膜及其传感器的制备与性能研究共3篇PVDF压电薄膜及其传感器的制备与性能研究1PVDF压电薄膜及其传感器的制备与性能研究随着现代科技的不断进步，传感器已经广泛应用于各种电子设备和计量仪表中，传感器作为连接物理世界与数字世界的纽带，其性能不仅关系到设备的稳定性和性能，还关系到生活和工业领域的实际应用。
近年来，PVDF压电薄膜作为一种新型的传感器材料，受到了人们的广泛关注。
本论文从制备PVDF压电薄膜入手，探讨了PVDF压电薄膜的性能，并研究了其在压力传感器中的应用。
1. PVDF压电薄膜制备PVDF压电薄膜的制备过程主要分为以下两步，分别为拉伸和极化。
1.1 拉伸首先，需要将PVDF粉末通过非溶剂法制造成PVDF膜，然后将PVDF薄膜导入拉伸机中，利用一定的拉伸速度和力度拉伸成一定厚度的PVDF薄膜。
1.2 极化拉伸后的PVDF薄膜需要进行极化，将其放置在特殊的高温和高压环境中，使PVDF薄膜内部产生电极化作用，形成一定的电极化强度和方向，从而使PVDF薄膜产生压电效应。
2. PVDF压电薄膜性能PVDF压电薄膜的优点在于其具有极好的压电性能，也就是说，当其受到压力时，会产生一定的电荷输出。
此外，PVDF压电薄膜还具有极高的机械强度和稳定性，能够抵御一定的气氛和温度变化，并适用于多种环境条件。
此外，当PVDF压电薄膜与电荷放电器和电流放大器相连接时，可以将PVDF的输出信号放大和处理，以输出更具意义的信息。
3. PVDF压力传感器应用PVDF压电薄膜在压力传感器中的应用越来越广泛。
利用PVDF压电薄膜的压电效应，可以制作出一款高精度的压力传感器，可以独立地感知机械压力、机械挤压等多种变化。
此外，PVDF 压电薄膜在测量生物信号、声音、震动等方面也有广泛的应用，是一种具有广泛应用前景的新型传感器材料。
总之，PVDF压电薄膜是一种非常重要的材料，有着极佳的压电性能和稳定性能，能够被广泛应用于传感器和其他电子元器件中。
机器人多感知技术-触觉
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1.3 压阻式阵列触觉传感器
碳毡（CSA）是一种渗碳的纤维材料， 小压力时，阻值变化较大，所以，用 它制作的传感器很灵敏，过载能力强， 其缺点是有迟滞，线性差。
导电橡胶也常用作触觉传感器的敏感 材料，如在硅橡胶上有选择性地在对 应电极的区域进行导电粒子的渗透、 形成阵列导电橡胶单元，对应的触觉 单元电极置于正下方。当单元受压时， 电极两端的电阻随压力的变化而变化。
所以引对单触元扫描的方法，其触觉图像的采集速度会受 到很大限制，尤其当触觉的阵列数增加时。
根据经验，一帧16×16压阻阵列触觉图像的采集，即使选 用高速A／D，触觉传感器的频响也难以超过50Hz，况且随着 阵列数的增加频响会更低。
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1.3 压阻式阵列触觉传感器
5.行扫描采样法
为提高扫描采样速度， 右图给出了行扫描采样 法，
传感器灵敏度取决于介质 材料的弹性模量
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1.5 其它类型的触觉传感器
电容变化量的读出电路
Vm=VDcosω0t
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1.1 触觉传感器的一般要求
触觉传感器按传感原理基本上可以分为 开关式 压阻式 压电式 光电式 电容式 电磁式 其它
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1.2 触觉传感器开关
开关是用于检测物体是否存在的一种最简单的 触觉制动器件。
工业上利用小型开关阵列形成一种价廉的触觉 传感器，外形大，空间分辨率低。
对于开关式触觉传感器，阵列密度难以提高。阵列数增加 时外接引线也是一个很大的问题。
利用敏感材料和硅工艺制作的阵列触觉可使阵列数及阵列 密度得到很大提高，并可减少外接引线，但缺乏应有的柔性， 很难安装到不同形状的通用应用载体(如手指)上。
PVDF有机压电材料特性及应用
PVDF与PZT比较
聚偏氟乙烯(PVDF)
1969年，Kawai发现了聚偏氟乙烯(简称PVDF)具有极强的压电效应，继而 出现了以聚偏氟乙烯为代表的压电高聚物的研究热潮，现在研究已从均 聚物扩大到共聚物、共混物和复合物，从结晶高聚物的压电性扩大到非 晶高聚物的压电性。PVDF家族压电铁电效应的发现被认为是有机换能器 领域发展的里程碑。
村田制作所开发了使用这个有机压电薄膜的2个应用装置，即能够利用弯曲和扭 转的动作来控制电视机的遥控器，以及能够检测出手指向下按触摸屏的力度的具 有压力检测功能的触摸屏Touch Pressure Pad (压力式触摸板) 。
宫缩，由于压电薄膜具有热释电性能，因此在使用压电薄膜的传 感装置的过程中，无法分别检测温度与弯曲度和扭转程度。
为此村田制作所开发出了一种有机压电薄膜， 具有压电常数大、透明度高的特点， 无热释电现象， 能够检测出弯曲度和扭转程度。 预计今后该压电薄膜将被广泛应用于各种人机界面。
PVDF压电膜的制备
由于β相具有最强的压电性，PVDF压电膜的制作方法是指β相膜的制作， 大致有3种方法， 即溶液浇铸法， 共聚合法和热压拉延法
由于热压拉延法制得膜的压电性最强，并且此法也较容易，通常采用此法 工艺包含以下几个步骤：
制膜
拉伸
上电极
极化
纯的PVDF压电膜
将PVDF粉料用热压法制成厚度40130μm的初始膜 在 65~120℃温度下进行单轴拉伸3~5 倍， 材料晶区由 α晶型转变成 β晶 在130~150℃退火半小时，消除内应 力。两面真空蒸镀铝电极
PVDF的晶型转换
不同的加工工艺可得不同晶型的 ,不同晶型的通过化学或物理条件的处理 又可互相转换
熔融结晶的PVDF为α 相
机器人应用中的触觉传感器技术研究
机器人应用中的触觉传感器技术研究摘要：近年来，随着机器人技术的快速发展，触觉传感器在机器人领域的应用日益广泛。
本文对机器人应用中的触觉传感器技术进行了深入研究，探讨了其在机器人运动控制、物体识别和人机交互等方面的应用，并讨论了目前存在的挑战和未来的发展方向。
第一部分：引言随着科技的不断发展，机器人已经成为日常生活中越来越常见的存在。
然而，迄今为止，大多数机器人在感知和交互方面仍然存在限制。
为了更好地理解并适应周围环境，机器人需要能够感知和反馈外部世界信息的能力。
在机器人技术领域，触觉传感器技术的研究和应用逐渐受到重视。
第二部分：机器人运动控制中的触觉传感器技术机器人运动控制是机器人技术不可或缺的一部分。
触觉传感器技术可以为机器人提供实时的触觉反馈，帮助机器人更精确地感知自身状态和外部环境。
通过使用触觉传感器技术，机器人可以实现更准确的动作规划和执行，提高运动控制的精度和灵活性。
触觉传感器技术在机器人运动控制中的应用包括但不限于以下几个方面：1. 力控制：触觉传感器可以测量机器人在与物体接触时所受到的力的大小和方向。
通过实时监测这些力的变化，机器人可以调整自身的动作，以适应不同的力环境。
例如，在工业生产中，机器人需要能够确保与工件的接触力在安全范围内。
2. 重量估计：触觉传感器可以帮助机器人准确地估计物体的重量。
这对于机器人在协作操作、物体分类和抓取等任务中非常重要。
通过准确地估计物体的重量，机器人可以根据任务需求调整自身动作的力度和速度。
3. 摩擦感知：机器人需要能够感知与物体接触时的摩擦力，以便更好地控制自身的运动。
触觉传感器可以帮助机器人实时测量摩擦力的大小和方向，从而可以根据需要调整摩擦系数，提高精确度和稳定性。
第三部分：物体识别中的触觉传感器技术机器人在执行特定任务时，常需要对不同物体进行准确的辨识和分类。
触觉传感器技术在物体识别和分类方面发挥了重要作用。
触觉传感器可以通过测量物体的表面形状、纹理和硬度等信息来识别物体。
comsol软件文档资料集锦(十三)
化、中心孔塌陷率变化、PEI薄膜中包含微小的气孔以及纤芯内径不光滑等情
况。
2.差分共振声谱法测量岩石声学参数方法研究-英文 给出了一种测量岩石声学属性的新方法——差分共振声谱法。该方法的原理
是通过测量待测岩石样本对共振腔共振频率的扰动来计算待测岩石样本的声
学参数。首先详细阐述了差分共振声谱法的基本理论,然后用COMSOL有限元模 拟软件对18个已知参数的岩石样本的共振进行了正演模拟,进而用模拟结果进 行反演计算,得到了比较好的结果。
子密度，功率吸收密度出现跳变，满足天线与螺旋波共振耦合模式，而在1T
下，等离子体电子密度及功率吸收密度平稳增大，不满足天线与螺旋波共振 耦合。
4.用于水质硝酸盐浓度在线检测的电磁传感器设计
近年来水质污染的深层次问题逐渐显露,无机污染物尤其是硝酸盐或者亚硝酸
盐对人类的健康造成了严重威胁。将曲状电磁线圈和叉指电容结合起来,设计 了一种新型的平面电磁传感器,实现了水体中的硝酸盐浓度在线监测。基于 COMSOL Multiphysics 3.5a软件对多种不同参数的传感器进行建模仿真,最终 确定最佳传感器模型,为进一步研究水质监测系统中的传感器模块奠定了基础 。
11.新型磁流变减振器磁-流耦合有限元分析 利用多物理量耦合有限元软件COMSOL Multiphysics建立新型磁流变减振器磁 场和流场耦合的轴对称有限元模型。分析多环槽活塞的几何形状对磁场分布 的影响,针对其磁场分布不均匀的特点,采用变齿宽优化活塞结构。并在前人 关于多环槽的特征尺寸参数对阻尼力影响研究的基础上着重对活塞矩形齿齿 宽耗能进行了分析,为新型减振器设计和性能预测提供依据。
真结果与标定值之间的误差小于6%,验证了设计的合理性和可行性。
10.平面度检测气动测头的设计 为实现刹车片刚背平面度的在线检测,根据气动差压测量原理,利用COMSOL Multiphysic有限元软件仿真px-s曲线,考虑工作压力,主喷嘴、测量喷嘴孔径 对气动测头分辨率和线性范围的影响,设计一种用于平面度在线检测的气动测 头。该气动测头主喷嘴、测量喷嘴孔径均为1.2mm,工作压力为0.3MPa。验证 结果表明,该气动测头测量精度高、稳定性好,可应用于生产实际。
一种用于机器人手爪的PVDF接触力传感器设计
第 ２ 卷 第３ ８ 期
２０ 年６ ０ ６ 月
压
电
与
声
光
Ｖｏ ． ８ Ｎｏ ３ １２ ．
ＰＩ ＺＯＥＩＥ Ｅ ＣＴＥ ＣＴＲＩ ＣＳ ＆ ＡＣＯＵＳ ． ＴＯＯＰ ＣＳ ＴＩ
Ｊ ｎ ２ ０ ｕ ．０ ６
文 章 编 号 ： ０ ４ ｇ ７ （ ０ ６ ０ — ３ １Ｏ １ ０ 一 ４ ４ ２ ０ ） ３０ １ － ３
ｓ ｅ ｄ ｎ ｅｉ ｌ ａ ｉ ｌ ｔｏｎ ｔａ ｙ ａ ｄ ｒ ｌ ａｂ ｅ ｍ ｎ ｐｕ ａ ｉ ．
Ｋｅ ｒ ｓ ＰＶＤＦ；ｃ ｎ ａ ｔｆ ｒ ｅ ｓ ｎ ｏ ； ｏ ｏ ｉ ａ ｄ ｙ ｗｏ ｄ ： ｏ ｔ ｃ ｏ ｃ ｅ ｓ ｒ ｒ ｂ ｔｃｈ ｎ
触觉 在 机 器 人 感 觉 系统 中 占有 非 常 重 要 的地
Ａｂ ｔａ ｔ： ｓ ｒ ｃ Ｔｈｉ ｐ ｅ ｅ ｓ ａｃ ｓｐａ ｅｒｐｒ ｓ ｎｔ ｏｎｔ ｔｆ ｃ ｅ ｏｒｆ ｏｂ ｉ ａ ｐｐｌ ａ ｉ ｉ ｈｅｐｉｚ ｌｃ ｒｃｅｆｅ ｔｏｆ ａｃ ｏｒ ｅｓ ｎｓ ｏｒｒ ｏｔｃ ｈ ｎｄ ａ ｉ ｔｏｎｓｕｓｎｇ ｔ ｅ ｏｅｅ ｔ ｉ ｆｃ ｃ ＰＶ ＤＦ ｉｍ ． Ａ ｉ ｐ ｅｃ ｒ ｍ ｐ ｉｉｒａ ｔ ｏｌｅ ｔｎ ｓ ｓ ｅ ａｒ ｓ ｒｂｅ ． Ｔ ｈ ｅ ｓ ａ ｈ ｈ ａ ｔ ｒｓ ｉｓｏｆ ｆｌ ｓｍ ｌ ｈａ ｇｅａ ｌｆｅ ｎｄ ｄａ ａ ｃ ｌ ｃ ｉｇ ｙ ｔ ｍ ｅｄｅ ｃ ｉ ｄ ｅ ｓ ｎ ｏｒｈ ｓ ｔ ｅ ｃ ａｒ ｃ ｅ ｉ ｔｃ ｓ ａｌｓｚ ｍ ｌ ｉｅ，ｇｏ ｄ ｆｅ ｉ ｉｉｙ， ａ ｄ ｓｍ ｐｌ ｉ ｎａ ｏ ｅ ｓｎｇ Ｒｅ ｕｌｓ ｉ ｄｉａ ｅ ｔ ａｔｔ ｅ ｓ ｐ ｏｖｄｅ ｅａ ｏｎ ｂｌ ｅ — ｏ ｌ ｘ ｂ ｌｔ ｎ ｉ ｅ ｓｇ ｌｐｒ ｃ ｓ ｉ ． ｓ ｔ ｎ ｃ ｔ ｈ ｈｅ ｓ ｎ ｏｒ ｒ ｉ ｓ ｒ ｓ ａ ｅ ｐ ｒ
毕业设计(论文)-基于敏感阵列的触觉传感器结构设计及仿真分析
基于敏感阵列的触觉传感器结构设计及仿真分析摘要触觉是生物体感知外部环境的重要手段，是仿生机器人研究的一个重要内容。
相比于视觉、听觉等其他感知形式，触觉能感知更多信息量，如接触力的大小、柔软性、硬度、弹性、粗糙度、温度和湿度等。
三维力触觉传感器，将在体育运动、医疗康复、机器人等领域发挥重要的作用。
本论文利用材料力学、有限元仿真、模式识别等学科的研究成果，从传感器结构设计的角度出发，研究了基于导电橡胶的三维力柔性触觉传感器的若干理论和技术问题，提出了一种新的三维力柔性触觉传感器模型。
本论文的主要研究内容如下：(1)利用有限元仿真技术，对基于二层双面节点对称交叉分布的柔性触觉阵列传感器结构进行仿真，建立传感器的三维力一电阻仿真数字模型。
(2)提出基于一种新的柔性触觉传感器N型微结构，建立相应的三维力-电阻数学模型，并利用有限元仿真进行模拟和结构优化。
该新型结构首先从结构上对三维力进行了优化，降低了原来高维、多参数传感器信号在实时、精确解耦方面的难度。
关键词：柔性触觉传感器;三维力结构设计; ANSYS仿真分析Design of The Structure Design and Simulation Analysis of Tactile Sensor Based on Sensitive ArrayAbstractTactile is an important sensing for the robots to perceive the external information，in particular，it’s an important research content of bionic robot．Cornered to the visual，auditory and other perceived forms，tactile reception can get more information：surface roughness，temperature flexibility and shape etc．．Flexible three-dimensional force tactile sensor play an important role in sports，medical，rehabilitation，robotics and other study fields．This paper made full use of the scientific achievements in the fields of pattern recognition，material mechanics，finite element simulation．In the sensor structure design point of view，we studied some key theoretical and technical problems of the 3D flexible tactile sensor based on the conductive rubber．and present a new 3D force flexible tactile sensor model．The main research contents and innovations are as follows：(1)With finite element simulation，we simulated the structure of flexible tactile sensor array of two layers in symmetric cross distribution，establisheda 3D stress—resistance simulation model of the sensor．(2)Present a new flexible tactile sensor based on the N—type micro structure，established the 3D stress—resistance mathematical model，andsimulated and optimized with finite element simulation．The method decoupling the 3D stress from the structure，reduce the difficulty in decoupling of the high dimensional，multi parameter sensor signals．Keywords：Flexible tactile sensor ;3D force Structure；ANSYS Simulation目录引言......................................................................................................................... - 1 -第1章绪论.............................................................................................................. - 2 -1.1论文研究背景................................................................................................. - 2 -1.1.1研究背景.............................................................................................. - 2 -1.1.2基于敏感阵列的触觉传感器的发展趋势..................................................... - 4 -1.2 论文研究的主要内容 ...................................................................................... - 5 -1.3 论文研究的意义............................................................................................. - 5 -第2章有限元理论及超弹性模型 ................................................................................. - 6 -2.1 ANSYS有限元概述........................................................................................ - 6 -2.1.1几何模型和网络划分.............................................................................. - 6 -2.1.2多物理场.............................................................................................. - 6 -2.1.3流体动力学 .......................................................................................... - 6 -2.1.4 ANSYS工程应用.................................................................................. - 6 -2.2超弹性理论.................................................................................................... - 7 -2.2.1超弹性理论模型 .................................................................................... - 7 -2.3 传感器力学仿真方法 ...................................................................................... - 8 -第3章数学模型理论分析........................................................................................... - 9 -3.1 导电橡胶的导电机理 ...................................................................................... - 9 -3.2 并联电阻模型结构和原理.............................................................................. - 10 -3.2.1 模型结构........................................................................................... - 10 -3.3敏感单元分析............................................................................................... - 11 -3.3.1微结构............................................................................................... - 11 -3.3.2 阵列................................................................................................. - 12 -第4章ANSYS分析与结论....................................................................................... - 15 -4.1 静力学仿真 (15)4.1.1建模 (15)4.1.2ANSYS 有限元网格划分........................................................................ - 15-4.1.3 采用表面印记功能 (16)4.1.4 施加约束...........................................................................................................- 16-4.2仿真结果与分析 (17)总结与展望...............................................................................................................................-2 0-致谢................................................................................................................. - 22 -参考文献................................................................................................................. - 23 -附录B英文文献及其译文 (30)附录 B 主要参考文献的题录及摘要 (51)插图清单图1-1 传感器测试电路图 (2)图1-2 传感器示意图 (3)图1-3 装有传感器的机器手...................................................................................................4图3-1 电阻率随炭黑含量的变化图....................................................................................................9图3-2 传感器行列电阻示图. (10)图3-3 阵列的俯视图 (11)图3-3 微结构示意图 (12)图3-4 阵列示意图 (1)2图4-1 有限元模型 (1)5图4-2 网格划分.................................................................................................................. ...15图4-3 采用表面印记功能.....................................................................................................16图4-4 用fix support 约束表面.. (16)图4-5 X向受力载荷的形变图.............................................................................................17图4-6 Y向受力载荷的形变图 (18)图4-7 Z向受力载荷的形变图 (19)插表清单表2-1 材料的样品库清单 (12)表4-1 X向力受力情况对比表............................................................................................................22表4-2 Y向力受力情况对比表............................................................................................................23表4-3 Z向力受力情况对比表.. (24)引言触觉是指用分布于皮肤上的神经细胞感受来自外界的温度、湿度、压力、振动等感觉。
基于PVDF压电薄膜的动态称重系统的研发
1动态称重系统设计
1.1 PVDF压电薄膜传感器 PVDF（聚偏二氟乙烯）是一种半结晶性聚合物，
由重复单元为-（CH2-CF2）-的长链分子构成°PVDF 压电薄膜具有相当宽的频率范围（140Hz〜500MHz）, 动态特性良好，响应灵敏,化学性质稳定,具有很好的
基金项目：合肥工业大学2019年校级大学生创新创业训练计划项目 资助（项目编号：2119CXCY196）中央高校基本科研业务费专项资金资
当两轴的小车模型以匀速通过图2所示布设的 PVDF传感器时，可以得到一系列数字信号，以矩阵 的形式储存，并用Matb实时读取Arduioo中发来的 数据，利用Matlab强大的矩阵处理能力，来拟合得到 数字信号的曲线函数，并绘出曲线。针对电压信号的 波形特点，本文采用Fourier级数拟合方法，当拟合次
1.4数据采集器 本系统采用Arduioo单片机组件作为数据采集
和处理器，包含硬件(Arduino板)和软件(Arduino IDE)。 采用Arduioo UNO主控板连接电路，接收经电荷放大 器处理过的电压信号，在计算机端安装好Arduioo IDE软件开发环境，写入电压信号采集及超声波传感 器测距和控制程序，通过Arduioo IDE软件上传程序 到Arduioo开发板中执行。本系统中采用的Arduioo 数据采集器组件,能够将电荷放大器转换得到的模拟
中图分类号:U492.321 文献标志码:A
文章编号：1007-7359 （2019） 06-0072-04
DOI ：10.16330/ki」007-7359.2019.06.030
0前言
近年来,随着我国公路事业的快速发展,公路总 里程迅猛增长，交通数量也呈现快速增长的趋势，但 随之而来的超载超限现象也越来越严重。超载车辆不 仅会对现行路面以及桥梁带来严重的破坏,也会给行 车安全带来巨大隐患。目前我国使用的称重方式多属 于静态称重，由于采用静态称重方式需要进行整车称 重，因此所需的称重规模很大，造价较高,而且静态称 重时,要求过车速度较低，称重效率低，往往会造成重
一种基于pvdf压电薄膜的触觉传感器[发明专利]
![一种基于pvdf压电薄膜的触觉传感器[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/12574132b9f3f90f77c61b3a.png)
专利名称：一种基于pvdf压电薄膜的触觉传感器专利类型：发明专利
发明人：田红英,薛君,王沛元,孟宪明,李文婷
申请号：CN202010634461.X
申请日：20200702
公开号：CN111780659A
公开日：
20201016
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种基于pvdf压电薄膜的触觉传感器，包括基底、下导电层、pvdf压电薄膜、上导电层和触觉接触层，下导电层、pvdf压电薄膜、上导电层、触觉接触层由下至上依次覆盖在基底顶端；下导电层的左右两侧设置有线状电极，上导电层的前后两端设置有线状电极。
本发明能够大面积覆盖在机器人体表，其结构尺寸不受限制，且检测精度高，速度快。
申请人：山西工程职业学院
地址：030000 山西省太原市杏花岭区新建路131号
国籍：CN
代理机构：北京慕达星云知识产权代理事务所(特殊普通合伙)
代理人：符继超
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三维力传感器设计及其应用研究
三维力传感器设计及其应用研究摘要：三维力传感器是一种能够测量物体施加在其上的力的装置。
本文主要介绍了三维力传感器的设计原理、结构组成以及其在各个领域的应用研究。
通过对三维力传感器的设计与研究，可以为相关领域的工程技术提供有力的支撑和指导。
关键词：三维力传感器；设计原理；结构组成；应用研究一、引言三维力传感器是一种用于测量物体施加在其上的力的装置，可以对物体受力的大小和方向进行准确测量。
随着科学技术的不断发展，三维力传感器在机器人、航空航天、医疗器械等领域得到广泛应用。
本文将介绍三维力传感器的设计原理、结构组成以及其应用研究。
二、设计原理三维力传感器的设计原理主要基于力传感器和测力电桥原理。
通过将多个力传感器按照一定的布置方式进行组合，可以实现对物体施加的力的三维测量。
测力电桥原理是指通过测量电桥中的电阻变化，来间接测量物体受力的大小。
三、结构组成三维力传感器通常由载荷传感器、信号处理电路和数据显示装置组成。
载荷传感器是三维力传感器的核心部件，用于感知物体施加在其上的力。
信号处理电路用于对传感器采集到的信号进行放大和处理。
数据显示装置用于将处理后的数据以可视化形式展示出来。
四、应用研究三维力传感器在各个领域都有广泛的应用研究。
在机器人领域，三维力传感器可以用于机器人的力触觉控制，实现对物体的抓取和操作。
在航空航天领域，三维力传感器可以用于航天器的姿态控制和飞行力学研究。
在医疗器械领域，三维力传感器可以用于手术器械的力反馈和控制，提高手术的精确度和安全性。
五、结论通过对三维力传感器的设计与应用研究，可以为相关领域的工程技术提供支撑和指导。
随着科学技术的不断进步，三维力传感器的设计与应用将会得到更加广泛的发展和应用。
一种基于阵列式PVDF触觉传感器的指套及制备方法[发明专利]
![一种基于阵列式PVDF触觉传感器的指套及制备方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/44d644a4bdeb19e8b8f67c1cfad6195f312be872.png)
专利名称：一种基于阵列式PVDF触觉传感器的指套及制备方法
专利类型：发明专利
发明人：宿翀,苟升异,陈捷
申请号：CN202110336392.9
申请日：20210329
公开号：CN113081815B
公开日：
20220128
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及一种基于阵列式PVDF触觉传感器的指套及制备方法，其方法包括：首先，在透明膜中央位置抹导电银胶，放入一导线并引出，再放置PVDF膜并进行按压，直至导电银胶凝固；其次，在PVDF膜的另一面涂抹导电银胶，放入另一导线并引出，然后放置另一透明膜进行按压，直至导电银胶凝固，形成一个单体PVDF触觉传感器；接着，对各单体PVDF触觉传感器进行压电测试之后，通过PTFE膜制作成阵列式PVDF触觉传感器，并进一步制作成指套型。
本发明的指套是一个PTFE‑PVDF‑PTFE的面包结构，该指套保证了医生的针刺手感不会受到太大影响。
同时，压电性能良好的“中间层”保证了医生针刺手法的压电信号采集。
申请人：北京化工大学
地址：100029 北京市朝阳区北三环东路15号北京化工大学4号信箱
国籍：CN
代理机构：北京易捷胜知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：齐胜杰
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《2024年基于PVDF及PVDF-TM纤维膜的摩擦式纳米电机的制备、性能及应用研究》范文
《基于PVDF及PVDF-TM纤维膜的摩擦式纳米电机的制备、性能及应用研究》篇一基于PVDF及PVDF-TM纤维膜的摩擦式纳米电机的制备、性能及应用研究一、引言随着纳米科技的迅速发展，摩擦式纳米电机因其高灵敏度、低能耗等特性，在微纳能量收集、传感器以及自驱动系统等领域具有广阔的应用前景。
近年来，以聚偏二氟乙烯（PVDF）为基材的摩擦式纳米电机逐渐成为研究热点。
本文将详细介绍基于PVDF及PVDF/TM纤维膜的摩擦式纳米电机的制备方法、性能分析及其应用研究。
二、材料与制备（一）材料准备本实验主要使用PVDF材料及其与TM（Thermoplastic Elastomer）纤维膜的复合材料。
PVDF因其良好的压电性能和稳定的化学性质，在纳米电机领域具有广泛应用。
而PVDF/TM纤维膜则通过将PVDF与TM纤维进行复合，提高了材料的柔韧性和机械强度。
（二）制备方法1. 制备PVDF纳米电机：首先将PVDF材料进行热压处理，形成薄膜。
然后通过光刻、蚀刻等技术制备电极和绝缘层，最后进行封装和测试。
2. 制备PVDF/TM纤维膜：将PVDF与TM纤维按一定比例混合，通过熔融共混、挤出、拉伸等工艺制备成纤维膜。
3. 制备摩擦式纳米电机：将PVDF或PVDF/TM纤维膜作为驱动层，与基底进行复合，形成摩擦式纳米电机。
三、性能分析（一）压电性能PVDF及其复合材料具有优异的压电性能，能够在受到外力作用时产生电压。
本实验中，通过对不同比例的PVDF/TM纤维膜进行测试，发现其压电性能随着TM纤维的比例增加而提高。
此外，本实验还发现，当将这种材料用于摩擦式纳米电机时，其产生的电压可达到数十伏特。
（二）机械性能PVDF/TM纤维膜具有良好的柔韧性和机械强度，使得制备的摩擦式纳米电机在受到外力作用时不易损坏。
此外，该材料还具有较好的耐磨损性能，能够在长时间使用后仍保持良好的性能。
（三）应用性能基于上述性能特点，本实验将PVDF/TM纤维膜制备的摩擦式纳米电机应用于微纳能量收集、传感器以及自驱动系统等领域。
静电纺制备PVDF纳米纤维膜的应用
静电纺制备PVDF纳米纤维膜的应用静电纺制备聚偏二氟乙烯（PVDF）纳米纤维膜具有广泛的应用领域。
PVDF纳米纤维膜具有高比表面积、丰富的孔隙结构、优异的力学性能、化学稳定性和热稳定性，因此在过滤、分离、传感、能源存储和生物医学等领域有很大的潜力。
PVDF纳米纤维膜在过滤和分离领域有广泛的应用。
由于PVDF纳米纤维膜具有高比表面积和丰富的孔隙结构，可以有效地过滤微小颗粒和分离各种溶质。
该材料可以用于空气和水的过滤，以去除细菌、病毒和悬浮颗粒物。
PVDF纳米纤维膜还可用于油水分离、气体分离和固体废物处理等。
PVDF纳米纤维膜在传感领域具有重要的应用价值。
由于PVDF纳米纤维膜具有优异的机械和化学性能，可以用于制作敏感探头和传感器。
利用PVDF纳米纤维膜制备的压电传感器可以测量压力、力和振动等物理量。
PVDF纳米纤维膜还可以用于制备电容式传感器和声波传感器等。
PVDF纳米纤维膜还可以应用于能源存储领域。
由于PVDF纳米纤维膜具有高介电常数和低电导率，可以用于制备电池电极和超级电容器。
PVDF纳米纤维膜可以用作锂离子电池和超级电容器的电解质层或分隔膜，从而提高电池和超级电容器的性能和循环寿命。
PVDF纳米纤维膜在生物医学领域也有广泛的应用。
由于PVDF纳米纤维膜具有良好的生物相容性和生物降解性，可以用于制备组织工程支架、药物缓释系统和人工纤维膜等。
PVDF纳米纤维膜还可以用于细胞培养、细胞导向和组织工程等应用。
静电纺制备的PVDF纳米纤维膜具有广泛的应用领域，包括过滤和分离、传感、能源存储和生物医学等。
随着技术的进步和应用需求的增加，PVDF纳米纤维膜在各个领域中的应用前景将更加广阔。
PVDF技术参数
聚偏氟乙烯（PVDF）压电膜是本世纪70年代在日本问世的一种新型高分子压电材料。
到目前为止，世界上只有少数先进国家生产。
锦州科信电子材料有限公司以清华大学为技术依托，成功地实现了PVDF压电膜国产化批量生产。
它具有独特的介电效应、压电效应、热电效应。
与传统的压电材料相比具有频响宽、动态范围大、力电转换灵敏度高、机械性能强度高、声阻抗易匹配等特点，并具有重量轻、柔软不脆、耐冲击、不易受水和化学药品的污染、易制成任意形状及面积不等的片或管等优势。
在力学、声学、光学、电子、测量、红外、安全报警、医疗保健、军事、交通、信息工程、办公自动化、海洋开发、地质勘探等技术领域应用十分广泛。
产品主要有金、银、铝三个品种，膜厚30—500μm，产品形状、面积大小，可根据用户需要确定，是制作改进压力动态传感器和超声、智能探测的新型换能材料。
性能及特点：PVDF压电膜具有较高的化学稳定性、低吸湿性、高热稳定性、高抗紫外线辐射能力、高耐冲击、耐疲劳能力，其化学稳定性比陶瓷高10倍，在80℃以下可长期使用。
PVDF压电膜质地柔软、重量轻，与水的声阻抗相近，匹配状态好，应用灵敏度高；PVDF压电膜在厚度方向的伸缩振动的谐频率很高，可以得到较宽的平坦响应，频响宽度远优于普通压电陶瓷换能器；电容值高，可以采用低淙胱杩沟囊瞧髯鞯推到邮铡?SPAN lang=EN-US>PVDF压电膜优点如下：(1) 良好的工艺性。
可用现有设备进行加工；(2) 能制作大面积的敏感元件；(3) 频带响应宽(0～500MHz)；(4) 声阻抗接近于人体组织和水，所以可用于医疗诊断的敏感装置结构中；(5) 具有高冲击强度(可使用于冲击波的传感器中)；(6) 耐腐蚀性(在活性介质中使用时这种性能是必需的)；(7) 相对介电常数较低；相应较高的压电常数值d33(约比其它压电材料高一个数量级以上)和热信号灵敏度(p/ε)值；(8) 与压电陶瓷相比有更低的导热性；并能制得更薄的薄膜；(9) 柔软坚韧(PVDF的柔顺系数约为PzT的30倍,并且轻(比重只有PzT的1/4左右)；能制成所需的各种较复杂的形状(锥形、穹顶形等)，可使用在需要具有特殊定向的元件中。
压电传感器频响及抗干扰特性多物理场分析研究
压电传感器频响及抗干扰特性多物理场分析研究周伟; 荆建平【期刊名称】《《噪声与振动控制》》【年(卷),期】2019(039)004【总页数】6页(P108-113)【关键词】振动与波; 频响特性; 压电薄膜; 有限元仿真; 传感器; 耦合场【作者】周伟; 荆建平【作者单位】上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室上海 200240; 上海交通大学燃气轮机研究院上海 200240【正文语种】中文【中图分类】TH113.1压气机等叶轮机械作为能量转换和动力传递的装置，广泛应用于国民经济中的各个领域，同时也是航空发动机中的核心组成部件。
压气机的叶片顶部与机匣壁面之间存在着一定的间隙，尽管间隙几何尺寸很小，但会对叶片流道内近20%区域的流动产生影响，而且叶顶间隙导致的叶顶泄漏流还会造成叶尖附近做功减少、叶片通道堵塞以及压气机效率降低[1-2] 。
因此，叶尖流动的研究一直是国内外的研究热点。
目前，压气机叶顶脉动压力测量是叶顶流动研究的关键，但是受制于压气机结构复杂、传感器安装空间有限等因素，叶顶流动特性无法得到有效观察和验证[3-4] 。
传统的测量方式主要是通过在机匣壁面打孔安装Kulite传感器阵列，这种测量方式不仅会破坏机匣机构，影响机匣强度，还会限制传感器的安装数量[5-7] 。
随着传感器的快速发展和各种新型材料的应用，一大批新型传感器开始涌现。
课题组利用新型高分子聚合物PVDF压电薄膜作为传感器材料制作了PVDF压电薄膜传感器阵列对压气机叶顶流动进行测量，取得了一些卓有成效的结果，与传统的测量方式相比，它具有厚度薄、频响宽、空间分辨率高、易加工、价格低等优势[8-9] 。
但是，在传感器设计与标定过程中发现，传感器的实际灵敏度值与材料的压电常数有一定差异，而且目前的传感器设计仅凭经验，缺乏必要的优化过程[10] 。
因此，有必要充分利用PVDF压电材料的优势，研究材料参数和结构参数对PVDF 压电传感器综合性能的影响，进而优化传感器设计以进一步改进压气机叶顶脉动压力场的直接测量方法。