仿生濕吸二維微力傳感器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究*

何 斌， 蔡 蜜， 王 昆

(1．同濟(jì)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，上海 201804； 2.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201804)

0 引 言

自然界進(jìn)化出一些具有超強(qiáng)爬壁黏附能力的動(dòng)物，它們能在任意角度的表面(如垂直表面，甚至天花板)自由爬行，在爬行過(guò)程中它們的腳掌與爬行表面之間的吸附力由法向吸附力和切向吸附力兩部分組成[1]。因此，研制一種能同時(shí)進(jìn)行垂直方向的粘著力測(cè)試、水平方向的摩擦力測(cè)試以及二維運(yùn)動(dòng)中的粘著力和摩擦力的測(cè)試的二維力傳感器測(cè)試系統(tǒng)很有必要。本文主要介紹了電阻應(yīng)變式傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、有限元分析、標(biāo)定以及傳感器測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 傳感器結(jié)構(gòu)與傳感器陣列

電阻應(yīng)變式傳感器由彈性體、電阻應(yīng)變敏感元件及變換電路組成。研制的“L”型二維微力傳感器的彈性體如圖1所示。

傳感器彈性體的水平梁的一端為開(kāi)有一螺絲孔的凸體，用于傳感器的固定。凸體的下端比水平梁突出2 mm，可以用于限位。傳感器陣列上方(垂直梁的頂端的小方塊處)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以滿足大的測(cè)試平面完成，適用于體型大、質(zhì)量輕的爬行動(dòng)物的測(cè)試，也可適用于小體型爬行動(dòng)物長(zhǎng)距離爬行運(yùn)動(dòng)的觀察與測(cè)試。

用硬鋁合金一次加工成型的彈性體，加工過(guò)程中采用線切割工藝。電阻應(yīng)變敏感元件采用金屬箔式應(yīng)變計(jì)，將2組應(yīng)變計(jì)排布在梁上應(yīng)力集中的區(qū)域，即垂直梁上位置和水平梁上的腰型孔薄壁位置，如圖2所示，分別用于測(cè)量被測(cè)力的2個(gè)分量(Fx，F(xiàn)y)。采用腰型孔薄壁使貼片位置的局部應(yīng)力水平明顯提高；同時(shí)用于減輕彈性體的質(zhì)量，減小傳感器重力對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響[2]。垂直梁和水平梁上的應(yīng)變計(jì)的變換電路采用惠斯登全橋電路連接方式。當(dāng)外加力載荷作用在該結(jié)構(gòu)的彈性體時(shí)，彈性體發(fā)生變形，安裝在彈性體上的電阻應(yīng)變敏感元件的阻值將隨之變化，接著由變換電路將電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，根據(jù)電壓的變化即可得知所加力載荷的大小。

圖1 傳感器彈性體

圖2 傳感器實(shí)物圖

2 有限元分析

在Solidworks三維軟件中進(jìn)行二維微力傳感器彈性體的實(shí)體建模，初步進(jìn)行應(yīng)力分析，得到最佳模型后再導(dǎo)入到ANSYS有限元軟件進(jìn)行精確的有限元分析[3]。由ANSYS自由網(wǎng)絡(luò)劃分對(duì)整體進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分，腰型孔薄壁這塊應(yīng)力集中區(qū)域則采用智能網(wǎng)絡(luò)劃分進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)分得到更精確的解[4]。

彈性體是通過(guò)底座的1個(gè)螺釘固定在基座上，彈性體與基座之間認(rèn)為是剛性連接且將底面的全部自由度設(shè)置為零。在測(cè)試平臺(tái)中心點(diǎn)處施加力載荷進(jìn)行求解，得到應(yīng)力、應(yīng)變等值線或曲線圖，通過(guò)分析，了解應(yīng)力、應(yīng)變的分布狀況。

采用ANSYS后處理器提供的路徑映射技術(shù)確定的貼片位置。ANSYS后處理器的路徑映射技術(shù)一個(gè)強(qiáng)大的功能就是能夠把計(jì)算出的結(jié)果數(shù)據(jù)(如應(yīng)變結(jié)果)映射到模型中的任意路徑上[5]。在坐標(biāo)系中選擇2個(gè)定義端點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)定義路徑。采用圖形的方式觀察結(jié)果項(xiàng)沿路徑的變化情況(圖3、圖4)。通過(guò)在測(cè)試平臺(tái)中心點(diǎn)處施加沿X，Y方向的力載荷，分別確定水平梁和垂直梁上的最佳貼片位置。

圖3 沿X方向的受力分析情況

圖4 沿Y方向的受力分析情況

3 二維傳感器的標(biāo)定

當(dāng)某一力分量某方向輸入量作用在傳感器上時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生其他力分量方向的輸出信號(hào)即產(chǎn)生維間耦合誤差，為了消除或減小維間耦合誤差，提高測(cè)試精度，需要對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)[6]。標(biāo)定就是建立力與電壓之間的線性關(guān)系，通過(guò)加載已知砝碼，得出與其對(duì)應(yīng)的電壓。這樣，傳感器在測(cè)試過(guò)程中加載未知力時(shí)，就能求解出輸出電壓。

二維力傳感器標(biāo)定系統(tǒng)主要由加載臺(tái)、二維力傳感器、砝碼、計(jì)算機(jī)、信號(hào)放大和數(shù)據(jù)采集器以及直流電源組成。標(biāo)定矩陣表達(dá)了二維力傳感器輸入與輸出的線性關(guān)系。由于存在維間耦合，橋路輸出電壓與力的關(guān)系為

依次在X,Y方向上施加一組已知的定值載荷并同時(shí)記錄X,Y方向橋路的輸出電壓值。得到2組4條F-U特性曲線(X方向加載砝碼時(shí)，X,Y方向的輸出電壓變化曲線；Y方向加載砝碼時(shí)，X,Y個(gè)方向的輸出電壓變化曲線)。X方向施力時(shí)，F(xiàn)y=5.01x-0.031;Fx=0.62x+0.003；Y方向施力時(shí)，F(xiàn)x=3.51y-0.021;Fy=0.24y+0.001。

特性曲線經(jīng)過(guò)最小二乘法擬合，得到F-U特性曲線的斜率k1,k2,k3,k4,也就是對(duì)應(yīng)標(biāo)定系數(shù)矩陣中對(duì)應(yīng)的系數(shù)，從而得到標(biāo)定系數(shù)矩陣C為

4 傳感器測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

研制的測(cè)試系統(tǒng)主要針對(duì)測(cè)量小體重爬行動(dòng)物(例如:昆蟲(chóng))，爬行時(shí)足掌與接觸表面的接觸力，研究接觸力的變化規(guī)律和如何實(shí)現(xiàn)吸附、脫附。該傳感器陣列測(cè)試系統(tǒng)由二維微力傳感器陣列、力加載臺(tái)、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡、測(cè)試分析軟件軟件(圖形顯示、數(shù)據(jù)保存)等幾個(gè)模塊組成(圖5)，可實(shí)時(shí)采集、觀測(cè)爬行運(yùn)動(dòng)時(shí)接觸力的變化情況。

圖5 測(cè)試系統(tǒng)組成

測(cè)試系統(tǒng)由軟件和硬件部分組成。系統(tǒng)軟件具有數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、顯示功能。硬件部分則由二維力傳感器、力加載臺(tái)、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡組成。當(dāng)測(cè)量對(duì)象在接觸傳感器陣列時(shí)，傳感器感應(yīng)產(chǎn)生的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路整理，進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，由系統(tǒng)軟件執(zhí)行數(shù)據(jù)整理、存儲(chǔ)和顯示。基于Visual C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)處理軟件主要包括基于足墊運(yùn)動(dòng)的測(cè)量和力加載臺(tái)的運(yùn)動(dòng)測(cè)量2個(gè)模塊。

5 傾斜微結(jié)構(gòu)濕吸力測(cè)試試驗(yàn)

圖6為傾斜足墊及其接觸表面和微結(jié)構(gòu)圖。

首先，采用微細(xì)電火花線切割加工制造微米尺度變截面金屬溝槽，在微溝槽中澆鑄聚氨酯制造濕吸足墊。

在測(cè)試之前，在接觸表面上涂抹一滴水，2 min后擦拭(用以形成10 μm以內(nèi)的液膜的厚度)。在濕吸足墊垂直方向上，以10 mm/s速度慢慢地像接觸表面靠近，讓足墊與接觸表面直接達(dá)到一定的預(yù)壓力;然后足墊以不同的速度、以相反的方向脫離接觸表面。在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，微力傳感器一直在測(cè)試微力信號(hào)。

在相對(duì)濕度50 %RH，無(wú)水膜條件下，對(duì)不同預(yù)壓力下的黏附力進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果如圖7所示，無(wú)論是法向黏附力還是摩擦力，均隨預(yù)載增加而增加，并在一定范圍內(nèi)保持線性關(guān)系。吸附力的增加主要原因是接觸面積的增加。

圖6 傾斜足墊、足墊接觸表面和傾斜足墊的微結(jié)構(gòu)

圖7 不同預(yù)壓力下的濕吸力

6 結(jié)束語(yǔ)

本文主要介紹了電阻式二維微力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、有限元分析、標(biāo)定。該傳感器的L型的懸臂梁結(jié)構(gòu)，采用應(yīng)力集中原則，大大提高了應(yīng)力水平。通過(guò)砝碼式標(biāo)定矩陣標(biāo)定測(cè)試表明：該傳感器量程為±1 N，分辨力優(yōu)于1 mN。同時(shí)，不同預(yù)壓力下的濕吸力測(cè)試試驗(yàn)也驗(yàn)證了傳感器和測(cè)試系統(tǒng)的可靠性。

參考文獻(xiàn):

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