基于柔性薄膜傳感器木板平面度測量方法

朱 莉， 邢 鑫， 孟兆新， 郭騏瑞， 宋緒秋， 殷 鑫

(東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 ,黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引 言

木板材表面平面度直接影響家居的生產(chǎn)和使用，快速、準(zhǔn)確的檢測平面度是必要的。在過去的研究過程中，丁偉彪等人總結(jié)了目前國內(nèi)外檢測木材表面的主要方法，包括超聲波檢測法、X射線檢測法、紅外線檢測法以及計算機(jī)視覺檢測法[1]。張晴暉等人總結(jié)了基于聲學(xué)常見的6種檢測方法，包括沖擊應(yīng)力波法、超聲波速法、共振法、聲發(fā)射、聲—超聲和層析成像技術(shù)[2]。賴菲等人闡述了圖像處理技術(shù)在木材表面變形上的應(yīng)用[3]。周小雷針對鎂板的平面度誤差開發(fā)了一種在線的系統(tǒng)測量[4]。近兩年，朱越驊等人利用三維激光對木材單板變形進(jìn)行測量[5]，該技術(shù)有效推進(jìn)了木材變形的無損檢測技術(shù)，目前正在實驗階段。

目前在木板出廠時對其變形檢測的有效手段，主要是依靠人工進(jìn)行目視檢測，這取決于技術(shù)人員的技術(shù)水平，過于主觀性且有著不可抗力的因素。對于私營企業(yè)的木材加工廠來說，購買的檢測設(shè)備良莠不齊從而達(dá)不到理想的出廠檢測效果。若將木材送到實驗室檢測，能夠精確測量出木材的各項數(shù)據(jù)，但測試價格昂貴，步驟繁瑣，運(yùn)輸困難，且會帶來不可避免的資源浪費(fèi)。

根據(jù)上述背景，提出一種新的方法或技術(shù)手段，用來替代傳統(tǒng)的目視檢測方法，并把它運(yùn)用于木材變形和木材檢測是非常有必要且迫切的。若該方法可行，能夠設(shè)計出一種輕便、速度快、精度高的裝置。其可應(yīng)用于木材的加工、出廠、建筑成品等各種場合，為當(dāng)前木材檢測提供一定的理論依據(jù)。

柔性壓力薄膜傳感器為柔性材料，可以任意彎曲和折疊，具有體積小、頻率響應(yīng)快、靈敏度高等特點，可以檢測位置信息、壓力分布及大小等信息。近年來，柔性薄膜壓力傳感器逐漸成為微、小尺度集成式測試領(lǐng)域的重要研究方向之一。其耐高低溫、實時檢測、多種類等突出優(yōu)勢，廣泛用于人工和生物智能、醫(yī)療、航天航空、土木、交通工程等各種場合，并且目前的技術(shù)手段已趨于成熟。

本文根據(jù)薄膜壓力傳感器的特點，設(shè)計出整體方案并擬將其應(yīng)用于木材檢測領(lǐng)域。根據(jù)其柔軟的特性，當(dāng)其輕觸于木材時產(chǎn)生良好狀態(tài)的信號反饋，且不會傷害木材表面，這也符合了木材無損檢測的理念。且由于其體積小、靈敏度高、輕便等特性，引入木材領(lǐng)域后能夠帶來更多的可能性。根據(jù)其結(jié)構(gòu)簡單、制作成本低和信號收集不復(fù)雜等優(yōu)點[6]，它能夠大規(guī)模地應(yīng)用在木板檢測領(lǐng)域。

1 薄膜傳感器檢測與電路分析

1.1 薄膜壓力傳感器的組成與工作原理

標(biāo)準(zhǔn)的柔性壓力傳感器一般是由一片敏感薄膜與一片柔性基底以及內(nèi)表鋪設(shè)導(dǎo)體及半導(dǎo)體組成[7]，其鋪設(shè)的導(dǎo)體及半導(dǎo)體中包含電極材料和互聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)線。

傳感器的工作原理是利用材料的壓阻效應(yīng)。通過壓力使惠斯頓電橋橋臂的電阻薄膜的幾何尺寸發(fā)生變形，阻值也發(fā)生變化。利用電路輸出和處理信號，最終完成了從非電信號到電信號的轉(zhuǎn)變，從而測出電壓變化。

惠斯通電橋輸出電壓如下

式中VIN為激勵電壓源，V ；VOUT為全橋輸出電壓，V；R1，R2，R3，R4為電阻，Ω。在實際生產(chǎn)中，為了便于計算，四個電阻的阻值相等。當(dāng)內(nèi)阻產(chǎn)生壓縮應(yīng)變，外阻產(chǎn)生拉伸應(yīng)變，則惠斯通電橋輸出電壓可簡化為

VOUT=VIN×Kε

(2)

式中K為電阻的靈敏系數(shù)，ε為整體電阻的應(yīng)變。

1.2 電路設(shè)計

電路的信號傳遞過程為：當(dāng)薄膜傳感器受到壓力形變而產(chǎn)生輸出信號時，通過信號調(diào)理電路，即電阻—電壓轉(zhuǎn)換模塊，將信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，再通過數(shù)據(jù)采集卡采集并處理接收到的信號。最終通過PC來收集和統(tǒng)計信號，運(yùn)用軟件將數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析解算出木材的變形程度。

1.3 電壓與形變量的關(guān)系

根據(jù)柔性壓力傳感器的性能可知，當(dāng)薄膜傳感器受壓時，其中心點產(chǎn)生最大形變量。如圖1所示，電壓與最大變形量呈近似線性關(guān)系。當(dāng)無壓力時，其中心點會產(chǎn)生約0.25 μm的變形量。故在同等壓力下，根據(jù)薄膜壓力傳感器產(chǎn)生的電信號值，通過程序來推斷出其產(chǎn)生的最大形變量，并利用數(shù)據(jù)處理、擬合及解算來表達(dá)木板的變形程度及平面度誤差值。

圖1 電壓與形變量關(guān)系

2 平面度檢測布局設(shè)計

本文擬定用已通過測試出廠后的木板來進(jìn)行實驗。將選定好規(guī)格為40 cm×24 cm的板材進(jìn)行網(wǎng)格化，先擬定成4行5列共20塊的小方格。根據(jù)傳感器的面積大小，本文本著節(jié)約、高效的原則，暫擬定用2只薄膜壓力傳感器來進(jìn)行實驗。而百分表的測量點和傳感器的排布方式是根據(jù)網(wǎng)格化后的交點或端點來確定的，該分布能夠更好保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可比較性，多次測量以求精準(zhǔn)解算出平面度。圖2分別為百分表和薄膜傳感器的測量圖。

圖2 實物圖

根據(jù)規(guī)劃好的木板，分別用百分表和薄膜傳感器進(jìn)行測量，并將百分表的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行估讀至小數(shù)點后3位，傳感器的測量數(shù)據(jù)則由其電壓與變形的關(guān)系進(jìn)行推算。數(shù)據(jù)如表1和表2。

表1 百分表數(shù)值

表2 薄膜傳感器數(shù)值

其中，在實際制作傳感器的過程中，由于工藝條件等的限制，當(dāng)傳感器未受壓力時，電路會產(chǎn)生微小輸出值。為盡可能確保平面度解算準(zhǔn)確，則將此時的值默認(rèn)為數(shù)據(jù)擬算時的零點，為后續(xù)的仿真及平面度的求解做好準(zhǔn)備。

3 數(shù)據(jù)處理與實驗分析

3.1 百分表數(shù)據(jù)求平面度

根據(jù)上述測得的數(shù)據(jù)，擬將隨機(jī)選取了9個數(shù)值點，并使其均勻分布在木板平面上，分別為0.150，0.070，0.060，0.050，0，0.090，0.120，0.040，0.010 mm。設(shè)列的旋轉(zhuǎn)量P，行的旋轉(zhuǎn)量為Q，根據(jù)對角線法，取數(shù)據(jù)中對角線(0.050，0.090)mm和(0.060，0.040)mm，并以第一列和第三行為列軸和行軸進(jìn)行軸旋轉(zhuǎn)，故平面度誤差為

f=|0.15|+|-0.03|=0.18 mm

(3)

式中f為平面度誤差，mm。

根據(jù)遠(yuǎn)三點法，取0.060，0.050，0.010 mm作為遠(yuǎn)三點，其平面度誤差為

f=|0.12|+|-0.017 5|=0.137 5 mm

(4)

根據(jù)最小包容區(qū)法，估計三個高點(0.150，0.090，0.120)mm和一個低點(0 mm)可能構(gòu)成符合最小包容區(qū)域法的三角形準(zhǔn)則。分別以第一列和第一行為軸旋轉(zhuǎn)后，符合三角形準(zhǔn)則的三高夾一低，可得平面度誤差為

f=|0.15-0.037 5|=0.112 5 mm

(5)

其中，圖3依次為對角線法、遠(yuǎn)三點法和最小包容區(qū)域法旋轉(zhuǎn)后所得數(shù)據(jù)。

圖3 三種不同方法

通過計算可知，三種方法的平面度依次為0.18，0.1375，0.112 5 mm，由平面度數(shù)值比較可知，最小包容區(qū)域法較優(yōu)其余兩種方法。

3.2 軟件數(shù)據(jù)解算求平面度

為保證實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和平面度數(shù)值的可比較性，將依據(jù)百分表選擇數(shù)據(jù)的同一位置來篩選出傳感器所測數(shù)值，分別為0.132,0.056,0.043,0.045,0.001,0.078,0.118,0.032,0.006 mm。

根據(jù)對角線法，取數(shù)據(jù)中對角線(0.045，0.078)mm和(0.043，0.032)mm，并以第一列和第三行為列軸和行軸進(jìn)行軸旋轉(zhuǎn)，故平面度誤差為

f=|0.137 5|+|-0.027|=0.164 5 mm

(6)

根據(jù)遠(yuǎn)三點法，取0.045，0.043，0.006 mm作為遠(yuǎn)三點，解得其平面度誤差為

f=|0.118|+|-0.007 25|=0.125 25 mm

(7)

其中，圖4依次往下為對角線法、遠(yuǎn)三點法旋轉(zhuǎn)后所得數(shù)據(jù)。

圖4 對角線和遠(yuǎn)三點法

根據(jù)上述方案，首先根據(jù)測量后的信號來直接地顯示出其測量點的位置。如圖5(a)為數(shù)據(jù)點的解算圖。將這些數(shù)據(jù)擬合成三維圖像，使其可視化，能夠更加直觀、實時的顯示出來板材的變形程度。圖5(b)為根據(jù)數(shù)據(jù)擬合圖。

圖5 數(shù)據(jù)點及擬合

用最小包容區(qū)域法評定平面度時，根據(jù)木材的變形程度，通過試湊法對其進(jìn)行多次旋轉(zhuǎn)和估計，得到不同的包容區(qū)域及平面度值，比較并篩選出理想的包容面及最小平面度值。圖6為最小包容區(qū)域解算圖。通過測試后的數(shù)據(jù)標(biāo)定，計算出其平面度為0.164 5,0.125 25,0.087 5 mm。由此看來，在此工況下，最小包容區(qū)域法更佳。

圖6 最小包容區(qū)域法解算

3.3 平面度數(shù)值比較

根據(jù)上述實驗結(jié)果，可將其整理成圖7。由圖7可知，薄膜傳感器測量的數(shù)據(jù)要較優(yōu)于百分表測量的數(shù)據(jù)，且最小包容區(qū)域法要大大地優(yōu)于其余兩種測量方法。由于薄膜傳感器自身工藝條件和實際使用工況的影響，其會存微小的誤差，但并不影響結(jié)果的對比。

圖7 平面度值對比

4 結(jié) 論

薄膜壓力傳感器在實際測量時可能存在著不可忽視的誤差，但根據(jù)實際對比發(fā)現(xiàn)，它能夠?qū)崿F(xiàn)對平面度的測量，在一定程度上具有參考價值，同時也證明了該方法的可行性。本文設(shè)計了一種新方法，對以后的快速檢測提供了技術(shù)支撐。本文方法對柔性測量木板提供了新方向，對其他領(lǐng)域的形狀誤差測量提出了新思路，并提高了木材檢測的可視化和自動化。