[发明专利]基于电活性高弹体聚合物的位移传感器

说明书

本发明公开了一种基于电活性高弹体聚合物的位移传感器；包括信号生产与调理装置、第一连接电极、传感器装置、第二连接电极以及信号反馈与检测装置。所述传感器装置为多层结构，自上而下包括：保护层、柔性电极层、电活性高弹体聚合物层、柔性电极层和保护层；传感器装置具有大的长宽比和薄层厚度。本发明结构简单，制作方便，材料和结构参数选择灵活，可适用不同的工况需求,具有全柔性特点,可以用于人工肌肉、人造器官、人体运动功能检测，可穿戴设备和医疗康复等领域。

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体是一种基于电活性高弹体聚合物的位移传感器。

背景技术

随着软体机器人技术的发展，传统意义上的刚性驱动和传感技术无法满足要求。软机器人广泛采用弹性或粘弹性材料元件，具有无限自由度运动和连续变形的能力，可在大范围内任意改变自身形状和尺寸。如何设计柔性的传感器测量软驱动器和机器人的位移变化是当前研究的一大热点和挑战。

经过对现有技术文献的检索发现，中国申请号为201410803826.1，名称为“压入式介电高弹体压力传感器”，和中国申请号为201510142816.2，名称为“基于电活性聚合物的分布式柔性压力传感器”的专利，发明了两种柔性传感器。但这两项发明中，只涉及压入式的压力传感器的设计，平面上一般都是正方形的构型，无法用于实现位移测量。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于电活性高弹体聚合物的位移传感器，通过设定特定的长宽比和厚度方向上的约束，检测长度方向的位移变化，实现位移测量。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种基于电活性高弹体聚合物的位移传感器，包括信号生产与调理装置、第一连接电极、传感器装置、第二连接电极以及信号反馈与检测装置；所述信号产生与调理装置通过第一连接电极与传感器装置一端相连，所述信号反馈与检测装置通过第二连接电极与传感器装置另一端相连；所述传感器装置为长方体的多层结构，自上而下包括：柔性电极层、电活性高弹体聚合物层、柔性电极层；所述电活性高弹体聚合物层在受到电压或者外部位移运动产生的应力时长度会变形伸长。传感器装置为一种具有大长宽比和薄层厚度的长方体结构。柔性电极层均匀覆盖于电活性高弹体聚合物层的上下表面。

优选地，所述传感器装置的长宽比在10～20，厚度在1mm以内。

优选地，所述传感器装置的长宽比为10～15，厚度为0.2～1mm。

所述的长宽比限定在10～15这个范围是为了保证，传感器在使用中，主要通过测量阻抗或容抗的变化，来反应长度方向的位移变化，忽略在宽度方向上的影响。所述的厚度在0.2～1mm范围内，传感器的检测灵敏度或者说精度能得到较好的保证，可以达到很好的性能。

优选地，所述传感器装置的柔性电极层外侧还设置有保护层。其功能在于防止柔性电极层直接暴露于外界，同时便于安装于不同的应用场合。

优选地，所述保护层的材料为软且可跟人体接触的材料。

优选地，所述第一连接电极和第二连接电极与传感器装置的柔性电极层相连。

优选地，所述柔性电极层的弹性模量比所述电活性高弹体聚合物层的弹性模量低一个数量级，所述柔性电极层的厚度应比所述电活性高弹体聚合物层的厚度低2个数量级。所述的传感器装置中的柔性电极层具有薄、非常柔顺、可导电的特性，其弹性模量需要远小于电活性高弹体聚合物层的弹性模量，其厚度需要远低于电活性高弹体聚合物层的厚度，保证在拉伸过程中，不会在柔性电极层中产生应力或者局部出现非导电现象。电活性高弹体聚合物层为一种软材料的薄膜结构，与柔性电极层整体一起构成一电容器的功能，当电活性高弹体聚合物层的薄膜结构在受到电压或者外部位移运动产生的应力时会产生柔顺大变形，形成传感功能。