硅树脂介电弹性体位移检测软传感器的设计及实验研究

作     者：葛永 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵建文

授予年度：2016年

学科分类：08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0802[工学-机械工程] 

主      题：人体动作捕捉 介电弹性体 硅树脂 软传感器 电流积分法 

摘      要：近年来,对人体动作捕捉的需求在运动健身、人机交互等领域变得日益迫切,并且要求也越来越高。为了对高柔性多自由度的人体进行动作捕捉,通常要求检测系统具备高精度和可靠性、高柔性和灵活性、较强环境适应性和舒适美观等特点。目前,摄像捕捉、加速度陀螺仪和压阻传感等检测方式尚不能满足所有要求,而介电弹性体软传感器具有实现所有要求的巨大潜力。软传感器类似于柔性电容器,外力改变软传感器的形状会引起电容值的变化。根据此原理,可以制成拉伸、压缩、剪切等各种工作模式的软传感器。本文主要进行拉伸模式软传感器的研究。首先,对软传感器制备工艺进行研究。利用介电弹性体硅树脂的硬度可调、反应迅速、设计灵活等特性,进行软传感器的制备。本文针对不同的硅树脂特性设计了3套详细的薄膜制备方案,对制备模具、材料、工具和流程进行了系统的研究。为了制备出满足性能要求的柔性电极,设计了石墨弹性体复合电极制备工艺流程。通过对制备工艺的多次改进,成功设计出可供研究的软传感器。其次,建立了软传感器单轴拉伸状态的机电系统模型。模型对研究软传感器机理有很大的促进作用。利用传统的应变能函数模型对软传感器机械模型进行了推导,设计相关实验对模型参数进行拟合,最终选择Yeoh模型建立软传感器机械模型;然后利用理论和实验相结合的方法,建立了软传感器的电气模型;最后找出机械模型和电气模型的关联性,建立了软传感器机电系统模型。然后,设计出线性度误差0.3%的传感电路。由于柔性电极电阻的影响,使得常用的电容检测方法准确度很低。本文利用电流积分法设计出一种新型的电容检测电路,很好的抑制了电极电阻对检测精度的影响。通过模块化设计,完成了电路的原理分析、方案设计、电路调试和性能测试。最后,进行了软传感器的相关实验研究。通过实验,定量分析了工艺参数对固化薄膜性能的影响,给出了工艺最优化设计参数。搭建了测定软传感器性能的一维拉伸运动平台,对不同材料和尺寸结构的5种型号传感器进行研究。设计测定软传感器线性度、迟滞、重复性、灵敏度、稳定性和静态误差等性能参数的实验方法。