本發(fā)明涉及物體表面法向荷載、溫度檢測領(lǐng)域，特別涉及一種可同時檢測表面法向荷載和溫度雙參數(shù)的檢測系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在高速運動的設(shè)備(或工具)中，比如飛行器、船艦、高速行駛的車輛等，其外殼表面、螺旋槳表面、旋翼葉片表面等均與外界非穩(wěn)態(tài)流動介質(zhì)發(fā)生相互作用，物體與流動介質(zhì)的接觸表面的法向荷載隨時變化，影響機體結(jié)構(gòu)強度及空氣動力學(xué)特性。此外，由于高速運動時外殼表面與外界非穩(wěn)態(tài)流動介質(zhì)產(chǎn)生摩擦，表面溫度可能局部升高，影響設(shè)備安全運行。因此設(shè)備表面荷載及溫度變化對在上述的設(shè)備研究開發(fā)過程中的機械性能及安全性能評定或者設(shè)備運行過程中的狀態(tài)監(jiān)測都十分重要。此外，壓力和溫度雙參數(shù)感知的傳感系統(tǒng)在機器人觸覺傳感領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價值。

現(xiàn)有技術(shù)中，還沒有一種有效的檢測系統(tǒng)能夠同時準(zhǔn)確地體現(xiàn)被測表面的法向荷載和溫度分布。由于荷載/溫度-電學(xué)測量信號(如電阻、電容)為非線性映射關(guān)系，很難建立較完善的物理理論模型，并通過某種解析表達式進行表達。因此，需要提出一種新的檢測系統(tǒng)，準(zhǔn)確建立輸入與輸出之間的非線性映射關(guān)系，實現(xiàn)被測表面的法向荷載和溫度的雙參數(shù)傳感。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種表面法向荷載和溫度雙參數(shù)檢測系統(tǒng)，能夠同時實現(xiàn)表面的法向荷載、溫度分布的快速、準(zhǔn)確、可靠的描述，可用于設(shè)備表面法向荷載及溫度變化的實時監(jiān)測，利于實時掌握設(shè)備運行狀態(tài)。

本發(fā)明的表面法向荷載和溫度雙參數(shù)檢測系統(tǒng)，包括敏感單元、檢測電路單元和處理電路單元；

所述敏感單元包括具有壓敏和溫敏性質(zhì)的柔性MRE傳感層、設(shè)于柔性MRE傳感層上表面的上電極層和設(shè)于柔性MRE傳感層下表面的下電極層；所述上電極層設(shè)有多個導(dǎo)電薄片Ⅰ，導(dǎo)電薄片Ⅰ通過導(dǎo)線Ⅰ連接形成相互平行的行排列結(jié)構(gòu)；所述下電極層設(shè)有多個導(dǎo)電薄片Ⅱ，導(dǎo)電薄片Ⅱ通過導(dǎo)線Ⅱ連接形成相互平行的列排列結(jié)構(gòu)；導(dǎo)電薄片Ⅰ與導(dǎo)電薄片Ⅱ兩兩正對且平行，導(dǎo)線Ⅰ與導(dǎo)線Ⅱ相互垂直但不相交形成傳感陣列；

所述檢測電路單元包括行列選通電路及分別和行列選通電路連接的用于檢測電阻的電阻檢測電路及用于檢測電容的電容檢測電路；所述行列選通電路分別與上電極層的各導(dǎo)電薄片Ⅰ和下電極層的各導(dǎo)電薄片Ⅱ電氣連接，所述行列選通電路以行列掃描的方式逐點檢測傳感陣列的電阻、電容；

所述處理電路單元包括MCU，所述MCU的信號輸入端與電阻檢測電路的信號輸出端及電容檢測電路的信號輸出端相連，所述MCU的信號輸出端與行列選通電路的信號輸入端相連。

進一步，所述柔性MRE傳感層為一聚合物復(fù)合彈性體，所述聚合物復(fù)合彈性體由硫化橡膠、導(dǎo)電導(dǎo)磁顆粒及二氧化錳粉末混合均勻并液體固化而成；在所述聚合物復(fù)合彈性體中，導(dǎo)電導(dǎo)磁顆粒的體積分?jǐn)?shù)為20％-30％，二氧化錳粉末的體積分?jǐn)?shù)為1％-5％，余量為硫化橡膠。

進一步，所述上電極層和下電極層為設(shè)置電容電阻檢測電極層的單對電極結(jié)構(gòu)；所述檢測電路單元還包括用于切換電阻檢測與電容檢測的功能開關(guān)，所述功能開關(guān)設(shè)在行列選通電路與電阻檢測電路之間及行列選通電路與電容檢測電路之間，所述MCU的信號輸出端與功能開關(guān)的信號輸入端相連。或者，所述上電極層和下電極層為設(shè)有電容檢測電極層及電阻檢測電極層的雙對電極結(jié)構(gòu)，且在電容檢測電極層與電阻檢測電極層之間設(shè)有用于隔離的絕緣層；所述電阻檢測電極層與柔性MRE傳感層接觸。

進一步，所述敏感單元還包括設(shè)于上電極層上表面的上保護層和設(shè)于下電極層下表面的下保護層，且下保護層的下表面與被檢測物體的表面貼合。

進一步，所述上保護層和下保護層均采用絕緣橡膠、有機絕緣薄膜或者絕緣漆制成。

進一步，所述處理電路單元還包括顯示模塊，所述顯示模塊的信號輸入端與MCU的信號輸出端相連。

進一步，所述MCU采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型解耦被測對象的法向荷載與溫度數(shù)據(jù)，所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型以柔性MRE傳感層的檢測輸出電阻和電容作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸入層，以法向荷載和溫度作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸出層。

進一步，所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型多次測量檢測單元在不同溫度、法向荷載下的電阻、電容值，以此實驗數(shù)據(jù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練樣本集，使用反向傳播算法對網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和偏差進行反復(fù)的調(diào)整訓(xùn)練，使實際輸出值與期望值盡可能地接近，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)輸出層的誤差平方和小于指定的誤差時訓(xùn)練完成，保存網(wǎng)絡(luò)的連接權(quán)值和誤差。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明的表面法向荷載和溫度雙參數(shù)檢測系統(tǒng)，能夠同時實現(xiàn)表面的法向荷載、溫度分布的快速、準(zhǔn)確、可靠的描述，可用于設(shè)備表面法向荷載及溫度變化的實時監(jiān)測，利于實時掌握設(shè)備運行狀態(tài)。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步描述：

圖1為本發(fā)明的敏感單元陣列結(jié)構(gòu)圖；

圖2為單對電極結(jié)構(gòu)的敏感單元結(jié)構(gòu)縱向剖面圖；

圖3為雙對電極結(jié)構(gòu)的敏感單元結(jié)構(gòu)縱向剖面圖；

圖4為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖5為本發(fā)明的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行流程圖。

具體實施方式

如圖所示：本實施例的表面法向荷載和溫度雙參數(shù)檢測系統(tǒng)，包括敏感單元1、檢測電路單元和處理電路單元。

所述敏感單元包括兼具壓敏和溫敏性質(zhì)的柔性MRE傳感層11、固定于柔性MRE傳感層11上表面的上電極層12以及固定于柔性MRE傳感層11下表面的下電極層13，還包括起到絕緣和內(nèi)部結(jié)構(gòu)保護作用的上保護層14和下保護層15，上保護層14設(shè)于上電極層12上表面，下保護層15設(shè)于下電極層13下表面，且下保護層15的下表面與被檢測物體的表面貼合；MRE即磁流變彈性體(Magneto-rheological elastomer)。兼具壓、溫敏性質(zhì)的柔性MRE傳感層11為一定比例混合均勻的橡膠和導(dǎo)電導(dǎo)磁顆粒復(fù)合彈性體，常溫下固化成各向同性MRE傳感層或常溫下在磁場中固化后形成內(nèi)部顆粒預(yù)結(jié)構(gòu)化MRE傳感層；該材料具有較好的壓阻特性、溫敏電阻特性以及壓致電容特性，并在其中添加具有溫敏電阻特性的二氧化錳粉末，增強MRE傳感層的電阻溫度敏感特性，而其壓容特性基本不受溫度影響；柔性MRE傳感層11具有防水、穩(wěn)定以及耐腐蝕特性，其機械特性、電學(xué)特性可以根據(jù)顆粒含量、預(yù)結(jié)構(gòu)化磁場強度實現(xiàn)調(diào)節(jié)；上保護層用于隔離外界干擾對本系統(tǒng)的干擾，而下保護層用于被測表面對本系統(tǒng)的干擾；上保護層、下保護層可采用絕緣橡膠、有機絕緣薄膜或者絕緣漆等材料制成。

本實施例中，所述上電極層設(shè)有多個導(dǎo)電薄片Ⅰ，導(dǎo)電薄片Ⅰ通過導(dǎo)線Ⅰ連接形成相互平行的行排列結(jié)構(gòu)；所述下電極層設(shè)有多個導(dǎo)電薄片Ⅱ，導(dǎo)電薄片Ⅱ通過導(dǎo)線Ⅱ連接形成相互平行的列排列結(jié)構(gòu)；導(dǎo)電薄片Ⅰ與導(dǎo)電薄片Ⅱ兩兩正對且平行；行排列結(jié)構(gòu)、列排列結(jié)構(gòu)均為鏈狀結(jié)構(gòu)，以形成行輸出和列輸出；上電極層的導(dǎo)電薄片Ⅰ鏈與下電極層的導(dǎo)電薄片Ⅱ鏈兩兩相互垂直但互不相交，即在空間上具有垂直關(guān)系，但二者具有間隔；其中，導(dǎo)電薄片Ⅰ、導(dǎo)電薄片Ⅱ與導(dǎo)線Ⅰ、導(dǎo)線Ⅱ采用相同的材料制備，例如導(dǎo)電膠、導(dǎo)電薄膜等材料，該類型具有良好的貼覆性，可提高與橡膠的結(jié)合度，利于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

本實施例中，所述檢測電路單元包括行列選通電路及分別和行列選通電路連接的用于檢測電阻的電阻檢測電路及用于檢測電容的電容檢測電路；所述行列選通電路分別與上電極層的各導(dǎo)電薄片Ⅰ和下電極層的各導(dǎo)電薄片Ⅱ電氣連接，所述行列選通電路以行列掃描的方式逐點檢測傳感陣列的電阻、電容；

本實施例中，所述處理電路單元包括MCU(即微處理器)、顯示模塊以及必要的系統(tǒng)支持電路，所述MCU的信號輸入端與電阻檢測電路的信號輸出端及電容檢測電路的信號輸出端相連，所述MCU的信號輸出端與行列選通電路的信號輸入端相連；顯示模塊可顯示MCU處理后得到的法向荷載/溫度分布圖像。

如圖2所示，所述上電極層12和下電極層13均可為設(shè)置電容電阻檢測電極層的單對電極結(jié)構(gòu)；此時，所述檢測電路單元還包括用于切換電阻檢測與電容檢測的功能開關(guān)，所述功能開關(guān)設(shè)在行列選通電路與電阻檢測電路之間及行列選通電路與電容檢測電路之間，所述MCU的信號輸出端與功能開關(guān)的信號輸入端相連；通過功能開關(guān)分別檢測正對電極對處的電阻、電容值。

或者，如圖3所示，所述上電極層12和下電極層13均可為設(shè)有電容檢測電極層1a及電阻檢測電極層1b的雙對電極結(jié)構(gòu)，且在電容檢測電極層與電阻檢測電極層之間設(shè)有用于隔離的絕緣層1c，所述電阻檢測電極層與柔性MRE傳感層11接觸；從而可同步檢測電阻、電容值，其中，電阻檢測電極層與電容檢測電極層之間用絕緣層隔絕以防信號串?dāng)_。

為了使本系統(tǒng)能夠穩(wěn)固地貼敷于被測表面，所述敏感單元可通過如下步驟制成：

S1.在模具中注入液態(tài)下保護層并固化成形；其中，下保護層可以采用絕緣漆、絕緣橡膠，下保護層的厚度為1-2mm，既能夠保證本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，又不會影響檢測精度；

S2.布置下電極層，導(dǎo)電極片優(yōu)選導(dǎo)電薄膜如FPC等材料作為電阻、電容檢測電極；采用單對電極敏感單元結(jié)構(gòu)時，在下保護層上布置電阻電容下電極層，將電阻電容下電極層的各導(dǎo)電薄片Ⅰ通過細(xì)導(dǎo)線Ⅰ連接成相互平行的鏈狀結(jié)構(gòu)，下電極層只有一層，為電阻和電容檢測連接共用；或者，在采用雙對電極敏感單元結(jié)構(gòu)時，在下保護層上布置電容檢測下電極層，將電容檢測下電極層的各導(dǎo)電薄片Ⅰ通過細(xì)導(dǎo)線Ⅰ連接成相互平行的鏈狀結(jié)構(gòu)；在電容檢測下電極層上方敷設(shè)絕緣層，以減小電阻和電容檢測信號的串?dāng)_；在絕緣層上方布置電阻檢測下電極層；

S3.在下電極層上方注入液態(tài)壓、溫敏性質(zhì)的柔性MRE傳感層11并固化成型；該壓、溫敏性質(zhì)的柔性MRE傳感層11采用20％-30％體積分?jǐn)?shù)的導(dǎo)電導(dǎo)磁顆粒(如鎳粉、銀包覆鎳粉等)填充室溫硫化橡膠，在其中添加適量(1％-5％體積分?jǐn)?shù))具有溫敏電阻特性的二氧化錳粉末，增加敏感層的電阻溫度敏感特性，其壓容特性基本不受溫度影響；所有材料混合攪拌均勻后注入模具(此時為液態(tài)粘稠狀)，室溫下固化做成各向同性壓、溫敏MRE傳感層或室溫下置于磁場中固化形成顆粒預(yù)結(jié)構(gòu)化的壓、溫敏MRE傳感層；在磁場中凝固成型的顆粒預(yù)結(jié)構(gòu)化的壓、溫敏MRE傳感層，其壓敏電阻特性、壓敏電容特性的靈敏度較高，而且結(jié)構(gòu)穩(wěn)固；柔性MRE傳感層11的厚度為1-3mm；

S4.在柔性MRE傳感層11凝固成型后，在其上方布置上電極層，其布置方式與下電極層的布置方式相同。采用單對電極敏感單元結(jié)構(gòu)時，在MRE傳感層上布置上電極層，上電極層只有一層，為電阻和電容檢測連接共用，上電極層通過導(dǎo)線連接成鏈與下電極層鏈形成相互垂直的行或列式排列結(jié)構(gòu)；或采用雙對電極敏感單元結(jié)構(gòu)，其布置方式與雙對電極敏感單元結(jié)構(gòu)下電極層的布置方式相同，但順序不同：電阻檢測電極層緊貼于MRE傳感層之上，再敷設(shè)絕緣層，然后在絕緣層上布置電容檢測電極層；另外，電阻檢測上電極層通過導(dǎo)線連接成鏈與電阻檢測下電極層鏈形成相互垂直的行列式排列結(jié)構(gòu)；電容檢測上電極層通過導(dǎo)線連接成鏈與電容檢測下電極層鏈形成相互垂直的行列式排列結(jié)構(gòu)；

S5.在上電極層上方涂敷與下保護層材料相同的上保護層。

本實施例中，行列選通電路以及功能開關(guān)可采用電子開關(guān)、MOS管等器件構(gòu)成；電阻檢測電路、電容檢測電路由電子器件等搭建或采用集成的IC芯片實現(xiàn)電阻、電容的檢測。

本實施例中，MCU采用STM32或采用DSP數(shù)字處理芯片，通過I/O口控制行列選通電路與功能開關(guān)、讀取電阻值、電容值，并采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等算法解耦被測對象的法向荷載與溫度數(shù)據(jù)。

如圖5所示，所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型以柔性MRE傳感層11的檢測輸出電阻和電容作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸入層，以法向荷載和溫度作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸出層。

如圖6所示，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型需要多次測量檢測單元在不同溫度、法向荷載下的電阻、電容值，以此實驗數(shù)據(jù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練樣本集，使用反向傳播算法對網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和偏差進行反復(fù)的調(diào)整訓(xùn)練，使實際輸出值與期望值盡可能地接近，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)輸出層的誤差平方和小于指定的誤差時訓(xùn)練完成，保存網(wǎng)絡(luò)的連接權(quán)值和誤差。具體步驟如下：

第一步，初始化，隨機給定各初始連接權(quán)，設(shè)定激活函數(shù)和誤差函數(shù)，給定計算精度值和最大訓(xùn)練次數(shù)；

第二步,隨機選取訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)，根據(jù)連接權(quán)值、激活函數(shù)計算輸出層的實際輸出值；

第三步，利用網(wǎng)絡(luò)期望輸出值和實際輸出值計算新的連接權(quán)和誤差；

第四步，判斷網(wǎng)絡(luò)誤差是否滿足要求。當(dāng)誤差達到預(yù)設(shè)精度或訓(xùn)練次數(shù)大于設(shè)定的最大次數(shù)，結(jié)束算法。否則，選取下一個訓(xùn)練樣本及對應(yīng)的期望輸出，返回到第二步，進入下一輪訓(xùn)練。

處理電路單元根據(jù)采集的各點的檢測電阻和電容值，經(jīng)過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型求解出對應(yīng)各點的法向荷載和溫度，并通過多項式插值等算法計算出連續(xù)的法向荷載與溫度分布，然后在顯示模塊(如顯示器)或者上位機中繪出被測表面的法向荷載和溫度分布。

通過上述結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)能夠?qū)υO(shè)備(或工具)表面法向荷載及溫度變化進行檢測并輸出，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型解耦進而能夠得出準(zhǔn)確的表面法向荷載、溫度分布，利于產(chǎn)品的研究開發(fā)或設(shè)備運行過程中的狀態(tài)監(jiān)測；而且能夠適應(yīng)于不同的被測表面，適應(yīng)性強。

最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。