曲率传感器——传感器（三）

曲率传感器

本期推文对课题组前期曲率传感器相关的工作进行介绍，具体文章见（Adhesion-Free Thin-Film-Like Curvature Sensors Integrated on Flexible and Wearable Electronics for Monitoring Bending of Joints and Various Body Gestures），主要完成人刘浩等，附录部分曲率传感器设计由国栋完成，希望对大家有所帮助~

本方案采用的柔性曲率传感器属于电阻式应变传感器，通过特定的结构设计实现弯曲变形的准确测量，传感器的尺寸和量程均可根据需求定制，从而满足不同尺度的测量要求，其主要的优点如下：结构简单可靠，加工工艺在应变片基础上进行改进，制作加工成本低；使用方便，测量时只需贴附在被测物体表面，接出四根引线到相应的信号采集系统即可，😄~

附录：补充材料

1、柔性曲率传感器巧妙地利用了在平截面假设的前提下，上下表面的应变之差与曲率成正比的这一基本原理，具体推导过程如下所示：

传感器处于纯弯曲状态时，位于中间层两侧的敏感元件发生相应的形变，其电阻随即发生相应的变化，其曲率k可以表述为：

其中，t 为中间层的厚度，εtop及εbottom为分别为顶层和底层敏感栅的应变；对于曲率传感器，电阻变化率与应变之间的关系为：

则曲率与电阻变化率之间的关系为：

通过搭接电桥，实现曲率传感器电阻变化量与电学信号的转换，具体如下所示：

曲率传感器实际测试中，R=R1=R2=120Ω，R3=R4=1000 Ω，即半桥电路的输出电压 Um 为：

即：

2、柔性曲率传感器加工完成后，需要相应的指标检验传感器的优劣，本部分通过特定的实验，验证传感器的量程和分辨率能否达到项目要求，主要用到的设备有：1. RIGOL稳压电源；2. Keysight多通道数据采集器；3. 高精度标准电阻1000Ω；4. 固定曲率的亚克力圆柱，具体试验结果如下所示：

量程又称“满度值”，表征传感器或系统所能承受最大输入量的能力，数值上等于传感器上下限之差的模，当输入量在量程范围内时，测试系统正常工作，从图中可以看出，柔性曲率传感器的输出信号和曲率成线性关系，该现象与平截面假设前提下的理论预测结果相一致，具有极高的测试精度。

分辨率表述为系统在规定测量范围内所能够检测出输入量的最小变化量，从实验结果可知，该传感器能够对不同曲率半径做出差异化响应，具有较高的测试精度。

附：曲率传感器现状：对于曲率测量方面，目前工业界已发展出若干种测量方法，然而都具有相应的弊端，例如：基于应变传感器对弯曲变形进行测试时需要传感器与待测物体完美粘合，界面处一旦产生滑动，测试结果将变得毫无意义；基于非接触式的光学方法设计的传感器（光栅测量、激光测距、激光干涉和图像分析等），设计制作成本比较高，使用范围有一定的局限性；