仿生濕吸二維微力傳感器設計與試驗研究*

何 斌， 蔡 蜜， 王 昆

(1．同濟大學 電子信息工程學院，上海 201804； 2.同濟大學 機械工程學院，上海 201804)

0 引 言

自然界進化出一些具有超強爬壁黏附能力的動物，它們能在任意角度的表面(如垂直表面，甚至天花板)自由爬行，在爬行過程中它們的腳掌與爬行表面之間的吸附力由法向吸附力和切向吸附力兩部分組成[1]。因此，研制一種能同時進行垂直方向的粘著力測試、水平方向的摩擦力測試以及二維運動中的粘著力和摩擦力的測試的二維力傳感器測試系統很有必要。本文主要介紹了電阻應變式傳感器的結構設計、有限元分析、標定以及傳感器測試系統設計。

1 傳感器結構與傳感器陣列

電阻應變式傳感器由彈性體、電阻應變敏感元件及變換電路組成。研制的“L”型二維微力傳感器的彈性體如圖1所示。

傳感器彈性體的水平梁的一端為開有一螺絲孔的凸體，用于傳感器的固定。凸體的下端比水平梁突出2 mm，可以用于限位。傳感器陣列上方(垂直梁的頂端的小方塊處)的結構設計可以滿足大的測試平面完成，適用于體型大、質量輕的爬行動物的測試，也可適用于小體型爬行動物長距離爬行運動的觀察與測試。

用硬鋁合金一次加工成型的彈性體，加工過程中采用線切割工藝。電阻應變敏感元件采用金屬箔式應變計，將2組應變計排布在梁上應力集中的區域，即垂直梁上位置和水平梁上的腰型孔薄壁位置，如圖2所示，分別用于測量被測力的2個分量(Fx，Fy)。采用腰型孔薄壁使貼片位置的局部應力水平明顯提高；同時用于減輕彈性體的質量，減小傳感器重力對測量結果的影響[2]。垂直梁和水平梁上的應變計的變換電路采用惠斯登全橋電路連接方式。當外加力載荷作用在該結構的彈性體時，彈性體發生變形，安裝在彈性體上的電阻應變敏感元件的阻值將隨之變化，接著由變換電路將電阻變化轉換為電壓的變化，根據電壓的變化即可得知所加力載荷的大小。

圖1 傳感器彈性體

圖2 傳感器實物圖

2 有限元分析

在Solidworks三維軟件中進行二維微力傳感器彈性體的實體建模，初步進行應力分析，得到最佳模型后再導入到ANSYS有限元軟件進行精確的有限元分析[3]。由ANSYS自由網絡劃分對整體進行網絡劃分，腰型孔薄壁這塊應力集中區域則采用智能網絡劃分進行網格細分得到更精確的解[4]。

彈性體是通過底座的1個螺釘固定在基座上，彈性體與基座之間認為是剛性連接且將底面的全部自由度設置為零。在測試平臺中心點處施加力載荷進行求解，得到應力、應變等值線或曲線圖，通過分析，了解應力、應變的分布狀況。

采用ANSYS后處理器提供的路徑映射技術確定的貼片位置。ANSYS后處理器的路徑映射技術一個強大的功能就是能夠把計算出的結果數據(如應變結果)映射到模型中的任意路徑上[5]。在坐標系中選擇2個定義端點的節點定義路徑。采用圖形的方式觀察結果項沿路徑的變化情況(圖3、圖4)。通過在測試平臺中心點處施加沿X，Y方向的力載荷，分別確定水平梁和垂直梁上的最佳貼片位置。

圖3 沿X方向的受力分析情況

圖4 沿Y方向的受力分析情況

3 二維傳感器的標定

當某一力分量某方向輸入量作用在傳感器上時，可能會產生其他力分量方向的輸出信號即產生維間耦合誤差，為了消除或減小維間耦合誤差，提高測試精度，需要對傳感器進行標定實驗[6]。標定就是建立力與電壓之間的線性關系，通過加載已知砝碼，得出與其對應的電壓。這樣，傳感器在測試過程中加載未知力時，就能求解出輸出電壓。

二維力傳感器標定系統主要由加載臺、二維力傳感器、砝碼、計算機、信號放大和數據采集器以及直流電源組成。標定矩陣表達了二維力傳感器輸入與輸出的線性關系。由于存在維間耦合，橋路輸出電壓與力的關系為

依次在X,Y方向上施加一組已知的定值載荷并同時記錄X,Y方向橋路的輸出電壓值。得到2組4條F-U特性曲線(X方向加載砝碼時，X,Y方向的輸出電壓變化曲線；Y方向加載砝碼時，X,Y個方向的輸出電壓變化曲線)。X方向施力時，Fy=5.01x-0.031;Fx=0.62x+0.003；Y方向施力時，Fx=3.51y-0.021;Fy=0.24y+0.001。

特性曲線經過最小二乘法擬合，得到F-U特性曲線的斜率k1,k2,k3,k4,也就是對應標定系數矩陣中對應的系數，從而得到標定系數矩陣C為

4 傳感器測試系統設計

研制的測試系統主要針對測量小體重爬行動物(例如:昆蟲)，爬行時足掌與接觸表面的接觸力，研究接觸力的變化規律和如何實現吸附、脫附。該傳感器陣列測試系統由二維微力傳感器陣列、力加載臺、信號調理電路、數據采集卡、測試分析軟件軟件(圖形顯示、數據保存)等幾個模塊組成(圖5)，可實時采集、觀測爬行運動時接觸力的變化情況。

圖5 測試系統組成

測試系統由軟件和硬件部分組成。系統軟件具有數據采集、存儲、顯示功能。硬件部分則由二維力傳感器、力加載臺、信號調理電路、數據采集卡組成。當測量對象在接觸傳感器陣列時，傳感器感應產生的電壓信號經過信號調理電路整理，進入數據采集卡進行 A/D 轉換，由系統軟件執行數據整理、存儲和顯示。基于Visual C語言開發的數據處理軟件主要包括基于足墊運動的測量和力加載臺的運動測量2個模塊。

5 傾斜微結構濕吸力測試試驗

圖6為傾斜足墊及其接觸表面和微結構圖。

首先，采用微細電火花線切割加工制造微米尺度變截面金屬溝槽，在微溝槽中澆鑄聚氨酯制造濕吸足墊。

在測試之前，在接觸表面上涂抹一滴水，2 min后擦拭(用以形成10 μm以內的液膜的厚度)。在濕吸足墊垂直方向上，以10 mm/s速度慢慢地像接觸表面靠近，讓足墊與接觸表面直接達到一定的預壓力;然后足墊以不同的速度、以相反的方向脫離接觸表面。在整個測試過程中，微力傳感器一直在測試微力信號。

在相對濕度50 %RH，無水膜條件下，對不同預壓力下的黏附力進行測試。結果如圖7所示，無論是法向黏附力還是摩擦力，均隨預載增加而增加，并在一定范圍內保持線性關系。吸附力的增加主要原因是接觸面積的增加。

圖6 傾斜足墊、足墊接觸表面和傾斜足墊的微結構

圖7 不同預壓力下的濕吸力

6 結束語

本文主要介紹了電阻式二維微力傳感器的結構設計、有限元分析、標定。該傳感器的L型的懸臂梁結構，采用應力集中原則，大大提高了應力水平。通過砝碼式標定矩陣標定測試表明：該傳感器量程為±1 N，分辨力優于1 mN。同時，不同預壓力下的濕吸力測試試驗也驗證了傳感器和測試系統的可靠性。

參考文獻:

[1] 何 斌,周 群,岳繼光，等.動物吸附機制的理論研究及應用現狀[J].同濟大學學報：自然科學版,2007,35(6):806-810.

[2] 朱超甫,陳虎平,劉 哲，等.測力傳感器設計的應力集中原則[J].傳感器世界,2001,7(12):21，22-24.

[3] 何 青.利用Solidworks提高ANSYS有限元分析效率[J].化工設備與管道,2013,50(5):24-27.

[4] 王明強,朱永梅,劉文欣，等.有限元網格劃分方法應用研究[J].機械設計與制造,2004(1):22-24.

[5] 胡曉倫,陳艾榮.ANSYS路徑映射技術在結構分析中的應用[J].交通與計算機,2004,22(3):86-89.

[6] 金振林,岳 義.Stewart型六維力傳感器的靜態解耦實驗[J].儀器儀表學報,2006,27(12):1715-1717.