本發(fā)明屬于柔性傳感器的檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種柔性傳感器的變形檢測裝置及方法。

背景技術(shù)：

近年來，柔性電子技術(shù)正在飛速地應(yīng)用于信息、能源、醫(yī)療和國防等領(lǐng)域。據(jù)預(yù)測，柔性電子產(chǎn)品的市場將會從2016年的265億美金增加到2026年的690億美金。作為柔性電子技術(shù)中的重要組成部分，柔性傳感器是近年來科學(xué)研究中的熱門領(lǐng)域。在功能上，柔性傳感器使用了極薄的壓電材料、半導(dǎo)體材料、有機材料和金屬材料，實現(xiàn)了植入式或可穿戴的人體健康檢測、汽車電子和機器人傳感器等方面的應(yīng)用。在光電傳感器領(lǐng)域，柔性電子技術(shù)也有著大量的應(yīng)用，然而絕大多數(shù)的柔性光電傳感器并不具備延展性，無法順應(yīng)地覆蓋任何復(fù)雜的曲面。實現(xiàn)任意復(fù)雜曲面的集成還需要依靠柔性可延展的光電傳感器。柔性可延展電子器件為新一代半導(dǎo)體器件的發(fā)展提供了新方向。柔性可延展電子器件具有許多重要的和新興的應(yīng)用,如柔性顯示器、半球形電子眼數(shù)碼相機、智能外科手套、健康監(jiān)測設(shè)備和柔性太陽能電池。

柔性光電傳感器使用了可延展的金屬導(dǎo)線將不同測量單元連接成復(fù)雜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。這些柔性光電傳感器陣列在剛性平面基底上完成加工，通過轉(zhuǎn)印的方法轉(zhuǎn)移到平面柔性基底上?；淄ㄟ^機械變形，如使用液體填充改變基底的曲率或使用預(yù)拉伸的方法將拉伸平面的曲面釋放獲得原有曲面形式。曲面柔性可延展傳感器加工取得了顯著的進展，相應(yīng)的檢測技術(shù)也急需同步發(fā)展。然而現(xiàn)有檢測技術(shù)，在從整體和細節(jié)上，均不易檢測柔性可延展傳感器在不同壓力下條件下形變情況，無法有效地檢測柔性可延展傳感器變形情況，因此提供一種柔性可延展傳感器的形變檢測裝置及方法，很有必要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于解決上述的技術(shù)問題而提供一種柔性傳感器的變形檢測裝置及方法。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種柔性傳感器的變形檢測裝置，包括：

壓力控制系統(tǒng)，包括壓力控制器及微泵，安裝在樣品池與儲液器的液體輸送管路中；樣品池上方有由柔性傳感器與可延展基膜構(gòu)成的可延展復(fù)合薄膜的安裝口；

二維移動系統(tǒng)，包括用于放置樣品池的二維載物臺以及使二維載物臺移動的步進電機；

顯微成像測量系統(tǒng)，包括可垂直升降調(diào)節(jié)的顯微鏡頭，安裝在樣品池正上方，并與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)相連接；

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，用于根據(jù)二維載物平臺及顯微鏡頭的位移數(shù)據(jù)，輸出可延展復(fù)合薄膜在不同壓力情況下不同位置的輪廓曲線及曲線的曲率，獲得曲線與壓力的關(guān)系。

所述顯微鏡頭連接微距調(diào)節(jié)器，所述微距調(diào)節(jié)器連接數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)為圖像處理計算機。

所述步進電機連接步進電機控制器，所述步進電機控制器連接所述圖像處理計算機。

所述微泵連接微泵控制器。

本發(fā)明的目的還在于提供所述柔性傳感器的變形檢測裝置的檢測方法，包括以下步驟：

S1：安裝二維載物臺，調(diào)整底座水平高度，使二維載物臺保持水平；

S2：選取需要進行測試的柔性傳感器，貼合于柔性可延展基膜上形成可延展復(fù)合薄膜；

S3：連通儲液池和微泵，再連接壓力控制器，最后連接樣品池，儲液池、微泵，壓力控制器與樣品池中間用液體輸送管連接，并把儲液池中的液體輸送進樣品池，保證整個過程密封性好；

S4：將被測的可延展復(fù)合薄膜安裝到樣品池上膜安裝口，通過壓力控制器使可延展復(fù)合薄膜兩側(cè)壓力大小相等；

S5：安裝樣品池到二維載物臺上；

S6：接通步進電機控制器和步進電機，并連接步進電機到二維載物臺并通過電機手輪，或者步進電機控制器調(diào)節(jié)二維載物臺到初始位置；

S7：安裝顯微鏡頭連接到微距調(diào)節(jié)器，再連接微距調(diào)節(jié)器到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，調(diào)節(jié)顯微鏡頭的焦距，再通過微距調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)顯微鏡頭高度使顯微鏡頭能夠觀察到可延展復(fù)合薄膜清晰的像，取此時顯微鏡頭高度為基準(zhǔn)零點；

S8：連接步進電機控制器和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，使步進電機控制器可正常返回步進電機位移數(shù)據(jù)給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；

S9：通過壓力控制器增大可延展復(fù)合薄膜內(nèi)側(cè)壓力，使可延展復(fù)合薄膜凸起一定高度，記錄下壓力大?。?/p>

S10；調(diào)節(jié)微距調(diào)節(jié)器，使顯微鏡頭重新觀察到薄膜清晰的像，記錄下鏡頭可觀察到清晰像時的上極限位置、下極限位置，取上極限位置、下極限位置的中值為測量值；

S11：通過步進電機控制器控制二維載物臺移動，改變可延展復(fù)合薄膜的空間位置，先保持一維方向不變，再按每次前進1毫米改變另一維的位置，重復(fù)S8，記錄下此時觀察點相對于初始位置的坐標(biāo)；

S12：通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)處理，描繪出不同壓力情況下，不同位置的輪廓曲線，并求出曲線的曲率。

本發(fā)明通過將二維載物臺和顯微鏡頭豎直移動結(jié)合在一起，基于二維載物臺二維移動，配合豎直移動的顯微鏡頭掃描薄膜外形輪廓，由微泵與壓力控制器線性改變并穩(wěn)定保持可延展復(fù)合薄膜受到的壓力，實現(xiàn)了從整體和細節(jié)上可觀察柔性可延展復(fù)合薄膜的變形情況，從而給出被觀測點的相應(yīng)空間坐標(biāo)，最終由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)處理得到柔性可延展復(fù)合薄膜在不同壓力下的輪廓曲線及曲率半徑，解決了現(xiàn)有技術(shù)不能從整體和細節(jié)上檢測柔性可延展傳感器在不同壓力下形變情況的不足。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的柔性傳感器的變形檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中：1-儲液池；2-微泵；3-壓力控制器；4-樣品池；5-液體輸送管；6-顯微鏡頭；7-數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；8-微距調(diào)節(jié)器；9-二維載物臺；10-步進電機控制器；11-步進電機；12-手輪；13-可延展基膜；14-柔性傳感器。

具體實施方式

下面，結(jié)合實例對本發(fā)明的實質(zhì)性特點和優(yōu)勢作進一步的說明，但本發(fā)明并不局限于所列的實施例。

參見圖1所示，一種柔性傳感器的變形檢測裝置，包括：

所述壓力控制系統(tǒng)包括壓力控制器3，壓力控制器3的出液口與樣品池4的入液口通過輸液管相連接，所述壓力控制器3的進液口通過管路連接微泵2的出液口，微泵2的進液口通過液體輸送管5連接儲液器1的出液口；所述樣品池4的上方的膜安裝口設(shè)有可延展基膜13，所述可延展基膜13的上表面貼有被測的柔性傳感器14；

所述二維移動系統(tǒng)包括二維載物臺9以及步進電機11，所述樣器池4放置在所述二維載物臺9上，步進電機11控制二維載物臺9進行二維移動；

所述顯微成像測量系統(tǒng)包括可垂直升降調(diào)節(jié)的顯微鏡頭6，安裝在樣品池6的正上方，所述顯微鏡頭6與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)7相連接，可將觀察到的由柔性傳感器及可延展基膜形成的可延展復(fù)合薄膜的圖像傳送到所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)7；

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，用于根據(jù)二維載物平臺及顯微鏡頭的位移數(shù)據(jù)，輸出可延展復(fù)合薄膜在不同壓力情況下不同位置的輪廓曲線及曲線的曲率，獲得曲線與壓力的關(guān)系。

需要說明的是，本發(fā)明中，所述顯微鏡頭6可以是通過連接桿安裝在一個微距調(diào)節(jié)器8上，用于調(diào)節(jié)所述顯微鏡頭6的垂直位置，所述微距調(diào)節(jié)器8安裝在一個支撐裝置上，并與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)7相連接，微距調(diào)節(jié)器8可返回給顯微鏡頭6的位移調(diào)節(jié)參數(shù)給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)7。

所述微距調(diào)節(jié)器8可以采用現(xiàn)有技術(shù)中的微距調(diào)節(jié)裝置來實現(xiàn)。

本發(fā)明中，所述微泵用于改變樣品池4內(nèi)液體的壓力使樣品池上的可延展復(fù)合薄膜不同程度的形變，如凸起或下凹；所述壓力控制器3，主要是通過控制流體的壓力使樣品池4的膜安裝口上的可延展復(fù)合薄膜在設(shè)定壓力范圍內(nèi)的線性變化以及在某一特定曲率狀態(tài)下的穩(wěn)定保持。

所述壓力控制器3可以采用現(xiàn)有壓力控制裝置，如膜片式壓力控制器。

被測的柔性傳感器及柔性可延展基膜在樣品池上受到內(nèi)部液體壓力和外界大氣壓力的共同作用下，實現(xiàn)不同曲率程度的上凸和下凹形變。壓力控制器實現(xiàn)樣品池中液體壓力的精確控制，確保被測可延展復(fù)合薄膜的曲率能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)定范圍內(nèi)的線性變化以及在某一特定曲率狀態(tài)下的穩(wěn)定保持。

進一步的，本發(fā)明中，所述步進電機11連接步進電機控制器10，所述計算機7連接步進電機控制器10，所述步進電機控制器10用于控制步進電機11轉(zhuǎn)動以使二維載物臺9二維移動到初始位置或其它位置，步進電機控制器10可將步進電機控制器10的位移參數(shù)數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)7，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)7可接收步進電機控制器10傳送來的控制步進電機11的位移參數(shù)數(shù)據(jù)并存儲。

所述的步進電機11具有電機手輪12，可以用于手動調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)載物臺9到初始位置。

本發(fā)明中，所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)7可以是一個圖像處理計算機裝置。

其中，所述圖像處理計算機連接所述微距調(diào)節(jié)器，控制所述微距調(diào)節(jié)器動作。

所述步進電機連接步進電機控制器，所述步進電機控制器連接所述圖像處理計算機。

所述微泵連接微泵控制器。其中，所述微泵控制器可以是一臺計算機來實現(xiàn)控制。

本發(fā)明中，所述顯微成像系統(tǒng)通過與二維載物平臺聯(lián)合，實現(xiàn)三維掃描的方式，逐點觀察可延展復(fù)合薄膜上某特定微小區(qū)域的形變情況，通過二維載物平臺的移動以及顯微物鏡頭移動過的坐標(biāo)值可得到相應(yīng)的圖像坐標(biāo)點，從而實現(xiàn)對于可延展復(fù)合薄膜曲面形變坐標(biāo)特征的整體精確測量，能夠確定形變后可延展復(fù)合薄膜上可延展材料任意特征點空間相對坐標(biāo)位置，利用樣條差值方法，就可獲得可延展復(fù)合薄膜被測特征點間的曲線公式，進而計算可得被測可延展材料的形狀變化及曲率特征。

本發(fā)明中，將被測的柔性傳感器以及可延展基膜安裝到樣品池膜安裝孔上方，通過微泵可改變樣品池內(nèi)壓力，實現(xiàn)可延展復(fù)合薄膜上凸、下凹變形，壓力控制器可精確控制樣品池內(nèi)壓力，確保被測可延展復(fù)合薄膜的曲率實現(xiàn)設(shè)定范圍內(nèi)線性變化以及在某特定曲率狀態(tài)下的穩(wěn)定保持。

利用二維載物平臺可實現(xiàn)被測對象在水平面內(nèi)任意移動，配合顯微鏡頭上下移動，可清晰定位形變后可延展復(fù)合薄膜任意位置，進而通過二維載物平臺和顯微鏡頭的移動距離，確定被測可延展復(fù)合薄膜的相對空間坐標(biāo)，最后通過圖像處理計算機處理得到可延展復(fù)合薄膜在不同壓力條件下的輪廓曲線，進而求得可延展薄膜任一點曲率，獲得變形后可延展薄膜曲率的非線性狀態(tài)以及整體曲率和壓力的對應(yīng)關(guān)系。

本發(fā)明中，在調(diào)節(jié)顯微鏡頭6與可延展復(fù)合薄膜的距離時，通過使用調(diào)節(jié)微距調(diào)節(jié)器8，就可以精確控制顯微鏡頭6的高度，使顯微鏡頭6觀察到可延展復(fù)合薄膜清晰的像。通過定位可延展復(fù)合薄膜上任意兩點空間相對坐標(biāo)，進而通過該任意兩點空間相對坐標(biāo)可以得到可延展復(fù)合薄膜輪廓曲線。

需要說明的是，從顯微鏡頭6中觀察到可延展復(fù)合薄膜的清晰像時，鏡頭高度有一取值范圍，具體測試時取測量值為此取值范圍的中間值，這樣做可以降低測量誤差。

其中，顯微鏡頭6正常工作時，微距調(diào)節(jié)器8調(diào)節(jié)好鏡頭高度后，會傳輸給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)7一個顯微鏡頭位移參數(shù)，此時步進電機控制器10也會把二維載物臺9的位移參數(shù)返回給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)7，由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)7儲存在數(shù)據(jù)庫，通過Excel軟件繪制出可延展復(fù)合薄膜變形后的輪廓曲線，借助數(shù)值數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)7就可以求得可延展復(fù)合薄膜上任一點的曲率。

本發(fā)明通過壓力控制器3穩(wěn)定可延展復(fù)合薄膜受到的壓力，使測量過程中可延展復(fù)合薄膜的變形保持不變，而微泵2則用于改變可延展復(fù)合薄膜內(nèi)側(cè)受到的壓力，進而改變可延展復(fù)合薄膜的凸起程度。壓力控制器3與微泵2配合使可延展復(fù)合薄膜可以處于一個穩(wěn)定的測量環(huán)境，提高測量效果。

本發(fā)明通過安裝到二維載物臺9上的步進電機11，可以精準(zhǔn)地改變可延展復(fù)合薄膜空間位置，得到載物臺精確位置，使實驗誤差減小。

本發(fā)明中，步進電機11在控制二維載物臺9移動時，主是利用步進電機11將步進電機控制器10傳來的電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榫€位移傳給二維載物臺9，而步進電機控制器10就是對步進電機11進行現(xiàn)代數(shù)字程序控制。

在工作情況下，步進電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進電機11接收到一個脈沖信號，它就按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的。本發(fā)明正是利用這一點通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，進而精確控制二維載物臺的空間位移，從而達到準(zhǔn)確定位的目的。

需要說明提，本發(fā)明中，可以根據(jù)具體項目要求自主選擇被測的柔性材料及可延展基膜，同時調(diào)節(jié)壓力控制器、顯微鏡頭及高精度微泵等參數(shù)。

在具體檢測時，針對不同參數(shù)下可延展復(fù)合薄膜的形變程度不同，需要設(shè)計大量的比對實驗，即可測定出可延展復(fù)合薄膜的形變情況。

通過本發(fā)明裝置的使用，可從整體上可以迅速選出可延展復(fù)合薄膜變形后曲率較為均勻的工作參數(shù)，從細節(jié)上又為選出形變均勻的可延展復(fù)合薄膜參數(shù)提供理論支持，最終選擇出曲率均勻，形變適中等能夠易于檢測的工作參數(shù)。

具體在檢測時，首先將儲液池1用液體輸送管5連接到微泵2，并把壓力控制器3用液體輸送管5連接到微泵2與樣品池1之間，用微泵2往樣品池4內(nèi)輸送進液體，將貼合好柔性傳感器14的可延展基膜13形成的可延展復(fù)合薄膜安裝到樣品池4上膜安裝口處。調(diào)節(jié)壓力控制器3使可延展復(fù)合薄膜兩側(cè)的壓力相等。然后將樣品池4安裝到二維載物臺9，連接電機11到二維載物臺上9，接通步進電機控制器10和步進電機11，利用步進電機控制器10或電機手輪12使二維載物臺9處于初始位置。將顯微鏡頭6與微距調(diào)節(jié)器8連接，并連接數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)7，微距調(diào)節(jié)器8連接數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)7。最后連接步進電機控制器10和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)7。調(diào)節(jié)顯微鏡頭6高度，使其能夠觀察到薄可延展復(fù)合薄膜晰的像，且在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)7中呈現(xiàn)，并根據(jù)載物臺的位移移動數(shù)據(jù)和顯微鏡頭豎直移動參數(shù)，由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)擬合出可延展復(fù)合薄膜的輪廓，獲得可延展復(fù)合薄膜的曲率。

本發(fā)明的上述的柔性傳感器的變形檢測裝置的檢測方法，步驟如下；

S1：安裝二維載物臺，調(diào)整底座水平高度，使二維載物臺保持水平；

S2：選取需要進行測試的柔性傳感器，貼合于柔性可延展基膜上形成可延展復(fù)合薄膜；

S3：連通儲液池和微泵，再連接壓力控制器，最后連接樣品池，儲液池、微泵，壓力控制器與樣品池中間用液體輸送管連接，并把儲液池中的液體輸送進樣品池，保證整個過程密封性好；

S4：將被測的柔性傳感器及可延展基膜形成的可延展復(fù)合薄膜安裝到樣品池上膜安裝口，通過壓力控制器使可延展復(fù)合薄膜兩側(cè)壓力大小相等；

S5：安裝樣品池到二維載物臺上；

S6：接通步進電機控制器和步進電機，并連接步進電機到二維載物臺并通過電機手輪，或者步進電機控制器調(diào)節(jié)二維載物臺到初始位置；

S7：安裝顯微鏡頭連接到微距調(diào)節(jié)器，再連接微距調(diào)節(jié)器到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，調(diào)節(jié)顯微鏡頭的焦距，再通過微距調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)顯微鏡頭高度使顯微鏡頭能夠觀察到可延展復(fù)合薄膜清晰的像，取此時顯微鏡頭高度為基準(zhǔn)零點；

S8：連接步進電機控制器和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，使步進電機控制器可正常返回步進電機位移數(shù)據(jù)給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；

S9：通過壓力控制器增大可延展復(fù)合薄膜內(nèi)側(cè)壓力，使可延展復(fù)合薄膜凸起一定高度，記錄下壓力大??；

S10；調(diào)節(jié)微距調(diào)節(jié)器，使顯微鏡頭重新觀察到可延展復(fù)合薄膜清晰的像，記錄下此時顯微鏡頭可觀察到清晰像時的上極限位置參數(shù)、下極限位置參數(shù)，取上極限位置、下極限位置的中值為測量值；

S11：通過步進電機控制器控制二維載物臺移動，改變可延展復(fù)合薄膜的空間位置，先保持一維方向不變，再按每次前進1毫米改變另一維的位置，重復(fù)S8，記錄下此時觀察點相對于初始位置的坐標(biāo)；

S12：通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)處理，描繪出不同壓力情況下，不同位置的輪廓曲線，并求出曲線的曲率。

本發(fā)明裝置通過將二維載物臺和顯微鏡頭豎直移動結(jié)合在一起，基于二維載物臺二維移動，配合豎直移動的顯微鏡頭掃描薄膜外形輪廓，由微泵與壓力控制器線性改變并穩(wěn)定保持可延展復(fù)合薄膜受到的壓力，實現(xiàn)了從整體和細節(jié)上可觀察柔性可延展復(fù)合薄膜的變形情況，從而給出被觀測點的相應(yīng)空間坐標(biāo)，最終由計算機處理得到柔性可延展復(fù)合薄膜在不同壓力下的輪廓曲線及曲率半徑，解決了現(xiàn)有技術(shù)不能從整體和細節(jié)上檢測柔性傳感器在不同壓力下形變情況的不足。

本發(fā)明裝置由于采用機電一體化設(shè)計，整個過程除壓力控制器的部分外可由計算機控制進行，測試結(jié)果直接以報告和圖片的形式打印出來。試驗結(jié)果可以保存到數(shù)據(jù)庫，可在數(shù)據(jù)庫中查看不同壓力條件下的薄膜輪廓曲率。

本發(fā)明裝置能夠?qū)崿F(xiàn)精密二維移動系統(tǒng)配合顯微成像系統(tǒng)用以確定被測可延展復(fù)合薄膜上任意兩點的相對空間坐標(biāo)，能夠利用高精度微泵和壓力控制器精確控制可延展復(fù)合薄膜壓力，并且自動化程度高，操作簡單，測量結(jié)果精度高。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。