周連杰 李建清 陳從顏 吳劍進(jìn) 吳劍鋒

(東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210096)

觸覺(jué)是一種通過(guò)直接與對(duì)象接觸測(cè)量其特征的復(fù)合感覺(jué)，包括接觸覺(jué)、壓覺(jué)、力覺(jué)、滑覺(jué)、溫覺(jué)等與接觸有關(guān)的感覺(jué)，可以識(shí)別物體的尺寸、柔軟度、冷熱、表面形狀、表面紋理等特征［1－3］.通過(guò)觸覺(jué)直接接觸對(duì)象表面可以感知對(duì)象表面形態(tài)，滑覺(jué)可感知表面紋理、粗糙度等特征，壓覺(jué)可感知柔性或剛度等特征［4－6］，而溫度觸覺(jué)可通過(guò)感知表面熱屬性識(shí)別表面形態(tài)，其中通過(guò)滑覺(jué)、壓覺(jué)對(duì)表面紋理、表面形狀的研究已較多，而對(duì)溫覺(jué)研究相對(duì)較少，有待進(jìn)一步研究.

研究表明，皮膚表皮上的溫度感受器對(duì)發(fā)生在接觸瞬間溫度的快速變化很敏感［7］，接觸面的瞬間溫度變化與初始溫差、被接觸物體的表面形態(tài)、材料、接觸力大小都有關(guān)系.因此可將溫度觸覺(jué)用于識(shí)別物體的材料熱屬性、表面形態(tài)、接觸力大小等特征.

本文分析了表面形態(tài)影響接觸熱傳導(dǎo)的因素，將溫度觸覺(jué)傳感器應(yīng)用于表面形態(tài)識(shí)別，進(jìn)行了不同表面形態(tài)的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該溫度觸覺(jué)方法能較好區(qū)分表面為光滑、粗糙、波紋形態(tài)的同種材料物體.

1 溫度觸覺(jué)傳感裝置

應(yīng)用于表面形態(tài)測(cè)試的溫度觸覺(jué)傳感裝置結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，傳感器由很薄的恒溫元件、基板、感溫元件構(gòu)成.恒溫元件由恒溫模塊控制恒溫，感溫元件用于檢測(cè)溫度觸覺(jué)傳感器與對(duì)象接觸時(shí)的溫度變化過(guò)程，阻值與溫度成正比，由傳感模塊實(shí)現(xiàn)檢測(cè).基板為恒溫元件與感溫元件提供支架.

2 表面形態(tài)識(shí)別機(jī)理

圖1 溫度觸覺(jué)傳感裝置表面形態(tài)識(shí)別框圖

根據(jù)熱傳導(dǎo)理論，具有初始溫度的傳感器與被測(cè)物體良好接觸且接觸面光滑時(shí)，在接觸面處具有連續(xù)的邊界條件，接觸面在接觸瞬間達(dá)到共同的溫度和相同的熱流密度.

在接觸面處感溫元件的溫度Tc會(huì)短時(shí)間內(nèi)從TS0漸趨向于接觸溫度，該接觸溫度由下式?jīng)Q定:

式中，TS0，TM0分別為傳感器、被測(cè)物體的初始溫度;λi，ρi，ci(i=S，M)分別為物體 i的熱導(dǎo)率、密度、比熱容.將感溫元件短時(shí)間內(nèi)的收斂溫度值T′end作為測(cè)得的接觸溫度值，物體的材料可以被識(shí)別［8］.

對(duì)于非光滑表面形態(tài)的接觸面，在表面空隙中會(huì)有大量空氣，存在一定厚度的接觸熱阻，如圖2所示由于該熱阻的影響，感溫元件測(cè)得的接觸溫度值將會(huì)升高.

將一定厚度的非光滑接觸面處看做有膜系數(shù)無(wú)厚度的等效接觸面，則接觸面處熱流連續(xù)，溫度不連續(xù)，溫度方程為

式中，TS，TM分別為等效接觸面處傳感器溫度與被測(cè)物體溫度;kS為傳感器的熱導(dǎo)率;x為位置變量;h為接觸膜系數(shù)，是接觸熱阻的倒數(shù)［9－11］，由下式?jīng)Q定:

式中，k為表面等效熱導(dǎo)率;D為表面熱阻等效厚度.k，D主要受表面形狀影響，如圖3所示的矩形條紋規(guī)則表面形狀，其等效熱導(dǎo)率k由下式:

式中，kM，kA分別為被測(cè)物體、空氣的熱導(dǎo)率;p稱為條紋占空比，由下式定義:

式中，SM，SA分別為傳感器表面與被測(cè)物體、空氣的接觸面積，即

圖2 不同接觸面形態(tài)的溫度時(shí)間曲線

圖3 矩形條紋表面形態(tài)

式中，L為條紋間距;a為條紋接觸長(zhǎng)度.

此時(shí)，矩形條紋的表面熱阻等效厚度D等于條紋深度d.

由式(2)可知，條紋的深度d及占空比p兩個(gè)形狀因子是影響接觸面處熱傳導(dǎo)特性的主要因素，進(jìn)而影響感溫元件的溫度Tc.

3 有限元仿真分析

3.1ANSYS 模型

在ANSYS的Thermal模式下，進(jìn)行關(guān)于不同表面形態(tài)對(duì)感溫元件溫度時(shí)間曲線影響的仿真分析.圖4是采用的ANSYS模型，傳感器為長(zhǎng)、寬分別為20 mm，厚度為1.7 mm的平板，恒溫元件簡(jiǎn)化為恒溫面，感溫元件簡(jiǎn)化為嵌入基板底部的薄銅層.被測(cè)物體為長(zhǎng)、寬分別為40 mm，厚度為20 mm上表面帶有矩形條紋的塊體.由于對(duì)稱性，采用半模型和四分之一模型分析.傳感器基板材料采用酚醛樹脂，被測(cè)物體材料采用大理石.傳感器與被測(cè)物體良好接觸，在表面條紋的溝槽處填充空氣.采用SOLID90熱單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，被測(cè)物體外表面采用INFIN47無(wú)限單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格模擬無(wú)限邊界，設(shè)置恒溫元件保持恒溫36℃，傳感器初始溫度36℃，被測(cè)物體初始溫度24℃，設(shè)置表面形狀參數(shù)變量L，d，p，設(shè)置計(jì)算時(shí)間為20 s.

圖4 傳感器與被測(cè)物體的ANSYS模型

圖5 不同L的Tc時(shí)間曲線比較

3.2 條紋間距對(duì)Tc的影響

固定d=0.5 mm，p=0.5，對(duì)不同條紋間距L進(jìn)行仿真，分析其對(duì)感溫元件溫度Tc的影響，仿真結(jié)果如圖5所示.

從圖5中看出所有的Tc時(shí)間曲線幾乎重合，對(duì)于L的變化，傳感器不易識(shí)別.

3.3 條紋深度對(duì)Tc的影響

固定L=1 mm，p=0.5，對(duì)不同條紋深度d進(jìn)行仿真，分析其對(duì)Tc的影響，仿真結(jié)果見(jiàn)圖6所示.

如圖6(a)所示，隨著d增大，Tc變化幅度慢慢減小，趨向于接觸溫度的時(shí)間變長(zhǎng).如圖6(b)所示，收斂溫度值T′end隨d增大而增大，平均變化率約為0.3℃/mm，d對(duì)Tc的影響較顯著，傳感器易識(shí)別.

圖6 條紋深度的影響

3.4 條紋占空比對(duì)Tc的影響

固定L=1 mm，d=0.5 mm，對(duì)不同條紋占空比p進(jìn)行仿真，分析其對(duì)Tc的影響，仿真結(jié)果如圖7所示.

圖7 條紋占空比的影響

如圖7(a)所示，p越小，Tc變化幅度越小，趨向于接觸溫度的時(shí)間越長(zhǎng).如圖7(b)所示，p較小時(shí)，T′end對(duì)p的變化率大，隨著p增大，變化率越來(lái)越小，p＞0.7時(shí)，變化率小于0.1℃/0.1.由于傳感器溫度分辨率 (0.1℃)的限制，故傳感器在p＜0.7的范圍內(nèi)對(duì)p的變化敏感，易識(shí)別;對(duì)于p＞0.7的條紋表面?zhèn)鞲衅麟y以識(shí)別.

仿真分析結(jié)果表明d，p對(duì)Tc影響顯著，是影響接觸面等效熱導(dǎo)率的主要因素，符合理論推導(dǎo)，且傳感器對(duì)d的分辨率可以達(dá)到0.33 mm，在 p＜0.7的范圍內(nèi)對(duì)p的分辨率可以達(dá)到0.1.

3.5 不同表面形態(tài)溫度觸覺(jué)仿真

采用 d=1 mm，L=2 mm，p=0.3 的矩形條紋模擬波紋表面，采用 d=0.25 mm，L=0.5 mm，p=0.25的矩形條紋模擬粗糙表面，進(jìn)行仿真分析并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比.如圖8所示是波紋、粗糙表面的溫度分布圖，波紋的接觸面處溫度更高，圖9是波紋、粗糙、光滑三種表面形態(tài)Tc時(shí)間變化曲線，隨表面粗糙度的增加，熱阻越大，Tc變化幅度越小，趨于接觸溫度時(shí)間越長(zhǎng).

圖8 不同表面形態(tài)的溫度場(chǎng)分布

圖9 不同表面形態(tài)的Tc時(shí)間曲線比較

4 不同表面形態(tài)溫度觸覺(jué)實(shí)驗(yàn)

對(duì)大理石材料物體的不同表面形態(tài)進(jìn)行了溫度觸覺(jué)傳感實(shí)驗(yàn)，如圖10所示是溫度觸覺(jué)傳感裝置及帶有波紋、粗糙、光滑三種不同表面形態(tài)的大理石物體.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示，粗糙與波紋的情況下空氣熱阻影響較大，與光滑情況下區(qū)別明顯，表面粗糙度越大，熱阻越大，基本符合圖9的仿真結(jié)果，但由于非良好接觸與表面形態(tài)的不規(guī)則性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果有一定偏差.

5 結(jié)語(yǔ)

圖10 不同表面形態(tài)溫度觸覺(jué)實(shí)驗(yàn)圖

圖11 不同表面形態(tài)溫度觸覺(jué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

本文將溫度觸覺(jué)傳感器用于同種材料物體表面形態(tài)識(shí)別，分析了其工作原理，通過(guò)ANSYS有限元模擬對(duì)不同表面形態(tài)被測(cè)物體對(duì)感溫元件溫度信號(hào)的影響進(jìn)行了仿真分析和實(shí)驗(yàn)研究.結(jié)果表明，條紋深度和條紋占空比對(duì)感溫元件溫度信號(hào)影響較大，所采用的溫度觸覺(jué)傳感方法能較好區(qū)分表面為光滑、粗糙、波紋形態(tài)的物體.

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