Page 117 - 无损检测2023年第十期
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党红云, 等:
基于 ERT 的可视化压力测量方法
微创手术方面的潜在价值。杨平安等 [ 6 ] 介绍了电阻 到的压力大小成函数关系, 故可以通过电阻的大小
式柔性触觉传感器的检测原理和性能指标, 讨论了其 来反映导电硅橡胶材料受到的压力大小。
在触觉感知、 人机交互、 医疗健康等领域的相关应用。 1.2 电阻层析成像原理
目前, 力触觉传感器需要将多个传感单元以阵 电阻层析成像的原理为: 不同物质电导率一般不
列形式进行组合, 实现多区域压力测量, 压力测量的 同, 同一种物质在不同状态下电导率也不同, 在被测
精度取决于传感单元的数量, 该类压力测量方法制 物体周围添加一定大小的激励电流, 其内部会产生电
[ 9 ]
作工 艺 复 杂、 成 本 高。笔 者 基 于 电 阻 层 析 成 像 场, 从而可以获得被测量物体的敏感场信息 。当被
( ERT ) 技术, 结合导电硅橡胶材料的压阻效应研究 测物体内部电导率发生变化时, 其敏感场也会发生变
了一种压力测量方法并进行检测试验, 试验结果表 化, 从而导致边界电压发生改变, 因此可以通过测量
明, 所提方法只需一块导电硅橡胶材料作为压力感 边界电压重构物体内部电导率变化 [ 10 ] 。即, 通过反
知单元, 就能够实时显示压力作用位置及大小, 极大 演算法, 可以将被测物体内部电导率分布以图像的形
地简化了力触觉传感器的结构, 并且能够实现整个 式进行显示, 电阻层析成像原理如图2所示。
测量区域的实时压力测量。
1 工作原理
文章以导电硅橡胶作为传感单元, 利用导电硅
图2 电阻层析成像原理示意
橡胶材料的压阻效应来获得材料电导率的变化。然
后, 结合电阻层析成像技术, 测量边界电压后即可反 2 压力测量传感器设计
演出压力分布图像, 其原理如图1所示。
2.1 测量系统组成
测量系统由测量模块、 数据处理模块、 图像反演
模块3部分组成( 见图3 )。
图1 ERT 压力测量方法工作原理示意
1.1 导电硅橡胶材料压阻效应
导电硅橡胶主要由导电颗粒( 如金属、 导电炭黑
等) 与硅橡胶混合而成, 不仅具有橡胶材料良好的力
学特性, 还有一定的导电性能, 在不同压力作用下,
导电硅橡胶材料表现出不同的电学特性。当导电硅 图3 电阻层析成像系统组成
橡胶上的压力发生变化时, 导电微粒之间的相对位 测量模块主要用于压力感知, 将16个测量电极
置发生变化, 导电通道的数量就发生了变化, 从而改 均匀分布在导电硅橡胶周围, 在相邻测量电极施加
变导电硅橡胶材料的电阻大小 [ 7 ] 。导电硅橡胶材料 一定大小的激励电流, 从而在导电硅橡胶内部获得
的导电机理可以用有效介质理论方程来解释 [ 8 ] 。导 敏感场分布; 数据处理模块的主要作用是采集并处
电硅橡胶材料的电阻R 可写为 理测量到的边界电压。电压测量方式为: 在相邻两
τ 1-2 υ - τ 个电极添加激励电流后, 测量剩余相邻电极之间的
( ) ×
R = R 0 ϕ 0- ϕ c ϕ 0 ex p F - ϕ c 电压。图像重建模块根据一定的反演算法, 将测量
E
1+2υ 得到的电压数据进行分析计算, 最终以图像的形式
ex p- E F ( 1 ) 显示被测物体内部电导率的分布情况。
为压力为
式中: F 为材料受到的外界压力大小; R 0 2.2 压力测量可视化
零时材料的初始电阻; 为压力为零时硅橡胶材料 实现压力测量可视化需要完成电阻层析成像的
ϕ 0
中导电微粒的体积分数; 为临界渗流阀值; τ 为 正、 逆问题求解, 其正问题为已知导电硅橡胶材料的
ϕ c
材料的渗流系数; υ 为材料的泊松比; E 为材料的 电导率、 激励电流大小, 求得导电硅橡胶材料的边界
杨氏弹性模量。 电压、 敏感场分布 [ 11 ] ; 逆问题为通过测量得到的导
通过式( 1 ) 可以得出, 导电硅橡胶的电阻与其受 电硅橡胶的边界电压, 利用反演程序求得硅橡胶的
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2023年 第45卷 第10期
无损检测
