【摘 要】
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聚偏氟乙烯（Polyvinylidene Fluoride,PVDF）薄膜这种类型的压电材料相较其余类型的压电材料,它的频响范围更大,延展性也更好,同样条件下的灵敏度也很优异,因而更适合于制成与人体相接触的触力传感器。本论文主要研究设计了一款基于PVDF的触力传感器阵列;得到了每个阵列点的理论电压输出表达式;对其上下衬底材料进行了优化分析;对其静态特性和动态特性参数进行了表征,并证明了其能较为准确
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聚偏氟乙烯（Polyvinylidene Fluoride,PVDF）薄膜这种类型的压电材料相较其余类型的压电材料,它的频响范围更大,延展性也更好,同样条件下的灵敏度也很优异,因而更适合于制成与人体相接触的触力传感器。本论文主要研究设计了一款基于PVDF的触力传感器阵列;得到了每个阵列点的理论电压输出表达式;对其上下衬底材料进行了优化分析;对其静态特性和动态特性参数进行了表征,并证明了其能较为准确识别手掌触力的大小与范围。具体的研究内容如下:（1）PVDF触力传感器阵列理论计算与仿真。基于压电理论,推导得到了输出电压与输入压力的关系式,即得到了传感器阵列点的灵敏度的函数表达式。运用ANSYS Workbench有限元分析软件分别对传感器的单个阵列点和多个阵列点进行了压电耦合分析,观察有限元分析后的电压输出,并与理论值进行对比,得到误差值。针对非施力区域出现电压的情况,进行了应力分析,得到了非施力区域的电压输出与PVDF薄膜的拉伸模式有关的结论。（2）基于PVDF的触力传感器阵列的设计与优化。基于理论计算得到了理论电压输出与输入压力的关系式以及多个阵列点的压力输入的仿真结果,并通过公式推导可以得到每个阵列点受到压力输入后的电压输出的理论值;利用薄膜理论推导得到了施力区域施加的压力大小、非施力区域受到的x轴方向的应力大小、非施力区域与施力区域之间距离这三者的关系式,并利用该关系式得到了传感器阵列点与阵列点之间的最佳距离。在ANSYS Workbench中对传感器的上下衬底材料组合和上下衬底厚度进行优化分析。（3）PVDF触力传感器性能表征与手掌触力获得实验。根据设计与实际工艺制造得到满足实验要求的基于PVDF的触力传感器阵列。搭建动静态性能测试实验平台,对传感器阵列的每个阵列点进行静态和动态的表征,得到了每个阵列点的灵敏度,非线性度和频响范围等。基于得到的性能参数进行一般手掌触力大小与范围实验,实验采集到的数据经过软件Python的处理后可以得到手掌对传感器阵列的单点触力及多点触力的输出电压颜色对比图,其对比图结果显示传感器能较为准确识别哪些阵列点有电压的输出和电压输出值的大小。该结果表明设计的传感器阵列在一定程度上能识别手掌形状和触力大小。
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