一种嵌入碳纳米管线的人造皮肤传感器[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 111198055 A(43)申请公布日 2020.05.26

(21)申请号 201811362622.3(22)申请日 2018.11.16

(71)申请人 天津工业大学

地址 300387 天津市西青区宾水西道399号(72)发明人 马欣　曹腾　(51)Int.Cl.

G01L 1/22(2006.01)

权利要求书1页 说明书2页 附图1页

(54)发明名称

一种嵌入碳纳米管线的人造皮肤传感器(57)摘要

一种嵌入碳纳米管线的人造皮肤传感器，其特征在于：包括将碳纳米管线嵌入人造皮肤和碳纳米传感器。其中所述的一种嵌入碳纳米管线的人造皮肤传感器包括碳纳米传感器组模块和显示模块，所述一种嵌入碳纳米管线的人造皮肤传感器是将碳纳米管线嵌入结构膜人造皮肤变成具有感应能力的功能膜。所述显示模块，用于显示嵌入碳纳米管线的人造皮传感器受到压力时压力值的大小。所述碳纳米传感器组模块包括碳纳米压力传感器模块、数据采集模块、信号放大模块、数模转换模块、串口间通讯模块和报警模块。CN 111198055 ACN 111198055 A

权　利　要　求　书

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1.一种嵌入碳纳米管线的人造皮肤传感器，其特征在于：包括将碳纳米管线嵌入人造皮肤和碳纳米传感器。

其中所述的一种嵌入碳纳米管线的人造皮肤传感器包括碳纳米传感器组模块和显示模块，所述一种嵌入碳纳米管线的人造皮肤传感器是将碳纳米管线嵌入结构膜人造皮肤变成具有感应能力的功能膜；

所述显示模块，用于显示嵌入碳纳米管线的人造皮传感器受到压力时压力值的大小。所述碳纳米传感器组模块包括碳纳米管压力传感器模块、数据采集模块、信号放大模块、数模转换模块、串口间通讯模块和报警模块；

2.根据权利要求1所述的报警模块，其特征是包括蜂鸣器和报警灯。3.根据权利要求1所述的碳纳米传感器组模块，其特征是通过开发设计的碳纳米传感器进行压力感应，完成相关数据采集并通过显示模块显示。

4.根据权利要求1所述的显示模块，其特征是包括LCD1602液晶屏显示输出。5.根据权利要求2所述的报警模块，其特征是嵌入碳纳米管线的人造皮肤传感器压力值超过设定的最大阈值，触发蜂鸣器响来达到警告地作用。

6.根据权利要求3所述的碳纳米管压力传感器模块，其特征是根据碳纳米管线的压阻效应设计碳纳米管压力传感器，用于对外界压力的感知，将压力信号转变为电信号通过对电信号的采集来实现对压力值的测量。

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CN 111198055 A

说　明　书

一种嵌入碳纳米管线的人造皮肤传感器

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技术领域

[0001]本发明涉及碳纳米技术领域，利用碳纳米传感器技术设计了一种嵌入碳纳米管线的人造皮肤传感器。该传感器设有显示模块和碳纳米传感器组模块包括碳纳米管压力传感器模块、数据采集模块、信号放大模块、数模转换模块、串口间通讯模块和报警模块。将结构膜人造皮肤变成具有感应能力的功能膜，感知外界压力值的大小。背景技术

[0002]传统的传感器领域有很多缺陷如：成本高、物理干扰大、不耐腐蚀而且可靠性较差等。在仿生学人造皮肤领域，尽管人造手在行动和灵活度上日益逼真，但是几乎所有的人造皮肤仍然停留在无感知的塑料涂层水平上，导致人造皮肤只能作为结构膜的缺陷。人造皮肤和碳纳米传感器两个领域交集甚少，很少有人尝试将这两个领域交叉结合。发明内容

[0003]为了克服传统传感器的缺陷和人造皮肤只能作为结构膜的局限，本发明提供了一种嵌入碳纳米管线的人造皮肤传感器。通过开发设计的碳纳米传感器进行压力感应，完成相关数据采集并通过显示模块显示，解决了只能作为结构膜的人造皮肤的缺陷，变成具有感应能力的功能膜。

[0004]结合当今要求传感器的微小化、智能化、元器件高度集成、程序和数据的高密度保存和传输速度飞快等特性设计了以碳纳米管线为代表的碳纳米传感器。碳纳米管线传感器的基本原则是基于压阻效应，即碳纳米线在外界应力影响下发生机器形变(拉伸或紧缩)时，其阻值也会产生必然的转变。采用应变原理制成的碳纳米管线压力传感器，测量结果精确、高灵敏度、尺寸适宜、重量较轻、易于安装和维护，实时测量压力值的大小。该传感器的尺寸小、精度高，因为传感器的制造采用了当今最先进的纳米技术，所以传感器的功效比传统传感器有了很好的提高。

[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：硬件电路主要是基于单片机STC89C52为核心的控制单元实现数据的处理。采用碳纳米管线压力传感器对数据进行采集，将碳纳米管线排成3X3网格状嵌入硅胶材料的人造皮肤中，将六根线进行编码，即为a，b，c，d，e，f，六根碳纳米线独立的形成6个支路接入惠斯通电桥，分别负责一根碳纳米线的变化和数据，最终汇总到单片机内部，进行比对和计算，可以得到碳纳米的受力大小。制作成具有压阻效应的碳纳米传感器，本次设计的碳纳米管压力传感器是将压力信号转变为电信号通过对电信号的采集处理来实现对压力值的测量。[0006]用集成芯片(模数转换器、放大器)对传感器采集到的模拟量放大并进行AD转换，转换后的数据送到单片机进行处理显示。STC89C52芯片、晶振电路和复位电路是系统的支撑和控制，单片机内电路和晶振相结合作用才产生所谓的时钟频率；当程序进入死循环或者产生意外中断时使电路恢复到最初始时的状态的电路称之为复位电路。使用KEILC51作为系统的编译环境进行C语言代码的编写后烧录进STC89C52型号单片机中，提供单片机执

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说　明　书

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行指令。使用目前单片机开发实验过程中常用的显示工具LCD1602完成最终显示，单个字符可以输出在每个显示位上。如果当压力值超过设定的最大阈值的时候就会触发单片机蜂鸣器响来达到警告地作用，减少对传感器的损耗，让其工作更加持久、高效。[0007]用USB接口传输5v的电压或者电池，为嵌入碳纳米管线的人造皮肤传感器供电。电源系统主要包括：对集成芯片(模数转换器、放大器)、对STC89C52单片机供电、对于LCD的显示模块供电，通过从单片机引入的电源，使得整个电路都处于达标状态。[0008]本发明的有益效果是：本发明设计的碳纳米管线传感器精密精确，能够感知很微妙的压力值变化。一种嵌入碳纳米管线的人造皮肤传感器突破了人造皮肤只能作为结构膜的局限，大大促进了人造皮肤领域的发展，且使得碳纳米传感器应用的领域更加广泛。附图说明

[0009]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。[0010]图是本发明的结构示意图[0011]如图所示，一种嵌入碳纳米管线的人造皮肤传感器，包括1碳纳米管线，2人造皮肤，3惠斯通电桥，4集成芯片(模数转换器、放大器)，5STC89C52单片机，6LCD1602液晶屏，7报警模块，8供电模块。具体实施方式

[0012]1六根碳纳米管线排成3X3网格状嵌入2人造皮肤中，每根碳纳米管线经导线接入3惠斯通电桥输入端，3惠斯通电桥输出端与4集成芯片(模数转换器、放大器)输入端连接，4集成芯片(模数转换器、放大器)输出端与5STC89C52单片机连接，6LCD1602液晶屏，7报警模块连接到5STC89C52单片机，8供电模块与5STC89C52单片机连接，为整个嵌入碳纳米管线的人造皮肤传感器供电。

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说　明　书　附　图

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