CN106289594A - 可实现三维变形量和三维压力高精度同步测量的传感阵列 - Google Patents

可实现三维变形量和三维压力高精度同步测量的传感阵列 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可实现三维变形量和三维压力高精度同步测量的传感阵列，属于三维参量高精度测量的传感阵列。包括下柔性电路板，带有凹槽的下弹性高分子基板，布置在凹槽中的电容单元和弹性压阻单元阵列，上弹性高分子基板，上柔性电路板；电容单元与弹性压阻单元集成网状传感阵列结构，其中每个电容单元与六个弹性压阻单元相邻。该传感阵列能够实现界面三维压力和三维变形量的同步测量；电容单元测得压力的大小，弹性压阻单元确定压力的空间方向，可实现三维压力的高精度测量。可应用于座椅、鞋垫等界面的参数测量，为人机工程学领域提供更精确完整的参数指标。

Description

可实现三维变形量和三维压力高精度同步测量的传感阵列
技术领域
本发明涉及一种三维参量高精度测量的传感阵列，具体为一种可实现三维变形量和三维压力高精度同步测量的传感阵列。
背景技术
界面的三维压力与三维变形量为人机工程学领域提供重要的参数指标，为座椅、鞋垫等产品提供设计、改进、评价的参考依据。针对长期处于坐卧姿态的人群，如办公室工作人员、长途客车司机、半身不遂或卧床不起的病患，若使得人体局部长期处于受压不合理状态，会导致严重的疾病。因此，对界面三维压力和三维变形量的精确测量具有重要研究意义。
为获取可靠精确的界面参数，各种测量三维压力的柔性传感阵列成为研究的热点。但目前的研究没有同时对三维压力与三维变形量进行高精度测量的传感器。三维变形量可以直观地反映出柔性界面被施加外部载荷变形以后的三维轮廓，如可通过测得三维变形量反应人椅作用包络曲面情况，增加包络曲面面积可减小人体的平均受压，从而提高座椅舒适性。因此，柔性界面的三维变形量测量同样具有重要意义。目前研究的测量***还存在很多的局限，精确度也有待提高，如加拿大Xsensor公司、美国Tekscan公司所研发的压力分布测量***通过数学算法投影仅能得到竖直方向的一维压力分布，测量结果不够精确。中国国家发明专利(公开CN104215363A)，公开了一种基于压敏导电橡胶的柔性触滑觉复合传感阵列，仅能对是否产生滑移信号进行快速判断，不能精确地测量三维变形量，且仅通过弹性压阻单元测得三维压力解耦复杂，存在迟滞现象，没有电容单元的动态性好。
由于电容式传感器具有测量灵敏度高、温度影响小、动态响应好等优点，现有技术研究更多采用组合电容式传感阵列测量界面的三维压力。中国国家发明专利(公布号CN103743503A)，公开了一种基于压阻式和电容式组合的柔性三维力触觉传感器，每个三维力敏感单元同时集成竖直布置的力敏感应变片和四组竖直布置的感应电容,分别对竖直法向力和水平切向力敏感。该测量***忽略了水平和竖直布置的电极板在界面变形后会发生空间位置的变化，由于电容单元电极板受力后的空间位置无法获取，压力的空间方向无法准确测得，因此，测得的三维压力精确度不高。而且该测量***的功能仅限于测三维压力，不能同时对三维变形量进行测量。同样，大多数采用组合式电容传感阵列测三维压力的测量***都有上述缺陷和不足。
目前能测得三维压力的传感阵列由于结构设计的局限，分辨率都不能达到很高且结构不够紧凑。若传感器太厚会减小人体与柔性界面的负荷面积，从而使得测量只比实际值高，测量结构不够精确。如中国发明专利(公布号CN103134622)，公布了一种三维柔性触觉传感器阵列，由于每个传感单元都由三段柱形体组成，且垂直柱体高度达6-10mm，传感器太厚使得测量不够精确，且解耦复杂。
发明内容
本发明提供一种可实现三维变形量和三维压力高精度同步测量的传感阵列，以解决目前存在测量精度低，空间分辨率低，结构不够紧凑的问题。
本发明采用的技术方案是：包括下柔性电路板，带有凹槽的下弹性高分子基板，布置在凹槽中的电容单元和弹性压阻单元阵列，上弹性高分子基板，上柔性电路板；电容单元与弹性压阻单元集成网状传感阵列结构，其中每个电容单元与六个弹性压阻单元相邻。
本发明所述的下柔性电路板上的中心接触电极、周边接触电极呈凸起圆柱状，每个中心接触电极与六个相邻的周边接触电极构成一接触电极组，其中中心接触电极与电容单元相对应，六个周边接触电极分别与六个弹性压阻单元的一端相对应。
本发明所述的带有凹槽的下弹性高分子基板上，每个布置电容单元的凹槽分别与布置六个弹性压阻单元的凹槽相邻但不连通；布置电容单元的凹槽中心加工一通孔，通孔的直径与中心接触电极的直径相同，布置弹性压阻单元的凹槽两端分别加工一通孔，通孔的直径与周边接触电极的直径相同；保证下柔性电路板上的中心接触电极穿过下弹性高分子基板上对应的通孔与电容单元接触，周边接触电极穿过下弹性高分子基板上对应的通孔与弹性压阻单元端部接触，实现电路的接通。
本发明所述的布置于下弹性高分子基板凹槽中的电容单元包括下敏感电极板，中间电介质，上敏感电极板；弹性压阻单元由导电橡胶作为敏感单元，使用注射成型的方法将导电橡胶浇注到下弹性高分子基板上弹性压阻单元对应的凹槽中，构成网状传感阵列。
本发明所述的上弹性高分子基板有与电容单元一一对应的凹槽，且凹槽中心加工有通孔；上弹性高分子基板将网状传感阵列结构与上柔性电路板隔离，起到保护网状传感阵列结构的作用。
本发明所述的上柔性电路板上接触电极与上弹性高分子基板上的通孔一一对应，使得上柔性电路板上的接触电极穿过通孔与电容单元的上敏感电极板保持良好稳定的接触。
本发明所述的电容单元为可拆卸的，若想测得更多界面参量，可将电容单元替换为其他传感单元，如温度传感单元、湿度传感单元、振动传感单元；替换的传感单元同样可通过上、下柔性电路板的接触电极与外部电路连接。
本发明所述的测量原理为：通过电容单元测得各节点(电容单元的中心)的压力大小，即垂直于电容单元敏感电极板方向的压力大小，利用每个电容单元相邻的六个弹性压阻单元所测得的变形量得到各节点的三维坐标，通过插值拟合得到界面的三维轮廓曲面(即界面的三维变形量)，在三维轮廓曲面上各节点所受压力的空间方向垂直于该节点的切平面，由此可得到各节点的三维压力。
本发明的有益效果是：
(1)本发明可实现三维变形量和三维压力的同步测量，同时，还可将可拆卸的电容单元替换成其他传感单元，实现传感阵列的多功能。
(2)本发明使用的电容式传感器单元具有测量灵敏度高、温度对性能影响小、动态响应好等优点，利用电容式传感器的优良特性的同时，通过对传感阵列结构的创新设计，解决了大多数组合式电容传感阵列对于三维压力测量普遍存在的技术问题，即电容单元发生空间位置变化而引起的测量数据的不精确，实现对三维压力的精确测量。
(3)本发明使用的电容单元尺寸小，结构简单，各传感单元之间结构紧凑，提高了传感阵列测量的空间分辨率；通过对测量结果进行数据分析，得到三维压力梯度图后，重新设计变分布密度的传感单元阵列，对梯度大的位置合理增加传感单元数量进一步提高传感阵列测量的空间分辨率，对梯度较小的位置可合理地减少传感单元数量来降低测量***成本。
(4)本发明使用注射成型的方法将导电橡胶胶浇注到下弹性高分子基板上的弹性压阻单元凹槽中，可大大缩短加工工艺时间，制作更加简单方便，易于实现。导电橡胶具有很好的力敏特性，且成本较低。
(5)本发明传感器各层间结构紧凑，整体的传感器可设计得很薄，避免了因为传感器太厚产生测量的三维压力比真实值高的情况。电容单元设计成圆形片状，避免传感结构对座椅舒适性造成的影响。传感器的柔性较好，可防止由于受压过大而导致的结构损坏，重复使用性好。
综上本发明传感阵列能够实现界面三维压力和三维变形量的同步测量；电容单元测得压力的大小，弹性压阻单元确定压力的空间方向，可实现三维压力的高精度测量，可应用于座椅、鞋垫等界面的参数测量，为人机工程学领域提供更精确完整的参数指标。
附图说明
图1是本发明传感阵列的截面图；
图2是本发明传感器阵列的分层结构示意图；
图3(a)是本发明传感阵列的下柔性电路板示意图；
图3(b)是本发明传感阵列的下柔性电路板局部A放大图；
图4(a)是本发明传感阵列的带凹槽下弹性高分子基板示意图；
图4(b)是本发明传感阵列的带凹槽下弹性高分子基板局部B放大图；
图5(a)是本发明传感阵列的电容单元与弹性压阻单元的阵列结构示意图；
图5(b)是本发明传感阵列的电容单元与弹性压阻单元的阵列结构局部C放大图；
图6(a)是本发明的电容单元的结构示意图；
图6(b)是本发明的电容单元的分层结构示意图；
图7(a)是本发明的传感阵列的上弹性高分子基板的示意图；
图7(b)是本发明的传感阵列的上弹性高分子基板的局部E放大图；
图8(a)是本发明的传感阵列的上柔性电路板示意图；
图8(b)是本发明的传感阵列的上柔性电路板的局部D放大图；
图9是本发明的三维变形量和三维压力测量的原理框图；
图10是本发明的三维变形量和三维压力测量的原理说明图；
图中：上柔性电路板1、上弹性高分子基板2、弹性压阻单元3、电容单元4、下弹性高分子基板5、下柔性电路板6、接触电极101、上敏感电极板401、中间电介质402、下敏感电极板403、中心接触电极601、周边接触电极602。
具体实施方式
下面以人椅界面可实现三维变形量和三维压力高精度同步测量的传感阵列(传感阵列结构的整体尺寸与座椅界面一致)作为实施例进行说明。
包括下柔性电路板6，带有凹槽的下弹性高分子基板5，布置在凹槽中的电容单元4和弹性压阻单元3阵列，上弹性高分子基板2，上柔性电路板1；电容单元4与弹性压阻单元3集成网状传感阵列结构，其中每个电容单元4与六个弹性压阻单元3相邻。
本发明所述的下柔性电路板6上的中心接触电极601、周边接触电极602呈凸起圆柱状，每个中心接触电极601与六个相邻的周边接触电极602构成一接触电极组，其中中心接触电极601与电容单元4相对应，六个周边接触电极602分别与六个弹性压阻单元3的一端相对应。
本发明所述的带有凹槽的下弹性高分子基板5上，每个布置电容单元4的凹槽分别与布置六个弹性压阻单元3的凹槽相邻但不连通；布置电容单元4的凹槽中心加工一通孔，通孔的直径与中心接触电极601的直径相同，布置弹性压阻单元3的凹槽两端分别加工一通孔，通孔的直径与周边接触电极602的直径相同；保证下柔性电路板6上的中心接触电极601穿过下弹性高分子基板5上对应的通孔与电容单元4接触，周边接触电极602穿过下弹性高分子基板5上对应的通孔与弹性压阻单元端部接触，实现电路的接通。
本发明所述的布置于下弹性高分子基板5凹槽中的电容单元4包括下敏感电极板403，中间电介质402，上敏感电极板401；弹性压阻单元3由导电橡胶作为敏感单元，使用注射成型的方法将导电橡胶浇注到下弹性高分子基板5上弹性压阻单元3对应的凹槽中，构成网状传感阵列。
本发明所述的上弹性高分子基板2有与电容单元4一一对应的凹槽，且凹槽中心加工有通孔；上弹性高分子基板2将网状传感阵列结构与上柔性电路板1隔离，起到保护网状传感阵列结构的作用。
本发明所述的上柔性电路板1上接触电极101与上弹性高分子基板2上的通孔一一对应，使得上柔性电路板1上的接触电极101穿过通孔与电容单元4的上敏感电极板401保持良好稳定的接触。
本发明所述的电容单元4为可拆卸的，若想测得更多界面参量，可将电容单元4替换为其他传感单元，如温度传感单元、湿度传感单元、振动传感单元；替换的传感单元同样可通过上、下柔性电路板的接触电极与外部电路连接。
如图9所示，本发明的测量原理为：通过电容单元4测得各节点(电容单元的中心)的压力大小，即垂直于电容单元敏感电极板方向的压力大小，利用每个电容单元4相邻的六个弹性压阻单元3所测得的变形量得到各节点的三维坐标，如图10所示：界面变形后电容单元A的三维坐标可通过弹性压阻单元a1，a2，a3的变形量和电容单元A的初始三维坐标求解得到；以界面变形后电容A的三维坐标作为电容单元B的变形参考坐标原点，界面变形后电容单元B的三维坐标同样可通过弹性压阻单元b1，b2，b3的变形量和电容单元B的初始三维坐标求解得到；因此，可按图10的箭头走向得到各节点的三维坐标，最后通过插值拟合得到界面的三维轮廓曲面(即界面的三维变形量)，在三维轮廓曲面上各节点所受压力的空间方向垂直于该节点的切平面，由此可得到各节点的三维压力。
通过对测量结果进行数据分析，得到三维压力梯度图，重新设计变分布密度的传感单元阵列；对梯度大的位置合理增加传感单元数量进一步提高测量***的空间分辨率，使得测得的数据更加精确，对梯度较小的位置可合理地减少传感单元数量来降低测量***成本。

Claims (7)

1.一种可实现三维变形量和三维压力高精度同步测量的传感阵列，其特征在于：包括下柔性电路板，带有凹槽的下弹性高分子基板，布置在凹槽中的电容单元和弹性压阻单元阵列，上弹性高分子基板，上柔性电路板；电容单元与弹性压阻单元集成网状传感阵列结构，其中每个电容单元与六个弹性压阻单元相邻。
2.根据权利要求1所述的一种可实现三维变形量和三维压力高精度同步测量的传感阵列，其特征在于：所述的下柔性电路板上的中心接触电极、周边接触电极呈凸起圆柱状，每个中心接触电极与六个相邻的周边接触电极构成一接触电极组，其中中心接触电极与电容单元相对应，六个周边接触电极分别与六个弹性压阻单元的一端相对应。
3.根据权利要求1所述的一种可实现三维变形量和三维压力高精度同步测量的传感阵列，其特征在于：所述的带有凹槽的下弹性高分子基板上，每个布置电容单元的凹槽分别与布置六个弹性压阻单元的凹槽相邻但不连通；布置电容单元的凹槽中心加工一通孔，通孔的直径与中心接触电极的直径相同，布置弹性压阻单元的凹槽两端分别加工一通孔，通孔的直径与周边接触电极的直径相同；保证下柔性电路板上的中心接触电极穿过下弹性高分子基板上对应的通孔与电容单元接触，周边接触电极穿过下弹性高分子基板上对应的通孔与弹性压阻单元端部接触，实现电路的接通。
4.根据权利要求1所述的一种可实现三维变形量和三维压力高精度同步测量的传感阵列，其特征在于：所述的布置于下弹性高分子基板凹槽中的电容单元包括下敏感电极板，中间电介质，上敏感电极板；弹性压阻单元由导电橡胶作为敏感单元，使用注射成型的方法将导电橡胶浇注到下弹性高分子基板上弹性压阻单元对应的凹槽中，构成网状传感阵列。
5.根据权利要求1所述的一种可实现三维变形量和三维压力高精度同步测量的传感阵列，其特征在于：所述的上弹性高分子基板有与电容单元一一对应的凹槽，且凹槽中心加工有通孔；上弹性高分子基板将网状传感阵列结构与上柔性电路板隔离，起到保护网状传感阵列结构的作用。
6.根据权利要求1所述的一种可实现三维变形量和三维压力高精度同步测量的传感阵列，其特征在于：所述的上柔性电路板上接触电极与上弹性高分子基板上的通孔一一对应，使得上柔性电路板上的接触电极穿过通孔与电容单元的上敏感电极板保持良好稳定的接触。
7.根据权利要求1所述的一种可实现三维变形量和三维压力高精度同步测量的传感阵列，其特征在于：所述的电容单元为可拆卸的，若想测得更多界面参量，可将电容单元替换为其他传感单元，如温度传感单元、湿度传感单元、振动传感单元；替换的传感单元同样可通过上、下柔性电路板的接触电极与外部电路连接。
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