CN106768518A - 基于eit技术的柔性压敏传感器 - Google Patents

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王晓杰
刘坤选
牟文俊
董帅
马刚
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    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress

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Abstract

本发明公开了一种基于EIT技术的柔性压敏传感器，其特征是设置传感装置，是在面板上铺设导电复合材料，在导电复合材料的***按设定位置分布电极，相互良好接触，与各电极电连接的信号引线贯穿设置在面板上的过孔；设置传感电路，是由交流恒流源提供电流信号，由电流注入模拟多路复用器和电势测量模拟多路复用器对电极进行选通，经电流注入模拟多路复用器选通的电极将电流信号注入导电复合材料，在由电势测量模拟多路复用器选通的电极上获取导电复合材料对应位置上对电极之间的电压检测信号；以电压检测信号作为传感器输出的检测信号。本发明用于获得导电复合材料的受力位置分布，进而通过软件成像的方式实现有关受力位置分布的重构图像。

Description

基于EIT技术的柔性压敏传感器
技术领域
本发明涉及电阻抗断层成像及传感技术领域，特别涉及一种基于EIT技术的柔性压敏传感器。
背景技术
柔性压敏传感器具有优越的延展性和敏感性，在机器人产业，智能装备及工业自动化等领域发展迅速，其中阵列式传感器应用最为广泛。这类传感器主要由压电式、电容式或压阻式等多个微小传感单元嵌入柔性基体中组成，由于各种阵列式传感器需要大量的传感单元，单元阵列之间有复杂而微小的通信设备，制作工艺复杂、制造成本高；另外，基体内部大量布线降低了传感器的拉伸性与柔韧性，限制了其应用空间和功能。因此，针对阵列式传感器的一些缺陷，寻找一种新技术替代现有阵列式传感器的设计方法很有价值。
二十世纪七十年代，随着医学成像技术的出现，人们开始将电阻抗断层成像技术应用到医学影像领域。近30多年来，电阻抗断层成像一直是国内外医学电磁成像领域研究的热点，许多国家的电阻抗研究小组先后设计并实现了应用于不同应用领域的***。目前在地球物理探测、工业无损检查、探伤、诊断等方面都有着广泛的运用。随着对EIT技术的深入研究及阵列式传感器的不足之处，研究者开始将EIT(Electrical ImpedanceTomography)技术引入到传感器的设计之中。EIT技术又叫电阻抗断层成像技术，它是一种无损成像技术，其基本原理是通过向被测场域施加电激励(电流或电压)，检测场域表面的电响应(电压或电流)，再经过逆问题算法重构出被测场域内部的电导率分布情况。但是，基于EIT技术的柔性压敏传感器技术迄今未有相关的公开报导。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种基于EIT技术的柔性压敏传感器，利用无内部布线的“一体式”结构获取导电复合材料的受力位置分布，进而通过软件成像的方式实现有关受力位置分布的重构图像。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明基于EIT技术的柔性压敏传感器的结构特点是：
设置传感装置，是在面板上铺设导电复合材料，在所述导电复合材料的***按设定位置分布电极，且相互良好接触，对应于各电极的所在位置，在所述面板上设置过孔，与各电极电连接的信号引线贯穿过孔；
设置传感电路，是由交流恒流源提供电流信号，由电流注入模拟多路复用器和电势测量模拟多路复用器对电极进行选通，经所述电流注入模拟多路复用器选通的电极将电流信号注入导电复合材料，在由所述电势测量模拟多路复用器选通的电极上获取导电复合材料对应位置上对电极之间的电压检测信号；以所述电压检测信号作为传感器输出的检测信号。
本发明基于EIT技术的柔性压敏传感器的结构特点也在于：对于所述电压检测信号设置信号放大与滤波电路、A/D数据采集、串口通信以及微处理器；所述电压检测信号经信号放大与滤波电路的信号处理，再经A/D数据采集转换为数字信号传送至微处理器，在微处理器中通过处理获得导电复合材料的受力位置分布信息，通过串口通信进行信息传输的上位机用于实时显示所述导电复合材料的受力位置分布，实现图像重构。
本发明基于EIT技术的柔性压敏传感器的结构特点也在于：所述导电复合材料是以硅橡胶为基体，添加在基体中的导电颗粒为多壁碳纳米管。
本发明基于EIT技术的柔性压敏传感器的结构特点也在于：所述导电复合材料的厚度为1mm。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明导电复合材料，并为导电复合材料设置***电极，实现了无内部布线的“一体式”结构，通过设置传感电路获取导电复合材料的受力位置分布，进而通过软件成像的方式实现有关受力位置分布的重构图像，相对传统的阵列式传感器来说，其传感单元为导电复合材料，传感单元内部无需布线，无需复杂的传感器件，可以制作成任意的尺寸和形状。
2、本发明传感电路中设置交流恒流源，其输出的正弦电流精度高，带负载能力强，有效保证也本发明的工作稳定性和工作可靠性；
3、本发明利用MATLBA软件编辑GUI界面对A/D采集数据进行实时处理，通过软件成像的方法实时检测导电复合材料受力位置信息，实现对外界物理量的实时传感。
附图说明
图1为本发明基于EIT技术的柔性压敏传感器结构示意图；
图2为本发明中微处理器控制模拟多路复用器的选通电路原理图；
图3为本发明中信号放大与滤波电路原理图；
具体实施方式
参见图1，本实施例中基于EIT技术的柔性压敏传感器的结构形式是：
设置传感装置，是在面板3上铺设导电复合材料5，在导电复合材料5的***按设定位置分布电极4，且相互良好接触，对应于各电极4的所在位置，在面板3上设置过孔7，与各电极4电连接的信号引线6贯穿过孔7；导电复合材料5是以硅橡胶为基体，添加在基体中的导电颗粒为多壁碳纳米管；导电复合材料5的厚度为1mm，平铺在亚克力板的面板3上，过孔7开设以导电复合材料的***。
设置传感电路，是由交流恒流源1提供稳定、多频、大小可调的正弦电流信号，由电流注入模拟多路复用器2和电势测量模拟多路复用器9对电极4进行选通，经电流注入模拟多路复用器2选通的电极4将电流信号注入导电复合材料5，在由电势测量模拟多路复用器9选通的电极4上获取导电复合材料5对应位置上对电极之间的电压检测信号；以电压检测信号作为传感器输出的检测信号，由电流注入模拟多路复用器选通的电极和由电势测量模拟多路复用器选通的电极是不同的电极。
具体实施中，对于电压检测信号设置信号放大与滤波电路10、A/D数据采集11、串口通信12以及微处理器8；电压检测信号经信号放大与滤波电路10的信号处理，再经A/D数据采集11转换为数字信号传送至微处理器8，在微处理器8中通过处理获得导电复合材料5的受力位置分布信息，通过串口通信12进行信息传输的上位机13用于实时显示导电复合材料5的受力位置分布，实现图像重构。
本实施例中交流恒流源1为单项恒流两芯输出，输出最大量程10mA，采用连续可调的电位器调节电流输出范围为1-10mA，频率为2kHz-20kHz，步进为100Hz；频率为2kHz的最大输出电流为10mA，频率越高则最大输出电流越低；当导电复合材料的阻抗变化较小时，输出的正弦电流精度在0.5％的范围之内，如果阻抗变化较大，输出的正弦电流精度在1-2％的范围内，对于导电复合材料5的阻抗变化范围要求是：1mA为0-16K欧姆；10mA为0-1.6K欧姆；导电复合材料5是以硅橡胶为基体，添加在基体中的导电颗粒为多壁碳纳米管，导电复合材料5的厚度为1mm。交流恒流源根据不同导电复合材料的阻抗大小对输出电流大小及频率进行调节，同时交流恒流源的输出端与电流注入模拟多路复用器的公共端相连接。
采用STM32F103VET6微处理器，电流注入模拟多路复用器2和电势测量模拟多路复用器9是采用ADG1207；使用2K片(K＝1 2 3…)的模拟多路复用器ADG1207即可实现对不同电极数目及测量模式的需求，K片模拟多路复用器构成电流选通通道，K片模拟多路复用器构成电压测量通道，为了隔离微处理器电平转换时所产生的干扰，在微处理器STM32F103VET6和模拟多路复用器之间设置TLP521-4可控光耦合隔离器。
图2所示，STM32F103VET6微控制器的I/O口与图2a和图2b中TLP光耦合隔离器管脚相连，进而控制电流注入模拟多路复用器2和电势测量模拟多路复用器9的选通，TLP的1、3、5管脚经串联的510Ω电阻连接到5V电源，其2、4、6管脚连接到STM32F103VET6微控制器的C口，即PC0、PC2、PC3、PC4、PC6和PC7，TLP的12、14和16管脚与图2c和图2d中ADG的地址选择端A2、A1和A0相连接；当微控制器的输出为高电平时，对应的地址选择端输出高电平；当微控制器的输出为低电平时，对应的地址选择端输出端输出低电平。通过ADG的地址选择端实现对电极的控制，电流注入选通与电压测量选通原理相同。
图3所示，在信号放大与滤波电路10中，信号放大采用高共模抑制比、低成本、高精度的放大器AD620，电势测量模拟多路复用器9的公共端通过导线与放大器AD620的输入端相连接，采用差分放大方式，AD620的增益仅取决于外接电阻R39，AD620的放大倍数为0～50；滤波电路采用有源滤波器UFA42，改变UFA42的电路参数可以构成各种满足工程实际需要的滤波器，分别实现低通、高通、带通滤波器，跳线即可选择其一进行输出，通过改变滑动变阻器R46和R48的阻值，轻松调节其滤波器的中心频率，通常情况下，尽量保证R46和R48的阻值比较接近，以保证能尽量得到较高的中心频率，本实施例中心频率可高至40KHz，通过改变滑动变阻器R42和R44的阻值，可以调整滤波器的品质因数Q值，Q值与通带增益是无法同时获得较大值得，调节滑动变阻器时，应当在这两者间取一定的平衡；A/D数据采集是12位A/D转换电路。

Claims (4)

1.一种基于EIT技术的柔性压敏传感器，其特征是：
设置传感装置，是在面板(3)上铺设导电复合材料(5)，在所述导电复合材料(5)的***按设定位置分布电极(4)，且相互良好接触，对应于各电极(4)的所在位置，在所述面板(3)上设置过孔(7)，与各电极(4)电连接的信号引线(6)贯穿过孔(7)；
设置传感电路，是由交流恒流源(1)提供电流信号，由电流注入模拟多路复用器(2)和电势测量模拟多路复用器(9)对电极(4)进行选通，经所述电流注入模拟多路复用器(2)选通的电极(4)将电流信号注入导电复合材料(5)，在由所述电势测量模拟多路复用器(9)选通的电极(4)上获取导电复合材料(5)对应位置上对电极之间的电压检测信号；以所述电压检测信号作为传感器输出的检测信号。
2.根据权利要求1所述的基于EIT技术的柔性压敏传感器，其特征是：对于所述电压检测信号设置信号放大与滤波电路(10)、A/D数据采集(11)、串口通信(12)以及微处理器(8)；所述电压检测信号经信号放大与滤波电路(10)的信号处理，再经A/D数据采集(11)转换为数字信号传送至微处理器(8)，在微处理器(8)中通过处理获得导电复合材料(5)的受力位置分布信息，通过串口通信(12)进行信息传输的上位机(13)用于实时显示所述导电复合材料(5)的受力位置分布，实现图像重构。
3.根据权利要求1所述的基于EIT技术的柔性压敏传感器，其特征是：所述导电复合材料(5)是以硅橡胶为基体，添加在基体中的导电颗粒为多壁碳纳米管。
4.根据权利要求3所述的基于EIT技术的柔性压敏传感器，其特征是：所述导电复合材料(5)的厚度为1mm。
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