CN106840475A - 一种柔性压力传感*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔性压力传感***，其特征在于该***包括柔性压力传感器、信号采集装置和上位机；所述上位机通过信号采集装置与柔性压力传感器的输出端连接，信号采集装置用来采集柔性压力传感器的信号，上位机对采集来的数据进行处理，并将作用于柔性压力传感器上的压力分布状态呈现在上位机的显示屏中，得到压力分布图像；所述柔性压力传感器由上至下依次包括上缓冲层、上电极层、介电层、下电极层和下缓冲层，且上缓冲层、上电极层、介电层、下电极层和下缓冲层均包裹在屏蔽层内，所述屏蔽层采用防辐射布，屏蔽层接地；上电极层和下电极层上分别设有M条和N条带状平行电极，且上电极层和下电极层上的平行电极在空间上垂直相交。

Description

一种柔性压力传感***

技术领域

本发明涉及压力检测技术领域，特别涉及一种柔性压力传感***，可用于医疗康复过程中压力分布状态的检测。

背景技术

随着，微电子技术和新材料研制的不断发展，物体间接触的压力大小的测量与分析在许多行业的研究和发展中起着极其重要的作用，其可直接应用于机器人的电子皮肤、智能仿生、生物医疗检测、智能机器人等领域。

传统的电阻式压力传感器具有僵硬、不能伸缩等缺点，不适合应用于柔性场合的测量；而近年来发展迅速的电容式压力传感器虽然在一定程度上解决了柔性问题但其测量范围内获得不了较高的分辨率，不能十分清晰准确的反映被测量物体的状况；如专利CN105997088A中公开一种基于柔性力敏传感器的睡眠呼吸检测装置，该装置包括柔性力敏阵列床垫，该床垫虽然可以稳定的测量出压力分布图像，但是由于其上、下电极层电极的间距过大，电容单元的阵列密度低，其测量的分辨率不够高，当减少电极宽度和相邻间距，则会使得电容单元的变小，则传感器单元容易受到各种电气噪音的干扰如由电线、电路板和传感器本身带来的干扰，而导致无法获得高分辨率的传感器。

因此提供一种具有柔性化、高分辨率、高稳定性的柔性压力传感***，成为现有技术中亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种柔性压力传感***。该***采用阵列电容的原理，在保证柔性的同时可实现电容单元的高密度阵列，进而获得更高的分辨率。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：提供一种柔性压力传感***，其特征在于该***包括柔性压力传感器、信号采集装置和上位机；所述上位机通过信号采集装置与柔性压力传感器的输出端连接，信号采集装置用来采集柔性压力传感器的信号，上位机对采集来的数据进行处理，将作用于柔性压力传感器上的压力分布状态呈现在上位机的显示屏中，得到压力分布图像；

所述柔性压力传感器由上至下依次包括上缓冲层、上电极层、介电层、下电极层和下缓冲层，且上缓冲层、上电极层、介电层、下电极层和下缓冲层均包裹在屏蔽层内，所述屏蔽层采用防辐射布，屏蔽层接地；上电极层和下电极层上分别设有M条和N条带状平行电极，且上电极层和下电极层上的平行电极在空间上垂直相交；这样每个上电极层和下电极层的平行电极交叉的部分则构成了一个电容单元，即该柔性压力传感器是由M×N个电容单元阵列而成，每一个电容单元都是一个小的传感器单元；上电极层和下电极层上的电极材料为导电布；介电层为高分子聚酯类泡沫；

所述信号采集装置包括交流信号源、开关扫描装置和数据采集模块，交流信号源为正弦信号源；所述开关扫描装置为一个多路开关，交流信号源与开关扫描装置的输入端连接，开关扫描装置的M路输出端与上电极层的M条电极相连；

数据采集模块包括数据采集卡和N路采样电阻，每路采样电阻分别连接柔性压力传感器的下电极层上的N条平行电极，N路采样电阻同时连接数据采集卡连接，使用数据采集卡采集每路采样电阻的电压；同时数据采集卡与交流信号源连接，为交流信号源提供信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)测得的压力分布图分辨率高。该柔性压力传感器使用了较小宽度的电极，使得每一个传感器单元更小，提高传感器单元的分布密度，在相同面积下，其阵列的电容单元为之前同类的3倍，从而获得了更高的分辨率。

2)灵敏度更高。本发明使用柔性导电布作为电极材料时，电极电阻较小，这使得每一个电容单元更加灵敏，能够测得较小的压力，测量精度提到；另一方面本发明采用的平行电极宽度变小，则每一个电容的相对面积变小，初始电容变小，使得该柔性压力传感器更加灵敏。

3)柔性更好。与现有技术中印刷到柔性材料的导电电路相比，本发明柔性压力传感器电极采用的一种类似棉布的导电材料(简称导电布)，与被检测者接触时，更加柔软，舒服，更易被检测者接受。

附图说明

图1是本发明柔性压力传感***的一种实施例的整体结构示意图；

图2为本发明中所述柔性压力传感器的结构示意图；

图3为本发明中所述柔性压力传感器的剖视结构示意图；

图4为本发明柔性压力传感***的信号采集的原理示意图；

图5为本发明柔性压力传感***的一种实施例信号采集装置的结构框图；

图中，1、被检测者，2、床垫，3、柔性压力传感器，4、信号采集装置，5、上位机；31、上缓冲层，32、上电极层，33、介电层，34、下电极层，35、下缓冲层，36、屏蔽层；41、交流信号源，42、开关扫描装置，43、数据采集模块。

具体实施方式

为了使本发明实现上述的功能，以下实施例将结合附图对本发明提供的一种柔性压力传感***做出具体阐述。

本发明柔性压力传感***(简称***，参见图1-5)包括柔性压力传感器3、信号采集装置4和上位机5；所述上位机5通过信号采集装置4与柔性压力传感器3的输出端连接，信号采集装置用来采集柔性压力传感器3的信号，上位机对采集来的数据进行处理，并将作用于柔性压力传感器3上的压力分布状态呈现在上位机的显示屏中，得到压力分布图像；

所述柔性压力传感器3由上至下依次包括上缓冲层31、上电极层32、介电层33、下电极层34和下缓冲层35，且上缓冲层31、上电极层32、介电层33、下电极层34和下缓冲层35均包裹在屏蔽层36内，所述屏蔽层36采用柔软的防辐射布，屏蔽层36接地；上电极层32和下电极层34上分别设有M条和N条带状平行电极，且上电极层32和下电极层34上的平行电极在空间上垂直相交；这样每个上电极层32和下电极层34的平行电极交叉的部分则构成了一个电容单元，即该柔性压力传感器是由M×N个电容单元阵列而成，每一个电容单元都是一个小的传感器单元；上电极层和下电极层上的电极材料为一种柔性导电布，具有良好的导电性和柔性，与之前印刷在电极层上的导电橡胶相比较，该柔性导电布不仅柔性更好，人接触的时候感觉更舒适，而且其材料本身电阻小，每条带状平行电极的电阻仅2～3欧，使得每个传感器单元更灵敏，精度更高；介电层33为高分子聚酯类泡沫，类似海绵之类的物质，一方面这种材质柔软，使得柔性压力传感器3有很好的柔性，当被检测者躺在铺有柔性压力传感器3的护理床上时，可以感觉到舒适；另一方面，该材料有合适的弹性模量，保证在其感受到一定压力后，被压缩；同时，当压力消失后，可以很好恢复到初始状态。

所述信号采集装置包括交流信号源41、开关扫描装置42和数据采集模块43，交流信号源41为一个振幅5V频率1000Hz的正弦信号源；所述开关扫描装置42为一个多路开关，型号为NI PXI/PXIe-2527，交流信号源41与开关扫描装置42的输入端连接，开关扫描装置42的M路输出端与上电极层的M条电极相连，配置开关扫描装置，使开关扫描装置的内部开关从1路到M路不断切换，从而使得柔性压力传感器的上电极层的平行电极从第1条到第M条周期性的接收到信号源，从而形成周期性扫描；

数据采集模块43包括数据采集卡和N路采样电阻，每路采样电阻分别连接柔性压力传感器3的下电极层34上的N条平行电极；数据采集卡采集采样电阻的电压，由数据采集卡上的N个模拟输入串口实现；即将柔性压力传感器3的下电极层35上的N条带状电极分别外接采样电阻，N路采样电阻同时连接数据采集卡连接，使用数据采集卡采集每路采样电阻的电压；同时数据采集卡与交流信号源41连接，为交流信号源提供信号。

随着开关扫描装置42的周期性扫描，数据采集卡会不断的读取每一行电容单元的压力信号，当开关扫描装置从1路扫描到N路时，完成一个周期的扫描，得到所有传感器单元受外界压力下所对应的采样电阻的电压数值。再将采集到的数据传入上位机5，对这一个扫描周期所采集到的数据进行处理。当外界无压力时，则会采集到一组初始值，以初始值为基准，将采集到的不同压力下的数据，在上位机中经过低通滤波器滤波、放大，再进行直流平均算法等处理，即对放大后的数据计算均方根，提取交流信号中的直流值；然后每次截取50个值，取其平均值，以获得稳定的直流信号，将直流信号以0.05v为一个梯度，数据每相差0.05之后，便改变一种颜色，填充到压力分布图中，最终在上位机的显示屏中显示不同状态的压力分布图像。

本发明的进一步特征在于所述数据采集卡的型号为NI PXI-6251，开关扫描装置为NI-PXI/PXIe 2527多路开关板卡。

图1所示实施例表明，本发明柔性压力传感***包括柔性压力传感器3、信号采集装置4和上位机5，柔性压力传感器3与信号采集装置4连接，信号采集装置与上位机进行双向通信，使用时将信号柔性压力传感器3平整放置在床垫2之上，当被检测者躺下时，则柔性压力传感器3感受到压力，将被检测者对柔性压力传感器的压力信号转化为电信号，由数据采集装置采集该电信号，并传入上位机5中，在上位机5中进行数据处理，最终在上位机5的显示屏中输出压力分布的图像。

图2所示实施例表明，本发明柔性压力传感***的柔性压力传感器的结构是：包括上电极层32、下电极层34和介电层33，介电层位于上电极层与下电极层之间，此外还包括上缓冲层31、下缓冲层35和屏蔽层36(参见图3)。所述上缓冲层和下缓冲层均采用柔性材料制成，分别位于上电极层和下电极层的上部和下部，上电极层和下电极层上设有带状平行电极，该平行电极为一种柔性导电布制成，上电极层的M条平行电极与下电极层的N条平行电极空间垂直相交，所述上、下电极层的平行电极分别通过导线与信号采集装置中的回路相连接；上电极层32、介电层33、下电极层34、上缓冲层31、下缓冲层35均包裹在屏蔽层36内。

图5所示实施例表明，本发明柔性压力传感***的信号采集装置4包括交流信号源41、开关扫描装置42和数据采集模块43，数据采集模块43包括N路采样电阻和数据采集卡，数据采集卡与采样电阻连接，采集采样电阻电压，每路采样电阻分别连接柔性压力传感器3的下电极层34上的N条平行电极；同时数据采集卡为交流信号源提供信号，交流信号源与开关扫描装置的输入端连接，开关扫描装置与柔性压力传感器3的上电极层上的M根平行电极连接(参见图4)。

具体柔性压力传感器的实现方法如图4(图4中所示为将M、N＝3的情况下的示意图)所示：交流信号源41输出一个5V、1000Hz的正弦信号；然后接入开关扫描装置42；将振幅5V频率1000Hz的正弦信号源接入一个1线32路的开关扫描装置，通过开关扫描装置，接出M个信号，然后与柔性压力传感器3的上电极层32上的M根电极连接，当开关扫描装置从1路扫描到M路时，即完成一个周期的扫描，则正弦信号源会依次与上电极层的M条平行电极接通，保持短暂时间后断开；将下电极层34上的每条平行电极连接一个采样电阻，然后接地，这就形成一个完整的闭合回路。数据采集卡采集每路采样电阻两端的电压，即当交流信号源接通到某一行平行电极时，则可以同时采集到该行的所有传感器单元的信号，开关扫描装置进行周期性扫描，则保证信号源周期性依次接入1路到M路电路，即而可以周期性采集到全部传感器单元的信号。

本发明柔性压力传感***的工作原理及过程：

工作原理：柔性压力传感器3是由上缓冲层31、上电极层32、介电层33、下电极层34、下缓冲层35以及屏蔽层36组成；上、下电极层上分别是M条和N条带状平行电极，且上、下电极层的平行电极在空间上垂直相交；这样每个上、下层交叉的部分则构成了一个电容单元，即该柔性压力传感器是由M×N个电容单元阵列而成。电容的计算公式为：其中ε₀为真空的介电常数；ε为介电层相对与真空的介电常数；s为每个电容单元的面积，即相互垂直的电极交叉的面积；d为两个平行电极之间的距离，即介电层的厚度。所以，当外界施加压力时，s一定，距离d改变，导致电容C改变。

工作过程：交流信号源由数据采集卡上的一个模拟输出端口输出，开关扫描装置则由NI-PXI/PXIe 2527多路开关板卡实现，将模拟输出端口的线与多路开关板卡的公共端(COM端)相连，将多路开关的M路输出端与上电极层的M条平行电极相连，将下电极层的N条平行电极外接采样电阻R0，然后接地，形成闭合回路；将数据采集卡的N个模拟输入端口分别接到采样电阻两端，来采集采样电阻两端电压。当开关扫描装置从第一路切换到第M路完成一个周期的扫描时，则数据采集装置将采集到M×N个传感器的全部信号，保存，传入上位机，上位机对时域信号进行滤波、去噪、放大等处理后，在上位机中输出压力分布图像。

实施例1

本实施例柔性压力传感***包括柔性压力传感器、信号采集装置和上位机；所述上位机通过信号采集装置与柔性压力传感器的输出端连接，信号采集装置用来采集柔性压力传感器的信号，上位机对采集来的数据进行处理，并将作用于柔性压力传感器上的压力分布状态呈现在上位机的显示屏中，得到压力分布图像；

所述柔性压力传感器由上至下依次包括上缓冲层、上电极层、介电层、下电极层和下缓冲层，且上缓冲层、上电极层、介电层、下电极层和下缓冲层均包裹在屏蔽层内，所述屏蔽层采用柔软的防辐射布，屏蔽层接地；上电极层和下电极层上分别设有M条和N条带状平行电极，且上电极层和下电极层上的平行电极在空间上垂直相交；这样每个上电极层和下电极层的平行电极交叉的部分则构成了一个电容单元，即该柔性压力传感器是由M×N个电容单元阵列而成，每一个电容单元都是一个小的传感器单元；上电极层和下电极层上的电极材料为柔性导电布；介电层为高分子聚酯类泡沫；

所述信号采集装置包括交流信号源、开关扫描装置和数据采集模块，交流信号源为正弦信号源；所述开关扫描装置为一个多路开关，交流信号源与开关扫描装置的输入端连接，开关扫描装置的M路输出端与上电极层的M条电极相连；

数据采集模块包括数据采集卡和N路采样电阻，每路采样电阻分别连接柔性压力传感器的下电极层上的N条平行电极，N路采样电阻同时连接数据采集卡连接，使用数据采集卡采集每路采样电阻的电压；同时数据采集卡与交流信号源连接，为交流信号源提供信号。

本实施例中每条平行电极的宽度为9mm；相邻两条平行电极之间的间距为7mm，每平方分米中可阵列39个传感器单元。

相比现有技术(CN105997088A)中所提的同类传感器的每条电极的宽度和以及电极间距均为14mm，每个传感器单元所占的面积为14×14mm²，每平方分米中仅可阵列13个传感器单元，即本实施例中所述的柔性压力传感器在结构上通过减小电极宽度和间距使得每平方米的传感器单元数可达到之前同类传感器单元数的3倍，即传感器单元的单位密度提升为之前的3倍。而如果按照现有技术仅通过减少电极宽度和相邻间距，则使得传感器单元的初始电容值变小，即电容容易受到各种干扰如由电线、电路板和传感器单元之间本身带来的交叉干扰，而导致无法获得高精度。本发明在柔性压力传感器的结构上外加了屏蔽层36，有效减少了传感器单元的抗干扰能力，同时采用柔软的防辐射布将整个柔性压力传感器封闭，接地处理，能屏蔽干扰信号，还能保证整个柔性压力传感器的柔性。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (3)

1.一种柔性压力传感***，其特征在于该***包括柔性压力传感器、信号采集装置和上位机；所述上位机通过信号采集装置与柔性压力传感器的输出端连接，信号采集装置用来采集柔性压力传感器的信号，上位机对采集来的数据进行处理，将作用于柔性压力传感器上的压力分布状态呈现在上位机的显示屏中，得到压力分布图像；

所述柔性压力传感器由上至下依次包括上缓冲层、上电极层、介电层、下电极层和下缓冲层，且上缓冲层、上电极层、介电层、下电极层和下缓冲层均包裹在屏蔽层内，所述屏蔽层采用防辐射布，屏蔽层接地；上电极层和下电极层上分别设有M条和N条带状平行电极，且上电极层和下电极层上的平行电极在空间上垂直相交；这样每个上电极层和下电极层的平行电极交叉的部分则构成了一个电容单元，即该柔性压力传感器是由M×N个电容单元阵列而成，每一个电容单元都是一个传感器单元；上电极层和下电极层上的电极材料为导电布；介电层为高分子聚酯类泡沫；

所述信号采集装置包括交流信号源、开关扫描装置和数据采集模块，交流信号源为正弦信号源；所述开关扫描装置为一个多路开关，交流信号源与开关扫描装置的输入端连接，开关扫描装置的M路输出端与上电极层的M条电极相连；

数据采集模块包括数据采集卡和N路采样电阻，每路采样电阻分别连接柔性压力传感器的下电极层上的N条平行电极，N路采样电阻同时连接数据采集卡连接，使用数据采集卡采集每路采样电阻的电压；同时数据采集卡与交流信号源连接，为交流信号源提供信号。

2.根据权利要求1所述的柔性压力传感***，其特征在于所述数据采集卡的型号为NIPXI-6251，开关扫描装置为NI-PXI/PXIe 2527多路开关板卡。

3.根据权利要求1所述的柔性压力传感***，其特征在于每条平行电极的宽度为9mm；相邻两条平行电极之间的间距为7mm。