CN109323782B - 一种非阵列式超级电容式触觉传感器及应用 - Google Patents

Abstract

本发明为一种非阵列式超级电容式触觉传感器及应用，该传感器包括上电极层、下电极层和位于两电极层之间的离子凝胶层以及空气层；所述上电极层和离子凝胶层之间为空气层，所述离子凝胶层在通电时能在上下表面聚集正负电荷；上电极层连接电源正极a，下电极层接地b，在上电极层的上表面上沿横纵方向设置两组测量电极，每组测量电极均包括两个测量电极，这两个测量电极到上电极层中心的距离相等。该传感器采用的是非阵列式，采用离子凝胶层以及空气作为中间层，实现了对正压力的大面积精确定位，在受到正压力时上电极层与离子凝胶层接触可形成超级电容，从而测定正压力的位置。

Description

一种非阵列式超级电容式触觉传感器及应用

技术领域

本发明涉及触觉传感器，具体是一种非阵列式超级电容式触觉传感器及应用，该传感器能用于测量正压力的位置和/或正压力的大小。

背景技术

触觉传感器是机器人与外部环境直接作用的必需媒，它可直接测量对象与环境之间的多种性质与特征。随着社会生活进步，机器人与人之间的接触越来越密切，对机器人的研究越来越深入，赋予其相应的视觉、触觉对实现机器人与人的协作有重要的意义。触觉对实现机器人的智能化尤为重要，它可以向机器人直接反映周边环境的各种信息。目前视觉相对来说发展已经成熟，触觉的发展还在不断地研究发展中。目前研究的触觉皮肤传感器，其主要功能是用来感受机械外力，并且缺乏柔性。

现有的触觉传感器大多数为阵列式触觉传感器。阵列式触觉传感器在大面积使用时引线较多，调理电路较为复杂，并且在制作过程中，若增大电极宽度，即可增大有效电容，同时也会增大产生的噪声电容，无法解决有效电容与噪声电容之间的矛盾。

申请号为201621268241.5的专利公开了一种具有图案化微结构阵列的电容式触觉传感器，该压力传感器设计微结构图案，加工制备方法复杂，同时采用阵列电容，会产生很高的信噪比，寄生电容的影响较大，并且阵列电容产生较多的电极引线，加工工艺要求高，不易大规模进行加工。

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，提供一种非阵列式超级电容式触觉传感器及应用。该传感器采用的是非阵列式，采用离子凝胶层以及空气作为中间层，实现了对正压力的大面积精确定位，在受到正压力时上电极层与离子凝胶层接触可形成超级电容，从而测定正压力的位置。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，提供一种非阵列式超级电容式触觉传感器，其特征在于该传感器包括上电极层、下电极层和位于两电极层之间的离子凝胶层以及空气层；所述上电极层和离子凝胶层之间为空气层，所述离子凝胶层在通电时能在上下表面聚集正负电荷；上电极层连接电源正极a，下电极层接地b，在上电极层的上表面上沿横纵方向设置两组测量电极，每组测量电极均包括两个测量电极，这两个测量电极到上电极层中心的距离相等。

该传感器还包括压电层，压电层位于下电极层的下表面，压电层与外部测量电荷设备连接。

一种上述的非阵列式超级电容式触觉传感器的应用，该传感器用于正压力测试，测量正压力的过程是：通过导线将两组测量电极连接在数据采集卡的接线端子上，通过数据采集卡来实现对电压信号的采集；同时将压电层连接至测量电荷设备，利用测量电荷设备测量压电层产生的电荷量；

当传感器受到正压力的刺激时，使得压缩产生的应变不断增大，上电极层产生形变，从而与离子凝胶层接触，形成超级电容，电容量发生改变，导致测量的电势差产生变化；在外部检测电路采集电压信号时，传感器的测量电极选择差分的测量方式，按照横向纵向设置两组测量电极，通过测量两组电极之间的电压，来确定受力位置；而最下面的压电层在受到正压力时产生形变，从而使压电材料极化，产生电荷，再由测量电荷设备测量产生的电荷量，来确定正压力的大小。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

1.本发明中将超级电容应用到传感器中，上下极板分别采用柔性电极，中间层采用离子凝胶层及空气层，整体结构具有高柔性，可实现拉伸、卷曲、按压等变形。整体结构厚度可控，通过调节各层的力学特性和厚度可应用于不同场合。

2、本发明中传感原理的核心采用了静电双电层电容(Electrostatic Double-LayerCapacitor,EDLC)。静电双电层电容是超级电容的原理之一，即在受到正压力时，在离子凝胶层上下表面可分别聚集正负电荷，从而分别与上、下电极层表面构成双电层电容(超级电容)，随上电极层与离子凝胶层接触增大，其电容量也随之增大。本发明中采用的超级电容原理，形成产生的电容量比同等结构尺寸的普通介电电容产生的电容量高四至六个数量级(10⁴-10⁶倍)，其产生的信号强度更大，传感器信噪比更高。在受到正压力时，超级电容的形成，引起电极层表面的电势分布受到影响，通过测量电极间电势差来确定正压力的位置，由于超级电容的形成，也增加了传感器的压力检测范围。

3、本发明传感器为非阵列式触觉传感器，按照横向纵向设置两组测量电极，并且选择差分的测量方式，将传感器分成四个区域，通过测量两组电极之间的电压，来确定传感器的受力位置，比传统的阵列式触觉传感器引线大大减少，可实现大面积应用进行定位。同时在下电极层下面有一层压电层，压电材料受到正压力，会产生形变，从而产生电荷，利用电荷放大器可以测量产生的电荷量，进而求得正压力的大小。

附图说明

图1是本发明非阵列式超级电容式触觉传感器一种实施例的整体结构示意图；

图2是本发明非阵列式超级电容式触觉传感器一种实施例的双电层电荷分布示意图；

图3是本发明非阵列式超级电容式触觉传感器一种实施例的测量原理示意图；

图4是本发明非阵列式超级电容式触觉传感器一种实施例的位置与电压分布仿真图；

图中：1、上电极层；2、空气层；3、离子凝胶层；4、下电极层；5、压电层。

具体实施方式

下面结合实施例及附图进一步解释本发明，但并不以此限制本申请的保护范围。

本发明非阵列式超级电容式触觉传感器(参见图1-3，简称传感器)，包括上电极层1、下电极层4和位于两电极层之间的离子凝胶层3以及空气层2；所述上电极层和离子凝胶层3之间为空气层2，离子凝胶层在通电时能在上下表面聚集正负电荷；上电极层连接电源正极a，下电极层接地b，在上电极层的上表面上沿横纵方向设置两组测量电极，每组测量电极均包括两个测量电极，这两个测量电极到上电极层中心的距离相等；两组测量电极的连线将上电极层分成四个区域。

本发明中所述离子凝胶层具有柔性，与上电极层可以形成超级电容。

本发明的进一步特征在于，该传感器还包括压电层5，压电层5位于下电极层的下表面，压电层5与外部测量电荷设备连接。所述压电层5采用压电材料制成。

所述上电极层1和下电极层4均为导电橡胶，形成导电橡胶电极层。

本发明传感器测量正压力的过程是：通过导线将两组测量电极连接在数据采集卡的接线端子上，通过数据采集卡来实现对电压信号的采集；同时将压电层连接至测量电荷设备，利用测量设备测量压电层产生的电荷量；

当传感器受到正压力的刺激时，使得压缩产生的应变不断增大，上电极层1产生形变，从而与离子凝胶层3接触，形成超级电容，电容量发生改变，导致测量的电势差产生变化。在外部检测电路采集电压信号时，由于位置的不同，受力位置与电压的测量电极之间的距离存在一定的关系，从而导致采集的电压信号存在差别，由此可以区分出正压力的受力位置，传感器的测量电极选择差分的测量方式，按照横向纵向设置两组测量电极，即在传感器的上电极层的表面上下左右的中点处设置测量电极，左右方向的为一组测量电压，上下方向为一组测量电压，通过测量两组电极之间的电压，来确定受力位置。而最下面的压电层因为采用压电材料，在受到正压力时产生形变，从而使压电材料极化，产生电荷，再由测量电荷设备测量产生的电荷量，来确定正压力的大小。

超级电容是指材料产生的电容量非常大，普通的介电层材料通过实验测得产生的电容量为几百pF数量级，而离子凝胶层产生的是它的五个数量级左右，在几μF数量级，所以采用离子凝胶层。所述离子凝胶层厚度极小，可以达到几百微米级别，由可知，厚度越小，则电容量越高，当传感器受力时，上电极层与离子凝胶层接触，形成超电容，从而使电容量C迅速增大；由/>可知，电容量C增大，测量电压U减小。

本发明传感器能提供一种测量正压力的新的测量原理及方法。上、下电极层以及中间的凝胶层来测正压力的位置，最下面一层压电层来测正压力的大小。测量正压力的位置时，离子凝胶层与电极之间有空气，当有正压力时，离子凝胶层与上电极层就产生接触，从而形成了超级电容，这一点因为电容变化了，有公式也就是电压会产生变化，这样测量电极通过数据采集卡采集到的电压就会发生改变，从而确定压力的位置。

本发明没有设置压电层时，传感器仅能用于测量正压力的位置，当设置压电层时既可以测量正压力的位置又能测量正压力的大小。

图2为本发明非阵列式超级电容式触觉传感器的双电层电荷分布示意图，离子凝胶层3采用双电层，即在离子凝胶层3上下表面分别聚集正负电荷，图2中上电极层1聚集正电荷，所以离子凝胶层3的上表面聚集负电荷，下表面聚集正电荷，下电极层4聚集负电荷，从而离子凝胶层3分别与上电极层1、下电极层4构成双电容，即电容量成倍增加；上电极层1的电源正极a接5V电源，下电极层2接地b(电源的负极)。a1、a2、a3、a4为四个测量电极，测量时测量电极连接到测量电路板，按照横向纵向得到两组测量电极a1-a2、a3-a4，

实施例1

本实施例非阵列式超级电容式触觉传感器，包括上电极层1、下电极层4、压电层5和位于两电极层之间的离子凝胶层3以及空气层2；所述上电极层和离子凝胶层3之间为空气层2，所述离子凝胶层的厚度为300μm，离子凝胶层的电阻大于上电极层，且离子凝胶层在通电时能在上下表面聚集正负电荷；上电极层连接电源正极a，下电极层接地b，在上电极层的上表面上沿横纵方向设置两组测量电极，每组测量电极均包括两个测量电极，这两个测量电极到上电极层中心的距离相等，共四个测量电极a1、a2、a3、a4，其中a1、a3高电平测量电极；a2、a4低电平测量电极，a1-a2位于上电极层上表面左右的中点处，a3-a4位于上电极层上表面上下的中点，通过测量两组测量电极a1-a2、a3-a4之间的电压，来确定受力位置。压电层5位于下电极层的下表面。

两组测量电极的连线将上电极层分成四个区域。

本实施例离子凝胶层3采用H₃PO₄和PVA制成。电阻为1ΜΩ。

将本实施例的传感器用于正压力测量，实验时，将50g的砝码放置在传感器上，通过导线引出测量电压的测量电极，连接在研华公司的工控机的数据采集卡的接线端子上，在Labview环境中进行程序控制，通过数据采集卡来实现对电压信号的采集。传感器的大小为100*100*3mm，数据采集卡的型号为PCL-818HD，接线端子的型号为PCLD-880，工控机的型号为IPC-610L。同时利用电荷放大器测量压电层产生的电荷量。电荷放大器的型号为kistlerLabAmp 5167A.

图4是本实施例传感器仿真计算得到的电势分布图，通过实验得到传感器受力点处的真实电压进行标定力的位置。同时通过电荷放大器测量压电层产生的电荷量的大小，从而得到正压力的大小。通过实验测得，压力施加点与计算得到的压力位置基本吻合，准确度在误差允许范围内。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (5)

1.一种非阵列式超级电容式触觉传感器，其特征在于该传感器包括上电极层、下电极层和位于两电极层之间的离子凝胶层以及空气层；所述上电极层和离子凝胶层之间为空气层，所述离子凝胶层在通电时能在上下表面聚集正负电荷；上电极层连接电源正极a，下电极层接地b，在上电极层的上表面上沿横纵方向设置两组测量电极，每组测量电极均包括两个测量电极，这两个测量电极到上电极层中心的距离相等。

2.根据权利要求1所述的非阵列式超级电容式触觉传感器，其特征在于所述离子凝胶层的电阻为1ΜΩ。

3.根据权利要求1所述的非阵列式超级电容式触觉传感器，其特征在于所述离子凝胶层具有柔性，与上电极层可以形成超级电容，采用H₃PO₄和PVA制成。

4.根据权利要求1-3任一所述的非阵列式超级电容式触觉传感器，其特征在于该传感器还包括压电层，压电层位于下电极层的下表面，压电层与外部测量电荷设备连接。

5.一种权利要求4所述的非阵列式超级电容式触觉传感器的应用，该传感器用于正压力测试，测量正压力的过程是：通过导线将两组测量电极连接在数据采集卡的接线端子上，通过数据采集卡来实现对电压信号的采集；同时将压电层连接至测量电荷设备，利用测量电荷设备测量压电层产生的电荷量；

当传感器受到正压力的刺激时，使得压缩产生的应变不断增大，上电极层产生形变，从而与离子凝胶层接触，形成超级电容，电容量发生改变，导致测量的电势差产生变化；在外部检测电路采集电压信号时，传感器的测量电极选择差分的测量方式，按照横向纵向设置两组测量电极，通过测量两组电极之间的电压，来确定受力位置；而最下面的压电层在受到正压力时产生形变，从而使压电材料极化，产生电荷，再由测量电荷设备测量产生的电荷量，来确定正压力的大小。