CN110333008A - 电容式触觉传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于传感器技术领域，具体为电容式触觉传感器。本发明包括单细胞电容式触觉传感器单元和采集单元，这两个部件相互配对，用于测量实验室设备和日常物品中使用的压力；其中，触觉传感器单元由两个电容元件和一层分割层组成；采集单元包括信号发生器、前置放大器、预屏蔽信号的过滤器、最终放大器、电压电平转换器；信号发生器包括一个振荡器模块；单细胞电容式触觉传感器输出进入前置放大器；输入参考信号由信号发生器中振荡器模块传送，然后通过转换器直接进行信号转换；通过序列滤波后的信号通过最终放大器放大，获得更稳定的适当幅度水平；最后信号由电压电平转换器转换和控制后输出。本发明能够广泛用于在人体活动监测领域中。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体涉及电容式触觉传感器。
背景技术
现有市场和科研领域有很多不同的压力检测方法，例如，通过电阻变化测量压力值，如应变仪和FSR，压电效应，电容式压力传感器。它们的主要问题是没有压力系统作为一个整体系统的所有优点。应变片传感器是非常精确的，但通常容易损坏、价格昂贵，很难或不可能在实验室开发。FSR是一个便宜而且相对准确的传感器，但是它不是线性的，在一段时间的压力下，值会发生变化，此外，它没有很好的耐久性，不适合长期使用。通过压电效应工作的PVDF或传感器也非常精确，但不能测量恒压;而且价格昂贵，不可能在实验室里制造或改变传感器的结构。如前所述，市场上或研究实验室中存在的传感器在精度、耐用性、价格以及在易于使用和开发等方面并不具备所有的优势。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测量压力范围大、测量精度高、成本低的电容式触觉传感器。
本发明提供的电容式触觉传感器，是通过电容效应直接测量物理压力的装置，可在实验室，医院和研究中心等，用于评估人类活动。而且，还可以设计基于本发明的新诊断集成系统。
本发明提供的电容式触觉传感器，包括：两个基本单元：单细胞电容式触觉传感器单元和采集单元，这两个部件相互配对，用于测量实验室设备和日常物品中使用的压力。
其中，所述触觉传感器单元的结构参见图1所示，由两个电容元件和一层分割层组成；第一电容元件1由保护层2、导电层3、弹性去电材料层4和导电层5由上至下安装组成，作为惠斯通电桥图7支腿之一；第二电容元件11由导电层7、弹性去电材料层8、导电层9、保护层10由上至下安装组成，作为惠斯通电桥另一支腿；两个电容元件中间由分隔层6结合。
其中，4个导电层3、5、7、9采用由金属或碳制成，作为电容板；2个 保护层2 、10采用非导电材料，用于保护传感器；2个弹性去电材料层4、8的材料为弹性介电材料，作为传感器中的压力阻滞剂；分隔层6采用非导电材料，用于分隔两个电容元件。
所述采集单元结构参见图5所示，包括信号发生器27、前置放大器28、预屏蔽信号的过滤器29包括低通滤波器29-a，高通滤波器29-b、最终放大器30、电压电平转换器31；单细胞电容式触觉传感器26输出进入前置放大器28，以增加幅度并获得更稳定的信号，并且如相关图中所提到的，通过前置放大器28可以预放大幅度；因为本发明系统是基于传感器板的电容效应来测量压力，所以输入参考信号必须是由信号发生器中振荡器块传送，振荡的幅度和频率将通过信号发生器27中振荡器块的幅度控制和频率控制功能来改变。然后通过转换器直接进行信号转换；低通滤波器29-a专用于消除高频因子，高通滤波器29-b专用于消除输出信号的偏移偏置。通过序列滤波后的信号通过最终放大器30放大，获得更稳定的适当幅度水平；最后，信号电压转换器31将控制输出信号，避免信号的不稳定和失去控制。
本发明中，所述电容器单元在X、Y、Z轴面上的图形化结构（三维结构外形图示）如图2所示。其中，传感器电极12-b包括四个单独的电极，其中两个中间电极彼此非常接近，并通过薄层分离。
本发明中，如通常传感器类似，每个触觉传感器单元具有一个外板和一个内板，外板用于输入信号，并且彼此靠近的内板用于输出信号。
本发明中，触觉传感器的电容值将根据压力和板的运动而改变。
本发明中，压力抗性遵循在所述腭之间的介电材料的刚度。
本发明中，所述电容单元布置为惠斯通电桥。在这个电桥中，每个电容器单元在电桥的另一个支路上彼此相对安装，并与恒定电阻串联。这意味着，如果电容器沿相同方向（正或负）变化，则输出将根据电容器值进行更改。
本发明中，所述触觉传感器可以制成传感器阵列，用以绘制压力表面的分布图。
本发明的电容式触觉传感器，通过按触觉压传感器部件表面的电容板，电容板板将彼此移动；采集单元可以检测电容板板的移动并在获取移动件上产生的电压变化；采集单元中模数转换器将其转化成数值后，计算机将这些数值显示为图形。
技术效果：
如今，对人体的监测正成为人们日常生活中的一个难以解决的问题。在日常活动中有太多用于识别人体活动的系统，他们使用许多不同类型的传感器，其中最受欢迎的是压力传感器。事实上，可以提取大多数身体状况活动，如散步，睡觉，座位等。但是，在许多系统中，由于如下一些问题而不被使用：准确性、价格、敏感度等不复合要求。
本发明设计的电容式触觉传感器，由于其自身的结构特点，可以在大多数情况下以最高的效率、最低的成本来使用。事实上，我们可以找到很多类型的电容式传感器，但是压力传感器容易受到环境物体的影响，尤其是人体产生的的信号，这对一个监测系统是不好的。
本发明能够在人体活动监测领域中广泛使用，原因如下所述：
1- 因为系统的结构易于制作和使用；
2-与其他具有相同精度和稳定性的压力传感器相比，系统成本非常低；
3-通过系统中的微小变化，它可以用作单细胞传感器或阵列传感器；
4-该系统对压力非常敏感，即使在温度，噪音等不稳定区域也能提供稳定的输出；
5-它可以在很大的压力范围内测量取决于我们在传感器结构中使用的材料；
6-通过使用这种传感器，我们对制造新传感器的尺寸或材料类型没有任何限制，因此它可以测量压力值的大范围；
7-系统能够同时进行模拟和数字输出，因此可以将人们想要的所有内容（如放大和滤波）应用于模拟或/和数字信号。
附图说明
图1：是单细胞电容触觉传感器单元结构图示。
图2：在三轴上显示单细胞电容传感器的图形表示。
图3：多阵列电容式触觉传感器的图示。
图4：是感器阵列的爆炸视图。
图5：是单细胞电容式触觉传感器的功能框图。
图6：是多阵列电容式触觉传感器的功能框图。
图7：是触觉电容传感器惠斯通电桥的示意图。
图中标号：1是容性传感器的电容器和惠斯通电桥的一个桥臂，2.是保护层，3是一个电容板，4.是弹性去电材料层，5.是另一个电容板，6是分隔层，7是另一电容板，8.是另一个弹性去电材料层，9是另外一个电容板，10是另一个保护层，11是容性传感器的电容器是惠斯通电桥的另一个桥臂；
12是电容器的三维外形结构图，12-a.是电容器的外形图，12-b是单细胞电容式传感器电极，12-c是单个细胞电容式传感器在Y轴面上的视图，12-d是单细胞电容传感器在X轴表面的视图；
16是二维传感器阵列，17.是触觉传感器阵列在X、Y、Z轴面的三维图形，18.是阵列传感器中间电极；
19是触觉传感器阵列的顶层,20是触觉传感器阵列的底部层，21是触觉传感器阵列外板层,22是触觉传感器阵列内板层；23是分隔层， 24是弹性脱电层,25保护层；
26是单细胞电容式触觉传感器，27是信号发生器，28是前置放大器的框图，29是预屏蔽信号的过滤器，其中，29-a是低通滤波器，29-b高通滤波器，30是最终放大器的框图，31是的电压电平转换器；
32是多阵列电容式触觉传感器，33是模拟多路复用器，34是多阵列电容式触觉传感器中信号发生器，35是多阵列电容式触觉传感器中差动前置放大器，36是多阵列电容式触觉传感器中预屏蔽信号的过滤器，37是多阵列电容式触觉传感器中最终放大的框图，38是单细胞电容式触觉传感器中的电压电平转换器，39是多阵列电容式触觉传感器的数字部分，40是多阵列电容式触觉传感器的数字数据线。
具体实施方式
下面通过实施例进一步说明本发明。本发明的实施例不限于在所描述的系统中使用。相反，当用于以精确，耐用，稳定且廉价的方式测量压力和力的系统时，可以使用本发明的实施例。
因此，在下文中描述为用于触觉感测的测量技术的系统还可以用作除了测量技术之外的许多应用的系统，包括但不限于游戏，睡眠监测，位置监测，呼吸监测，医疗应用等应用。
文中描述为构成各种实施例的组件和特征旨在是说明性的而非限制性的。与本文描述的材料执行相同或相似功能的许多合适的组件和/或特征旨在包含在本发明的实施例的范围内。
公开的示例性实施例涉及一种用于测量力的电容式触觉压力传感器，其进一步提供跟踪运动，位置和/或取向。
电容式触觉传感器的原理基于压力的电容值。这意味着，通过力，可以改变根据传感器板之间的间隙的电容器的值，并且检测器系统可以测量，然后将在输出处产生模拟电压。该系统可以由两种基本结构组成，如单细胞触觉传感器和多阵列触觉传感器。因此，首先，将引入单细胞触觉传感器，然后将呈现多阵列触觉传感器。
如图5所示，单细胞触觉系统包括 单细胞电容式触觉传感器26、信号发生器27、前置放大器28、预屏蔽信号的过滤器29、最终放大器30、电压电平转换器31。单细胞电容式触觉传感器26输出进入前置放大器28以增加幅度并获得更稳定的信号，并且如相关图中所提到的，通过前置放大器28可以预放大幅度。因为该系统基于传感器板的电容效应来测量力，所以输入参考信号必须是由信号发生器中振荡器块传送，振荡的幅度和频率将通过信号发生器27中振荡器块的幅度控制和频率控制功能来改变。下一步是通过转换器直接进行信号转换，低通滤波器29-a专用于消除高频因子，高通滤波器29-b专用于消除输出信号的偏移偏置。
通过序列，滤波后的信号将通过最终放大器30放大，获得更稳定的适当幅度水平。最后，信号电压转换器31将控制输出信号，避免信号的不稳定和失去控制。
本发明的电容式触觉传感器由压力来改变电容器值。实际上，传感器部件是一个基于电阻和电容的惠斯通电桥（图7）。如图7所示，每个电容器安装在惠斯通电桥的相对支路上（惠斯通公式）。
由图1可知，保护层2、导电层3、弹性去电材料层4和导电层5彼此由上至下进行安装。安装后作为惠斯通电桥图7支腿之一的第一电容元件1，导电层7、弹性去电材料层8、导电层9和保护层10组成惠斯通电桥其他支腿的第二电容元件11。两个电容元件中间通过分隔层6结合。
实际上，传感器的各个部件是通过粘合材料，按照图1所示的位置进行排序，相互安装。最后成为一个独立传感器（图2）。此外，触觉传感器中的每个板通过安装在板表面的导线连接到检测器电路（即采集单元）。
通过在传感器表面上施加力，板将彼此移动并且它们之间的距离将改变，然后电容将受到压力的影响。
本发明的传感器中，电阻器值是固定的，两个电容器单元1,11的值通过压力改变板之间的间隙来改变，电容器的阻抗也将改变。因为电容器在惠斯通电桥的相对支路中相互安装，电桥中节点的差分电压将随电容器值的变化而变化。
上下两个导电层9、3彼此相距较远，中间两个导电层5、7应尽可能靠近彼此12-b，但通过非导电隔离层6分开。通常，彼此闭合的板与图7中的节点A和B相同。然后，触觉传感器部件中的每个板通过安装在板表面的导线连接到探测器电路（即采集单元）。
振荡器与安装在传感器部件9、3两侧的板相连。因此，内导电层5，7连接到前置放大器28；在这种结构下，连接到振荡器的外板可以作为屏蔽被激活，噪声将在振荡器的电源中得到解决。此外，由于电容器内板12-b之间的间隙非常窄，电容器传感器1,10的值和条件将完全相同，因此，仅传感器的电容值将改变图7中A和B节点之间的电压平衡。这意味着，通过按压电容器（传感器），板之间的间隙将发生变化，根据c=μ_0μ_1面积/d，电容将增大，然后根据图7，“A”节点的电位差将减小，“B”节点的电位差将增大。
为了测量作为矩阵向量的值，我们必须使用传感器阵列，如图6所示，测量的基础类似于单电池电容传感器。
如图3展示的是集成了两个类似可变电容器的多阵列传感器，通过粘合材料按照图4中所述的位置进行排序。最后，它们将像图3中提到的三维图形一样固定。根据本发明的一个示例性实施例，各层应作为保护层25-a、导电层21-a、弹性去电材料层24-a和导电层22-a依此安装，作为惠斯通电桥图7支腿的第一电容元件19，然后是分离层23，依次由导电层22-b、弹性去电材料层24-b、导电层21-b和保护层25-b组成惠斯通电桥其他支腿的第二电容元件20。
第一电容元件19在触觉传感器阵列中为顶层，它与触觉传感器阵列的底层相结合, 第二电容元件20在触觉传感器阵列的底部层，与触觉传感器阵列的顶部层相结合。触觉传感器阵列外板层21（包括导电层22-a、导电层21-b）在彼此之间会增加平行,也有90度角与内部层阵列,触觉传感器阵列内板层22（包括导电层22-a、导电层22-b） 在彼此之间会增加平行,也有90度角与外层阵列；分离层23将两层内部分离开来。弹性脱电层24（包括弹性去电材料层24-a、弹性去电材料层24-b）,在外板层和内板层之间。保护层25包括（保护层25-a、保护层25-b）是一种具有弹性、柔软d 薄层,以覆盖传感器。
自然地，两个板阵列21-a，21-b彼此相距较远，另外两个板22-a，22-b应尽可能靠近彼此17，但通过非导电隔离层23分开。通常，彼此闭合的板与图7中的节点A和B相同。然后，触觉传感器部分的每个板通过安装在板表面的电线连接到探测器电路。
但在这里，系统有一个多路复用器33，用于在阵列32，阵列21.a，阵列21.b，阵列22.a，阵列22.b、模拟到数字单元和微控制器单元39之间切换，来控制多路复用器。“模拟到数字”单元用于将传感器值数字化成标准数据发送到PC。
MCU39将通过多路复用器按行21-a，行21-b和列22-a，列22-b的顺序扫描电容传感器阵列的板。连接到行板的多路复用器，将来自振荡器的信号引导到相关板，以及连接到内板的多路复用器，将来自相关板的信号引导到预放大块35。然后，在滤波36、放大37和调整电压电平后，ADC单元将模拟值更改为微控制器可接受的数字值。随后，微控制器将数据安排在相关阵列中，并制作一个标准数据阵列，用于发送到PC等相关设备，用于监控、处理和存储数据。
Claims (5)
1.一种电容式触觉传感器，其特征在于，包括两个基本单元：单细胞电容式触觉传感器单元和采集单元，这两个部件相互配对，用于测量实验室设备和日常物品中使用的压力；
其中，所述触觉传感器单元，由两个电容元件和一层分割层组成；第一电容元件（1）由保护层（2）、导电层（3）、弹性去电材料层（4）和导电层（5）由上至下安装组成，作为惠斯通电桥支腿之一；第二电容元件（11）由另一保护层（7）、另一导电层（8）、另一弹性去电材料层（9）、再一个导电层（10）由上至下安装组成，作为惠斯通电桥另一支腿；两个电容元件中间由分隔层（6）结合；
其中，4个导电层（3）、（5）、（7）、（9）采用由金属或碳制成，作为电容板；2个保护层（2）、（10）采用非导电材料，用于保护传感器；2个弹性去电材料层（4）、（8）的材料为弹性介电材料，作为传感器中的压力阻滞剂；分隔层（6）采用非导电材料，用于分隔两个电容元件；
所述采集单元包括信号发生器（27）、前置放大器（28）、预屏蔽信号的过滤器（29）、最终放大器（30）、电压电平转换器（31）；过滤器（29）包括低通滤波器（29-a）、高通滤波器（29-b）；信号发生器（27）包括一个振荡器模块；单细胞电容式触觉传感器（26）输出进入前置放大器（28），以增加幅度并获得更稳定的信号；输入参考信号由信号发生器中振荡器模块传送，振荡的幅度和频率通过振荡器模块的幅度控制和频率控制功能来改变；然后通过转换器直接进行信号转换；低通滤波器（29-a）用于消除高频因子，高通滤波器（29-b）用于消除输出信号的偏移偏置；通过序列滤波后的信号通过最终放大器（30）放大，获得更稳定的适当幅度水平；最后，信号由电压电平转换器（31）转换和控制后输出。
2.根据权利要求1所述的电容式触觉传感器，其特征在于，具有四个单独的电极，其中两个中间电极彼此非常接近，并通过薄层分离。
3.根据权利要求1所述的电容式触觉传感器，其特征在于，触觉传感器单元的一个外板用于输入信号，与外板靠近的一个内板用于输出信号。
4.根据权利要求1所述的电容式触觉传感器，其特征在于，触觉传感器的电容值根据压力和电容板的运动而改变。
5.一种由如权利要求1所述的电容式触觉传感器组成的传感器阵列。
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- 2019-07-17 CN CN201910646820.0A patent/CN110333008A/zh active Pending
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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