本發(fā)明涉及壓力檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種柔性壓力傳感系統(tǒng)，可用于醫(yī)療康復(fù)過程中壓力分布狀態(tài)的檢測。

背景技術(shù)：

隨著，微電子技術(shù)和新材料研制的不斷發(fā)展，物體間接觸的壓力大小的測量與分析在許多行業(yè)的研究和發(fā)展中起著極其重要的作用，其可直接應(yīng)用于機器人的電子皮膚、智能仿生、生物醫(yī)療檢測、智能機器人等領(lǐng)域。

傳統(tǒng)的電阻式壓力傳感器具有僵硬、不能伸縮等缺點，不適合應(yīng)用于柔性場合的測量；而近年來發(fā)展迅速的電容式壓力傳感器雖然在一定程度上解決了柔性問題但其測量范圍內(nèi)獲得不了較高的分辨率，不能十分清晰準(zhǔn)確的反映被測量物體的狀況；如專利CN105997088A中公開一種基于柔性力敏傳感器的睡眠呼吸檢測裝置，該裝置包括柔性力敏陣列床墊，該床墊雖然可以穩(wěn)定的測量出壓力分布圖像，但是由于其上、下電極層電極的間距過大，電容單元的陣列密度低，其測量的分辨率不夠高，當(dāng)減少電極寬度和相鄰間距，則會使得電容單元的變小，則傳感器單元容易受到各種電氣噪音的干擾如由電線、電路板和傳感器本身帶來的干擾，而導(dǎo)致無法獲得高分辨率的傳感器。

因此提供一種具有柔性化、高分辨率、高穩(wěn)定性的柔性壓力傳感系統(tǒng)，成為現(xiàn)有技術(shù)中亟待解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明擬解決的技術(shù)問題是，提供一種柔性壓力傳感系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用陣列電容的原理，在保證柔性的同時可實現(xiàn)電容單元的高密度陣列，進而獲得更高的分辨率。

本發(fā)明解決所述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是：提供一種柔性壓力傳感系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括柔性壓力傳感器、信號采集裝置和上位機；所述上位機通過信號采集裝置與柔性壓力傳感器的輸出端連接，信號采集裝置用來采集柔性壓力傳感器的信號，上位機對采集來的數(shù)據(jù)進行處理，將作用于柔性壓力傳感器上的壓力分布狀態(tài)呈現(xiàn)在上位機的顯示屏中，得到壓力分布圖像；

所述柔性壓力傳感器由上至下依次包括上緩沖層、上電極層、介電層、下電極層和下緩沖層，且上緩沖層、上電極層、介電層、下電極層和下緩沖層均包裹在屏蔽層內(nèi)，所述屏蔽層采用防輻射布，屏蔽層接地；上電極層和下電極層上分別設(shè)有M條和N條帶狀平行電極，且上電極層和下電極層上的平行電極在空間上垂直相交；這樣每個上電極層和下電極層的平行電極交叉的部分則構(gòu)成了一個電容單元，即該柔性壓力傳感器是由M×N個電容單元陣列而成，每一個電容單元都是一個小的傳感器單元；上電極層和下電極層上的電極材料為導(dǎo)電布；介電層為高分子聚酯類泡沫；

所述信號采集裝置包括交流信號源、開關(guān)掃描裝置和數(shù)據(jù)采集模塊，交流信號源為正弦信號源；所述開關(guān)掃描裝置為一個多路開關(guān)，交流信號源與開關(guān)掃描裝置的輸入端連接，開關(guān)掃描裝置的M路輸出端與上電極層的M條電極相連；

數(shù)據(jù)采集模塊包括數(shù)據(jù)采集卡和N路采樣電阻，每路采樣電阻分別連接柔性壓力傳感器的下電極層上的N條平行電極，N路采樣電阻同時連接數(shù)據(jù)采集卡連接，使用數(shù)據(jù)采集卡采集每路采樣電阻的電壓；同時數(shù)據(jù)采集卡與交流信號源連接，為交流信號源提供信號。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

1)測得的壓力分布圖分辨率高。該柔性壓力傳感器使用了較小寬度的電極，使得每一個傳感器單元更小，提高傳感器單元的分布密度，在相同面積下，其陣列的電容單元為之前同類的3倍，從而獲得了更高的分辨率。

2)靈敏度更高。本發(fā)明使用柔性導(dǎo)電布作為電極材料時，電極電阻較小，這使得每一個電容單元更加靈敏，能夠測得較小的壓力，測量精度提到；另一方面本發(fā)明采用的平行電極寬度變小，則每一個電容的相對面積變小，初始電容變小，使得該柔性壓力傳感器更加靈敏。

3)柔性更好。與現(xiàn)有技術(shù)中印刷到柔性材料的導(dǎo)電電路相比，本發(fā)明柔性壓力傳感器電極采用的一種類似棉布的導(dǎo)電材料(簡稱導(dǎo)電布)，與被檢測者接觸時，更加柔軟，舒服，更易被檢測者接受。

附圖說明

圖1是本發(fā)明柔性壓力傳感系統(tǒng)的一種實施例的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明中所述柔性壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明中所述柔性壓力傳感器的剖視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明柔性壓力傳感系統(tǒng)的信號采集的原理示意圖；

圖5為本發(fā)明柔性壓力傳感系統(tǒng)的一種實施例信號采集裝置的結(jié)構(gòu)框圖；

圖中，1、被檢測者，2、床墊，3、柔性壓力傳感器，4、信號采集裝置，5、上位機；31、上緩沖層，32、上電極層，33、介電層，34、下電極層，35、下緩沖層，36、屏蔽層；41、交流信號源，42、開關(guān)掃描裝置，43、數(shù)據(jù)采集模塊。

具體實施方式

為了使本發(fā)明實現(xiàn)上述的功能，以下實施例將結(jié)合附圖對本發(fā)明提供的一種柔性壓力傳感系統(tǒng)做出具體闡述。

本發(fā)明柔性壓力傳感系統(tǒng)(簡稱系統(tǒng)，參見圖1-5)包括柔性壓力傳感器3、信號采集裝置4和上位機5；所述上位機5通過信號采集裝置4與柔性壓力傳感器3的輸出端連接，信號采集裝置用來采集柔性壓力傳感器3的信號，上位機對采集來的數(shù)據(jù)進行處理，并將作用于柔性壓力傳感器3上的壓力分布狀態(tài)呈現(xiàn)在上位機的顯示屏中，得到壓力分布圖像；

所述柔性壓力傳感器3由上至下依次包括上緩沖層31、上電極層32、介電層33、下電極層34和下緩沖層35，且上緩沖層31、上電極層32、介電層33、下電極層34和下緩沖層35均包裹在屏蔽層36內(nèi)，所述屏蔽層36采用柔軟的防輻射布，屏蔽層36接地；上電極層32和下電極層34上分別設(shè)有M條和N條帶狀平行電極，且上電極層32和下電極層34上的平行電極在空間上垂直相交；這樣每個上電極層32和下電極層34的平行電極交叉的部分則構(gòu)成了一個電容單元，即該柔性壓力傳感器是由M×N個電容單元陣列而成，每一個電容單元都是一個小的傳感器單元；上電極層和下電極層上的電極材料為一種柔性導(dǎo)電布，具有良好的導(dǎo)電性和柔性，與之前印刷在電極層上的導(dǎo)電橡膠相比較，該柔性導(dǎo)電布不僅柔性更好，人接觸的時候感覺更舒適，而且其材料本身電阻小，每條帶狀平行電極的電阻僅2～3歐，使得每個傳感器單元更靈敏，精度更高；介電層33為高分子聚酯類泡沫，類似海綿之類的物質(zhì)，一方面這種材質(zhì)柔軟，使得柔性壓力傳感器3有很好的柔性，當(dāng)被檢測者躺在鋪有柔性壓力傳感器3的護理床上時，可以感覺到舒適；另一方面，該材料有合適的彈性模量，保證在其感受到一定壓力后，被壓縮；同時，當(dāng)壓力消失后，可以很好恢復(fù)到初始狀態(tài)。

所述信號采集裝置包括交流信號源41、開關(guān)掃描裝置42和數(shù)據(jù)采集模塊43，交流信號源41為一個振幅5V頻率1000Hz的正弦信號源；所述開關(guān)掃描裝置42為一個多路開關(guān)，型號為NI PXI/PXIe-2527，交流信號源41與開關(guān)掃描裝置42的輸入端連接，開關(guān)掃描裝置42的M路輸出端與上電極層的M條電極相連，配置開關(guān)掃描裝置，使開關(guān)掃描裝置的內(nèi)部開關(guān)從1路到M路不斷切換，從而使得柔性壓力傳感器的上電極層的平行電極從第1條到第M條周期性的接收到信號源，從而形成周期性掃描；

數(shù)據(jù)采集模塊43包括數(shù)據(jù)采集卡和N路采樣電阻，每路采樣電阻分別連接柔性壓力傳感器3的下電極層34上的N條平行電極；數(shù)據(jù)采集卡采集采樣電阻的電壓，由數(shù)據(jù)采集卡上的N個模擬輸入串口實現(xiàn)；即將柔性壓力傳感器3的下電極層35上的N條帶狀電極分別外接采樣電阻，N路采樣電阻同時連接數(shù)據(jù)采集卡連接，使用數(shù)據(jù)采集卡采集每路采樣電阻的電壓；同時數(shù)據(jù)采集卡與交流信號源41連接，為交流信號源提供信號。

隨著開關(guān)掃描裝置42的周期性掃描，數(shù)據(jù)采集卡會不斷的讀取每一行電容單元的壓力信號，當(dāng)開關(guān)掃描裝置從1路掃描到N路時，完成一個周期的掃描，得到所有傳感器單元受外界壓力下所對應(yīng)的采樣電阻的電壓數(shù)值。再將采集到的數(shù)據(jù)傳入上位機5，對這一個掃描周期所采集到的數(shù)據(jù)進行處理。當(dāng)外界無壓力時，則會采集到一組初始值，以初始值為基準(zhǔn)，將采集到的不同壓力下的數(shù)據(jù)，在上位機中經(jīng)過低通濾波器濾波、放大，再進行直流平均算法等處理，即對放大后的數(shù)據(jù)計算均方根，提取交流信號中的直流值；然后每次截取50個值，取其平均值，以獲得穩(wěn)定的直流信號，將直流信號以0.05v為一個梯度，數(shù)據(jù)每相差0.05之后，便改變一種顏色，填充到壓力分布圖中，最終在上位機的顯示屏中顯示不同狀態(tài)的壓力分布圖像。

本發(fā)明的進一步特征在于所述數(shù)據(jù)采集卡的型號為NI PXI-6251，開關(guān)掃描裝置為NI-PXI/PXIe 2527多路開關(guān)板卡。

圖1所示實施例表明，本發(fā)明柔性壓力傳感系統(tǒng)包括柔性壓力傳感器3、信號采集裝置4和上位機5，柔性壓力傳感器3與信號采集裝置4連接，信號采集裝置與上位機進行雙向通信，使用時將信號柔性壓力傳感器3平整放置在床墊2之上，當(dāng)被檢測者躺下時，則柔性壓力傳感器3感受到壓力，將被檢測者對柔性壓力傳感器的壓力信號轉(zhuǎn)化為電信號，由數(shù)據(jù)采集裝置采集該電信號，并傳入上位機5中，在上位機5中進行數(shù)據(jù)處理，最終在上位機5的顯示屏中輸出壓力分布的圖像。

圖2所示實施例表明，本發(fā)明柔性壓力傳感系統(tǒng)的柔性壓力傳感器的結(jié)構(gòu)是：包括上電極層32、下電極層34和介電層33，介電層位于上電極層與下電極層之間，此外還包括上緩沖層31、下緩沖層35和屏蔽層36(參見圖3)。所述上緩沖層和下緩沖層均采用柔性材料制成，分別位于上電極層和下電極層的上部和下部，上電極層和下電極層上設(shè)有帶狀平行電極，該平行電極為一種柔性導(dǎo)電布制成，上電極層的M條平行電極與下電極層的N條平行電極空間垂直相交，所述上、下電極層的平行電極分別通過導(dǎo)線與信號采集裝置中的回路相連接；上電極層32、介電層33、下電極層34、上緩沖層31、下緩沖層35均包裹在屏蔽層36內(nèi)。

圖5所示實施例表明，本發(fā)明柔性壓力傳感系統(tǒng)的信號采集裝置4包括交流信號源41、開關(guān)掃描裝置42和數(shù)據(jù)采集模塊43，數(shù)據(jù)采集模塊43包括N路采樣電阻和數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡與采樣電阻連接，采集采樣電阻電壓，每路采樣電阻分別連接柔性壓力傳感器3的下電極層34上的N條平行電極；同時數(shù)據(jù)采集卡為交流信號源提供信號，交流信號源與開關(guān)掃描裝置的輸入端連接，開關(guān)掃描裝置與柔性壓力傳感器3的上電極層上的M根平行電極連接(參見圖4)。

具體柔性壓力傳感器的實現(xiàn)方法如圖4(圖4中所示為將M、N＝3的情況下的示意圖)所示：交流信號源41輸出一個5V、1000Hz的正弦信號；然后接入開關(guān)掃描裝置42；將振幅5V頻率1000Hz的正弦信號源接入一個1線32路的開關(guān)掃描裝置，通過開關(guān)掃描裝置，接出M個信號，然后與柔性壓力傳感器3的上電極層32上的M根電極連接，當(dāng)開關(guān)掃描裝置從1路掃描到M路時，即完成一個周期的掃描，則正弦信號源會依次與上電極層的M條平行電極接通，保持短暫時間后斷開；將下電極層34上的每條平行電極連接一個采樣電阻，然后接地，這就形成一個完整的閉合回路。數(shù)據(jù)采集卡采集每路采樣電阻兩端的電壓，即當(dāng)交流信號源接通到某一行平行電極時，則可以同時采集到該行的所有傳感器單元的信號，開關(guān)掃描裝置進行周期性掃描，則保證信號源周期性依次接入1路到M路電路，即而可以周期性采集到全部傳感器單元的信號。

本發(fā)明柔性壓力傳感系統(tǒng)的工作原理及過程：

工作原理：柔性壓力傳感器3是由上緩沖層31、上電極層32、介電層33、下電極層34、下緩沖層35以及屏蔽層36組成；上、下電極層上分別是M條和N條帶狀平行電極，且上、下電極層的平行電極在空間上垂直相交；這樣每個上、下層交叉的部分則構(gòu)成了一個電容單元，即該柔性壓力傳感器是由M×N個電容單元陣列而成。電容的計算公式為：其中ε₀為真空的介電常數(shù)；ε為介電層相對與真空的介電常數(shù)；s為每個電容單元的面積，即相互垂直的電極交叉的面積；d為兩個平行電極之間的距離，即介電層的厚度。所以，當(dāng)外界施加壓力時，s一定，距離d改變，導(dǎo)致電容C改變。

工作過程：交流信號源由數(shù)據(jù)采集卡上的一個模擬輸出端口輸出，開關(guān)掃描裝置則由NI-PXI/PXIe 2527多路開關(guān)板卡實現(xiàn)，將模擬輸出端口的線與多路開關(guān)板卡的公共端(COM端)相連，將多路開關(guān)的M路輸出端與上電極層的M條平行電極相連，將下電極層的N條平行電極外接采樣電阻R0，然后接地，形成閉合回路；將數(shù)據(jù)采集卡的N個模擬輸入端口分別接到采樣電阻兩端，來采集采樣電阻兩端電壓。當(dāng)開關(guān)掃描裝置從第一路切換到第M路完成一個周期的掃描時，則數(shù)據(jù)采集裝置將采集到M×N個傳感器的全部信號，保存，傳入上位機，上位機對時域信號進行濾波、去噪、放大等處理后，在上位機中輸出壓力分布圖像。

實施例1

本實施例柔性壓力傳感系統(tǒng)包括柔性壓力傳感器、信號采集裝置和上位機；所述上位機通過信號采集裝置與柔性壓力傳感器的輸出端連接，信號采集裝置用來采集柔性壓力傳感器的信號，上位機對采集來的數(shù)據(jù)進行處理，并將作用于柔性壓力傳感器上的壓力分布狀態(tài)呈現(xiàn)在上位機的顯示屏中，得到壓力分布圖像；

所述柔性壓力傳感器由上至下依次包括上緩沖層、上電極層、介電層、下電極層和下緩沖層，且上緩沖層、上電極層、介電層、下電極層和下緩沖層均包裹在屏蔽層內(nèi)，所述屏蔽層采用柔軟的防輻射布，屏蔽層接地；上電極層和下電極層上分別設(shè)有M條和N條帶狀平行電極，且上電極層和下電極層上的平行電極在空間上垂直相交；這樣每個上電極層和下電極層的平行電極交叉的部分則構(gòu)成了一個電容單元，即該柔性壓力傳感器是由M×N個電容單元陣列而成，每一個電容單元都是一個小的傳感器單元；上電極層和下電極層上的電極材料為柔性導(dǎo)電布；介電層為高分子聚酯類泡沫；

所述信號采集裝置包括交流信號源、開關(guān)掃描裝置和數(shù)據(jù)采集模塊，交流信號源為正弦信號源；所述開關(guān)掃描裝置為一個多路開關(guān)，交流信號源與開關(guān)掃描裝置的輸入端連接，開關(guān)掃描裝置的M路輸出端與上電極層的M條電極相連；

數(shù)據(jù)采集模塊包括數(shù)據(jù)采集卡和N路采樣電阻，每路采樣電阻分別連接柔性壓力傳感器的下電極層上的N條平行電極，N路采樣電阻同時連接數(shù)據(jù)采集卡連接，使用數(shù)據(jù)采集卡采集每路采樣電阻的電壓；同時數(shù)據(jù)采集卡與交流信號源連接，為交流信號源提供信號。

本實施例中每條平行電極的寬度為9mm；相鄰兩條平行電極之間的間距為7mm，每平方分米中可陣列39個傳感器單元。

相比現(xiàn)有技術(shù)(CN105997088A)中所提的同類傳感器的每條電極的寬度和以及電極間距均為14mm，每個傳感器單元所占的面積為14×14mm²，每平方分米中僅可陣列13個傳感器單元，即本實施例中所述的柔性壓力傳感器在結(jié)構(gòu)上通過減小電極寬度和間距使得每平方米的傳感器單元數(shù)可達到之前同類傳感器單元數(shù)的3倍，即傳感器單元的單位密度提升為之前的3倍。而如果按照現(xiàn)有技術(shù)僅通過減少電極寬度和相鄰間距，則使得傳感器單元的初始電容值變小，即電容容易受到各種干擾如由電線、電路板和傳感器單元之間本身帶來的交叉干擾，而導(dǎo)致無法獲得高精度。本發(fā)明在柔性壓力傳感器的結(jié)構(gòu)上外加了屏蔽層36，有效減少了傳感器單元的抗干擾能力，同時采用柔軟的防輻射布將整個柔性壓力傳感器封閉，接地處理，能屏蔽干擾信號，還能保證整個柔性壓力傳感器的柔性。

本發(fā)明未述及之處適用于現(xiàn)有技術(shù)。