CN100585353C

CN100585353C - 基于阵列式超薄柔顺力传感器的曲面层间挤压力监测系统

Info

Publication number: CN100585353C
Application number: CN200710178420A
Authority: CN
Inventors: 丁天怀; 王鹏; 王守利; 王璐珩
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2007-11-30
Filing date: 2007-11-30
Publication date: 2010-01-27
Anticipated expiration: 2027-11-30
Also published as: CN101201278A

Abstract

本发明涉及基于阵列式超薄柔顺力传感器的曲面层间挤压力监测系统，属于精密测试技术领域，该系统包括由阵列式超薄柔顺力传感探头及前置电路组成的阵列式传感器，基准源，采集模块，含有接口卡和数据处理单元的计算机以及电源模块；电源模块与传感器和采集模块相连，基准源通过列选多路电子模拟开关与阵列式传感器探头相连，前置电路连接在阵列式传感器探头与采集模块之间，该接口卡分别与行、列选多路电子模拟开关相连，该接口卡分别与行、列选多路电子模拟开关相连，本发明具有结构简单、抗干扰能力强、测量精度高，并能实时在线监测数据处理的特点。可实现面层间挤压力的实时在线监测。

Description

基于阵列式超薄柔顺力传感器的曲面层间挤压力监测系统

技术领域

本发明属于精密测试技术领域，特别涉及到两曲面层间挤压力的精密测量装置，用于工业生产和人体医疗康复过程中曲面层间挤压力的实时在线监测。

背景技术

随着科技的进步及生产的发展，某些重大设备关键零部件的形状变得越来越复杂，且对其加工和装配定位精度要求越来越高，因而对测量提出的要求也就越高。平面及回转曲面等类形的零件被广泛应用于国防及各种日常生活产品中，而这些零件的加工、安装、测量及状态监控往往因受到空间结构尺寸及被测材料介质等一些特殊条件的限制而增大了难度。

曲面层间挤压力的检测和监控是科研课题研究中亟待解决的难题，其目的是测量两平面或曲面间的层间挤压力，其特点是两面之间的间隙非常小，如几百微米；形状比较复杂，如平面或曲面；在线监测时间长，如2年等。曲面层间挤压力的测量对于评估设备的安装精度、材料性能以及长期保存的可靠性等具有极其特殊的意义，是随着传感及测量技术的发展而提出的。目前，关于曲面层间挤压力的在线测量和长期监测还未见报道。

挤压应力的测量有很多方法，如应变片、压电、压阻以及光纤等。针对挤压力应力测量的实际情况，由于被测对象的空间结构和使用要求的限制，必须采用柔性、超薄和点阵的测量方法。由于安装面间的间隙很小(一般为几百微米)，普通的应力测量方法不再适用。

利用导电炭黑填充硅橡胶材料的压阻效应进行力的检测，是一种超薄、柔性的检测技术，非常适合在小空间尺寸和复杂形状的情况下应用。炭黑填充硅橡胶属于填充式高分子复合材料，人们从上世纪六、七十年代就对其特性进行了研究，主要集中在机械性能增强、导电、导热特性的研究，并且已经在热敏开关上得到了应用。

目前，国外已经有应用导电橡胶传感器阵列测试接触应力的报道，但是主要应用领域是机器人触觉测量，且集中在受力分布即物体形状的感知上。如日本的电子通信大学(University of Electro-Communication)采用柔性导电橡胶传感器阵列对机器人抓取物体时手指上受力分布的检测，检测系统主要包括传感器阵列、激励扫描电路、信号调理和采集电路及数据处理和显示等模块组成。其测量原理是不断通过行扫描激励相应敏感单元并提取压力信号(一种基于导电橡胶采用缝制引线电极的触觉传感器A Tactile SensorSheet Using Pressure Conductive Rubber With Electrical-Wires Stitched Method，IEEE传感器期刊2004年10月第4卷第5期ENSORS JOURNAL，VOL.4，NO.5，OCTOBER 2004)。该应用采用了零电位扫描方法，每列分别用一个A/D采样；采用了缝制镀金引线电极；传感器接在运放的输入端。从总体上来说，该系统能够完成机器人手指的受力分布测试，还无法完成精确测量并且成本高，性能不够稳定。

在实际应用中对两曲面层间挤压力进行实时在线监测的问题，需要综合测量挤压应力在安装面上的分布，因此，要将多个传感器固定在一个安装面上并置于两安装面之间。故为完成曲面间挤压应力的精确测试和长期可靠检测，还需要进一步改善和提高。

发明内容

本发明的目的是用于解决对两曲面层间挤压力进行实时在线监测的问题，提出了一种基于阵列式超薄柔顺力传感器的曲面层间挤压力监测系统，具有结构简单、抗干扰能力强、测量精度高，并能实时在线监测数据处理的特点。

本发明提出的一种基于阵列式超薄柔顺力传感器的曲面层间挤压力监测系统，其特征在于，该系统包括由阵列式超薄柔顺力传感探头及前置电路组成的阵列式传感器，基准源，采集模块，含有接口卡和数据处理单元的计算机以及电源模块；各部件的连接关系为：

电源模块与传感器和采集模块相连，输出+5V和±12V电源为传感器和采集模块提供需要的电压；

基准源通过列选多路电子模拟开关与阵列式传感器探头相连，为阵列式传感器探提供+2.5V的激励电压；

前置电路连接在阵列式传感器探头与采集模块之间，将转换后对应行列交叉点的挤压力信号接入采集模块；

该接口卡分别与行、列选多路电子模拟开关相连，用以控制行、列选多路电子模拟开关完成传感器阵列的行、列扫描；

采集模块连接在行选多路电子模拟开关与计算机之间，将转换后的挤压力信号进行模/数转换送入计算机的数据处理单元完成数据读取、测量时序控制以及数据处理、存储和显示。

本发明的特点及效果：

1、本发明的阵列式传感器采用柔性印刷电路板工艺(FPCB)加工电极阵列和密排引线，传感器具有柔顺性好、超薄、量程大、精度高、抗辐射等优点，且超薄柔顺的传感器阵列线圈能很好的贴附于曲面上；传感器阵列各路一致性好，各个传感器敏感元件可任意布置，提高了阵列式传感器各敏感元件的一致性以及传感器的温度稳定性。

2、只用一套传感器信号变换电路和调理电路，通过模拟开关，将传感器阵列分时接入传感器信号采样电路，实现了对所有传感器阵列的采样。不仅简化了结构，提高了系统的抗干扰能力，而且减小了各路传感器由电路引起的不一致性；采用分时复用的采样方式，避免了由于传感器测量点多、引线密带来的多路信号同时传输时各传感器信号之间的干扰，提高了传感器的精度；

3、系统具有设计简单，抗干扰能力强，对测量数据的处理精确、快速等特点，可实现对两曲面层间挤压力的实时在线监测；监测系统的不确定度分别为0.5％(不含传感器)和3％(含传感器)；全部测点的采样时间不大于1秒；可实时显示测量数据及处理结果。

附图说明

图1为本发明的系统硬件构成图。

图2为本发明的传感器阵列的行、列电极结构图。

图3为本发明的前置电路阵列扫描原理图。

图4为本发明的信号变换和调理电路图。

图5为本发明的监测软件流程图。

图6为本发明的应用方式图。

具体实施方式

本发明提出的基于阵列式超薄柔顺力传感器的曲面层间挤压力监测系统结合附图及实施例详细说明如下：

本发明的组成如图1所示，该系统包括由阵列式超薄柔顺力传感探头及前置电路组成的阵列式传感器，基准源，采集模块，含有接口卡和数据处理单元的计算机以及电源模块；各部件的功能及连接关系为：

本发明的各部件及其实施例分别说明如下：

本发明的阵列式超薄柔顺力传感探头主要由采用以导电炭黑粉末作为导电相、以硅橡胶作为绝缘相组成的导电高分子复合材料作为敏感膜；利用柔性印刷电路板工艺在薄膜基底上分别制作的行、列电极条及与各电极条相连的信号引线组成的密排电缆所组成，该敏感膜热压在行、列电极条之间，敏感膜与交叉的行列电极条的一个交叉点位置构成一个敏感单元，全部电极交叉点与该位置的敏感膜组成M×N阵列式传感器，其中M、N均为正整数且M≥N。

本实施例结构如图2所示，列电极条21和行电极条22分别制作在上下两层薄膜基底上，在薄膜基底上还有对应的列电极引线电缆23、行电极引线电缆24以及各自引线接头25、26。将敏感膜热压在行、列电极条之间，敏感膜与交叉的行列电极条的一个交叉点位置构成一个敏感单元，全部电极交叉点与该位置的敏感膜组成3×3阵列式传感器。

本实施例的传感器总厚度为130μm，引线部分长度为110mm，在35mm×40mm的面积上分布3×3个敏感单元。采用相同工艺可以制备面积为400×700mm²的阵列式超薄柔顺力传感器。

本发明的前置电路包括一个M路行选电子模拟开关和一个N路列选电子模拟开关，变换和调理电路采用由M×N个前置电阻、M×N个敏感单元和M个运算放大器组成的电阻反馈电路；该电路的各元器件的连接关系为：各敏感单元通过信号线跨接在运算放大器的输出端和负向输入端形成反馈电阻；各前置电阻一端接运算放大器的负向输入端，另一端通过列选开关接参考电压Vref；运算放大器的输出端通过行选开关输出与挤压力成正比的输出信号Vout，正向输入端接地。

本发明的前置电路实施例如图3和图4所示，说明如下：

本实施例的前置电路主要包括列选多路电子模拟开关Kc和行选多路电子模拟开关Kr，变换和调理电路采用由前置电阻Rd11～Rd33、敏感单元的电阻Rf11～Rf33和运算放大器A1～A3组成的电阻负反馈电路单元阵列；各部件的连接关系为(以第一个敏感单元为例)：敏感单元Rf11跨接在运算放大器A1的输出端和负向输入端形成反馈电阻；前置电阻Rd11一端接运算放大器A1的负向输入端，另一端通过列选开关Kc1接参考电压Vref；运算放大器A1的输出端通过行选开关Kr1输出与挤压力成正比的输出信号Vout，正向输入端接地。其它敏感单元的连接与与此相同。

本实施例的电阻负反馈电路单元，如图4所示。该电路由一个运放(LM324)、一个前置电阻Rd以及一个敏感单元的电阻Rf组成。运放为电路的核心元件，电阻Rd和敏感单元电阻Rf决定运放的放大倍数，运算放大器的输出Vout＝(Rf/Rd)*2.5V，与敏感单元的电阻成正比。

本前置电路的工作原理为：Rf11～Rf33为传感器探头中的单个敏感单元，两端电极分别接在运放的负反馈端和输出端形成反馈电阻。控制电路通过列地址信号轮选各列将参考电压Vref分别接入各列，同时通过行地址轮选各行使多路模拟开关分别选通各行，这样保证了分时采样各敏感单元的输出信号，并且各单元之间不互相串扰。

本发明的前置电路是在传统的“电压镜法”的基础上进行了改进，用于基于导电高分子材料的超薄柔顺传感器探头。因为导电高分子材料的表面电阻率为1.51×10⁵Ω·mm，两个相邻敏感元件间的表面电阻达到1.2×10⁶Ω，所以相邻敏感单元间基本不通过力敏橡胶表面传输电流。地址信号控制多路电子模拟开关Kc，使被选列接入参考电压Vref，传感器阵列的每一列均接入相应运算放大器形成负反馈。其中，运算放大器正输入端接入参考电压地，被选列的负反馈输出形成行信号通过行选多路电子模拟开关接入A/D转换器的电压输入端口。在A/D转换器中，高参考电压值为+5V(一定范围可调)，低参考电压值为0V。这样，除了被选中的敏感单元，其余各行列在阵列电阻网络中形成等势区，使与被选敏感单元并联的电阻网络无法形成干扰电流。

采用此电路，可以将原有的n×n个电子开关通道减少为n+n个电子开关通道(n为行、列数)，并且实现了线性输出。

本实施例的传感器与前置电路的连接采用密排电缆延长线，接头部分采用扁平接插器。

本发明的电压基准模块为信号变换和调理电路提供+2.5V参考输入，采用AD公司的小功率基准源芯片REF03，输入电压为+5V，输出电压为+2.5V。

本发明的数据采集模块主要包括由LM324组成的射极跟随器(电压缓冲)和由ADC0820组成的A/D变换电路。ADC0820的参考电压设计成外部可调，以方便在特殊情况下提高系统的分辨率和测量精度。ADC0820的采集时序由采集模块和数据处理单元通过接口电路控制。

本实施例的计算机主要包括一台PC机，一块ISA数据接口卡(Kr841型)和设置在PC机中的WindowsXP操作系统，以及信号的采集和数据处理模块。

计算机的采集和数据处理模块的实现的总体流程如图5所示，程序开始运行后，首先设置初始化信息，包括测量日期、时间、温度、湿度、采样间隔、测量通道、测量持续时间、各敏感单元的标定系数等参数；接着根据设定的采样间隔通过软件的定时事件驱动由低到高送出通道地址信息循环扫描传感器阵列，并通过向采集模块发送采样脉冲触发采集数据实现阵列输出信号采样；采样每个通道信号后立即根据标定数据计算当前位置的挤压应力值并进行图形化显示；每个通道扫描循环结束的同时不断根据设置的采样时间计算循环控制变量判断是否结束采集，停止程序，如果不满足停止条件则继续扫描阵列循环采集，否则，存储测量数据并图形化显示最终监测结果，结束测量程序。上述程序采用NI公司推出的虚拟仪器开发工具Labwindows/CVI作为开发平台由编程人员用常规的方法编制。

本发明的应用方式如图6所示。实际工作时，将传感器62贴附在曲面(包括平面)层间加载部分61底部，通过有机泡沫材料63与承载部分64接触，通过敏感元件将挤压力变化转换为电阻变化，并通过密排电缆65与前置电路连接。然后，在前置电路中，将敏感单元的电阻变化信号转化为电压变化信号，进入多路模拟开关，进行模数转换，转换为数字信号。最后，通过多芯屏蔽电缆，将数字信号传输到计算机数据采集和处理单元，通过标定曲线和监测算法将数字信号对应为挤压力值，并实时地显示在监测终端上。

Claims

1、一种基于阵列式超薄柔顺力传感器的曲面层间挤压力监测系统，其特征在于，该系统包括由阵列式超薄柔顺力传感探头及前置电路组成的阵列式传感器，采集模块，含有接口卡和数据处理单元的计算机以及电源模块，该前置电路由基准源、行、列选多路电子模拟开关及变换和调理电路组成；各部件的连接关系为：

基准源通过列选多路电子模拟开关与阵列式传感器探头相连，为阵列式传感器探头提供+2.5V的激励电压；

前置电路的变换和调理电路和行选多路电子模拟开关依次连接在阵列式传感器探头与采集模块之间，将经变换和调理电路和行选多路电子模拟开关转换后对应行列交叉点的挤压力信号接入采集模块；

2、如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传感探头主要由采用以导电炭黑粉末作为导电相、以硅橡胶作为绝缘相组成的导电高分子复合材料作为敏感膜；利用柔性印刷电路板工艺在薄膜基底上分别制作的行、列电极条及与各电极条相连的信号引线组成的密排电缆所组成，所述敏感膜热压在行、列电极条之间，敏感膜与交叉的行列电极条的一个交叉点位置构成一个敏感单元，全部电极交叉点与该位置的敏感膜组成M×N阵列式传感器，其中M、N均为正整数且M≥N。

3、如权利要求1所述的曲面层间挤压力监测系统，其特征在于，所说的变换和调理电路采用由M×N个前置电阻、M×N个敏感单元和M个运算放大器组成的电阻反馈电路；各元器件的连接关系为：各敏感单元通过信号线跨接在运算放大器的输出端和负向输入端形成反馈电阻；各前置电阻一端接运算放大器的负向输入端，另一端通过列选多路电子模拟开关接参考电压Vref；运算放大器的输出端通过行选多路电子模拟开关输出与挤压力成正比的输出信号Vout，正向输入端接地。