CN103267597A - 基于压阻材料的电阻率成像柔性压力检测系统及检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于压阻材料的电阻率成像柔性压力检测系统，包括压力检测垫（1）、埋在压力检测垫（1）内部的温度传感器（2）、连接在压力检测垫（1）边缘的注入电极（3）、连接在压力检测垫（1）四周的多个均匀分布的接收电极（4），连接在接收电极（4）和温度传感器（2）上的导线（5）以及与导线（5）连接在一起的信号采集电路（10）。压力检测垫（1）采用压阻材料制作，当一定压力加到压力检测垫上时，其内部材料的电阻率会产生变化。利用连接在压力检测垫上的注入电极向检测垫内注入电流，通过布置在检测垫四周的接收电极接收检测到的电压信号，采用电阻抗成像的原理计算得到压力检测垫内部的电阻率分布，进而反演出压力检测垫承受的压力分布。
Description
技术领域
本发明涉及一种压力检测系统及其检测方法，特别涉及一种用于医疗康复辅具的电阻抗成像压力检测系统及其检测方法。
背景技术
在医疗领域的康复工程中有时候经常需要测量某一个界面的压力分布，比如脑瘫患儿的坐姿辅具系统、关节康复辅具、足底压力检测康复辅具等，另外在日常生活中也常常涉及到汽车座椅、轮椅、地毯、鞋垫等受力器具或服装的关节等部位的设计，这些都需要对一个柔性界面进行压力分析，进而使得这些器具或者服装等的使用效果到优化或者改良。从以上可以看出，发展柔性压力检测技术具有十分重要的实际应用价值和科学意义。
目前在这些柔性压力检测领域中应用较为广泛的技术主要包括三种：
第一种是采用晶体管阵列或力传感器等刚性元件作为内部传感器阵列，以柔性材料如硅橡胶、石墨聚合物等作为传递压力信息媒介的柔性压力检测系统。当受到外部压力时，检测系统内电阻发生变化，其传感器阵列就会记录下电阻变化的数值，以这种电阻的变化来反映所受到的压力大小。这种技术由于传感器本身不具有柔性，弯曲变形会受到一定的限制；
第二种是利用微机械电子系统MEMS（(Micro-Electro-Mechanical System）工艺将各种电子线路依网状设计嵌入到一张柔软的塑料薄膜上作为传感器阵列，仍以柔性材料作为传递压力信息媒介的柔性压力检测系统。这种技术虽然可以使传感器具备一定的柔性，但成本较高，制作工艺较为复杂，不适合大范围的应用；
第三种是采用具有压敏特性的柔性材料作为传感器阵列的柔性压力检测系统，其所用的柔性材料主要包括具有压阻特性的压力敏感材料，如炭黑、碳纳米管等和具有压电特性的PVDF(聚偏二氟乙烯)材料等。这种技术采用的柔性材料成本较低，使用方便，但其灵敏度有点低、抗电磁干扰能力差，另外由于其导线要从内部引出造成其易磨损等。
在上述三种技术中还普遍存在一个缺点，就是压力测量时需要在内部有传感器阵列，造成其使用上测量节点较多，线路复杂，使用不便，也容易因其内部某个节点的损坏造成其测量误差，维护和维修不便。
另外，在目前所使用的柔性压力检测系统中，测量的参数是压阻材料的电阻变化或者压电材料自身产生的电流、电压，因而为了更好地测量局部压力，就需要在整个测量压力的区域内布置传感器或电极，传感器或电极布置的密度越大，测量精度也越高。这样一方面会增加压力检测系统的成本，另一方面也会影响其柔性，造成很高的测量误差。
发明内容
本发明的目的是克服上述几种现有的柔性压力检测系统的缺点，提出一种基于压阻材料的电阻率成像柔性压力检测系统及其检测方法。
本发明采用具有压阻特性的柔性材料，如炭黑、纳米粒子等复合导电材料填充而成的导电橡胶等，作为柔性压力检测系统的主体——压力检测垫，利用连接在压力检测垫上的注入电极向检测垫内注入电流。通过布置在检测垫四周的接收电极接收检测到的电压信号，采用电阻抗成像的原理，计算得到压力检测垫内部的电阻率分布，进而根据材料的压阻特性反演出压力检测垫承受的压力分布。
本发明的柔性压力检测系统主要包括压力检测垫、埋在压力检测垫内部的温度传感器、连接在压力检测垫边缘的注入电极、连接在压力检测垫四周的多个均匀分布的接收电极、连接在接收电极和温度传感器上的导线以及与导线连接在一起的信号采集电路六个部分。
所述的压力检测垫采用柔性导电橡胶材料制作，所述的柔性导电橡胶材料是由炭黑或者纳米粒子等复合导电材料填充到硅橡胶中形成的，具有独特压阻效应。所述的压力检测垫的上、下表面，以及压力检测垫与注入电极和接收电极连接处均涂有柔性绝缘材料，用以防止外界接触物对压力检测垫的电干扰。
所述的信号采集电路包含多个分路，每一个分路都通过导线与一个接收电极或温度传感器相连，接收电极检测到的电压信号或温度传感器检测到的温度信号通过导线传输到信号采集电路的不同分路。信号采集电路的每个分路的电路结构均相同，主要包括：与导线相连的运算放大电路、与运算放大电路输出端相连的滤波电路、与滤波电路输出端相连的差分放大电路和与差分放大电路输出端相连的A/D转换电路四部分。
采用本发明检测系统的检测方法如下：
1）通过所述的注入电极向压力检测垫内注入激励电流信号，然后由所述的接收电极采集对激励电流信号的响应电压信号，同时由所述的温度传感器测量压力检测垫内部的温度。当压力检测垫受到一定压力时，由于导电橡胶的压阻特性，造成导电橡胶内部电阻率发生变化，压力大小与电阻率变化大小具有一定的比例关系。另外温度的变化也会导致导电橡胶电阻率发生变化，在检测压力时需要去除温度因素的影响，因此需要测量压力检测垫内部的温度；
2）所述的接收电极采集的响应电压信号输送给所述的信号采集电路一个分路中的具有高输入阻抗的运算放大器进行缓冲放大，消除接触阻抗的影响，同时，由温度传感器采集的温度信息也经导线传输给另一路运算放大器进行缓冲放大；
3）分别由两路运算放大器放大的电压信号和温度信息分别经该路的滤波电路进行滤波处理，去除干扰成分；
4）滤波后得到的电压信号和温度信息分别输入到该路的差分放大电路进行进一步的放大处理；
5）放大后的电压信号和温度信息分别输入到高精度的高速A/D转换电路转换为数字信号。采用电阻抗成像技术进行计算和解调，并去除温度影响因素，得到压力检测垫内部电阻率变化情况；
6）最后，根据导电橡胶压力大小和电阻率变化大小之间的压阻特性关系得到压力检测垫所受压力大小的分布。
本发明所述的柔性压力检测系统采用导电橡胶作为压力检测垫的主要材料，不仅结构、工艺简单，成本较低，还保证了整个压力检测垫具有较好的柔性，可随压力发生弯曲变形，同时利用电阻率成像技术计算压力检测垫电阻率的变化，注入电极和接收电极都分布在压力检测垫四周，避免了向压力检测垫中植入较多传感器，减少了导线和线路，使用方便，也有利于后期系统维护和维修处理。
本发明所述的柔性压力检测系统由于采用电阻抗成像技术，只需要在压力检测垫四周布置电极，不会影响压力检测垫对压力的反映，同时通过注入电极向压力检测垫中注入电流，提高了接收电极接收电压的信号强度和测量精度，还可通过密布接收电极进一步提高测量精度和分辨率。
附图说明
图1：本发明的柔性压力检测系统原理图；
图2：本发明压力检测垫的垂直截面图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
本发明的柔性压力检测系统主要包括六部分：压力检测垫1、埋在压力检测垫内部的温度传感器2、连接在压力检测垫边沿上的注入电极3、连接在压力检测垫四周的多个均匀分布的接收电极4、连接在接收电极4和温度传感器2上的导线5以及与导线5连接在一起的信号采集电路10。其原理图如图1所示。
所述的信号采集电路10包含多个分路，每一个分路都通过导线5与一个接收电极4或温度传感器2相连，接收电极4检测到的电压信号或温度传感器2检测到的温度信号通过导线5传输到信号采集电路10的不同分路。信号采集电路10的每个分路的电路结构均相同，主要包括：与导线相连的运算放大电路6、与运算放大电路输出端相连的滤波电路7、与滤波电路输出端相连的差分放大电路8和与差分放大电路输出端相连的A/D转换电路9。其结构原理图如图1所示。
所述的压力检测垫1由填充10%CB3100炭黑的柔性导电橡胶制成。压力检测垫1内部植入有温度传感器2，压力检测垫1的上、下表面以及检测垫与注入电极和接收电极连接处均涂有柔性绝缘漆11，用以防止外界接触物对压力检测垫的电干扰。压力检测垫1的垂直截面图如图2所示。
本发明实施例的压力检测垫1设计厚度为2mm，设计形状为带圆角的正方形，边长为30cm，一对注入电极均采用厚度为1.5mm的方形铜片，尺寸为1cm×1cm。16个接收电极采用圆形铜片，厚度同样为1.5mm，直径为1cm。
通过注入电极3向压力检测垫1内注入电流I，则接收电极4可以检测到响应电压信号V，当压力检测垫1承受一定压力时，内部的导电橡胶电阻率发生了变化，此时响应电压信号V也发生了变化。通过连接在接收电极4上的导线5将响应电压信号V输送给信号采集电路10中的一路分路。另外温度传感器2检测压力检测垫1内的温度信息T，同样通过连接导线5将温度信息T输送给信号采集电路10中的另一路分路。
输送入信号采集电路10的电压信号V和温度信息T进入所在分路的运算放大器6先进行放大处理，运算放大器6输出信号输送给滤波电路7滤波，去除干扰。滤波后的信号输送给差分放大电路8进行进一步放大，经差分放大电路8放大输出的信号输送给A/D转换电路9进行A/D转换和采集。最后现有技术的电阻抗成像技术进行计算和解调，得到压力检测垫1的电阻率分布，进而根据导电橡胶材料的压力大小和电阻率变化大小相对应的压阻特性关系得到压力检测垫上的压力分布。
本发明柔性压力检测系统可以通过提高注入电流大小、增加接收电极的数量和采用多个周期数据平均等手段来进一步提高压力检测的精度和分辨率。
所述的压力检测垫、注入电极和接收电极的形状和尺寸、温度传感器的数量和位置可根据实际需要进行选择。
Claims (4)
1.一种基于压阻材料的电阻率成像柔性压力检测系统，其特征在于：所述的检测系统包括压力检测垫（1）、埋在压力检测垫（1）内部的温度传感器（2）、连接在压力检测垫（1）边缘的注入电极（3）、连接在压力检测垫（1）四周的多个均匀分布的接收电极（4），连接在接收电极（4）和温度传感器（2）上的导线（5）以及与导线（5）连接在一起的信号采集电路（10）。
2.如权利要求1所述的检测系统，其特征在于：所述的信号采集电路（10）包含多个分路，每一个分路都通过导线（5）与一个接收电极（4）或温度传感器（2）相连，接收电极（4）检测到的电压信号或温度传感器（2）检测到的温度信号通过导线（5）传输到信号采集电路（10）的不同分路；信号采集电路（10）的每个分路的电路结构均相同，主要包括：与导线相连的运算放大电路（6）、与运算放大电路输出端相连的滤波电路（7）、与滤波电路输出端相连的差分放大电路（8）和与差分放大电路输出端相连的A/D转换电路（9）。
3.如权利要求1所述的检测系统，其特征在于：所述的压力检测垫采用柔性导电橡胶材料制作。
4.采用权利要求1所述的检测系统的测量方法，其特征在于：
1）通过注入电极（3）向压力检测垫（1）内注入激励电流信号，然后由接收电极（4）采集对所述激励电流信号的响应电压信号，同时由植入压力检测垫（1）内部的温度传感器（2）测量压力检测垫（1）内的温度；
2）接收电极（4）采集的响应电压信号输送给所述的信号采集电路（10）一路分路中的运算放大电路（6）进行缓冲放大，消除接触阻抗的影响；同时，由温度传感器（2）采集的温度信息也传输给另一路分路的运算放大器进行缓冲放大；
3）由运算放大器放大后的电压信号和温度信息分别经所在分路的滤波电路（7）进行滤波处理，去掉干扰成分；
4）滤波后得到的电压信号和温度信息分别输入到所在分路的差分放大电路（8）进行进一步的放大处理；
5）放大后的电压信号和温度信息分别输入到所在分路的A/D转换电路（9）转换为数字信号，通过电阻抗成像技术进行计算和解调，并去除温度影响因素，得到压力检测垫内部电阻率变化情况；
6）最后，根据导电橡胶压力大小和电阻率变化大小之间的压阻特性关系得到压力检测垫所受压力大小的分布。
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