CN104729769B - 基于电活性聚合物的分布式柔性压力传感器 - Google Patents

Abstract

一种基于电活性聚合物的分布式柔性压力传感器，它包括：传感器阵列，根据测量面的大小制备相应的阵列，用于压力的输入；转换电路，将感测到的电容值转换为电压值；接口电路，用于对输入的信号进行行列扫描、滤波、放大、A/D转换，将模拟电压信号转换为计算机可读的数字电压信号；计算机，对接口电路输入的数据进行采集、分析、处理和显示。这种柔性压力传感器阵列可广泛用于人体健康监测、体育锻炼、医疗康复、生物力学和安全监测等领域。

Description

基于电活性聚合物的分布式柔性压力传感器

技术领域

本发明涉及一种电容感应式压力传感器，尤其是一种利用电活性聚合物的变形电容值来实现压力检测的压力传感器，具体地说是一种基于电活性聚合物的分布式柔性压力传感器，它可广泛应用于接触式测量、无损监测、机器人、生物力学等领域。

背景技术

目前，压力传感器多数是基于金属、半导体应变片等刚性敏感材料制作而成，其缺点是脆性大、应变小，缺乏柔韧性，舒适性差。然而，对于人体健康、康复医疗、体育锻炼、运动生物学等领域均有对传感器柔韧性的要求，如研究糖尿病患者的糖尿病足与地面接触压力的分布，刚性压力传感器难以与患者足底完全接触，这就难以获取病足的完整病变情况；汽车座椅舒适性除了座椅材质本身带来的影响，座椅靠背角度对舒适性也会带来影响，这就需要测量不同角度的座椅对人体背部压力分布情况；传统机器人手由于多数采用刚性材质，难以抓取鸡蛋等脆性物体，家庭护理型机器人由于手臂过于刚硬易于对老人或患者造成二次伤害，无法在这些领域普及使用。

因此，研发具有柔性的压力传感器，使其在物理特征上像人类的皮肤一样柔软，可以自由弯曲甚至折叠，能够方便地对复杂表面形状的零件进行监测，不受监测物体表面和结构的影响，这对于人体健康监测、体育锻炼、医疗康复、生物力学和安全监测等领域都具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是针对现有的压力传感器大多为刚性传感器，不能适应人体使用需求及被测对像表面不平时的压力检测，存在脆性大、应变小，缺乏柔韧性，舒适性差，造成使用不便或精度难以保证的问题，设计一种在物理特征上像人类的皮肤一样柔软的，可以自由弯曲甚至折叠，能够方便地对复杂表面形状的零件进行监测，安装方便的基于电活性聚合物的分布式柔性压力传感器。

本发明的技术方案是：

一种基于电活性聚合物的分布式柔性压力传感器，其特征是它包括：

一底板6；

一电活性聚合物3，该电活性聚合物3与底板6粘结密封相连，并形成有多个密闭空间5，在底板6上设有数量与密闭空间5至少相等的、用于向密闭空间5中充气以便使密闭空间发生变形的气嘴7；

一第一电极层2，它覆盖在每个密闭空间的外表面；用于采集电活性聚合物3变形产生的电信号，在第一电极屋2的表面覆盖有起保护作用的表面层1；

一第一铝箔层4，用于将覆盖在每个密闭空间的外表面的第一电极层2进行电气连接形成行电极或列电极，以便将采集的电信号送至信号处理单元；

一第二电极层8，该第二电极层8覆盖在每个密闭空间的内表面；也用于采集电活性聚合物3变形产生的电信号；

一第二铝箔层9，它被固定在上底板6，用于将覆盖在每个密闭空间5内表面的第二电极层8进行电气连接形成列电极或行电极，以便将采集的电信号送至信号处理单元；

一硅橡胶衬垫10，它密封固定在电活性聚合物3表面的未凸起部分上，用于使各密闭空间5保持在设定的参数同时使表面层1、第一电极层2和第一铝箔层4定位在密闭空间5表面。

所述的密闭空间5呈半球形结构。

所述的多个密闭空间5呈阵列布置在底板6上。

所述的电活性聚合物3为绝缘聚合物或是绝缘橡胶；厚度为0.001~2mm。

所述的电活性聚合物3为硅树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯、热塑性弹性体、聚偏二乙烯或其组合。

所述的表面层1厚度为0.001~2mm，底板6厚度为0.001~2mm。

所述的第一铝箔层4和第二铝箔层9采集的电信号送入转换电路13将采集的电容值转换成电压值，转换所得的电压通过行扫描器和列扫描器构成的行列扫描电路与接口电路14连接，经滤波、放大、A/D转换后，通过接口电路14将数据传入计算机15进行分析、处理与图形化显示结果。

所述的转换电路13为调频电路、电桥测量电路、双T型充放电网络、脉冲调宽型电路或运算放大器式电路。

所述的第一电极层2和第二电极层8为能与电活性聚合物3一起同步形变的材料。

所述的第一电极层2和第二电极层8为石墨、碳黑、胶态悬浮液、银凝胶、碳凝胶、离子导电聚合物、电子导电聚合物，它们均匀涂覆于电活性聚合物3两侧以利于电荷的积聚。

本发明的有益效果：

本发明的基于电活性聚合物的分布式柔性压力传感器阵列，很好的解决了传统刚性压力传感器脆性大、应变小、柔韧性差、舒适性差等问题，可以自由的弯曲甚至折叠，不受检测表面形状和结构的限制，并且可以根据使用场合和检测范围的不同制备大小各异的柔性压力传感器阵列，降低了使用成本。

本发明的基于电活性聚合物的分布式柔性压力传感器阵列的转换电路部分，选择方案具有多样性，可根据柔性传感器阵列应用场合的不同选择最合适的转换电路，这样可以降低外界干扰的引入；接口电路部分，选择通用方案即可解决，降低开发难度。

本发明的基于电活性聚合物的分布式柔性压力传感器阵列计算机分析、处理与显示部分，可以根据应用领域的不同编写相应的软件系统，如：对于糖尿病患者建立个人足底健康状况电子档案，不仅利于统计与分析发病人群的年龄范围，还利于观察足底病变的发展史，便于医生给出正确合理的诊断结果；编写网球、羽毛球等运动员训练系统，便于教练员掌握运动员的训练过程，及时发现错误并校正。

本发明可广泛用于人体健康监测、体育锻炼、医疗康复、生物力学和安全监测等领域。

附图说明

图1是本发明的分布式柔性压力传感器阵列结构示意图。

图2是本发明的分布式柔性压力传感器阵列的整体结构的示意图。

图3是本发明的分布式柔性压力传感器阵列的工作过程框图。

图4是本发明分布式柔性压力传感器阵列用于检测糖尿病患者病足的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-4所示。

一种基于电活性聚合物的分布式柔性压力传感器，如图1所示，它包括底板6、电活性聚合物3、第一电极层2、第一铝箔层4、第二电极层8、第二铝箔层9、硅橡胶衬垫10，底板6厚度可为0.001~2mm；电活性聚合物3与底板6粘结密封相连，并形成有多个呈阵列布置的密闭空间5（图2中的阵列为5×5，具体实施时可根据需要自由设定），用于与测量面实现良好接触，它由多个密闭空间5呈阵列布置在底板6上，在底板6上设有数量与密闭空间5（可为半球形结构）至少相等的、用于向密半空间5中充气以便使密闭空间发生变形的气嘴7；电活性聚合物3为绝缘聚合物或是绝缘橡胶，如硅树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯、热塑性弹性体、聚偏二乙烯或其组合，厚度为0.001~2mm。第一电极层2覆盖在每个密闭空间的外表面；用于采集电活性聚合物3变形产生的电信号，在第一电极屋2的表面覆盖有起保护作用的表面层1（厚度为0.001~2mm）；第一铝箔层4，用于将覆盖在每个密闭空间的外表面的第一电极层2进行电气连接形成行电极或列电极，以便将采集的电信号送至信号处理单元；第二电极层8覆盖在每个密闭空间的内表面；也用于采集电活性聚合物3变形产生的电信号；第二铝箔层9被固定在上底板6，用于将覆盖在每个密闭空间5内表面的第二电极层8进行电气连接形成列电极或行电极，以便将采集的电信号送至信号处理单元；硅橡胶衬垫10密封固定在电活性聚合物3表面的未凸起部分上，用于使各密闭空间5保持在设定的参数同时使表面层1、第一电极层2和第一铝箔层4定位在密闭空间5表面。所述的第一铝箔层4和第二铝箔层9采集的电信号送入转换电路13将采集的电容值转换成电压值，转换所得的电压通过行扫描器和列扫描器构成的行列扫描电路与接口电路14连接，经滤波、放大、A/D转换后，通过接口电路14将数据传入计算机15进行分析、处理与图形化显示结果。所述的转换电路13为调频电路、电桥测量电路、双T型充放电网络、脉冲调宽型电路或运算放大器式电路。所述的第一电极层2和第二电极层8为能与电活性聚合物3一起同步形变的材料，如石墨、碳黑、胶态悬浮液、银凝胶、碳凝胶、离子导电聚合物、电子导电聚合物，它们均匀涂覆于电活性聚合物3两侧以利于电荷的积聚。

如图2所示，表面层1置于最外层用于对传感器阵列进行保护；电活性聚合物3夹在表面层1和底板6之间；由涂覆于电活性聚合物3两侧的第一电极2和第二电极8，第一铝箔4和第二铝箔9以及半球形空间5构成单个传感器，单个传感器组成传感器阵列嵌入在开有圆形通孔的硅橡胶衬垫10内；从所有的第一铝箔引出导线构成行引线11，从所有的第二铝箔引出导线构成列引线12；转换电路13用于将传感器变化的电容值转换为电压值，转换所得的电压通过行扫描器和列扫描器构成的行列扫描电路与接口电路14连接，如图3所示，经滤波、放大、A/D转换后，通过接口电路14将数据传入计算机15进行分析、处理与图形化显示结果。表面层1和硅橡胶衬垫10，表面层1和电活性聚合物3，电活性聚合物3和底板6之间采用高粘胶固连。

详述如下：

参照图1、图2、图3，本发明的基于电活性聚合物的分布式柔性压力传感器包括表面层1、第一电极层2、电活性聚合物3、第一铝箔4、半球形密闭空间5、底板6、气嘴7、第二电极层8、第二铝箔9、硅橡胶衬垫10、行引线11、列引线12、转换电路13、接口电路14、计算机15，表面层1置于最外层用于对传感器阵列进行保护；电活性聚合物3夹在表面层1和底板6之间；单个传感器是由涂覆于电活性聚合物3两侧的第一电极2和第二电极8，第一铝箔4和第二铝箔9以及半球形密闭空间5构成，传感器阵列嵌入在开有圆形通孔的硅橡胶衬垫10内；从所有的第一铝箔4引出导线构成行引线11，从所有的第二铝箔9引出导线构成列引线12；转换电路13用于将传感器变化的电容值转换为电压值，转换所得的电压通过行分析器和列分析器构成的行列扫描电路与接口电路14连接，经滤波、放大、A/D转换后，通过接口电路14将数据传入计算机15进行分析、处理与图形化显示结果。

电活性聚合物材料为绝缘聚合物或是绝缘橡胶，如：硅树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯、热塑性弹性体、聚偏二乙烯，还可以是这些材料构成的混合材料，可以制成的厚度为0.001~2mm。电活性聚合物是一种智能材料，能够在电压或电场作用下产生物理变形，具有特殊的电性能和机械性能，它类似于是一种可变电容：

其中：——真空介电常数；

——相对介电常数；

A——电容极板的正对面积；

d——电容极板的距离。

第一电极层2和第二电极层8的电极要求柔韧性好，可以和电活性聚合物3一起同步形变，如：石墨、碳黑、胶态悬浮液、银凝胶、碳凝胶、离子导电聚合物、电子导电聚合，将柔性电极均匀涂覆于电活性聚合物3两侧，利于电荷的积聚。。

第一铝箔4和第二铝箔9分别与第一电极层2和第二电极层8连接，第一铝箔4置于表面层1之下和第一电极层2之上，第二铝箔9置于半球形空间5内的第二电极层8之上并粘贴在底板6之上。

在底板6上开有与半球形空间5相通的气嘴7，气嘴要保证气密性，防止气体的泄漏。

转换电路13可采用调频电路、电桥测量电路、双T型充放电网络、脉冲调宽型电路或运算放大器式电路等。如：调频电路是将传感器电容作为调频电路的一部分，当载荷使电容值发生变化时，振荡频率也随着变化：

，

式中：——电感；

——传感器可变电容。

该频率信号较小需要通过放大，再通过鉴频器转换为电压。

表面层1和硅橡胶衬垫10，表面层1和电活性聚合物3，电活性聚合物3和底板6之间采用高粘胶固连。

如图2所示，当外部载荷作用于柔性压力传感器阵列上，可变电容式的传感器电容值发生微弱的变化；通过转换电路13将电容值转换为可测量的电压值，之后送入接口电路14，用行分析器、列分析器组成的行列扫描电路对变化的电压值进行采集；将采集到的信号送入滤波电路对采集到的信号进行滤波，消除干扰信号；通过比例放大器对滤过波的微弱信号进行放大，以便于方便进行模数转换与读数；最后通过A/D转换，将采集到的模拟压力信号转换为数字电信号，便于计算机15存储、分析。

本发明可用于对患有糖尿病的患者足底压力分布进行跟踪监测获取病变信息。糖尿病患者的行走步态按行进过程可分为落地相、中立相和起步相。足底区域可划分为前足部、中足部和后足部。糖尿病患者将脚落在柔性压力传感器阵列的表面层1上，按照落地相、中立相和起步相对足底压力进行测试，通过转换电路13将输入的值转换为电压值，送入接口电路14，通过行列扫描电路，经过滤波、放大、A/D转换后接入计算机15进行进一步处理，可以获得不同步态下前足部、中足部和后足部的最大压力值、平均压力值等多种参数，还可以获得步幅大小及步幅频率等参数，如图4所示。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (8)

1.一种基于电活性聚合物的分布式柔性压力传感器，其特征是它包括：

一底板（6）；底板(6)厚度为0.001~2mm；

一电活性聚合物（3），厚度为0.001～2mm，该电活性聚合物（3）与底板（6）粘结密封相连，并形成有多个密闭空间（5），在底板（6）上设有数量与密闭空间（5）至少相等的、用于向密闭空间（5）中充气以便使密闭空间发生变形的气嘴（7）；

一第一电极层（2），它覆盖在每个密闭空间的外表面；用于采集电活性聚合物（3）变形产生的电信号，在第一电极层（2）的表面覆盖有起保护作用的表面层（1），所述的表面层(1)厚度为0.001~2mm；

一第一铝箔层（4），用于将覆盖在每个密闭空间的外表面的第一电极层（2）进行电气连接形成行电极或列电极，以便将采集的电信号送至信号处理单元；

一第二电极层（8），该第二电极层（8）覆盖在每个密闭空间的内表面；也用于采集电活性聚合物（3）变形产生的电信号；

一第二铝箔层（9），它被固定在底板（6）上，用于将覆盖在每个密闭空间（5）内表面的第二电极层（8）进行电气连接形成列电极或行电极，以便将采集的电信号送至信号处理单元；

一硅橡胶衬垫（10），它密封固定在电活性聚合物（3）表面的未凸起部分上，用于使各密闭空间（5）保持在设定的参数同时使表面层（1）、第一电极层（2）和第一铝箔层（4）定位在密闭空间（5）表面；

所述的第一铝箔层（4）和第二铝箔层（9）采集的电信号送入转换电路（13）将采集的电容值转换成电压值，转换所得的电压通过行扫描器和列扫描器构成的行列扫描电路与接口电路(14)连接，经滤波、放大、A/D转换后，通过接口电路(14)将数据传入计算机(15)进行分析、处理与图形化显示结果。

2.根据权利要求1所述的基于电活性聚合物的分布式柔性压力传感器，其特征是所述的密闭空间（5）呈半球形结构。

3.根据权利要求1所述的基于电活性聚合物的分布式柔性压力传感器，其特征是所述的多个密闭空间（5）呈阵列布置在底板（6）上。

4.根据权利要求1所述的基于电活性聚合物的分布式柔性压力传感器，其特征是所述的电活性聚合物（3）为绝缘聚合物或是绝缘橡胶。

5.根据权利要求4所述的基于电活性聚合物的分布式柔性压力传感器，其特征是所述的电活性聚合物（3）为硅树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯、热塑性弹性体、聚偏二乙烯或其组合。

6.根据权利要求1所述的基于电活性聚合物的分布式柔性压力传感器，其特征是所述的转换电路(13)为调频电路、电桥测量电路、双T型充放电网络、脉冲调宽型电路或运算放大器式电路。

7.根据权利要求1所述的基于电活性聚合物的分布式柔性压力传感器，其特征是所述的第一电极层(2)和第二电极层(8)为能与电活性聚合物(3)一起同步形变的材料。

8.根据权利要求7所述的基于电活性聚合物的分布式柔性压力传感器，其特征是所述的第一电极层(2)和第二电极层(8)为石墨、碳黑、胶态悬浮液、银凝胶、碳凝胶、离子导电聚合物、电子导电聚合物，它们均匀涂覆于电活性聚合物(3)两侧以利于电荷的积聚。