CN106325637B - 基于平行极板电容的接近觉传感器及其检测方法 - Google Patents

基于平行极板电容的接近觉传感器及其检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于平行极板电容的接近觉传感器，形状、大小相同的表层衬底、中间层和底层衬底自上而下成层叠结构，表层衬底上表面设置驱动电极、感应电极和保护环，驱动电极设于表层衬底上表面的中心位置，驱动电极的外围一周耦合有保护环，保护环的外围耦合有两个或两个以上结构相同的感应电极，感应电极在保护环的外围对称分布，每个感应电极分别与驱动电极生成相应的耦合电容；中间层作为GND接地层，保护环上打有第一小圆孔，表层衬底上打有第二小圆孔，第一小圆孔与第二小圆孔的位置完全重合。灵敏度高，精确度高，解决了现有技术中接近觉传感器不能同时检测待测物体接近距离与方向，不能判断待测物体属性的问题。

Description

基于平行极板电容的接近觉传感器及其检测方法
技术领域
本发明属于电子技术领域，涉及一种基于平行极板电容的接近觉传感器及其检测方法，尤其应用于机器手测量待测物体的接近距离、接近方向和属性。
背景技术
随着电子技术、控制理论、计算机技术、传感器技术、人工智能等学科的发展，机器人技术的研究已经从示教再现型转向具有感觉功能的适应控制型。这一转变要求机器人具有感知系统，该系统能够通过感觉传感器，使机器人能够“感知”自身和外部环境的变化。接近觉传感器就是这类传感器中的一种。
接近觉传感器在机器人实现目标的识别、定位与跟踪，以及运动中的避障等各种活动中发挥着重要作用。通过机器人能够感知到与对象之间的接近程度，从而实现无冲击接近，避免碰撞和抓取操作。因此，研究接近觉传感器对推动机器人技术的发展有重要的作用和意义。
已报道的接近觉传感器按照工作原理可分为光电式、光纤式、普通电容式、电磁感应式、超声波式、红外式、微波式等类型，然而这些接近觉传感器的研究仍然存在一些问题。光电式容易受到待测物体颜色、粗糙度和环境亮度的限制。电磁式只能用于检测铁磁物质，而且作用的距离比较短，一般仅为零点几毫米。超声波在空气中衰减很厉害，因此频率(20Hz以下)通常不高，所以提高分辨率很困难，而且它的电路也比较复杂。
目前以电容式为主的接近觉传感器的研究主要有：1、普通电容式的接近觉传感器，即将传感器本身作为一个极板，待测物体作为另一个极板。这种结构要求待测物体必须是接地导体，而且容易受到周围杂散电场的干扰，测量范围一般仅为几毫米。2、双极板式的接近觉传感器，如中国专利申请，授权号公告号为CN 2356337Y，名称为“电容接近觉传感器”，公开日为1999年12月29日，该传感器由一块激励极板和一块接收极板组成，能检测导体和非导体的待测物体，但不能测量待测物体的接近方向及待测物体的属性。
另外，随着接近觉传感器在电子皮肤、医疗保健、电子电工、运动器材、纺织品、航天航空、环境监测等领域的应用越来越广泛，对传感器的要求也趋向具有良好的柔韧性和延展性，而且结构形式灵活多样，可根据测量条件的要求任意布置，能够非常方便地对复杂待测物体进行检测。
综上所述，现有的接近觉传感器存在如下缺点：(1)不能同时实现待测物体接近距离与方向的检测；(2)不能判断待测物体的属性。
发明内容
为了达到上述目的，本发明提供一种基于平行极板电容的接近觉传感器，灵敏度高，精确度高，解决了现有技术中接近觉传感器不能同时检测待测物体接近距离与方向，不能判断待测物体属性的问题。
本发明的另一目的是，提供一种基于平行极板电容的接近觉传感器的检测方法。
本发明所采用的技术方案是，一种基于平行极板电容的接近觉传感器，由表层衬底、驱动电极、感应电极、保护环、底层衬底和中间层组成；表层衬底、底层衬底和中间层的形状、大小相同，表层衬底、中间层和底层衬底自上而下成层叠结构，表层衬底的上表面设置有驱动电极、感应电极和保护环，驱动电极设于表层衬底上表面的中心位置，在驱动电极的外围一周耦合有保护环，在保护环的外围耦合有两个或两个以上结构相同的感应电极，感应电极在保护环的外围对称分布，每个感应电极分别与驱动电极生成相应的耦合电容；中间层作为GND接地层，保护环上打有第一小圆孔，表层衬底上打有第二小圆孔，第一小圆孔与第二小圆孔的位置完全重合，便于保护环接于GND。
本发明的特征还在于，进一步的，驱动电极与保护环相距0.5mm，保护环与感应电极相距1.5mm。
进一步的，驱动电极、感应电极和保护环均采用导电材料，驱动电极为圆形、椭圆形或多边形；感应电极为扇形环状或矩形。
进一步的，驱动电极、感应电极和保护环均采用铜材料。
进一步的，表层衬底采用柔性聚合物薄膜材料，底层衬底采用柔性聚合物材料，中间层采用导电材料。
进一步的，表层衬底采用PET材料，底层衬底采用PDMS材料，中间层采用铜材料。
进一步的，底层衬底、中间层和表层衬底均为正方形板材，底层衬底、中间层和表层衬底的大小均为长2.0～5.0cm、宽2.0～5.0cm，底层衬底厚1.0～2.0mm；中间层厚20～50μm；表层衬底厚0.5～2mm；保护环的宽度为1～3mm、厚度为20～50μm，感应电极的宽度为5mm、厚度为20～50μm；驱动电极的面积大小为4～25cm2、厚度为20～50μm；第一小圆孔和第二小圆孔分别有20个，第一小圆孔和第二小圆孔的孔径均为0.05～0.25mm。
本发明的另一技术方案是，一种基于平行极板电容的接近觉传感器的检测方法，包括待测物体距离检测、待测物体方向检测和待测物体属性检测；
待测物体距离检测：对待测物体的接近距离与接近觉传感器电容输出值的关系进行标定，获得待测物体接近距离与对应电容输出值的距离量化关系；根据已有的距离量化关系和接近觉传感器电容输出值，得到待测物体的接近距离；
待测物体方向检测：待测物体分别从四个方向接近接近觉传感器，得到四个接近觉传感器电容输出的差值；对待测物体接近方向和电容输出差值的关系进行标定，获得待测物体接近方向与对应电容输出差值的方向量化关系，根据已有的方向量化关系和接近觉传感器电容输出差值，得到待测物体的接近方向；
待测物体属性检测：将不同属性的待测物体接近接近觉传感器一定距离时，接近觉传感器电容输出值激增，对不同属性待测物体和电容突变输出值的关系进行标定，获得待测物体属性与对应电容突变输出值的属性量化关系，根据已有的属性量化关系和接近觉传感器电容突变输出值，得到待测物体的属性。
本发明的有益效果是：本发明的结构由于采用了驱动电极和感应电极耦合在同一表面衬底，根据驱动电极与感应电极的耦合电容变化能够检测待测物体的接近度，实现了近距离范围的待测物体的距离测量；多个感应电极对称分布的结构，根据多个耦合电容的大小不同可判断待测物体的接近方向；当待测物体接触到本发明时，根据待测物体的介电常数不同，可判断待测物体的属性。本发明能够应用于仿生机器手，具有较高的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的主视图。
图2是本发明实施例的俯视图。
图中，1.表层衬底，2.驱动电极，3.感应电极，4.保护环，5.底层衬底，6.第一小圆孔，7.中间层，8.第二小圆孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例，
本发明的结构，如图1-2所示，由表层衬底1、驱动电极2、感应电极3、保护环4、底层衬底5和中间层7组成；表层衬底1、中间层7和底层衬底5自上而下成层叠结构，中间层7采用铜材质，作为GND接地层，表层衬底1的上表面设置有驱动电极2、感应电极3和保护环4，驱动电极2设于表层衬底1上表面的中心位置，在驱动电极2的外围一周耦合有保护环4，在保护环4的外围耦合有四个相同的感应电极3，四个相同的感应电极3在保护环4的外围对称分布；驱动电极2、感应电极3和保护环4均采用铜材料；保护环4上打有密集的第一小圆孔6，表层衬底1上打有密集的第二小圆孔8，第一小圆孔6与第二小圆孔8的位置完全重合，用于保护环4接于GND，第一小圆孔6和第二小圆孔8分别有20个，孔径均为0.05～0.25mm。
驱动电极2为圆形，半径为1cm；保护环4的宽度为1～3mm，保护环4与驱动电极2相距0.5mm，感应电极3为扇形环状，感应电极3的宽度为5mm，感应电极3与保护环4相距1.5mm，四个感应电极3分别与驱动电极2生成四个耦合电容，根据四个耦合电容的电容大小不同，判断待测物体的接近方向。
底层衬底5采用PDMS材料，以便于传感器为柔性设计实现随体成型，底层衬底5的形状为正方形板材，以便于贴附，中间层7的形状为正方形板材，以便于铺在底层衬底5表面，表层衬底1采用PET材料，以便于传感器为柔性设计，形状为正方形板材，以便于层叠在中间层上；底层衬底5、中间层7和表层衬底1的大小相等。
底层衬底5贴合于机器手或假肢，因此其厚度越薄，贴合性越好。根据现有的旋涂工艺，底层衬底5厚度为1.0mm～2.0mm时，易于制作且衬底均匀；中间层7为GND层，在保证其导电性良好的前提下，尽量做薄，根据现有的制作工艺，厚度为20～50μm；表层衬底1的厚度会对平行极板间的耦合电容的测量产生影响，根据耦合电容计算公式的分析和推导，当表层衬底1的厚度小于2mm时，表层衬底1对耦合电容的影响可忽略，根据现有的制作工艺将其厚度设为0.5mm～2mm。驱动电极2、保护环4和感应电极3在保证其导电性良好的情况下，其厚度尽量做薄，根据现有的制作工艺，其厚度均为20～50μm。
根据对平行极板间的耦合电容计算公式的分析，将底层衬底5、中间层7和表层衬底1的大小均设为长2.0cm×宽2.0cm，底层衬底5、中间层7和表层衬底1的大小均设为长4.0cm×宽4.0cm，底层衬底5、中间层7和表层衬底1的大小均设为长5.0cm×宽5.0cm。
根据铜材料具有良好的延展性和导电性，更利于随体贴合，所以选择铜作为驱动电极2、感应电极3、保护环4及中间层7的导电材料。
保护环4与驱动电极2相距0.5mm，感应电极3与保护环4相距1.5mm，以便于确保驱动电极2与感应电极3间的耦合电容适中，易于观察耦合电容的变化量；相同的距离测量范围内，其灵敏度较高；同时在检测待测物体属性时，灵敏度较高，待测物位于相对较远的距离时，就可检测出其属性。在测量物体的接近方向这一特征，是本领域技术人员不易想到的。
其中，驱动电极2还可以为椭圆形或多边形，驱动电极2面积大小为4～25cm2，当驱动电极2为多边形时，感应电极3为矩形，在保护环4的外围对称分布。
本发明的技术原理：
当正弦交流电供给驱动电极2时，本发明传感器开始工作，驱动电极2分别与四个感应电极3之间形成耦合电容。根据平行板电容的静电感应原理，当待测物体靠近传感器时，引起极板周围电场发生变化，即当待测物体靠近传感器时，四个耦合电容的电容值减小，对待测物体的接近距离与本发明接近觉传感器电容输出值的关系进行标定，获得待测物体接近距离与对应电容输出值的距离量化关系；根据已有的距离量化关系和接近觉传感器电容输出值，得到待测物体的接近距离。
当待测物体非正对靠近传感器时，四个耦合电容的电容大小存在差异；待测物体分别从四个方向接近本发明接近觉传感器，得到四个接近觉传感器电容输出的差值；对待测物体接近方向和电容输出差值的关系进行标定，获得待测物体接近方向与对应电容输出差值的方向量化关系，根据已有的方向量化关系和接近觉传感器电容输出差值，得到待测物体的接近方向。
当待测物体接触到传感器时，由于待测物体的介电常数的影响，引起耦合电容的反常变化，将不同属性的待测物体(根据导电性、较大质量密度差等属性划分)接近本发明接近觉传感器一定距离时，接近觉传感器电容输出值激增，对不同属性待测物体和电容突变输出值的关系进行标定，获得待测物体属性与对应电容突变输出值的属性量化关系，根据已有的属性量化关系和接近觉传感器电容突变输出值，得到待测物体的属性。
本发明中由于保护环4的设计，待测物体能够在距离传感器1cm的位置就会出现电容输出值突变，即检测到待测物体的属性。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于平行极板电容的接近觉传感器，其特征在于，由表层衬底(1)、驱动电极(2)、感应电极(3)、保护环(4)、底层衬底(5)和中间层(7)组成；表层衬底(1)、底层衬底(5)和中间层(7)的形状、大小相同，表层衬底(1)、中间层(7)和底层衬底(5)自上而下成层叠结构，表层衬底(1)的上表面设置有驱动电极(2)、感应电极(3)和保护环(4)，驱动电极(2)设于表层衬底(1)上表面的中心位置，在驱动电极(2)的外围一周耦合有保护环(4)，在保护环(4)的外围耦合有两个或两个以上结构相同的感应电极(3)，感应电极(3)在保护环(4)的外围对称分布，每个感应电极(3)分别与驱动电极(2)生成相应的耦合电容；中间层(7)作为GND接地层，保护环(4)上打有第一小圆孔(6)，表层衬底(1)上打有第二小圆孔(8)，第一小圆孔(6)与第二小圆孔(8)的位置完全重合，便于保护环(4)接于GND；
所述驱动电极(2)与保护环(4)相距0.5mm，保护环(4)与感应电极(3)相距1.5mm。
2.根据权利要求1所述的一种基于平行极板电容的接近觉传感器，其特征在于，所述驱动电极(2)、感应电极(3)和保护环(4)均采用导电材料，所述驱动电极(2)为圆形、椭圆形或多边形；所述感应电极(3)为扇形环状或矩形。
3.根据权利要求2所述的一种基于平行极板电容的接近觉传感器，其特征在于，所述驱动电极(2)、感应电极(3)和保护环(4)均采用铜材料。
4.根据权利要求1所述的一种基于平行极板电容的接近觉传感器，其特征在于，所述表层衬底(1)采用柔性聚合物薄膜材料，底层衬底(5)采用柔性聚合物材料，中间层(7)采用导电材料。
5.根据权利要求4所述的一种基于平行极板电容的接近觉传感器，其特征在于，所述表层衬底(1)采用PET材料，底层衬底(5)采用PDMS材料，中间层(7)采用铜材料。
6.根据权利要求1所述的一种基于平行极板电容的接近觉传感器，其特征在于，所述底层衬底(5)、中间层(7)和表层衬底(1)均为正方形板材，底层衬底(5)、中间层(7)和表层衬底(1)的大小均为长2.0～5.0cm、宽2.0～5.0cm，底层衬底(5)厚1.0～2.0mm；中间层(7)厚20～50μm；表层衬底(1)厚0.5～2mm；保护环(4)的宽度为1～3mm、厚度为20～50μm，感应电极(3)的宽度为5mm、厚度为20～50μm；驱动电极(2)的面积大小为4～25cm2、厚度为20～50μm；第一小圆孔(6)和第二小圆孔(8)分别有20个，第一小圆孔(6)和第二小圆孔(8)的孔径均为0.05～0.25mm。
7.采用如权利要求1所述的一种基于平行极板电容的接近觉传感器的检测方法，其特征在于，包括待测物体距离检测、待测物体方向检测和待测物体属性检测；
所述待测物体距离检测：对待测物体的接近距离与接近觉传感器电容输出值的关系进行标定，获得待测物体接近距离与对应电容输出值的距离量化关系；根据已有的距离量化关系和接近觉传感器电容输出值，得到待测物体的接近距离；
所述待测物体方向检测：待测物体分别从四个方向接近接近觉传感器，得到四个接近觉传感器电容输出的差值；对待测物体接近方向和电容输出差值的关系进行标定，获得待测物体接近方向与对应电容输出差值的方向量化关系，根据已有的方向量化关系和接近觉传感器电容输出差值，得到待测物体的接近方向；
所述待测物体属性检测：将不同属性的待测物体接近接近觉传感器一定距离时，接近觉传感器电容输出值激增，对不同属性待测物体和电容突变输出值的关系进行标定，获得待测物体属性与对应电容突变输出值的属性量化关系，根据已有的属性量化关系和接近觉传感器电容突变输出值，得到待测物体的属性。
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