CN110595649A - 抗干扰介电弹性体传感器及其制备方法以及测量电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种抗干扰介电弹性体传感器及其制备方法以及测量电路，其解决了现有介电弹性体传感器测量准确度低、精度低，稳定性差，抗干扰能力差的技术问题，其包括正电极、第一负电极、第二负电极、第一屏蔽层、第二屏蔽层、第一介电弹性体、第二介电弹性体、第三介电弹性体和第四介电弹性体，第二介电弹性体与正电极的上部连接，第一负电极与第二介电弹性体连接，第三介电弹性体与第一负电极连接，所述第一屏蔽层与第三介电弹性体连接；第一介电弹性体与正电极的下部连接，第二负电极与第一介电弹性体连接，第四介电弹性体与第二负电极连接，第二屏蔽层与第四介电弹性体连接。其可广泛应用于人机交互技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及人机交互传感器技术领域，具体而言，涉及一种抗干扰介电弹性体传感器及其制备方法以及测量电路。
背景技术
目前，用于人体关节运动测量的方法主要有光学式测量、电磁式测量和机械式测量三大类方法。光学式测量方法操作十分复杂，成本较高，数据处理过程复杂，此外对测量环境有严格要求，应用起来不够灵活、效率低。机械式测量法的机械结构对运动角度有很大的限制，而且安装不方便，从而限制了其应用。电磁式测量法对于装置使用环境要求较高，在测量时附近不能有金属物品，否则会对电磁场造成干扰，影响测量精度；因受到电缆的限制，能够允许的人体运动活动范围较小，对于比较剧烈的运动并不适用。
介电弹性体传感器作为一种新型的软传感器，近些年引发了国内外广泛的研究。参考说明书附图的图1和公布号为CN106441073A的中国发明专利申请，现有的介电弹性体传感器是由两层柔性电极夹一层介电薄膜组成的三明治结构，其相当于一个柔性平行板电容器。在外力的作用下，会使传感器的有效面积或有效厚度改变，导致其电容值发生变化，因此通过检测电容值的变化便可检测外力或位移。参考专利号为201610244894.8的中国发明专利，基于介电弹性体传感器的穿戴式人体运动测量服装穿着舒适，灵敏度、精度高，对环境要求不高，可靠性高并且成本低。
然而，现有的介电弹性体传感器存在测量准确度低、测量精度低，稳定性差，抗干扰能力差的技术缺陷。
发明内容
本发明就是为了解决现有介电弹性体传感器测量准确度低、精度低，稳定性差，抗干扰能力差的技术问题，提供一种测量准确度高、精度高，稳定性强，抗干扰能力强的抗干扰介电弹性体传感器及其制备方法以及测量电路。
本发明提供一种抗干扰介电弹性体传感器，包括正电极、第一负电极、第二负电极、第一屏蔽层、第二屏蔽层、第一介电弹性体、第二介电弹性体、第三介电弹性体和第四介电弹性体，第二介电弹性体与正电极的上部连接，第一负电极与第二介电弹性体连接，第三介电弹性体与第一负电极连接，第一屏蔽层与第三介电弹性体连接；第一介电弹性体与正电极的下部连接，第二负电极与第一介电弹性体连接，第四介电弹性体与第二负电极连接，第二屏蔽层与第四介电弹性体连接。
优选地，抗干扰介电弹性体传感器还包括第一保护层和第二保护层，第一保护层与第一屏蔽层连接，第二保护层与第二屏蔽层连接。
本发明还提供一种测量电路，包括抗干扰介电弹性体传感器、电阻R和运算放大器，抗干扰介电弹性体传感器包括正电极、第一负电极、第二负电极、第一屏蔽层、第二屏蔽层、第一介电弹性体、第二介电弹性体、第三介电弹性体和第四介电弹性体，第二介电弹性体与正电极的上部连接，第一负电极与第二介电弹性体连接，第三介电弹性体与第一负电极连接，第一屏蔽层与第三介电弹性体连接；第一介电弹性体与正电极的下部连接，第二负电极与第一介电弹性体连接，第四介电弹性体与第二负电极连接，第二屏蔽层与第四介电弹性体连接；
抗干扰介电弹性体传感器的正电极通过导线与是运算放大器OA的反相输入端连接，第一负电极和第二负电极通过导线连接在一起后再通过一根导电接地，第一屏蔽层和第二屏蔽层通过导线连接在一起后再通过一根导线接地，电阻R与运算放大器OA的反相输入端连接，运算放大器OA的正相输入端与运算放大器OA的输出端连接。
优选地，测量电路还包括正弦波发生器，正弦波发生器的输出端与电阻R连接。
优选地，正弦波发生器的主控芯片是STM32F103VCT6。
本发明的有益效果是，测量准确度高、灵敏度高、精度高，稳定性强，抗干扰能力强，可靠性高，实时性好，对环境要求不高；成本低。
应用传感器的测量电路用到的器件比较少，简化电路、节省空间、降低成本。
本发明进一步的特征和方面，将在以下参考附图的具体实施方式的描述中，得以清楚地记载。
附图说明
图1是现有介电弹性体传感器的结构示意图；
图2是本发明介电弹性体传感器的结构示意图；
图3是图2所示结构的等效电路图；
图4是本发明传感器的测量电路图；
图5是图4所示电路的原理图；
图6是自动涂布机的结构示意图；
图7是硅胶膜单元的形状示意图；
图8是正电极模具的结构示意图；
图9是第一负电极模具的结构示意图；
图10是第二负电极模具的结构示意图；
图11是第一屏蔽层模具的结构示意图；
图12是第二屏蔽层模具的结构示意图；
图13是第二屏蔽层模具的结构示意图
图14是正电极模具覆盖到第一硅胶膜上的示意图；
图15是正电极与第一硅胶膜连接的示意图；
图16是第二硅胶膜单元去掉底部离型膜后的结构示意图；
图17是正电极与第二硅胶膜连接在一起的示意图；
图18是第二铜箔与图17所示的第二硅胶膜连接，第一负电极模具覆盖到第二硅胶膜上的示意图；
图19是第一负电极与第二硅胶膜连接的示意图；
图20是第三硅胶膜单元25去掉底部离型膜后的结构示意图；
图21是第三硅胶膜与第一负电极连接的示意图；
图22是图21所示结构去掉第一底部离型膜，第二铜箔的自由端向下折弯并与第一硅胶膜21-1连接后的状态示意图；
图23是第二负电极模具覆盖到图22所示结构中的第一硅胶膜上的示意图；
图24是第二负电极与第一硅胶膜连接的示意图；
图25是第四硅胶膜单元26去掉顶部离型膜后的结构示意图；
图26是第四硅胶膜单元的第四硅胶膜与图24中的第二负电极连接在一起的示意图；
图27是第一屏蔽层模具覆盖到第三硅胶膜上，压住第三铜箔的示意图；
图28是形成的第一屏蔽层、第三硅胶膜和第三铜箔连接在一起的示意图；
图29是第五硅胶膜单元去掉底部离型膜后的结构示意图；
图30是图28所示结构中第一屏蔽层7连接第五硅胶膜的示意图；
图31是图30所示结构中第三铜箔的自由端与第四硅胶膜的背面连接的示意图；
图32是将第二屏蔽层模具20覆盖到图31所示结构中第四硅胶膜上的示意图；
图33是第二屏蔽层与第四硅胶膜连接的示意图；
图34是第六硅胶膜单元去掉顶部离型膜后的结构示意图；
图35是图34所示的第四硅胶膜与第二屏蔽层连接的示意图；
图36是图1所示现有介电弹性体传感器的测量电路原理图；
图37是用信号线缆中的三根导线分别与本发明传感器的第二铜箔、第一铜箔、第三铜箔焊接在一起的示意图；
图38是本发明的传感器安装在电动位移平台上的示意图；
图39是本发明传感器拉伸至60mm时的静态电压数据表；
图40是现有技术传感器拉伸至60mm时的静态电压数据表；
图41是本发明传感器拉伸至65mm，以200Hz的采样频率取500个电压数据的数据分布图；
图42是现有技术传感器拉伸至65mm，以200Hz的采样频率取500个电压数据的数据分布图；
图43是本发明传感器拉伸至75mm，以200Hz的采样频率取500个电压数据的数据分布图；
图44是现有技术传感器拉伸至75mm，以200Hz的采样频率取500个电压数据的数据分布图；
图45是本发明传感器拉伸至85mm，以200Hz的采样频率取500个电压数据的数据分布图；
图46是现有技术传感器拉伸至85mm，以200Hz的采样频率取500个电压数据的数据分布图；
图中符号说明：
1.电极一，2.电极二，3.介电弹性体；4.正电极，5.第一负电极，6.第二负电极，7.第一屏蔽层，8.第二屏蔽层，9.第一介电弹性体，10.第二介电弹性体，11.第三介电弹性体，12.第四介电弹性体，13.第一保护层，14.第二保护层；15.自动涂布机，15-1.同步传送带，15-2.光轴，15-3.涂布板，15-4.推板，15-5.刮刀；16.正电极模具，16-1.正电极本体成型孔，16-2.正电极接线部成型孔；17.第一负电极模具，17-1.第一负电极本体成型孔，17-2.第一负电极接线部成型孔，18.第二负电极模具，18-1.第二负电极本体成型孔，18-2.第二负电极接线部成型孔，19.第一屏蔽层模具，19-1.第一屏蔽层本体成型孔，19-2.第一屏蔽层接线部成型孔；20.第二屏蔽层模具，20-1.第二屏蔽层本体成型孔，20-2.第二屏蔽层接线部成型孔；21.第一硅胶膜单元，21-1.第一硅胶膜，21-2.第一顶部离型膜，21-3.第一底部离型膜，22.第一铜箔，23.第二硅胶膜单元，23-1.第二硅胶膜，23-2.第二顶部离型膜；24.第二铜箔，25.第三硅胶膜单元，25-1.第三硅胶膜，25-2.第三顶部离型膜；26.第四硅胶膜单元，26-1.第四硅胶膜，26-3.第四底部离型膜；27.第三铜箔，28.第五硅胶膜单元，28-1.第五硅胶膜，28-2.第五顶部离型膜；29.第六硅胶膜单元，29-1.第六硅胶膜，29-3.第六底部离型膜；30.插头，31.信号线缆，32.电动位移平台，32-1.固定座，32-2.移动座，。
具体实施方式
以下参照附图，以具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图2所示，本发明公开的介电弹性体传感器包括正电极4、第一负电极5、第二负电极6、第一屏蔽层7、第二屏蔽层8、第一介电弹性体9、第二介电弹性体10、第三介电弹性体11、第四介电弹性体12、第一保护层13、第二保护层14，第二介电弹性体10与正电极4的上部连接，第一负电极5与第二介电弹性体10连接，第三介电弹性体11与第一负电极5连接，第一屏蔽层7与第三介电弹性体11连接，第一保护层13与第一屏蔽层7连接，第一介电弹性体9与正电极4的下部连接，第二负电极6与第一介电弹性体9连接，第四介电弹性体12与第二负电极6连接，第二屏蔽层8与第四介电弹性体12连接，第二保护层14与第二屏蔽层8连接。正电极4位于整个传感器的中间，第一负电极5、第二负电极6位于正电极4的两侧；第一屏蔽层7和第二屏蔽层8位于最外层。
每一层介电弹性体的材质可以是硅橡胶、丙烯酸酯弹性体、聚氨酯弹性体、丁腈橡胶、亚乙烯基氟化三氟乙烯等。正电极4、第一负电极5和第二负电极6可以采用现有介电弹性体传感器中的电极结构。第一屏蔽层7和第二屏蔽层8可以采用现有介电弹性体传感器中的电极结构。第一保护层13和第二保护层14可以采用现有常规材料制作。
需要说明的是，正电极4的厚度优选为188um，第一负电极5的厚度优选为188um，第二负电极6的厚度优选为188um，第一介电弹性体9的厚度优选为250um，第二介电弹性体10的厚度优选为250um。
如图4和5所示的应用本发明介电弹性体传感器的测量电路，介电弹性体传感器的正电极4通过导线与是运算放大器OA的反相输入端连接，第一负电极5和第二负电极6通过导线连接在一起后再通过一根导电接地，第一屏蔽层7和第二屏蔽层8通过导线连接在一起后再通过一根导线接地，电阻R与运算放大器OA的反相输入端连接，正弦波发生器的输出端与电阻R连接，运算放大器OA的反相输入端接收正弦波信号Signal。运算放大器OA的正相输入端与运算放大器OA的输出端连接。运算放大器OA的输出端输出电压信号Vout。电容CDES代表介电弹性体传感器的等效电容。本领域技术人员可以理解，正弦波信号本身能够产生平滑的充电和放电时间，相比图36所示的现有测量电路(R1、R2、R3、R4为测量电阻，四个测量电阻的阻值相同，电容C是参考电容，S表示开关，通过PWM信号控制开关S，控制电容的充放电)，本发明测量电路用到的器件比较少，因此可以简化电路、节省空间、降低成本。
结合图5所示，按照如下公式(1-1)～(1-5)推导出Vout：
Signal＝sinωt (1-2)
正弦波发生器的主控芯片可以选用STM32F103VCT6，STM32F103VCT6在内部包含三个ADC，它的ADC是SAR式(逐次逼近)ADC。它能实现两个内部信号和十六个外部信号的检测与处理，可以满足多通道信号采集的处理硬件系统中八路通道信号采集处理的要求。每个通道的转换模式包括连续、单次、间断或扫描模式。能够很快的实现信号转换，ADC最大的转换速率为1MHz，也就是转换时间为1μs，采样转换速度较快。
基于STM32芯片通过DMA+DAC+TIMER的方案产生正弦波。DMA，代表直接存储器访问，数据从一个地址空间到另一个地址空间。传输动作本身由DMA控制器实行完成，无需CPU、中断处理，相当于在I/O设备与RAM间建立了直传数据的路径，这样能够大大提高数据传输速度。STM32的DAC模块即数字/模拟转换模块，属于12位数字输入的电压输出型。TIMER为定时器，定时控制信号周期。
正弦波产生具体方案是：首先将一组正弦波数据表保存在静态内存中，然后通过DMA方式建立正弦波数据静态内存和DAC模块的通路。DAC模块通过DMA建立的通道读取正弦波的数据点。使能DAC转换通道，设置DAC的输出值，在对应引脚处输出正弦波。由于这个过程速度很快，需要一定的延时，否则就是一个变化很快的模拟量。因此使用定时器TIMER，在DAC初始化时，设置为定时器触发。因此，能够通过改变定时器的定时时间来改变正弦波的周期。
多通道信号硬件系统中传感电路输出模拟信号，经AD转换才能进行程序处理。输出信号是近似的正弦波，需要完成输出信号单周期内完整均匀采样。STM32F103VCT6内部自带的ADC模块和定时器配合使用完成采样。
上述介电弹性体传感器的制备方法是：
第一步，制作硅胶膜单元。
如图6所示，使用的自动涂布机15为现有技术结构，其包括同步传送带15-1、光轴15-2、涂布板15-3、推板15-4、刮刀15-5。
先向容器中加入液态硅胶A、B各7质量份，再加入异辛烷6质量份；然后将容器放入行星搅拌器内，搅拌脱泡，配置成硅胶液。在洁净间内将离型膜均匀铺平在自动涂布机的涂布板上，开启气泵，将配置好的硅胶液倾倒在离型膜上，启动自动涂布机让刮刀匀速刮动硅胶液；刮涂完毕后关闭气泵，用钢板托起附着硅胶液的离型膜，放入加热箱加热固化形成硅胶膜(加热条件可以是：加热温度为65～75℃，加热时间25～35min)；完成固化后将硅胶膜从加热箱内取出并用一张新的离型膜覆盖，然后使用激光切割机将固化的硅胶膜切割成如图7所示的第一硅胶膜单元21，第一硅胶膜单元21设有第一硅胶膜21-1、第一顶部离型膜21-2和第一底部离型膜21-3。按此方法制作第二硅胶膜单元、第三硅胶膜单元、第四硅胶膜单元、第五硅胶膜单元、第六硅胶膜单元。
液态硅胶(LSR)具体可以选用LSR4305A和LSR4305B。
第二步，准备正电极模具、第一负电极模具、第二负电极模具、第一屏蔽层模具和第二屏蔽层模具。
如图8所示，正电极模具16为平板结构，其设有正电极本体成型孔16-1和正电极接线部成型孔16-2，正电极本体成型孔16-1和正电极接线部成型孔16-2连通，正电极接线部成型孔16-2位于正电极本体成型孔16-1的端部的中间位置。正电极模具16的长度、宽度尺寸与图7所示硅胶膜单元的长度、宽度尺寸相同。如图9所示，第一负电极模具17为平板结构，其设有第一负电极本体成型孔17-1和第一负电极接线部成型孔17-2，第一负电极本体成型孔17-1和第一负电极接线部成型孔17-2连通，第一负电极接线部成型孔17-2位于第一负电极本体成型孔17-1端部的右侧。第一负电极模具17的长度、宽度尺寸与图7所示硅胶膜单元的长度、宽度尺寸相同。如图10所示，第二负电极模具18设有第二负电极本体成型孔18-1和第二负电极接线部成型孔18-2，第二负电极接线部成型孔18-2与第二负电极本体成型孔18-1连通，第二负电极接线部成型孔18-2位于第二负电极本体成型孔18-1端部的左侧；第二负电极模具18的长度、宽度尺寸与图7所示硅胶膜单元的长度、宽度尺寸相同。如图11所示，第一屏蔽层模具19为平板结构，其设有第一屏蔽层本体成型孔19-1和第一屏蔽层接线部成型孔19-2，第一屏蔽层接线部成型孔19-2与第一屏蔽层本体成型孔19-1连通，第一屏蔽层接线部成型孔19-2位于第一屏蔽层本体成型孔19-1端部的左侧，第一屏蔽层模具19的长度、宽度尺寸与图7所示硅胶膜单元的长度、宽度尺寸相同。如图12所示，第二屏蔽层模具20为平板结构，其设有第二屏蔽层本体成型孔20-1和第二屏蔽层接线部成型孔20-2，第二屏蔽层接线部成型孔20-2与第二屏蔽层本体成型孔20-1连通，第二屏蔽层接线部成型孔20-2位于第二屏蔽层本体成型孔20-1端部的右侧，第二屏蔽层模具20的长度、宽度尺寸与图7所示硅胶膜单元的长度、宽度尺寸相同。
第三步，配置电极溶液。
向容器中分别加入碳粉0.6质量份和异丙醇15质量份，超声波震荡140s；然后向容器中加入液态硅胶A、B各3质量份(具体型号可以选用LSR4305A/B)，加入异辛烷5质量份，最后将容器放入行星搅拌器内，搅拌脱泡得到电极溶液。
第四步，制备传感器。
(1)制作正电极：
取一张第一硅胶膜单元21，将第一硅胶膜单元21的第一顶部离型膜21-2撕去，如图13所示，在第一铜箔22的一端涂抹988硅胶胶水，将第一铜箔22上涂抹硅胶胶水的一端粘在第一硅胶膜21-1端部的中间位置，对应于正电极模具16的正电极接线部成型孔16-2；如图14所示，将正电极模具16覆盖到第一硅胶膜21-1上，正电极模具16与第一硅胶膜21-1对齐，正电极模具16压住第一铜箔22，第一铜箔22的末端正好位于正电极模具16的正电极接线部成型孔16-2的下方；用药匙向正电极模具16的正电极本体成型孔16-1中放入适量的电极溶液，手持光滑金属杆推动电极溶液使电极溶液均匀的涂在正电极本体成型孔16-1和正电极接线部成型孔16-2中；涂好后将正电极模具16去掉，将涂好电极溶液的第一硅胶膜21-1放入加热箱加热25～35min，加热温度是65～75℃，加热完成就形成了正电极4(如图15所示)。
如图16所示，去掉底部离型膜的第二硅胶膜单元23设有第二硅胶膜23-1和第二顶部离型膜23-2，将图15所示的正电极4、第一铜箔22和第一硅胶膜21-1形成的组件以及图16所示的去掉底部离型膜的第二硅胶膜单元23放入等离子机，进行等离子处理(等离子处理过程的参数是：一路气体40Pa，二路气体0Pa，背底真空10Pa，放电功率100W，工作时间20s)，等离子处理完成后迅速将第二硅胶膜23-1和图15所示的正电极4粘贴在一起，形成如图17所示的结构，至此完成正电极4、第一硅胶膜21-1和第二硅胶膜23-1的制作。第一硅胶膜21-1即图2所示的第一介电弹性体9，第二硅胶膜23-1即图2所示的第二介电弹性体10。
(2)制作第一负电极：
去掉图17所示结构中的第二顶部离型膜23-2，然后，如图18所示，在第二铜箔24的一端涂抹988硅胶胶水，将第二铜箔24上涂抹硅胶胶水的一端粘在第二硅胶膜23-1端部的右侧位置，对应于第一负电极模具17的第一负电极接线部成型孔17-2；将第一负电极模具17覆盖到第二硅胶膜23-1上，第一负电极模具17与第二硅胶膜23-1对齐，第一负电极模具17压住第二铜箔24(第二铜箔24位于第一铜箔22的侧面)，第二铜箔24的末端正好位于第一负电极模具17的第一负电极接线部成型孔17-2的下方；用药匙向第一负电极模具17的第一负电极本体成型孔17-1中放入适量的电极溶液，手持光滑金属杆推动电极溶液使电极溶液均匀的涂在第一负电极本体成型孔17-1和第一负电极接线部成型孔17-2中；涂好后将第一负电极模具17去掉，形成如图19所示的结构；将图19所示的组件放入加热箱加热25～35min，加热温度是65～75℃，加热完成就形成了第一负电极5。
如图20所示，去掉底部离型膜的第三硅胶膜单元25设有第三硅胶膜25-1和第三顶部离型膜25-2，将图19所示的正电极4、第一铜箔22、第一硅胶膜21-1、第二硅胶膜23-1、第一负电极5、第二铜箔24、第一铜箔22形成的组件以及图20所示的去掉底部离型膜的第三硅胶膜单元25放入等离子机，进行等离子处理(等离子处理过程的参数是：一路气体40Pa，二路气体0Pa，背底真空10Pa，放电功率100W，工作时间20s)，等离子处理完成后迅速将第三硅胶膜25-1和图19所示的第一负电极5粘贴在一起，形成如图21所示的结构，至此形成第一负电极5、第三硅胶膜25-1的制作。第三硅胶膜25-1即图2所示的第三介电弹性体11。
(3)制作第二负电极：
去掉图21所示结构中的第一底部离型膜21-3，将第二铜箔24向下折弯，在第二铜箔24的自由端涂抹988硅胶胶水，将第二铜箔24的自由端粘在第一硅胶膜21-1背面的端部，如图22所示。
如图23所示，将第二负电极模具18覆盖到第一硅胶膜21-1的背面，第二负电极模具18与第一硅胶膜21-1对齐，第二负电极模具18压住第二铜箔24，第二铜箔24上被固定好的自由端正好位于第二负电极模具18的第二负电极接线部成型孔18-2的下方；用药匙向第二负电极模具18的第二负电极本体成型孔18-1中放入适量的电极溶液，手持光滑金属杆推动电极溶液使电极溶液均匀的涂在第二负电极本体成型孔18-1和第二负电极接线部成型孔18-2中；涂好后将第二负电极模具18去掉，形成如图24所示的结构；将图24所示的组件放入加热箱加热25～35min，加热温度是65～75℃，加热完成就形成了第二负电极6。
如图25所示，去掉顶部离型膜的第四硅胶膜单元26设有第四硅胶膜26-1和第四底部离型膜26-3；将图24所示的第一硅胶膜21-1、第二硅胶膜23-1、第三硅胶膜25-1、正电极4、第一负电极5、第二负电极6、第一铜箔22、第二铜箔24形成的组件以及图25所示的去掉顶部离型膜的第四硅胶膜单元26放入等离子机，进行等离子处理(等离子处理过程的参数是：一路气体40Pa，二路气体0Pa，背底真空10Pa，放电功率100W，工作时间20s)，等离子处理完成后迅速将第四硅胶膜26-1和图24所示的第二负电极6粘贴在一起，形成如图26所示的结构，至此形成第二负电极6、第四硅胶膜26-1的制作。第四硅胶膜26-1即图2所示的第四介电弹性体12。
(4)制作第一屏蔽层：
去掉图26所示结构中的第三硅胶膜单元25的第三顶部离型膜25-2，然后，如图27所示，在第三铜箔27的一端涂抹988硅胶胶水，将第三铜箔27上涂抹硅胶胶水的一端粘在第三硅胶膜25-1端部的左侧位置，对应于第一屏蔽层模具19的第一屏蔽层接线部成型孔19-2；将第一屏蔽层模具19覆盖到第三硅胶膜25-1上，第一屏蔽层模具19与第三硅胶膜25-1对齐，第一屏蔽层模具19压住第三铜箔27(第三铜箔27位于第一铜箔22的另一侧)，第三铜箔27的末端正好位于第一屏蔽层模具19的第一屏蔽层接线部成型孔19-2的下方；用药匙向第一屏蔽层模具19的第一屏蔽层本体成型孔19-1中放入适量的电极溶液，手持光滑金属杆推动电极溶液使电极溶液均匀的涂在第一屏蔽层本体成型孔19-1和第一屏蔽层接线部成型孔19-2中；涂好后将第一屏蔽层模具19去掉，形成如图28所示的结构；将图28所示的组件放入加热箱加热25～35min，加热温度是65～75℃，加热完成就形成了第一屏蔽层7。
如图29所示，去掉底部离型膜的第五硅胶膜单元28设有第五硅胶膜28-1和第五顶部离型膜28-2，将图28所示的正电极4、第一铜箔22、第一硅胶膜21-1、第二硅胶膜23-1、第一负电极5、第二铜箔24、第一铜箔22、第一屏蔽层7、第三铜箔27形成的组件以及图29所示的去掉底部离型膜的第五硅胶膜单元28放入等离子机，进行等离子处理(等离子处理过程的参数是：一路气体40Pa，二路气体0Pa，背底真空10Pa，放电功率100W，工作时间20s)，等离子处理完成后迅速将第五硅胶膜28-1和图28所示的第一屏蔽层7粘贴在一起，形成如图30所示的结构，至此形成第一屏蔽层7、第五硅胶膜28-1的制作。第五硅胶膜28-1即图2所示的第一保护层13。
(5)制作第二屏蔽层：
去掉图30所示结构中的第四底部离型膜26-3，将第三铜箔27向下折弯，在第三铜箔27的自由端涂抹988硅胶胶水，将第三铜箔27的自由端粘在第四硅胶膜26-1背面的端部，如图31所示。
如图32所示，将第二屏蔽层模具20覆盖到第四硅胶膜26-1的背面，第二屏蔽层模具20与第四硅胶膜26-1对齐，第二屏蔽层模具20压住第三铜箔27，第三铜箔27上被固定好的自由端正好位于第二屏蔽层模具20的第二屏蔽层接线部成型孔20-2的下方；用药匙向第二屏蔽层模具20的第二屏蔽层本体成型孔20-1中放入适量的电极溶液，手持光滑金属杆推动电极溶液使电极溶液均匀的涂在第二屏蔽层本体成型孔20-1和第二屏蔽层接线部成型孔20-2中；涂好后将第二屏蔽层模具20去掉，形成如图33所示的结构；将图33所示的组件放入加热箱加热25～35min，加热温度是65～75℃，加热完成就形成了第二屏蔽层8。
如图34所示，去掉顶部离型膜的第六硅胶膜单元29设有第六硅胶膜29-1和第六底部离型膜29-3；将图33所示的第一硅胶膜21-1、第二硅胶膜23-1、第三硅胶膜25-1、第四硅胶膜26-1、正电极4、第一负电极5、第二负电极6、第一屏蔽层7、第二屏蔽层8、第一铜箔22、第二铜箔24、第三铜箔27形成的组件以及图34所示的去掉顶部离型膜的第六硅胶膜单元29放入等离子机，进行等离子处理(等离子处理过程的参数是：一路气体40Pa，二路气体0Pa，背底真空10Pa，放电功率100W，工作时间20s)，等离子处理完成后迅速将第六硅胶膜29-1和图33所示的第二屏蔽层8粘贴在一起，形成如图35所示的结构，至此形成第二屏蔽层8、第六硅胶膜29-1的制作。第六硅胶膜29-1即图2所示的第二保护层14。
去掉第五顶部离型膜28-2，去掉第六底部离型膜29-3。
(6)从图35可知，正电极4、第一负电极5、第二负电极6、第一屏蔽层7和第二屏蔽层8的长度、宽度尺寸相同，第一硅胶膜21-1、第二硅胶膜23-1、第三硅胶膜25-1、第四硅胶膜26-1、第五硅胶膜28-1、第六硅胶膜29-1的长度、宽度大于正电极4的尺寸，因此用刀片把第一硅胶膜21-1、第二硅胶膜23-1、第三硅胶膜25-1、第四硅胶膜26-1、第五硅胶膜28-1、第六硅胶膜29-1多余的部分切除，使第一硅胶膜21-1、第二硅胶膜23-1、第三硅胶膜25-1、第四硅胶膜26-1、第五硅胶膜28-1、第六硅胶膜29-1的长度、宽度尺寸与正电极4的尺寸相同。
以上所述传感器的制备方法制作的介电弹性体传感器，各层之间连接可靠，长时间使用不会出现松弛现象；每一层的混度均匀，各层的厚度能够进行精准控制；测量准确度高；三个铜箔用接入测量电路，使用方便。
为了验证上述传感器的优良性能，如图37和38所示，插头30与信号线缆31连接，信号线缆31中的三根导线分别与传感器的第二铜箔24、第一铜箔22、第三铜箔27通过焊锡焊接在一起。电动位移平台32设有固定座32-1和移动座32-2，通过压板和螺钉将传感器的一端固定安装在固定座32-1上，通过压板和螺钉将传感器的另一端固定安装在移动座32-2。结合图4，输入信号为：Uin＝2.52sin(2×π×600×t)+2.52，测量电阻R的阻值是510KΩ，传感器在初始状态下的长度是55mm，启动电动位移平台32将传感器拉伸至60mm，测量对应的静态电压。如图39所示，第一列数据是本发明传感器拉伸至60mm时的静态电压数据，用到的软件是XCOM V2.0，可以看出，最大电压是1880mV，最小电压是1877mV，电压跳动范围是3mV。如图40所示，现有技术的传感器被拉伸至60mm时，相应测量电路输出的静态电压中，电压最大值是2682mV，电压最小值是2673mV，电压跳动范围为9mV；显而易见，本发明传感器的静态电压跳动范围为现有传感器静态电压跳动范围的1/3，本发明传感器的精度和稳定性很高。如图41所示，将本发明传感器从初始状态的55mm拉伸至65mm后，以200Hz的采样频率取500个电压数据，该组数据中，电压最大值是1944mV，电压最小值是1939mV，电压跳动范围是5；如图42所示，将现有技术传感器从初始状态的55mm拉伸至65mm后，以200Hz的采样频率取500个电压数据，该组数据中，电压最大值是2616mV，电压最小值是2604mV，电压跳动范围是12；对比图42和41可知，本发明传感器及测量电路输出的电压波动更小，抗干扰能力更强。如图43所示，将本发明传感器从初始状态的55mm拉伸至75mm后，以200Hz的采样频率取500个电压数据，该组数据中，电压最大值是1777mV，电压最小值是1772mV，电压跳动范围是5；如图44所示，将现有技术传感器从初始状态的55mm拉伸至75mm后，以200Hz的采样频率取500个电压数据，该组数据中，电压最大值是2510mV，电压最小值是2495mV，电压跳动范围是15；对比图43和44可知，本发明传感器及测量电路输出的电压波动更小，抗干扰能力更强。如图45所示，将本发明传感器从初始状态的55mm拉伸至85mm后，以200Hz的采样频率取500个电压数据，该组数据中，电压最大值是1624mV，电压最小值是1619mV，电压跳动范围是5；如图46所示，将现有技术传感器从初始状态的55mm拉伸至75mm后，以200Hz的采样频率取500个电压数据，该组数据中，电压最大值是2386mV，电压最小值是2377mV，电压跳动范围是9；对比图45和46可知，本发明传感器及测量电路输出的电压波动更小，抗干扰能力更强。
以上所述仅对本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。
Claims (8)
1.一种抗干扰介电弹性体传感器，其特征是，包括正电极、第一负电极、第二负电极、第一屏蔽层、第二屏蔽层、第一介电弹性体、第二介电弹性体、第三介电弹性体和第四介电弹性体，所述第二介电弹性体与正电极的上部连接，所述第一负电极与第二介电弹性体连接，所述第三介电弹性体与第一负电极连接，所述第一屏蔽层与第三介电弹性体连接；所述第一介电弹性体与正电极的下部连接，所述第二负电极与第一介电弹性体连接，所述第四介电弹性体与第二负电极连接，所述第二屏蔽层与第四介电弹性体连接。
2.根据权利要求1所述的抗干扰介电弹性体传感器，其特征在于，所述抗干扰介电弹性体传感器还包括第一保护层和第二保护层，所述第一保护层与第一屏蔽层连接，第二保护层与第二屏蔽层连接。
3.一种抗干扰介电弹性体传感器的制备方法，其特征在于，所述抗干扰介电弹性体传感器包括正电极、第一负电极、第二负电极、第一屏蔽层、第二屏蔽层、第一介电弹性体、第二介电弹性体、第三介电弹性体、第四介电弹性体、第一保护层和第二保护层，所述第二介电弹性体与正电极的上部连接，所述第一负电极与第二介电弹性体连接，所述第三介电弹性体与第一负电极连接，所述第一屏蔽层与第三介电弹性体连接；所述第一介电弹性体与正电极的下部连接，所述第二负电极与第一介电弹性体连接，所述第四介电弹性体与第二负电极连接，所述第二屏蔽层与第四介电弹性体连接；所述第一保护层与第一屏蔽层连接，第二保护层与第二屏蔽层连接；
所述制备方法包括以下步骤：
第一步，制作硅胶膜单元：
先向容器中加入液态硅胶A、B各7质量份，再加入异辛烷6质量份；然后将容器放入行星搅拌器内，搅拌脱泡，配置成硅胶液；在洁净间内将离型膜均匀铺平在自动涂布机的涂布板上，将配置好的硅胶液倾倒在离型膜上，启动自动涂布机，自动涂布机的刮刀匀速刮动硅胶液；刮涂完毕后，用钢板托起附着硅胶液的离型膜，放入加热箱加热固化形成硅胶膜；完成固化后将硅胶膜从加热箱内取出并用一张新的离型膜覆盖，然后使用激光切割机将固化的硅胶膜切割成第一硅胶膜单元，第一硅胶膜单元设有第一硅胶膜、第一顶部离型膜和第一底部离型膜；按此方法制作第二硅胶膜单元、第三硅胶膜单元、第四硅胶膜单元、第五硅胶膜单元、第六硅胶膜单元；
第二步，准备正电极模具、第一负电极模具、第二负电极模具、第一屏蔽层模具和第二屏蔽层模具；所述正电极模具为平板结构，正电极模具设有连通在一起的正电极本体成型孔和正电极接线部成型孔，所述正电极接线部成型孔位于正电极本体成型孔的端部的中间位置；第一负电极模具为平板结构，第一负电极模具设有连通在一起的第一负电极本体成型孔和第一负电极接线部成型孔，第一负电极接线部成型孔位于第一负电极本体成型孔端部的右侧；第二负电极模具为平板结构，第二负电极模具设有连通在一起的第二负电极本体成型孔和第二负电极接线部成型孔，第二负电极接线部成型孔位于第二负电极本体成型孔端部的左侧；第一屏蔽层模具为平板结构，第一屏蔽层模具设有连通第一屏蔽层本体成型孔和第一屏蔽层接线部成型孔，第一屏蔽层接线部成型孔位于第一屏蔽层本体成型孔端部的左侧，第二屏蔽层模具为平板结构，第二屏蔽层模具设有连通在一起的第二屏蔽层本体成型孔和第二屏蔽层接线部成型孔，第二屏蔽层接线部成型孔位于第二屏蔽层本体成型孔端部的右侧；
第三步，配置电极溶液，向容器中分别加入碳粉0.6质量份和异丙醇15质量份，超声波震荡；然后向容器中加入液态硅胶A、B各3质量份，加入异辛烷5质量份，最后将容器放入行星搅拌器内，搅拌脱泡得到电极溶液；
第四步，制备传感器：
(1)制作正电极：
将第一硅胶膜单元的第一顶部离型膜撕去，在第一铜箔的一端涂抹硅胶胶水，将第一铜箔上涂抹硅胶胶水的一端粘在第一硅胶膜端部的中间位置；将正电极模具覆盖到第一硅胶膜上，正电极模具与第一硅胶膜对齐，正电极模具压住第一铜箔，第一铜箔的末端位于正电极模具的正电极接线部成型孔的下方；在正电极本体成型孔和正电极接线部成型孔中均匀地涂一层电极溶液；涂好后将正电极模具去掉，将涂好电极溶液的第一硅胶膜放入加热箱加热25～35min，加热温度是65～75℃，加热完成就形成了正电极；
去掉底部离型膜的第二硅胶膜单元设有第二硅胶膜和第二顶部离型膜，将正电极、第一铜箔和第一硅胶膜形成的组件以及去掉底部离型膜的第二硅胶膜单元放入等离子机进行等离子处理，等离子处理完成后将第二硅胶膜和正电极粘贴在一起，第一硅胶膜即第一介电弹性体，第二硅胶膜即第二介电弹性体；
(2)制作第一负电极：
去掉第二顶部离型膜，在第二铜箔的一端涂抹硅胶胶水，将第二铜箔上涂抹硅胶胶水的一端粘在第二硅胶膜端部的右侧位置；将第一负电极模具覆盖到第二硅胶膜上，第一负电极模具与第二硅胶膜对齐，第一负电极模具压住第二铜箔，第二铜箔的末端位于第一负电极模具的第一负电极接线部成型孔的下方；在第一负电极本体成型孔和第一负电极接线部成型孔中均匀涂一层电极溶液；涂好后将第一负电极模具去掉，将正电极、第一硅胶膜、第二硅胶膜、第一铜箔和第二铜箔形成的组件放入加热箱加热25～35min，加热温度是65～75℃，加热完成就形成了第一负电极；
去掉底部离型膜的第三硅胶膜单元设有第三硅胶膜和第三顶部离型膜，将正电极、第一铜箔、第一硅胶膜、第二硅胶膜、第一负电极、第二铜箔和第一铜箔形成的组件以及去掉底部离型膜的第三硅胶膜单元放入等离子机进行等离子处理，等离子处理完成后将第三硅胶膜和第一负电极粘贴在一起，第三硅胶膜即第三介电弹性体11；
(3)制作第二负电极：
去掉第一底部离型膜，将第二铜箔向下折弯，在第二铜箔的自由端涂抹硅胶胶水，将第二铜箔的自由端粘在第一硅胶膜背面的端部；
将第二负电极模具覆盖到第一硅胶膜的背面，第二负电极模具与第一硅胶膜对齐，第二负电极模具压住第二铜箔，第二铜箔上被固定好的自由端位于第二负电极模具的第二负电极接线部成型孔的下方；在第二负电极本体成型孔和第二负电极接线部成型孔中均匀涂一层电极溶液；涂好后将第二负电极模具去掉，将正电极、第一铜箔、第一硅胶膜、第二硅胶膜、第一负电极和第二铜箔形成的组件放入加热箱加热25～35min，加热温度是65～75℃，加热完成就形成了第二负电极；
去掉顶部离型膜的第四硅胶膜单元设有第四硅胶膜和第四底部离型膜；将第一硅胶膜、第二硅胶膜、第三硅胶膜、正电极、第一负电极、第二负电极、第一铜箔、第二铜箔形成的组件以及去掉顶部离型膜的第四硅胶膜单元放入等离子机进行等离子处理，等离子处理完成后将第四硅胶膜和第二负电极粘贴在一起，至此形成第二负电极，第四硅胶膜即第四介电弹性体；
(4)制作第一屏蔽层：
去掉第三硅胶膜单元的第三顶部离型膜，在第三铜箔的一端涂抹硅胶胶水，将第三铜箔上涂抹硅胶胶水的一端粘在第三硅胶膜端部的左侧位置，将第一屏蔽层模具覆盖到第三硅胶膜上，第一屏蔽层模具与第三硅胶膜对齐，第一屏蔽层模具压住第三铜箔，第三铜箔的末端位于第一屏蔽层模具的第一屏蔽层接线部成型孔的下方；在第一屏蔽层本体成型孔和第一屏蔽层接线部成型孔中均匀涂一层电极溶液；涂好后将第一屏蔽层模具去掉，将第一硅胶膜、第二硅胶膜、第三硅胶膜、正电极、第一负电极、第二负电极、第一铜箔、第二铜箔、第四硅胶膜单元和第三铜箔形成的组件放入加热箱加热25～35min，加热温度是65～75℃，加热完成就形成了第一屏蔽层；
去掉底部离型膜的第五硅胶膜单元设有第五硅胶膜和第五顶部离型膜，将正电极、第一铜箔、第一硅胶膜、第二硅胶膜、第一负电极、第二铜箔、第一铜箔、第一屏蔽层、第三铜箔形成的组件以及去掉底部离型膜的第五硅胶膜单元放入等离子机进行等离子处理，等离子处理完成后将第五硅胶膜和第一屏蔽层粘贴在一起，至此形成第五硅胶膜，第五硅胶膜即第一保护层；
(5)制作第二屏蔽层：
去掉第四底部离型膜，将第三铜箔向下折弯，在第三铜箔的自由端涂抹硅胶胶水，将第三铜箔的自由端粘在第四硅胶膜背面的端部；
将第二屏蔽层模具覆盖到第四硅胶膜的背面，第二屏蔽层模具与第四硅胶膜对齐，第二屏蔽层模具压住第三铜箔，第三铜箔上被固定好的自由端位于第二屏蔽层模具的第二屏蔽层接线部成型孔的下方；在第二屏蔽层本体成型孔和第二屏蔽层接线部成型孔中均匀涂一层电极溶液，涂好后将第二屏蔽层模具去掉，将正电极、第一铜箔、第一硅胶膜、第二硅胶膜、第一负电极、第二铜箔、第一铜箔、第一屏蔽层、第三铜箔形成的组件放入加热箱加热25～35min，加热温度是65～75℃，加热完成就形成了第二屏蔽层；
去掉顶部离型膜的第六硅胶膜单元设有第六硅胶膜和第六底部离型膜；将第一硅胶膜、第二硅胶膜、第三硅胶膜、第四硅胶膜、正电极、第一负电极、第二负电极、第一屏蔽层、第二屏蔽层、第一铜箔、第二铜箔、第三铜箔形成的组件以及去掉顶部离型膜的第六硅胶膜单元放入等离子机进行等离子处理，等离子处理完成后将第六硅胶膜和第二屏蔽层粘贴在一起，至此形成第六硅胶膜，第六硅胶膜即第二保护层；
去掉第五顶部离型膜，去掉第六底部离型膜。
4.根据权利要求3所述的抗干扰介电弹性体传感器的制备方法，其特征在于，用药匙向正电极模具的正电极本体成型孔中放入电极溶液，手持光滑金属杆推动电极溶液使电极溶液均匀的涂在正电极本体成型孔和正电极接线部成型孔中；用药匙向第一负电极模具的第一负电极本体成型孔中放入的电极溶液，手持光滑金属杆推动电极溶液使电极溶液均匀的涂在第一负电极本体成型孔和第一负电极接线部成型孔中；用药匙向第二负电极模具的第二负电极本体成型孔中放入的电极溶液，手持光滑金属杆推动电极溶液使电极溶液均匀的涂在第二负电极本体成型孔和第二负电极接线部成型孔中。
5.根据权利要求3或4所述的抗干扰介电弹性体传感器的制备方法，其特征在于，所述正电极、第一负电极、第二负电极、第一屏蔽层和第二屏蔽层的长度、宽度尺寸相同，所述第一硅胶膜、第二硅胶膜、第三硅胶膜、第四硅胶膜、第五硅胶膜、第六硅胶膜的长度、宽度大于正电极的尺寸；用刀片把第一硅胶膜、第二硅胶膜、第三硅胶膜、第四硅胶膜、第五硅胶膜、第六硅胶膜多余的部分切除，使第一硅胶膜、第二硅胶膜、第三硅胶膜、第四硅胶膜、第五硅胶膜、第六硅胶膜的长度、宽度尺寸与正电极的尺寸相同。
6.一种测量电路，其特征是，包括抗干扰介电弹性体传感器、电阻R和运算放大器，所述抗干扰介电弹性体传感器包括正电极、第一负电极、第二负电极、第一屏蔽层、第二屏蔽层、第一介电弹性体、第二介电弹性体、第三介电弹性体和第四介电弹性体，所述第二介电弹性体与正电极的上部连接，所述第一负电极与第二介电弹性体连接，所述第三介电弹性体与第一负电极连接，所述第一屏蔽层与第三介电弹性体连接；所述第一介电弹性体与正电极的下部连接，所述第二负电极与第一介电弹性体连接，所述第四介电弹性体与第二负电极连接，所述第二屏蔽层与第四介电弹性体连接；
所述抗干扰介电弹性体传感器的正电极通过导线与是运算放大器OA的反相输入端连接，第一负电极和第二负电极通过导线连接在一起后再通过一根导电接地，第一屏蔽层和第二屏蔽层通过导线连接在一起后再通过一根导线接地，所述电阻R与运算放大器OA的反相输入端连接，运算放大器OA的正相输入端与运算放大器OA的输出端连接。
7.根据权利要求6所述的测量电路，其特征在于，所述测量电路还包括正弦波发生器，所述正弦波发生器的输出端与电阻R连接。
8.根据权利要求7所述的测量电路，其特征在于，所述正弦波发生器的主控芯片是STM32F103VCT6。
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