CN111579891A - 一种电量识别和刚度筛选的耦合式传感方法及其传感系统 - Google Patents

一种电量识别和刚度筛选的耦合式传感方法及其传感系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电量识别和刚度筛选的耦合式传感方法及其传感系统。本发明利用静电感应与压电驻极体的近场效应，通过单层或双层压电驻极体薄膜分别提高带电量识别灵敏度或刚度判断灵敏度；前端电极为阈值刚度固定的球形拱顶结构，若目标物体的刚度大于前端电极的阈值刚度，则前端电极会发生非线性屈曲，产生高脉冲窄形变电信号；因此无需测量接触力与物体形变，直接实现对物体刚度的筛选；在一种结构上同时实现对目标的带电量测量与阈值刚度的判别；进一步地，通过阵列化排布不同刚度的前端电极，可以实现物体带电量分布识别以及更高精度地判定物体刚度范围；本发明具有高灵敏度、耦合识别、刚度筛选、阵列化、集成度高、体积微小等特点。

Description

一种电量识别和刚度筛选的耦合式传感方法及其传感系统
技术领域
本发明涉及电量识别及刚度筛选传感技术，具体涉及一种电量识别和刚度筛选的耦合式传感系统及其传感方法。
背景技术
机器人智能机械手需要穿戴先进微型传感器才能更好完成精细化作业任务，包括：对物体的识别、抓取等操作。在上述任务中，通常配备触觉传感器以检测物体的温度、形状、表面粗糙度、表面湿度、带电特性以及刚度等。
太空环境中弥漫着大量带有电荷的流星体，其表面电压最高可达几千伏，与装备接触时极易产生放电损害电路设备，因此，在机械手抓取目标前需要提前判断目标物体的带电量以确定是否抓取物体。此外，流星体成分大多为金属、石质矿物和冰晶，刚度差别很大。为了选择合适的抓取目标与抓取力度，在机械手抓取目标时需要筛选目标物体的刚度。因此，在太空探索过程中，需要开发一种具有对物体带电量识别及其刚度筛选能力的耦合式传感方法与传感系统。然而，目前针对物体带电量及其刚度判别多用两种类型传感器同时感测，集成化程度低。
在相关研究中，对物体刚度的测量多采用压电式传感器，利用正压电效应，通过输出电信号计算得到接触时的相互作用力，反推出物体刚度，这需要压电式传感器的灵敏度极高以输出高精度连续信号。但是压电式触觉传感器只能测量物体动态刚度，无法测量静态刚度，而物体与探头之间接触不稳会引发较大误差。目标物体的刚度等于相互作用力除以物体的形变量，但物体的微小形变量难以通过压电传感器测量，需要额外的位移传感器，这为计算刚度带来了极大的不便与困难。对于物体表面带电量的测量多采用静电式传感器，利用静电感应原理测量目标物体带电量。但静电式传感器的带电量识别灵敏度取决于物体的带电量及物体与探测极板间相对运动的速度、距离，因此当物体带电量较小、距离很远时其灵敏度十分微弱。目前，没有发现复合式传感器同时满足对物体这两种特性的感测。
发明内容
针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种电量识别和刚度筛选的耦合式传感方法及其传感系统，实现更高精度地判定物体刚度范围，具有高灵敏度、刚度筛选、耦合传感、阵列化等特点。
本发明的一个目的在于提出一种电量识别和刚度筛选的耦合式传感系统。
本发明采用压电驻极体薄膜，涂覆在后端电极的前表面，或者压电驻极体薄膜分别涂覆在前端电极的后表面以及后端电极的前表面。
压电驻极体薄膜涂覆在后端电极的前表面，本发明的电量识别和刚度筛选的耦合式传感系统包括：耦合识别探头、电压跟随电路、低通滤波电路、运算放大电路、微处理器、电压比较电路和显示装置；耦合识别探头、电压跟随电路、低通滤波电路、运算放大电路、微处理器和显示装置依次连接，微处理器还连接至电压比较电路；其中，耦合识别探头包括前端电极、后端电极、压电驻极体薄膜和电阻；前端电极为向前隆起的球形拱顶结构，具有弹性，受力后会发生形变；后端电极为平板结构；在后端电极的前表面覆有压电驻极体薄膜，压电驻极体薄膜的表面具有极化电荷；前端电极与后端电极之间存在空气间隙；前端电极接地，电阻的一端接地，另一端连接至后端电极的后表面，后电极的后表面连接至电压跟随电路；当耦合识别探头的前端靠近并接触目标带电物体时，电阻两端产生感应电信号，由于压电驻极体近场效应，压电驻极体薄膜表面的极化电荷与目标物体的所带电荷之间形成电偶极子，使目标物体与前端电极之间的电场强度成倍数增加，极大地提高了探测灵敏度；继续按压耦合识别探头，具有弹性的前端电极发生形变，产生形变电信号，与感应电信号耦合；当耦合识别探头接触物体并按压设定位移后，若目标物体的刚度大于前端电极的阈值刚度，前端电极会结构失稳，表现出非线性屈曲特性，反之若目标物体的刚度小于前端电极的阈值刚度，前端电极不表现出非线性屈曲特性；当前端电极发生非线性屈曲时，前端电极在短时间内从原来位置突跳到另一位置，前端电极与后端电极之间的空气间隙在短时间内急剧减小，电阻两端产生一个明显的脉冲型形变电信号，称之为屈曲电信号；感应电信号和形变电信号耦合至电压跟随电路进行阻抗匹配，输入至低通滤波电路和运算放大电路进行滤波和放大，输入至微处理器；微处理器解耦合出感应电信号与形变电信号；对于感应电信号，微处理器通过数值运算识别目标物体的带电量，输出至显示装置显示；对于形变电信号，微处理器通过电压比较器与设置的阈值电压比较峰值大小，判断该形变电信号是否为屈曲电信号，从而判断前端电极是否发生非线性屈曲，进而完成目标物体的刚度筛选。
压电驻极体薄膜分别涂覆在前端电极的后表面以及后端电极的前表面，本发明的电量识别和刚度筛选的耦合式传感系统包括：耦合识别探头、电压跟随电路、低通滤波电路、运算放大电路、微处理器、电压比较电路和显示装置；耦合识别探头、电压跟随电路、低通滤波电路、运算放大电路、微处理器和显示装置依次连接，微处理器还连接至电压比较电路；其中，耦合识别探头包括前端电极、后端电极、压电驻极体薄膜和电阻；前端电极为向前隆起的球形拱顶结构，具有弹性，受力后会发生形变；后端电极为平板结构；在前端电极的后表面以及后端电极的前表面分别涂覆压电驻极体薄膜，前端电极与后端电极的压电驻极体薄膜的表面具有相反的极化电荷；前端电极与后端电极之间存在空气间隙；前端电极接地，电阻的一端接地，另一端连接至后端电极的后表面，后电极的后表面连接至电压跟随电路；当耦合识别探头的前端靠近并接触目标带电物体时，电阻两端产生感应电信号使目标物体与前端电极之间的电场强度成倍数增加；继续按压耦合识别探头，具有弹性的前端电极发生形变，产生形变电信号，与感应电信号耦合；当耦合识别探头接触物体并按压设定位移后，若目标物体的刚度大于前端电极的阈值刚度，前端电极会结构失稳，表现出非线性屈曲特性，反之若目标物体的刚度小于前端电极的阈值刚度，前端电极不表现出非线性屈曲特性；当前端电极发生非线性屈曲时，前端电极在短时间内从原来位置突跳到另一位置，前端电极与后端电极之间的空气间隙在短时间内急剧减小，电阻两端产生一个明显的脉冲型形变电信号，称之为屈曲电信号；由于压电驻极体的近场效应，前端电极与后端电极的压电驻极体薄膜表面的极化电荷之间形成电偶极子，使前端电极与后端电极之间的电场强度增加数倍，极大地提高了屈曲电信号的幅值，进而提高了刚度探测灵敏度；感应电信号和形变电信号耦合至电压跟随电路进行阻抗匹配，输入至低通滤波电路和运算放大电路进行滤波和放大，输入至微处理器；微处理器解耦合出感应电信号与形变电信号；对于感应电信号，微处理器通过数值运算识别目标物体的带电量，输出至显示装置显示；对于形变电信号，微处理器通过电压比较器与设置的阈值电压比较峰值大小，判断该形变电信号是否为屈曲电信号，从而判断前端电极是否发生非线性屈曲，进而完成目标物体的刚度筛选。
前端电极和后端电极采用金属。前端电极为球形拱顶结构(spherical domestructure)或称之为球冠结构，是球体或椭球体的一部分。
压电驻极体薄膜包括压电驻极体基体和其表面的极化电荷；压电驻极体基底采用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯(PP)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)等材料中的一种；表面的极化电荷的极化方式采用射线或电晕极化。
基于驻极体近场效应，目标物体的电量识别灵敏度，不仅取决于物体带电量还取决压电驻极体薄膜本身的性质，如厚度、介电常数、表面电荷量等。
前端电极的刚度随着前端电极的形变先是保持不变，然后在前端电极的刚度迅速降为零时,前端电极的中心点的形变位移被定义为阈值位移，初始的前端电极的刚度为阈值刚度，两者均通过调整球形拱顶结构的结构参数来调节，当球形拱顶结构的曲率半径一定时，减小拱顶高度与增加结构厚度会提升结构的阈值刚度和阈值位移。
耦合识别探头接触物体后按压的设定位移设定为阈值位移的两倍。
电压比较器通过设定的阈值电压与形变电信号的峰值相比较，若形变电信号的峰值大于设定的阈值电压，则表明前端电极发生非线性屈曲，反之，则没有发生非线性屈曲。
进一步，本发明包括多个耦合识别探头排成平面阵列，耦合识别探头的前端电极的前端位于同一平面内；通过调整前端电极的球形拱顶结构的结构参数来调节前端电极的刚度，使得每个前端电极拥有不同的刚度；每一个耦合识别探头分别连接至电压跟随电路的一个通道，电压跟随电路的每一个通道对应于微处理器的一个通道，微处理器的每一个通道与电压比较电路的一个通道相对应，从而每一个耦合识别探头对应电压比较电路的一个通道，针对前端电极的刚度设置一个相应的阈值电压；每一个耦合识别探头的形变信号与相应的阈值电压进行比较，从而判断哪个耦合识别探头的前端电极发生了非线性屈曲，从而得到目标物体刚度的上下限，进而明确目标物体的刚度所在的范围区间。耦合识别探头数目越多，目标物体的刚度的范围越精确。第i耦合识别探头的前端电极的刚度为Si第i耦合识别探头连接至电压跟随电路的第i通道，相应连接至电压比较电路的第i通道，相应的电压比较电路的第i通道的阈值电压为
Figure BDA0002486108780000041
第一至第n耦合识别探头的前端电极的刚度从小至大依次增加，若第i耦合识别探头的形变信号大于相应的阈值电压
Figure BDA0002486108780000042
(第1至第i-1耦合识别探头的形变信号也必然大于相应的阈值电压
Figure BDA0002486108780000043
并且第i+1耦合识别探头的形变信号小于相应的阈值电压
Figure BDA0002486108780000044
(第i+2至第n耦合识别探头的形变信号也必然小于相应的阈值电压
Figure BDA0002486108780000045
则目标物体的刚度位于Si～Si+1的范围区间，n为探头的总个数，i＝1,…,n。反之，第一至第n耦合识别探头的前端电极的刚度从大至小依次减小，若第i耦合识别探头的形变信号小于相应的阈值电压
Figure BDA0002486108780000046
(第1至第i-1耦合识别探头的形变信号也必然小于相应的阈值电压
Figure BDA0002486108780000047
并且第i+1耦合识别探头的形变信号大于相应的阈值电压
Figure BDA0002486108780000048
(第i+2至第n耦合识别探头的形变信号也必然大于相应的阈值电压
Figure BDA0002486108780000049
则目标物体的刚度位于Si+1～Si的范围区间，n为≥2的自然数。
微处理器通过模数转换芯片将电压波形进行量化、编码以及记录电压波形；然后将不同的耦合识别探头的电信号送到微处理器不同的管脚；微处理器接收到各个管脚的电信号后，将从第一个不为0的数据开始记录，直到最后一个不为0的数据，并编号；微处理器接收各个管脚的电压波形后根据第一个电压峰值幅度来计算目标物体的所带电量，然后将第二个电压峰值幅度传递给电压比较电路所对应的通道与各个耦合识别探头的阈值电压比较来判断各个耦合识别探头的前端电极有没有发生非线性屈曲，进而确定目标物体的刚度范围。
本发明的另一个目的在于提出一种电量识别和刚度筛选的耦合式传感系统的传感方法。
本发明的电量识别和刚度筛选的耦合式传感系统的传感方法，压电驻极体薄膜涂覆在后端电极的前表面，包括以下步骤：
1)前端电极与后端电极之间存在空气间隙；前端电极接地，电阻的一端接地，另一端连接至后端电极的后表面，后电极的后表面连接至电压跟随电路；
2)当耦合识别探头的前端靠近并接触目标物体时，电阻两端产生感应电信号；
3)继续按压耦合识别探头，具有弹性的前端电极发生形变，产生形变电信号，与感应电信号耦合；当耦合识别探头接触物体并按压设定位移后，若目标物体的刚度大于前端电极的阈值刚度，前端电极表现出非线性屈曲特性，反之若目标物体的刚度小于前端电极的阈值刚度，前端电极不表现出非线性屈曲特性；当前端电极发生非线性屈曲时，前端电极在短时间内从原来位置突跳到另一位置，前端电极与后端电极之间的空气间隙在短时间内急剧减小，电阻两端会产生一个明显的脉冲型形变电信号，即屈曲电信号；
4)感应电信号和形变电信号耦合至电压跟随电路进行阻抗匹配，输入至低通滤波电路和运算放大电路进行滤波和放大，输入至微处理器；
5)微处理器节解耦合出感应电信号与形变电信号；
6)对于感应电信号，微处理器通过数值运算识别目标物体的带电量，输出至显示装置显示；
7)对于形变电信号，微处理器通过电压比较器与设置的阈值电压比较峰值大小，判断该形变电信号是否为屈曲电信号，从而判断前端电极是否发生非线性屈曲，进而完成目标物体的刚度筛选。
本发明的电量识别和刚度筛选的耦合式传感系统的传感方法，压电驻极体薄膜分别涂覆在前端电极的后表面以及后端电极的前表面，包括以下步骤：
1)前端电极与后端电极之间存在空气间隙；前端电极接地，电阻的一端接地，另一端连接至后端电极的后表面，后电极的后表面连接至电压跟随电路；
2)当耦合识别探头的前端靠近并接触目标带电物体时，电阻两端产生感应电信号使目标物体与前端电极之间的电场强度成倍数增加；
3)继续按压耦合识别探头，具有弹性的前端电极发生形变，产生形变电信号，与感应电信号耦合；当耦合识别探头接触物体并按压设定位移后，若目标物体的刚度大于前端电极的阈值刚度，前端电极会结构失稳，表现出非线性屈曲特性，反之若目标物体的刚度小于前端电极的阈值刚度，前端电极不表现出非线性屈曲特性；当前端电极发生非线性屈曲时，前端电极在短时间内从原来位置突跳到另一位置，前端电极与后端电极之间的空气间隙在短时间内急剧减小，电阻两端产生一个明显的脉冲型形变电信号，称之为屈曲电信号；由于压电驻极体的近场效应，前端电极与后端电极的压电驻极体薄膜表面的极化电荷之间形成电偶极子，使前端电极与后端电极之间的电场强度增加数倍，极大地提高了屈曲电信号的幅值，进而提高了刚度探测灵敏度；
4)感应电信号和形变电信号耦合至电压跟随电路进行阻抗匹配，输入至低通滤波电路和运算放大电路进行滤波和放大，输入至微处理器；
5)微处理器解耦合出感应电信号与形变电信号；
6)对于感应电信号，微处理器通过数值运算识别目标物体的带电量，输出至显示装置显示；
7)对于形变电信号，微处理器通过电压比较器与设置的阈值电压比较峰值大小，判断该形变电信号是否为屈曲电信号，从而判断前端电极是否发生非线性屈曲，进而完成目标物体的刚度筛选。
其中，在步骤2)中，若压电驻极体薄膜只涂覆在后端电极的前表面，由于压电驻极体近场效应，压电驻极体薄膜表面的极化电荷与目标物体的所带电荷之间形成电偶极子，使目标物体与前端电极之间的电场强度成倍数增加，极大地提高了探测灵敏度；若在前端电极的后表面以及后端电极的前表面分别涂覆压电驻极体薄膜，前端电极与后端电极的压电驻极体薄膜的表面具有相反的极化电荷，由于压电驻极体的近场效应，前端电极与后端电极的压电驻极体薄膜表面的极化电荷之间形成电偶极子，使前端电极与后端电极之间的电场强度增加数倍，极大地提高了屈曲电信号的幅值，进而提高了刚度探测灵敏度。
其中，在步骤7)中，微处理器通过模数转换芯片将电压波形进行量化、编码以及记录电压波形；微处理器接收的电压波形后根据第一个电压峰值幅度来计算目标物体所带电量，然后将第二个电压峰值幅度传递给电压比较电路与阈值电压比较来判断耦合识别探头的前端电压有没有发生非线性屈曲，进而判断目标物体刚度阈值。
进一步，还包括多个耦合识别探头排成平面阵列，耦合识别探头的前端电极的前端位于同一平面内；通过调整前端电极的球形拱顶结构的结构参数来调节前端电极的阈值刚度和阈值位移，使得每个前端电极拥有不同的刚度；每一个耦合识别探头分别连接至电压跟随电路的一个通道，微处理器的每一个通道与电压比较电路的一个通道相对应，从而每一个耦合识别探头对应电压比较电路的一个通道，针对前端电极的刚度设置一个相应的阈值电压；每一个耦合识别探头的形变信号与相应的阈值电压进行比较，从而判断哪个耦合识别探头的前端电极发生了非线性屈曲，从而得到目标物体刚度的上下限，进而明确目标物体的刚度所在的范围区间。
微处理器通过模数转换芯片将电压波形进行量化、编码以及记录电压波形；然后将不同的耦合识别探头产生的电压送到微处理器不同的通道；微处理器接收到各个通道的电压后，将从第一个不为0的数据开始记录，直到最后一个不为0的数据，并编号；微处理器接收各个通道的电压波形后根据第一个电压峰值幅度来计算目标物体所带电量，根据位于不同位置的多个探头识别出的电荷量得到物体表面的电荷分布，将电荷相加即得到物体的总电荷量。然后将第二个电压峰值幅度传递给电压比较电路与各个耦合识别探头的阈值电压比较来判断各个耦合识别探头的前端电压有没有发生非线性屈曲，进而判断目标物体刚度阈值，最后确定物体刚度范围。
本发明的优点：
本发明通过单层压电驻极体薄膜的极化电荷与目标物体所带电荷之间形成电偶极子，增强物体与感应电极之间的电场强度，提高带电量识别灵敏度，或者双层压电驻极体薄膜的相反极化电荷之间形成电偶极子，增强前端电极与后端电极之间的电场强度，提高刚度筛选灵敏度；前端电极为球形拱顶结构，以前端电极的刚度所对应的电压设为阈值电压；通过设定前端电极接触目标物体后的按压位移，若目标物体的刚度大于前端电极的阈值刚度，则前端电极会发生非线性屈曲，形变电信号大于阈值电压，反之，形变电信号小于阈值电压；因此无需测量接触力与物体形变，直接实现对物体刚度的筛选；通过运用压电驻极体的近场效应以及弹性结构非线性力学效应导致输出电压响应信号的差异，在一种结构上同时实现对目标的带电量测量与阈值刚度的判别，并能够通过改变球形拱顶结构的参数设定不同的前端电极刚度，具有筛选不同刚度物体的能力；进一步地，通过阵列化排布不同刚度的前端电极，可以实现更高精度地判定物体刚度范围；本发明具有高灵敏度、耦合识别、刚度筛选、阵列化、集成度高、体积微小等特点。
附图说明
图1为本发明的电量识别和刚度筛选的耦合式传感系统的结构框图；
图2为本发明的电量识别和刚度筛选的耦合式传感系统的一个实施例的耦合识别探头的示意图，其中，(a)为单层压电驻极体薄膜紧贴在后端电极的前表面的探头示意图，(b)双层压电驻极体薄膜分别紧贴于前端电极的后表面和后端电极的前表面的探头示意图；
图3为本发明的具有单层压电驻极体薄膜的电量识别和刚度筛选的耦合式传感系统的耦合识别探头的等效电路图，其中，(a)为接触目标物体前的等效电路图，(b)为接触目标物体时的等效电路图；
图4为本发明的具有双层压电驻极体薄膜的电量识别和刚度筛选的耦合式传感系统的耦合识别探头的等效电路图，其中，(a)为接触目标物体前的等效电路图，(b)为接触目标物体时的等效电路图；
图5为本发明的电量识别和刚度筛选的耦合式传感系统的一个实施例在整个识别过程中的输出电压波形图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，本实施例的本发明的电量识别和刚度筛选的耦合式传感系统包括：耦合识别探头、电压跟随电路、低通滤波电路、运算放大电路、微处理器、电压比较电路和显示装置；耦合识别探头、电压跟随电路、低通滤波电路、运算放大电路、微处理器和显示装置依次连接，微处理器还连接至电压比较电路。
如图2(a)所示，耦合识别探头包括前端电极1、后端电极2、压电驻极体薄膜3和电阻R；前端电极为向前隆起的球形拱顶结构，具有弹性，受力后会发生形变；后端电极为平板结构，在后端电极的前表面覆有压电驻极体薄膜，压电驻极体薄膜的表面具有极化电荷；前端电极与后端电极之间存在空气间隙；前端电极的一端接地，另一端连接至电压跟随电路；电阻的一端接地，另一端连接至后端电极的后表面，后电极的后表面连接至电压跟随电路。
如图2(b)所示，耦合识别探头包括前端电极1、后端电极2、压电驻极体薄膜3和电阻R；前端电极为向前隆起的球形拱顶结构，具有弹性，受力后会发生形变；后端电极为平板结构，前端电极的后表面和后端电极的前表面均覆有一层压电驻极体薄膜，两层压电驻极体薄膜的表面具有相反的极化电荷；前端电极与后端电极之间存在空气间隙；前端电极的一端接地，另一端连接至电压跟随电路；电阻的一端接地，另一端连接至后端电极的后表面，后电极的后表面连接至电压跟随电路。
在本实施例中，微控制器采用单片机；低通滤波电路采用巴特沃斯一阶低通滤波电路；显示装置采用LED屏幕；压电驻极体薄膜可以使用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。
如图3所示，当耦合识别探头按设定的速度与位移接近带电的目标物体0时，由于静电感应，前端电极与后端电极均产生感应电荷。当探头靠近带电目标中，电极电荷流动，在外结电阻两端形成感应电压。注意，后端电极表面覆有一层压电驻极体。此时压电驻极体表面电荷与目标带电体所带电荷之间形成电偶极子。由于电偶极子的形成，带电物体与后端电极之间的电场强度相比无压电驻极体贴覆的情况下要增加数倍，极大地提高了电荷量探测灵敏度。在无压电驻极体时，探测灵敏度取决于物体的带电量和物体与耦合识别探头之间的距离。此时，灵敏度还取决与压电驻极体本身性质如厚度、介电常数、表面电荷量等，厚度和介电常数决定压电驻极体本身电容。
设定后端电极的感应电荷、压电驻极体薄膜和目标物体的带电量分别为Qi(t)、Qe和Q0，前端电极与后端电极之间的空气电容、前端电极与目标物体的表面之间以及空气电容与压电驻极体电容为别为C2(t)、C1(t)和Ce。那么根据平行板电容器理论和基尔霍夫定理，外接的电阻为R两端感应电压Vi(t)与目标物体的带电量Q0满足下面方程组：
Figure BDA0002486108780000091
Figure BDA0002486108780000092
可以注意到，当耦合识别探头的结构和电学参数确定并以设定的速度向目标靠近时，电压波形的幅值仅取决于目标物体的带电量Q0的大小。Q0越大，Vi(t)的幅值越高。因此只需要判断实际采集的感应电压的峰值大小，将其带入公式中，就能够反解出目标物体的带电量。此步骤在微处理器中完成。
当耦合识别探头的前端电极接触到目标物体时，静电感应信号达到峰值，并以此为判据，耦合识别探头开始进行物体刚度测量。当前端电极的具有弹性的球形拱顶结构受到力的作用时，会产生形变。随着耦合识别探头位移的增加，球形拱顶结构的中心点的形变位移增加，结构挠度增大，但刚度基本保持不变，此时的刚度为阈值刚度。当中心点的形变位移达到临界值(即阈值位移)时，刚度会快速降为零，此时球形拱顶结构表现出非线性失稳。对于球形拱顶结构，失稳时，会发生位移突变现象，表现为在短时间内从某一位置突跳到另一位置，即非线性屈曲。这会造成前后两端电极之间空气间隙在短时间内急剧减小，在电阻两端形成一个明显的电压脉冲。设定后端电极的形变电荷为Qd(t)，此时，电阻为R两端形变电压Vd(t)满足下面方程组：
Figure BDA0002486108780000093
Figure BDA0002486108780000094
前端电极的刚度通过实验获得，并且通过改变结构参数调节。
根据公式(3)和公式(4)，按照设定的速度按压目标物体(<1cm/s)，这样接触物体后的按压位移以及C1(t)的变化规律已知，且按压时前端电极的刚度可近似不变。计算出前端电极未发生非线性屈曲时的理论的形变电压最大值，并将该形变电压最大值设定为阈值电压，以此判断前端电极是否发生非线性屈曲。当耦合识别探头的前端电极接触带电的目标物体后根据设定位移(两倍阈值位移)继续按压物体，若耦合识别探头输出的电压峰值未超过阈值电压，表明前端电极未发生非线性屈曲，说明目标物体的刚度小于前端电极的阈值刚度。反之，若电压波形有明显的脉冲，幅值超过阈值电压，表明非线性屈曲发生，说明目标物体的刚度大于前端电极的阈值刚度。
通过压痕器测得前端电极的刚度随前端电极中心点的形变位移增加的变化曲线，根据变化曲线得到前端电极的阈值刚度。
如图4所示，压电驻极体薄膜同时存在于前端电极的后表面和后端电极的前表面，两层压电驻极体薄膜表面的相反极化电荷之间形成电偶极子，由于电偶极子的形成，前端电极与后端电极之间的电场强度相比无压电驻极体贴覆的情况下要增加数倍。此时，灵敏度取决于物体的带电量和物体与耦合识别探头之间的距离的同时，还取决与压电驻极体本身性质如厚度、介电常数等，但与驻极体表面电荷量无关，厚度和介电常数决定压电驻极体本身电容。
设定后端电极的感应电荷、上层压电驻极体薄膜、下层压电驻极体薄膜和目标物体的带电量分别为Qi(t)、Qe、-Qe和Q0，前端电极与后端电极之间的空气电容、前端电极与目标物体的表面之间以及空气电容与压电驻极体电容为别为C2(t)、C1(t)和Ce。那么根据平行板电容器理论和基尔霍夫定理，外接的电阻为R两端感应电压Vi(t)与目标物体的带电量Q0变成下面方程组：
Figure BDA0002486108780000101
Figure BDA0002486108780000102
由于前端电极与后端电极之间的电场强度增强数倍，因此当前端电极的具有弹性的球形拱顶结构与物体接触，受到力的作用产生形变时，产生的屈曲电信号也会增加数倍，极大地提高了刚度识别灵敏度。设定后端电极的形变电荷为Qd(t)，此时，电阻为R两端形变电压Vd(t)变成下面方程组：
Figure BDA0002486108780000111
Figure BDA0002486108780000112
图5是整个耦合识别过程中感应电信号与形变电信号复合而成的耦合电信号。可以看出，正向电压波形有两个峰值。虽然是耦合信号，但是根据公式(1)～(8)，以及耦合识别过程中两种电信号峰值出现的时刻，能够分析出第一个峰值是前端电极接触到带电的目标物体时，静电感应信号达到峰值；第二个峰值是形变电压峰值，其值超过了阈值电压，说明前端电极发生非线性屈曲。
不同刚度的耦合识别探头组成探头阵列，并以此确定不同耦合识别探头的阈值电压。当该阵列按压目标物体后，所有耦合识别探头均会产生电信号。该信号通过阻抗匹配、滤波和放大后进入模数转换芯片，模数转换芯片将感应电压波形进行量化、编码后将不同的探头产生的电信号送到微处理器不同的管脚。微控制器接收到各个管脚电压后，将从第一个不为0的数据开始记录，直到最后一个不为0的数据，并按照管脚顺序排列编号。为了解耦合，微处理器根据两个电信号峰值产生的时间差，分辨出的第一个电压峰值为感应信号峰值，并根据公式(1)和公式(2)来计算物体所带电量。然后微处理器将第二个电压峰值作为为屈曲信号峰值传输给电压比较电路。电压比较电路将该电压峰值与该探头阈值电压比较，若电压峰值幅度大于阈值电压则返回高电平(1)，若电压峰值幅度小于阈值电压则返回低电平(0)。经上述过程后，微处理将每个探头的耦合电信号处理为一个电荷量和一个电平。根据各个探头所反馈的电荷量可以推导出物体总带电量以及电荷在物体表面上的分布；根据所有高电平探头，选择其中最大刚度数值确定物体的刚度下限，根据所有低电平探头，选择其中最小刚度数值确定物体刚度上限。
以具体实例为例，对于已知的物体刚度为5.5N/m。设耦合探头阵列有3×3个呈正方形排列的耦合探头，其刚度分别为1N/m、2N/m、3N/m、4N/m、5N/m、6N/m、7N/m、8N/m和9N/m。当耦合探头阵列对物体进行识别数据经过处理后，每个探头测得电荷量为0.21μC、0.22μC、0.21μC、0.22μC、0.25μC、0.20μC、0.21μC、0.23μC和0.22μC，每个探头的电平为1N/m(1)、2N/m(1)、3N/m(1)、4N/m(1)、5N/m(1)、6N/m(0)、7N/m(0)、8N/m(0)和9N/m(0)。由数据可得物体的总带电量为1.96μC以及电荷在中间区域积聚较多。在所有高电平探头中，最大刚度为5N/m，在所有低电平探头中，最小刚度为6N/m。因此确定物体刚度范围为5～6N/m。显然耦合探头数目越多，刚度划分越密，确定物体刚度的范围就越精确。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种电量识别和刚度筛选的耦合式传感系统的传感方法，压电驻极体薄膜涂覆在后端电极的前表面，其特征在于，所述传感方法包括以下步骤：
1)前端电极与后端电极之间存在空气间隙；前端电极接地，电阻的一端接地，另一端连接至后端电极的后表面，后电极的后表面连接至电压跟随电路；
2)当耦合识别探头的前端靠近并接触目标物体时，电阻两端产生感应电信号；
3)继续按压耦合识别探头，具有弹性的前端电极发生形变，产生形变电信号，与感应电信号耦合；当耦合识别探头接触物体并按压设定位移后，若目标物体的刚度大于前端电极的阈值刚度，前端电极表现出非线性屈曲特性，反之若目标物体的刚度小于前端电极的阈值刚度，前端电极不表现出非线性屈曲特性；当前端电极发生非线性屈曲时，前端电极在短时间内从原来位置突跳到另一位置，前端电极与后端电极之间的空气间隙在短时间内急剧减小，电阻两端会产生一个明显的脉冲型形变电信号，即屈曲电信号；
4)感应电信号和形变电信号耦合至电压跟随电路进行阻抗匹配，输入至低通滤波电路和运算放大电路进行滤波和放大，输入至微处理器；
5)微处理器节解耦合出感应电信号与形变电信号；
6)对于感应电信号，微处理器通过数值运算识别目标物体的带电量，输出至显示装置显示；
7)对于形变电信号，微处理器通过电压比较器与设置的阈值电压比较峰值大小，判断该形变电信号是否为屈曲电信号，从而判断前端电极是否发生非线性屈曲，进而完成目标物体的刚度筛选。
2.一种电量识别和刚度筛选的耦合式传感系统的传感方法，压电驻极体薄膜分别涂覆在前端电极的后表面以及后端电极的前表面，其特征在于，所述传感方法包括以下步骤：
1)前端电极与后端电极之间存在空气间隙；前端电极接地，电阻的一端接地，另一端连接至后端电极的后表面，后电极的后表面连接至电压跟随电路；
2)当耦合识别探头的前端靠近并接触目标带电物体时，电阻两端产生感应电信号使目标物体与前端电极之间的电场强度成倍数增加；
3)继续按压耦合识别探头，具有弹性的前端电极发生形变，产生形变电信号，与感应电信号耦合；当耦合识别探头接触物体并按压设定位移后，若目标物体的刚度大于前端电极的阈值刚度，前端电极会结构失稳，表现出非线性屈曲特性，反之若目标物体的刚度小于前端电极的阈值刚度，前端电极不表现出非线性屈曲特性；当前端电极发生非线性屈曲时，前端电极在短时间内从原来位置突跳到另一位置，前端电极与后端电极之间的空气间隙在短时间内急剧减小，电阻两端产生一个明显的脉冲型形变电信号，称之为屈曲电信号；由于压电驻极体的近场效应，前端电极与后端电极的压电驻极体薄膜表面的极化电荷之间形成电偶极子，使前端电极与后端电极之间的电场强度增加数倍，极大地提高了屈曲电信号的幅值，进而提高了刚度探测灵敏度；
4)感应电信号和形变电信号耦合至电压跟随电路进行阻抗匹配，输入至低通滤波电路和运算放大电路进行滤波和放大，输入至微处理器；
5)微处理器解耦合出感应电信号与形变电信号；
6)对于感应电信号，微处理器通过数值运算识别目标物体的带电量，输出至显示装置显示；
7)对于形变电信号，微处理器通过电压比较器与设置的阈值电压比较峰值大小，判断该形变电信号是否为屈曲电信号，从而判断前端电极是否发生非线性屈曲，进而完成目标物体的刚度筛选。
3.如权利要求1或2所述的传感方法，其特征在于，在步骤7)中，微处理器通过模数转换芯片将电压波形进行量化、编码以及记录电压波形；微处理器接收的电压波形后根据第一个电压峰值幅度来计算目标物体所带电量，然后将第二个电压峰值幅度传递给电压比较电路与阈值电压比较来判断耦合识别探头的前端电压有没有发生非线性屈曲，进而判断目标物体刚度阈值。
4.如权利要求1或2所述的传感方法，其特征在于，还包括多个耦合识别探头排成平面阵列，耦合识别探头的前端电极的前端位于同一平面内；通过调整前端电极的球形拱顶结构的结构参数来调节前端电极的刚度，使得每个前端电极拥有不同的刚度；每一个耦合识别探头分别连接至电压跟随电路的一个通道，微处理器的每一个通道与电压比较电路的一个通道相对应，从而每一个耦合识别探头对应电压比较电路的一个通道，针对前端电极的刚度设置一个相应的阈值电压；每一个耦合识别探头的形变信号与相应的阈值电压进行比较，从而判断哪个耦合识别探头的前端电极发生了非线性屈曲，从而得到目标物体刚度的上下限，进而明确目标物体的刚度所在的范围区间。
5.如权利要求4所述的传感方法，其特征在于，根据位于不同位置的多个探头识别出的电荷量得到物体表面的电荷分布，将电荷相加即得到物体的总电荷量。
6.如权利要求1所述的传感方法，其特征在于，电阻R两端的形变电压Vd(t)满足下面方程组：
Figure FDA0002486108770000031
Figure FDA0002486108770000032
按照设定的速度按压目标物体，这样C1(t)的变化规律已知，计算出前端电极未发生非线性屈曲时的理论的形变电压最大值，并将该形变电压最大值设定为阈值电压，以此判断前端电极是否发生非线性屈曲，其中，Qd(t)为后端电极的形变电荷，Qe为压电驻极体薄膜的带电量，C1(t)和Ce分别为前端电极与目标物体的表面之间以及空气电容与压电驻极体电容。
7.一种电量识别和刚度筛选的耦合式传感系统，其特征在于，压电驻极体薄膜涂覆在后端电极的前表面，所述耦合式传感系统包括：耦合识别探头、电压跟随电路、低通滤波电路、运算放大电路、微处理器、电压比较电路和显示装置；耦合识别探头、电压跟随电路、低通滤波电路、运算放大电路、微处理器和显示装置依次连接，微处理器还连接至电压比较电路；其中，耦合识别探头包括前端电极、后端电极、压电驻极体薄膜和电阻；前端电极为向前隆起的球形拱顶结构，具有弹性，受力后会发生形变；后端电极为平板结构；在后端电极的前表面覆有压电驻极体薄膜，压电驻极体薄膜的表面具有极化电荷；前端电极与后端电极之间存在空气间隙；前端电极接地，电阻的一端接地，另一端连接至后端电极的后表面，后电极的后表面连接至电压跟随电路；当耦合识别探头的前端靠近并接触目标带电物体时，电阻两端产生感应电信号，由于压电驻极体近场效应，压电驻极体薄膜表面的极化电荷与目标物体的所带电荷之间形成电偶极子，使目标物体与前端电极之间的电场强度成倍数增加，极大地提高了探测灵敏度；继续按压耦合识别探头，具有弹性的前端电极发生形变，产生形变电信号，与感应电信号耦合；当耦合识别探头接触物体并按压设定位移后，若目标物体的刚度大于前端电极的阈值刚度，前端电极会结构失稳，表现出非线性屈曲特性，反之若目标物体的刚度小于前端电极的阈值刚度，前端电极不表现出非线性屈曲特性；当前端电极发生非线性屈曲时，前端电极在短时间内从原来位置突跳到另一位置，前端电极与后端电极之间的空气间隙在短时间内急剧减小，电阻两端产生一个明显的脉冲型形变电信号，称之为屈曲电信号；感应电信号和形变电信号耦合至电压跟随电路进行阻抗匹配，输入至低通滤波电路和运算放大电路进行滤波和放大，输入至微处理器；微处理器解耦合出感应电信号与形变电信号；对于感应电信号，微处理器通过数值运算识别目标物体的带电量，输出至显示装置显示；对于形变电信号，微处理器通过电压比较器与设置的阈值电压比较峰值大小，判断该形变电信号是否为屈曲电信号，从而判断前端电极是否发生非线性屈曲，进而完成目标物体的刚度筛选。
8.一种电量识别和刚度筛选的耦合式传感系统，其特征在于，压电驻极体薄膜分别涂覆在前端电极的后表面以及后端电极的前表面，所述耦合式传感系统包括：耦合识别探头、电压跟随电路、低通滤波电路、运算放大电路、微处理器、电压比较电路和显示装置；耦合识别探头、电压跟随电路、低通滤波电路、运算放大电路、微处理器和显示装置依次连接，微处理器还连接至电压比较电路；其中，耦合识别探头包括前端电极、后端电极、压电驻极体薄膜和电阻；前端电极为向前隆起的球形拱顶结构，具有弹性，受力后会发生形变；后端电极为平板结构；在前端电极的后表面以及后端电极的前表面分别涂覆压电驻极体薄膜，前端电极与后端电极的压电驻极体薄膜的表面具有相反的极化电荷；前端电极与后端电极之间存在空气间隙；前端电极接地，电阻的一端接地，另一端连接至后端电极的后表面，后电极的后表面连接至电压跟随电路；当耦合识别探头的前端靠近并接触目标带电物体时，电阻两端产生感应电信号使目标物体与前端电极之间的电场强度成倍数增加；继续按压耦合识别探头，具有弹性的前端电极发生形变，产生形变电信号，与感应电信号耦合；当耦合识别探头接触物体并按压设定位移后，若目标物体的刚度大于前端电极的阈值刚度，前端电极会结构失稳，表现出非线性屈曲特性，反之若目标物体的刚度小于前端电极的阈值刚度，前端电极不表现出非线性屈曲特性；当前端电极发生非线性屈曲时，前端电极在短时间内从原来位置突跳到另一位置，前端电极与后端电极之间的空气间隙在短时间内急剧减小，电阻两端产生一个明显的脉冲型形变电信号，称之为屈曲电信号；由于压电驻极体的近场效应，前端电极与后端电极的压电驻极体薄膜表面的极化电荷之间形成电偶极子，使前端电极与后端电极之间的电场强度增加数倍，极大地提高了屈曲电信号的幅值，进而提高了刚度探测灵敏度；感应电信号和形变电信号耦合至电压跟随电路进行阻抗匹配，输入至低通滤波电路和运算放大电路进行滤波和放大，输入至微处理器；微处理器解耦合出感应电信号与形变电信号；对于感应电信号，微处理器通过数值运算识别目标物体的带电量，输出至显示装置显示；对于形变电信号，微处理器通过电压比较器与设置的阈值电压比较峰值大小，判断该形变电信号是否为屈曲电信号，从而判断前端电极是否发生非线性屈曲，进而完成目标物体的刚度筛选。
9.如权利要求7或8所述的耦合式传感系统，其特征在于，所述压电驻极体薄膜包括压电驻极体基体和其表面的极化电荷；压电驻极体基底采用特氟龙、派瑞林的聚合物、二氧化硅以及氮化硅的无机压电驻极体材料中的一种；表面的极化电荷的极化方式采用射线或电晕极化。
10.如权利要求7或8所述的耦合式传感系统，其特征在于，包括多个耦合识别探头排成平面阵列，耦合识别探头的前端电极的前端位于同一平面内；通过调整前端电极的球形拱顶结构的结构参数来调节前端电极的刚度，使得每个前端电极拥有不同的刚度；每一个耦合识别探头分别连接至电压跟随电路的一个通道，电压跟随电路的每一个通道对应于微处理器的一个通道，微处理器的每一个通道与电压比较电路的一个通道相对应，从而每一个耦合识别探头对应电压比较电路的一个通道，针对前端电极的刚度设置一个相应的阈值电压；每一个耦合识别探头的形变信号与相应的阈值电压进行比较，从而判断哪个耦合识别探头的前端电极发生了非线性屈曲，从而得到目标物体刚度的上下限，进而明确目标物体的刚度所在的范围区间。
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