CN112129431A - 基于腕部的pvdf传感器阵列结构及其性能测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于腕部的PVDF传感器单元阵列装置及其性能测试装置,包括一个三圆相切的4*2的方形传感器阵列,一个密封在传感器阵列外层起到防水、防尘等保护作用的硅胶薄膜,采用PVDF材料的传感器单元,每个PVDF传感器单元由圆柱形按钮、PVDF薄膜、硅胶背衬、粘结层和信号预处理电路板等组成。本发明中所述传感器阵列同不相切的传感器阵列相比,具有在结构上长度短,分辨率提高近一倍等优点,适用于腕背侧运动信号检测。通过测试装置所获得的传感器单元,其灵敏度曲线平坦均匀,灵敏度在整个接收曲线范围内都是线性均匀的,本发明具有快速、准确、简易等特点。

Description

基于腕部的PVDF传感器阵列结构及其性能测试装置
技术领域
本发明涉及传感器设计技术领域,尤其涉及一种基于腕部的PVDF传感器阵列结构及其性能测试装置。
背景技术
近年来,可穿戴式设备的研究发展迅速,其人机交互的重要主题便是手势识别,而手势识别主要基于视觉传感器和运动传感器,虽然这两种方法是目前手势识别领域的研究热点,但是它们距离广泛应用仍然存在着各种各样的应用局限性。首先,对于基于视觉传感器的手指动作识别方法来说,虽然诸如使用Kinect传感器来获取的深度数据实现手势识别等方法已经取得了一定的成果,然而它们普遍高度依赖于光线和背景等外部环境,存在对周围环境要求高、算法复杂度较高以及成本较高等缺点,限制了其在移动应用中的潜在用途。此外,用户被限制在其与成像设备之间没有遮蔽物的范围内,使得其应用场景存在局限性。其次,对于基于运动传感器的手指动作识别方法来说,其长久以来一直被广泛研究,例如数据手套等。尽管数据手套的使用可以轻松收集手指动作时候的相关数据,但是这些设备不仅不方便携带,并且会在使用的过程中完全占用用户的手部。此外,目前应用于手指动作识别的另一种热门传感器技术是表面肌电(surface electromyography, sEMG)传感器,该方法通过表面肌电传感器记录肌肉运动时候皮肤表面的生物电变化信号可以实现手势识别,但是该方法对于佩戴的方式、位置等具有诸多要求,使得用户的体验感较差。综上所述,尽管现有的手指动作识别方法已经取得了一定的研究成果,但仍存在诸如佩戴要求过多、应用场景受限、占用手部操作等局限性。
为了进一步解放用户的手部操作,研究人员提出是否可以通过检测腕部运动来识别手指动作。虽然研究表明腕内侧的动作检测比较灵敏,但该位置往往是腕表的连接扣,不方便集成。所以我们更希望在腕表的表盘位置能够进行手指动作的检测,而且这样也符合人的佩戴习惯和审美观念。相较于腕内侧,腕部背侧肌肉、肌腱的运动比较微弱,因而我们希望在腕背侧的传感器具有更优异的性能。进而提出了一种基于腕部的PVDF传感器单元阵列装置。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷,提供一种基于腕部的PVDF传感器阵列结构及其性能测试装置。
本发明是通过以下技术方案实现的:
一种基于腕部的PVDF传感器阵列,包括有多个PVDF传感器单元,所述的多个PVDF传感器单元以三圆相切的形式构成2排多列的菱形阵列结构,在所述的菱形阵列结构外层密封一层硅胶薄膜,通过菱形阵列结构与手腕直接接触来采集动作信号。
所述的多个PVDF传感器单元的数量为8个,多个PVDF传感器单元以三圆相切的形式构成2排4列菱形阵列结构。
所述的PVDF传感器单元包括有圆柱形按钮、PVDF薄膜、硅胶背衬、粘结层、电极和信号预处理电路板,所述的圆柱形按钮通过粘结层粘结在PVDF薄膜上方,硅胶背衬置于PVDF薄膜下方,PVDF薄膜一端设有折叠边,折叠边通过硅胶背衬的侧面后折到硅胶背衬的下面,所述的电极的一极和PVDF薄膜折叠边连接,电极另一极通过铜箔与PVDF薄膜折叠边的尾部直边连接,所述的信号预处理电路板置于电极两极下方,所述的硅胶薄膜紧贴八个PVDF传感器单元的圆柱形按钮顶端。
利用PVDF薄膜的压电效应,当使用者手部运动时,腕部肌肉会相应的收缩和舒张,从而与腕部肌肉接触的PVDF传感器单元会产生压力变化,PVDF传感器单元将不同的压力变化转化为相应的电信号,利用电信号进行手势识别。
所述硅胶背衬的材料为方形、平面的硅橡胶。
所述的硅胶背衬的厚度和硬度是通过PVDF传感器阵列的性能测试装置确定的。
一种PVDF传感器阵列的性能测试装置,包括有矩形波发生器、继电器、电磁致伸缩器、测试探针、可编程直流数字电源、升降台、放大电路、示波器和电子秤,矩形波发生器、继电器和电磁致伸缩器依次电连接,可编程直流数字电源与继电器连接,测试探针安装在电磁致伸缩器下面,所述的电子秤放在升降台上,电子秤位于测试探针的正下方;
首先通过升降台将电子秤与测试探针相接触,使电子秤的显示读数为零,在电磁致伸缩器两端加载激励电压,激励电压的测试范围为0.1~2v,且每次以0.1v 为步长来对电子秤进行读数,进而获得激励电压和电子秤读数的关系曲线;
再将电子秤替换为PVDF传感器单元,并将PVDF传感器单元的信号预处理电路板的输出端依次与放大电路和示波器连接,测量每一次激励电压输入相对应的示波器所测PVDF传感器单元电压,其中激励电压的测试范围为0.1~2v,步长为0.1v,保持PVDF传感器单元的结构不变,改变由不同厚度及硬度的硅胶背衬,获得背衬参数(厚度、硬度)-激励电压和传感器单元电压关系曲线,根据所获曲线的斜率来选取硅胶背衬的厚度和硬度。
通过判断所测试的各种不同背衬参数的灵敏度曲线斜率,范围在30°~45°的背衬材料为理想背衬材料,根据这一准则,可以得到典型的背衬最优厚度为0.5~2mm,最优硬度为邵氏硬度23~53。
本发明的优点是:本发明中所述传感器阵列同不相切的传感器阵列相比,具有在结构上长度短,分辨率提高近一倍等优点,适用于腕背侧运动信号检测。通过测试装置所获得的传感器单元,其灵敏度曲线平坦均匀,灵敏度在整个接收曲线范围内都是线性均匀的,本发明具有快速、准确、简易等特点。
附图说明
图 1 是本发明中的PVDF传感器单元结构示意图;
图 2 是本发明中的传感器阵列结构示意图;
图 3 是本发明中的测试装置原理流程图;
图 4 是本发明中的PVDF传感器单元进行测试的原理流程图。
具体实施方式
如图2所示,一种基于腕部的PVDF传感器阵列,包括有多个PVDF传感器单元7,所述的多个PVDF传感器单元7以三圆相切的形式构成2排多列菱形阵列结构,实施例中,所述的多个PVDF传感器单元的数量为8个,多个PVDF传感器单元以三圆相切的形式构成2排4列菱形阵列结构,在所述的菱形阵列结构外层密封一层硅胶薄膜,通过菱形阵列结构与手腕直接接触来采集动作信号。所述传感器阵列外层覆的硅胶薄膜用以起防尘和防水等保护作用。
如图1所示,所述的PVDF传感器单元包括有圆柱形按钮1、PVDF薄膜2、硅胶背衬3、粘结层4、电极5和信号预处理电路板6,所述的圆柱形按钮1通过粘结层4粘结在PVDF薄膜2上方,硅胶背衬3置于PVDF薄膜2下方,PVDF薄膜2一端设有折叠边,折叠边通过硅胶背衬3的侧面后折到硅胶背衬的下面,所述的电极5的一极和PVDF薄膜折叠边连接,电极5另一极通过铜箔与PVDF薄膜折叠边的尾部直边连接,所述的信号预处理电路板6置于电极两极下方,所述的硅胶薄膜2紧贴八个PVDF传感器单元7的圆柱形按钮1顶端。
利用PVDF薄膜2的压电效应,当使用者手部运动时,腕部肌肉会相应的收缩和舒张,从而与腕部肌肉接触的PVDF传感器单元7会产生压力变化,PVDF传感器单元7将不同的压力变化转化为相应的电信号,利用电信号进行手势识别。
所述硅胶背衬3的材料为方形、平面的硅橡胶。
所述的硅胶背衬3的厚度和硬度是通过PVDF传感器阵列的性能测试装置确定的。
如图3、4所示,一种PVDF传感器阵列的性能测试装置,包括有矩形波发生器8、继电器9、电磁致伸缩器10、测试探针11、可编程直流数字电源12、升降台13、放大电路14、示波器15和电子秤16,矩形波发生器8、继电器9和电磁致伸缩器10依次电连接,可编程直流数字电源12与继电器9连接,测试探针11安装在电磁致伸缩器10下面,所述的电子秤16放在升降台13上,电子秤13位于测试探针11的正下方;
根据电子秤16和可编程直流数字电源12等装置来获得激励电压与所产生的测试探针推力的关系曲线,首先通过升降台13将电子秤16与测试探针11相接触,使电子秤11的显示读数为零,在电磁致伸缩器10两端加载激励电压,激励电压的测试范围为0.1~2v,且每次以0.1v 为步长来对电子秤进行读数,进而获得激励电压和电子秤读数的关系曲线;
再将电子秤16替换为PVDF传感器单元7,并将PVDF传感器单元7的信号预处理电路板6的输出端依次与放大电路14和示波器15连接,测量每一次激励电压输入相对应的示波器所测PVDF传感器单元7电压,其中激励电压的测试范围为0.1~2v,步长为0.1v,保持PVDF传感器单元的结构不变,改变由不同厚度及硬度的硅胶背衬3,获得背衬参数(厚度、硬度)-激励电压和传感器单元电压关系曲线,根据所获曲线的斜率来选取硅胶背衬的厚度和硬度。
通过判断所测试的各种不同背衬参数的灵敏度曲线斜率,范围在30°~45°的背衬材料为理想背衬材料,根据这一准则,可以得到典型的背衬最优厚度为0.5~2mm,最优硬度为邵氏硬度23~53。
本发明通过以三圆相切的4*2方形PVDF传感器单元7阵列装置的外层硅胶薄膜和腕背侧皮肤直接接触来采集动作信号,采集的动作信号通过该传感器单元阵列装置的信号预处理电路放大。利用PVDF薄膜2的压电效应,当使用者手部运动时,腕部肌肉会相应的收缩和舒张,从而与腕部肌肉接触的PVDF传感器阵列会产生压力变化,PVDF传感器单元7将不同的压力变化转化为相应的电信号,然后将这些电信号传输给信号预处理模块处理,再通过微处理器传输给上位机,从而进行手势识别。同时为该PVDF传感器单元阵列装置配备了灵敏度参数的测试装置,该性能测试装置由矩形波发生器8来获得连续脉冲,再通过继电器9将脉冲转变为电流,进而由电磁致伸缩器10给与测试探针推力,由测试探针11将该力作用于所述PVDF传感器单元阵列装置,再接放大电路14,从示波器15获取待测传感器的灵敏度曲线。进而利用该灵敏度曲线获得最优硅胶背衬厚度及硬度参数。

Claims (7)

1.一种基于腕部的PVDF传感器阵列结构,其特征在于:包括有多个PVDF传感器单元,所述的多个PVDF传感器单元以三圆相切的形式构成2排多列菱形阵列结构,在所述的菱形阵列结构外层密封一层硅胶薄膜,通过菱形阵列结构与手腕直接接触来采集动作信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于腕部的PVDF传感器阵列结构,其特征在于:所述的多个PVDF传感器单元的数量为8个,多个PVDF传感器单元以三圆相切的形式构成2排4列菱形阵列结构。
3.根据权利要求2所述的一种基于腕部的PVDF传感器阵列结构,其特征在于:所述的PVDF传感器单元包括有圆柱形按钮、PVDF薄膜、硅胶背衬、粘结层、电极和信号预处理电路板,所述的圆柱形按钮通过粘结层粘结在PVDF薄膜上方,硅胶背衬置于PVDF薄膜下方,PVDF薄膜一端设有折叠边,折叠边通过硅胶背衬的侧面后折到硅胶背衬的下面,所述的电极的一极和PVDF薄膜折叠边连接,电极另一极通过铜箔与PVDF薄膜折叠边的尾部直边连接,所述的信号预处理电路板置于电极两极下方,所述的硅胶薄膜紧贴八个PVDF传感器单元的圆柱形按钮顶端。
4.根据权利要求3所述的一种基于腕部的PVDF传感器阵列结构,其特征在于:利用PVDF薄膜的压电效应,当使用者手部运动时,腕部肌肉会相应的收缩和舒张,从而与腕部肌肉接触的PVDF传感器单元会产生压力变化,PVDF传感器单元将不同的压力变化转化为相应的电信号,利用电信号进行手势识别。
5.根据权利要求3所述的一种基于腕部的PVDF传感器阵列结构,其特征在于:所述硅胶背衬的材料为方形、平面的硅橡胶。
6.根据权利要求3所述的一种基于腕部的PVDF传感器阵列结构,其特征在于:所述的硅胶背衬的厚度和硬度是通过PVDF传感器阵列的性能测试装置确定的。
7.一种基于权利要求6所述的一种PVDF传感器阵列的性能测试装置,其特征在于:包括有矩形波发生器、继电器、电磁致伸缩器、测试探针、可编程直流数字电源、升降台、放大电路、示波器和电子秤,矩形波发生器、继电器和电磁致伸缩器依次电连接,可编程直流数字电源与继电器连接,测试探针安装在电磁致伸缩器下面,所述的电子秤放在升降台上,电子秤位于测试探针的正下方;
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Effective date of registration: 20230105

Address after: 241000 Building 9, Beihang Navigation Innovation Center, Anhui Xinwu Economic Development Zone, Wanzhou District, Wuhu City, Anhui Province

Patentee after: Wuhu Xiliu Photoelectric Technology Co.,Ltd.

Address before: 230000 room 902, building 12, union garden, new metropolis, No. 66, Ma'anshan South Road, Baohe District, Hefei City, Anhui Province

Patentee before: Hefei Xiliu Photoelectric Technology Co.,Ltd.

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Patentee after: Hefei Xiliu Photoelectric Technology Co.,Ltd.

Address before: 230009 No. 193, Tunxi Road, Hefei, Anhui

Patentee before: Hefei University of Technology

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