CN112378961A - 一种仿生柔性湿度传感器及电子皮肤湿度监测装置 - Google Patents

一种仿生柔性湿度传感器及电子皮肤湿度监测装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种仿生柔性湿度传感器及电子皮肤湿度监测装置，所述仿生柔性湿度传感器包括：检测电路，所述检测电路呈惠斯通电桥状，所述检测电路包括首尾依次相接的第一检测元件、第二检测元件、第三检测元件和第四检测元件；第一恒湿密封体和第二恒湿密封体，所述第一恒湿密封体密封所述第二检测元件，所述第二恒湿密封体密封所述第四检测元件。由于所述第一检测元件、所述第二检测元件、所述第三检测元件和所述第四检测元件的电阻温湿度系数相同，当环境温度变化时，根据惠斯通电桥的特性，能够消除温度变化对检测电路的干扰，从而提高湿度的测量精度。

Description

一种仿生柔性湿度传感器及电子皮肤湿度监测装置
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种仿生柔性湿度传感器及电子皮肤湿度监测装置。
背景技术
近年来，随着电子皮肤的相关技术的不断发展，人们为了提高电子皮肤的仿生效果，对电子皮肤上设置的湿度传感器的精度要求也不断提高。利用柔性温湿度敏感材料制成的湿度传感器，具有表面积大、导电性能好以及弹性模量大的优点，相对于刚性敏感材料制成的湿度传感器，能够更好的满足抗干扰性、准确性、结构简单和低成本的需求。
目前，利用柔性温湿度敏感材料制成的湿度传感器，测量精度受到环境温度变化的影响，湿度传感器无法消除温漂作用，测量精度较低。
发明内容
本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种仿生柔性湿度传感器及电子皮肤湿度监测装置，能够提高湿度的测量精度。
本发明解决其技术问题的解决方案是：
第一方面，本发明提供了一种仿生柔性湿度传感器，包括：检测电路，所述检测电路呈惠斯通电桥状，所述检测电路包括首尾依次相接的第一检测元件、第二检测元件、第三检测元件和第四检测元件，所述第一检测元件、所述第二检测元件、所述第三检测元件和所述第四检测元件均由柔性温湿度敏感材料制成，所述第一检测元件、所述第二检测元件、所述第三检测元件和所述第四检测元件的电阻温湿度系数相同；用于提供恒定湿度的第一恒湿密封体和第二恒湿密封体，所述第一恒湿密封体密封所述第二检测元件，所述第二恒湿密封体密封所述第四检测元件。
进一步，所述第一检测元件、所述第二检测元件、所述第三检测元件和所述第四检测元件均由碳纤维丝制成，所述第一检测元件、所述第二检测元件、所述第三检测元件和所述第四检测元件呈柱状，所述第一检测元件、所述第二检测元件、所述第三检测元件和所述第四检测元件的长度和横截面积相同。
进一步，所述第一检测元件、所述第二检测元件、所述第三检测元件和所述第四检测元件的电阻值随环境温度的增加而减少。
进一步，所述第一检测元件、所述第二检测元件、所述第三检测元件和所述第四检测元件的电阻值随湿度的增加而增加。
进一步，所述第一恒湿密封体和所述第二恒湿密封体的湿度值相同。
第二方面，本发明提供了一种电子皮肤湿度监测装置，包括：如第一方面所述的仿生柔性湿度传感器；检测单元，用于获取所述仿生柔性湿度传感器的检测电路的电压信息，所述检测单元与所述检测电路电性连接；处理器，所述处理器与所述检测单元电性连接，所述处理器用于根据所述检测单元获取的电压信息，得到环境湿度值。
进一步，所述检测单元与所述检测电路之间串联有滤波单元。
进一步，所述检测单元为模数转换芯片。
进一步，所述处理器为STM32单片机。
进一步，还包括用于显示所述环境湿度值的显示单元，所述处理器与所述显示单元电性连接。
本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下有益效果：本发明在第一恒湿密封体作用下，当环境温度不变时，第二检测元件的电阻值只与第一恒湿密封体的湿度值有关，不受环境湿度的影响；在第二恒湿密封体作用下，当环境温度不变时，第四检测元件的电阻值只与第二恒湿密封体的湿度值有关，不受环境湿度的影响；当环境温度不变时，第一检测元件和第三检测元件的电阻值受到环境湿度的影响；由于所述第一检测元件、所述第二检测元件、所述第三检测元件和所述第四检测元件的电阻温湿度系数相同，当环境温度变化时，所述第一检测元件、所述第二检测元件、所述第三检测元件和所述第四检测元件的电阻值随环境温度变化而变化的值相同，根据惠斯通电桥的特性，能够消除温度变化对检测电路的干扰，从而提高湿度的测量精度。
附图说明
下面结合附图和实施例对发明进一步地说明；
图1是本发明一个实施例提供的仿生柔性湿度传感器的结构示意图；
图2是本发明一个实施例提供的仿生柔性湿度传感器的湿度特性图；
图3是本发明一个实施例提供的检测电路的示意图；
图4是本发明一个实施例提供的检测电路的输出电压特性图；
图5是本发明一个实施例提供的检测单元的结构示意图；
图6是本发明一个实施例提供的电子皮肤湿度监测装置的系统框图；
图7是本发明一个实施例提供的滤波单元的结构示意图；
图中标号：
100-检测电路、110-第一检测元件、120-第二检测元件、130-第三检测元件、140-第四检测元件、210-第一恒湿密封体、220-第二恒湿密封体、300-检测单元、400-处理器、500-滤波单元、600-显示单元。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，如果不冲突，本发明实施例中的各个特征可以相互结合，均在本发明的保护范围之内。另外，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分，或流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。
在本发明的第一实施例中，如图1至4所示，一种仿生柔性湿度传感器，包括：
检测电路100，检测电路100呈惠斯通电桥状，检测电路100包括首尾依次相接的第一检测元件110、第二检测元件120、第三检测元件130和第四检测元件140，第一检测元件110、第二检测元件120、第三检测元件130和第四检测元件140均由柔性温湿度敏感材料制成，第一检测元件110、第二检测元件120、第三检测元件130和第四检测元件140的电阻温湿度系数相同；
用于提供恒定湿度的第一恒湿密封体210和第二恒湿密封体220，第一恒湿密封体210密封第二检测元件120，第二恒湿密封体220密封第四检测元件140。
在本实施例中，第一检测元件110和第四检测元件140的公共端作为第一供电点，第二检测元件120和第三检测元件130的公共端作为第二供电点，第一供电点和第二供电点外接电源，外接电源为检测电路100供电；第一检测元件110和第二检测元件120的公共端作为第一检测点，第三检测元件130和第四检测元件140的公共端作为第二检测点，通过获取第一检测点和第二检测点的电压差值作为检测信号；第一检测元件110、第二检测元件120、第三检测元件130和第四检测元件140的电阻值受到环境的温度和湿度影响；在第一恒湿密封体210作用下，当环境温度不变时，第二检测元件120的电阻值只与第一恒湿密封体210的湿度值有关，不受环境湿度的影响；在第二恒湿密封体220作用下，当环境温度不变时，第四检测元件140的电阻值只与第二恒湿密封体220的湿度值有关，不受环境湿度的影响；当环境温度不变时，第一检测元件110和第三检测元件130的电阻值受到环境湿度的影响；由于第一检测元件110、第二检测元件120、第三检测元件130和第四检测元件140的电阻温湿度系数相同，当环境温度变化时，第一检测元件110、第二检测元件120、第三检测元件130和第四检测元件140的电阻值随环境温度变化而变化的值相同，根据惠斯通电桥的特性，能够消除温度变化对检测电路100的干扰，从而提高湿度的测量精度，测量出准确的环境湿度。
优选地，第一检测元件110、第二检测元件120、第三检测元件130和第四检测元件140均由碳纤维丝制成，第一检测元件110、第二检测元件120、第三检测元件130和第四检测元件140呈柱状，第一检测元件110、第二检测元件120、第三检测元件130和第四检测元件140的长度和横截面积相同。
可以理解的是，已知碳纤维丝的温度公式为：
Figure BDA0002795341450000051
其中，T为碳纤维丝的温度值，R为碳纤维丝的电阻值，a和b是常数值；
进一步，得到：
RT＝A*f(T)，
其中，f(T)为碳纤维丝对温度的敏感程度关系式，A为常数值，RT为碳纤维丝温度为T时的电阻值；
碳纤维丝的湿度公式为：
RTRH＝RTRH0*f(T)*f(RH),
其中，RTRH为当前电阻，RTRH0为定标电阻，f(T)为碳纤维丝对温度的敏感程度关系式，f(RH)为碳纤维丝对相对湿度的敏感程度关系式；
由于第二检测元件120处在恒定湿度的第一恒湿密封体210中，第四检测元件140处在恒定湿度的第二恒湿密封体220中，所以第二检测元件120和第四检测元件140的相对湿度值是恒定的，即是定值；由于第一检测元件110、第二检测元件120、第三检测元件130和第四检测元件140的相同，而且第一检测元件110、第二检测元件120、第三检测元件130和第四检测元件140的长度和横截面积相同，即初始电阻相同；相对湿度相同时，在不同温度下，第一检测元件110、第二检测元件120、第三检测元件130和第四检测元件140的电阻相同；第一检测元件110和第三检测元件130的只受环境湿度的影响，第二检测元件120和第四检测元件140的只受恒湿密封体的相对湿度值的影响；因此，当环境温度改变时，传感器能保证湿度的测量精度。
参照图3，在检测电路100中，驱动电压设为VEX，检测单元300检测到的电压值设为V0，第一检测元件110和第三检测元件130的电阻值分别设为RTRH1和RTRH2，第四检测元件140和第二检测元件120的电阻值分别设为RT1和RT2；第一检测元件110、第二检测元件120、第三检测元件130和第四检测元件140的初始电阻相同，设为；
通过分析，可得RTRH2的电流为：
Figure BDA0002795341450000061
从而得到，RTRH2两端的电压为：
Figure BDA0002795341450000062
同理，得到RT2两端的电压为：
Figure BDA0002795341450000063
所以，电压V0为：
Figure BDA0002795341450000064
当RT1＝RT2，RTRH1＝RTRH2时，
Figure BDA0002795341450000065
RT1和RTRH1的初始电阻为RTRH0，则V0为：
Figure BDA0002795341450000066
因此，检测电路100的检测电压值只与恒湿密封体的相对湿度值有关，且当环境相对湿度值越接近于恒湿密封体的恒定相对湿度值时，越接近0，当且仅当环境相对湿度值等于恒湿密封体的恒定相对湿度值时，电压值为0；
因此该仿生柔性湿度传感器实现了消除温度变化的干扰，从而准确感知测量环境湿度与设定相对湿度值的相差程度。
参照图4，可以看出检测电路100的输出电压随环境湿度的增加而减少，符合的变化规律。
优选的，第一检测元件110、第二检测元件120、第三检测元件130和第四检测元件140的电阻值随环境温度的增加而减少。
优选的，第一检测元件110、第二检测元件120、第三检测元件130和第四检测元件140的电阻值随湿度的增加而增加。
参照图2，第一检测元件110和第三检测元件130的电阻值随环境相对湿度的增加而增加，第二检测元件120和第四检测元件140的电阻值不受环境相对湿度值的影响。
优选地，第一恒湿密封体210和第二恒湿密封体220的湿度值相同。
可以理解的是，相同的湿度能够简化计算过程，增加工作效率。
优选的，在制作第一恒湿密封体210和第二恒湿密封体220时，将第一恒湿密封体210和第二恒湿密封体220的湿度值设置为人体皮肤的最适宜湿度值，从而更好的完成湿度监测。
在本发明的第二实施例中，如图5至6所示，一种电子皮肤湿度监测装置，包括：
如上所述的仿生柔性湿度传感器；
检测单元300，用于获取仿生柔性湿度传感器的检测电路100的电压信息，检测单元300与检测电路100电性连接；
处理器400，处理器400与检测单元300电性连接，处理器400用于根据检测单元300获取的电压信息，得到环境湿度值。
可以理解的是，处理器400处理检测单元300获取的电压信息，从而得到环境湿度值，由于本实施例中的一种电子皮肤湿度监测装置与上述的一种仿生柔性湿度传感器基于相同的发明构思，因此，第一实施例中的相应内容同样适用于本实施例，此处不再详述。
在本发明的一些实施例中，如图7所示，检测单元300与检测电路100之间串联有滤波单元500，通过本实施例，滤波单元500可以滤除干扰信号，提高湿度检测的准确性。
优选地，检测单元300为模数转换芯片，模数转换芯片能够将含有电压值的模拟信号转化为数字信号，保证数据的传递的有效性。
优选地，所述处理器为STM32单片机，能够减低成本。
在本发明的一些实施例中，如图6所示，还包括用于显示环境湿度值的显示单元600，处理器400与显示单元600电性连接，通过本实施例，利用显示单元600显示环境湿度值，提高工作效率。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
通过以上的实施方式的描述，本领域技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加通用硬件平台的方式来实现。本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述方法的实施例的流程。其中，的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(ReadOnlY MemorY,ROM)或随机存储记忆体(RandomAcceSS MemorY,RAM)等。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种仿生柔性湿度传感器，其特征在于，包括：
检测电路，所述检测电路呈惠斯通电桥状，所述检测电路包括首尾依次相接的第一检测元件、第二检测元件、第三检测元件和第四检测元件，所述第一检测元件、所述第二检测元件、所述第三检测元件和所述第四检测元件均由柔性温湿度敏感材料制成，所述第一检测元件、所述第二检测元件、所述第三检测元件和所述第四检测元件的电阻温湿度系数相同；
用于提供恒定湿度的第一恒湿密封体和第二恒湿密封体，所述第一恒湿密封体密封所述第二检测元件，所述第二恒湿密封体密封所述第四检测元件。
2.如权利要求1所述的一种仿生柔性湿度传感器，其特征在于，所述第一检测元件、所述第二检测元件、所述第三检测元件和所述第四检测元件均由碳纤维丝制成，所述第一检测元件、所述第二检测元件、所述第三检测元件和所述第四检测元件呈柱状，所述第一检测元件、所述第二检测元件、所述第三检测元件和所述第四检测元件的长度和横截面积相同。
3.如权利要求2所述的一种仿生柔性湿度传感器，其特征在于，所述第一检测元件、所述第二检测元件、所述第三检测元件和所述第四检测元件的电阻值随环境温度的增加而减少。
4.如权利要求3所述的一种仿生柔性湿度传感器，其特征在于，所述第一检测元件、所述第二检测元件、所述第三检测元件和所述第四检测元件的电阻值随湿度的增加而增加。
5.如权利要求1所述的一种仿生柔性湿度传感器，其特征在于，所述第一恒湿密封体和所述第二恒湿密封体的湿度值相同。
6.一种电子皮肤湿度监测装置，其特征在于，包括：
如权利要求1至5任一所述的仿生柔性湿度传感器；
检测单元，用于获取所述仿生柔性湿度传感器的检测电路的电压信息，所述检测单元与所述检测电路电性连接；
处理器，所述处理器与所述检测单元电性连接，所述处理器用于根据所述检测单元获取的电压信息，得到环境湿度值。
7.如权利要求6所述的一种电子皮肤湿度监测装置，其特征在于，所述检测单元与所述检测电路之间串联有滤波单元。
8.如权利要求6所述的一种电子皮肤湿度监测装置，其特征在于，所述检测单元为模数转换芯片。
9.如权利要求8所述的一种电子皮肤湿度监测装置，其特征在于，所述处理器为STM32单片机。
10.如权利要求6所述的一种电子皮肤湿度监测装置，其特征在于，还包括用于显示所述环境湿度值的显示单元，所述处理器与所述显示单元电性连接。
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