CN114993165A - 一种感应式柔性角度传感薄膜 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种感应式柔性角度传感薄膜，所述传感薄膜由2片分体式独立薄膜组成，所述独立薄膜为柔性线圈薄膜和感应目标，所述柔性线圈薄膜包括导电的柔性电感线圈；所述感应目标为柔性的铁磁性薄膜或导电薄膜；所述柔性线圈薄膜和感应目标均设置在被测结构表面上，所述柔性线圈薄膜的柔性线圈连接电感测量模块。本发明实现了精确测量柔性线圈与感应目标空间夹角变化。其采用分体式结构，解决传统应变式传感器干扰被测物体运动的问题。

Description

一种感应式柔性角度传感薄膜

技术领域

本发明属于电感传感器设计领域，尤其涉及一种感应式柔性角度传感薄膜。

背景技术

传统的角度测量手段主要有光电编码测量、磁阻式测量、应变式传感器测量等方法。光电编码测量依赖于光电编码器实现，价格昂贵，对使用环境和安装精度要求高，多用于机械旋转轴角度测量。磁阻式角度测量利用磁场变化来测量角度变化，研究多，技术成熟。中国发明专利CN104655004B提出了一种同轴磁场角度传感器，包括可旋转轴、端部分、传感器管芯、至少三个磁场传感器元件、磁场源、电路等；通过傅里叶变换等数据处理手段，分析磁场梯度变化，可以用来感测轴或者其他物体的旋转角度；其结构复杂，体积庞大，数据处理难度高，不适合柔性可穿戴角度传感。

基于应变的角度测量方法近年来被广泛研究。其中，电阻式柔性应变传感器最为常见，根据电阻体相对于应变的电阻变化检测应变。中国发明专利CN103959029B提出了一种用于测量运动和接触的弹性应变和压强的传感器及相关的设备和系统；该传感器是具有两个以上通道的弹性应变传感器，通道内部是导电液态金属，施加应变时液态金属截面积发生改变，应变确定为通过导电液测得的电阻函数，确定第一被测物相对于第二被测物的角度；该传感器可以用来测量肢体夹角变化，具有较好的精度和灵敏度。但是，该方法对于传感器的安装方法和安装位置具有较高的要求，并且传感器会对肢体运动产生干涉，限制其广泛应用。同时，电阻式应变传感器还存在回程迟滞明显，温度影响大、发热等缺点。

综上所述，在柔性可穿戴高灵敏度传感技术中，有必要提供一种无滞后、高灵敏度、对局部突变不敏感、不影响被测对象动作，且制造工艺简单、成本低廉、结构简单、安装方便、易于集成、多用途柔性可穿戴传感器。

发明内容

本发明的目的是提供一种感应式柔性角度传感薄膜，该传感薄膜不仅无滞后、灵敏度高、对局部突变不敏感、不阻碍被测对象动作，且具有制造工艺简单、工艺成熟、成本低廉、结构简单、安装方便、易于集成、柔软轻薄等特点。具体而言，本发明针对的是用于可折叠设备、可穿戴系统、以及折纸机器人等角度测量的高精度传感器，所述传感器对空间相交平面区域的角度进行测量。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种感应式柔性角度传感薄膜，所述传感薄膜由2片分体式独立薄膜组成，所述独立薄膜为柔性线圈薄膜和感应目标，所述柔性线圈薄膜包括导电的柔性线圈；所述感应目标为柔性的铁磁性薄膜或导电薄膜；所述柔性线圈薄膜和感应目标均设置在被测结构表面上，所述柔性线圈薄膜的柔性线圈连接电感测量模块。

进一步地，所述的柔性线圈薄膜的柔性线圈为导电的固态金属电感线圈或导电的液态金属电感线圈，或者直接嵌入到织物上的平面或曲面线圈。

进一步地，所述的导电的固态金属为铜、铝或其他导电金属合金，所述的导电的液态导电金属为共晶镓-铟合金或其他液态金属。

进一步地，所述的柔性线圈薄膜的形状为长方形、正方形、圆形、或其它二维形状。

进一步地，所述的柔性线圈薄膜为一层或多层。

进一步地，所述感应目标直接附着或者嵌入被测结构表面作为感应目标，或直接使用被测结构表面作为感应目标。

进一步地，所述感应目标为铁磁性薄膜或导电薄膜。

进一步地，所述铁磁性薄膜为铁磁性材料构成的薄膜，所述导电薄膜为铜、铝、金、银等金属单质和合金薄膜或者导电织布等导电复合材料。

进一步地，所述的柔性线圈是可弯折、不可拉伸的聚合物薄膜，或是可拉伸的超弹性体薄膜。

进一步地，所述的柔性线圈薄膜和感应目标独立安装在被测对象的两个位置上，当两者夹角为0时，柔性线圈薄膜和感应目标至少能够部分重叠。

进一步地，所述的传感薄膜随被测对象运动的过程中，柔性线圈薄膜的柔性线圈所测得的电感值随之变化，所测得的电感值是磁场在空间的积分表达式，对局部非均一性不敏感。

进一步地，所述的柔性线圈薄膜的柔性线圈电感值与两个被测结构表面的夹角成单调函数关系，即对数关系，该函数确定所述柔性线圈薄膜相对于感应目标的角度，进而实现被测对象角度测量。

本发明与背景技术中所述的几种角度测量方法相比：

1、本发明能够实现角度测量，且具有通用性好，结构简单，工艺成熟，成本低，精度高，性能稳定可靠的优点，只通过感应目标和薄膜线圈互感引起的电感变化即可实现角度测量。

2、本发明解决了通过分体式传感薄膜测量角度的问题。而不像上述方法中，通过磁阻变化测量角度，存在设备复杂、成本高、安装要求高等问题；且通过应变测量角度存在应变片干扰被测目标运动的问题。

3、本发明创造性地通过电感式换能原理构建分体式角度传感薄膜，利用电感变化，直接获得了真实的角度信息，实现0°～180°夹角检测，检测分辨率最高可达为0.03°，在可折叠设备、可穿戴设备、折纸机器人等领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明使用的分体式电感角度传感薄膜示意图；

图2A，图2B为本发明使用的几种感应目标的电感值的变化情况及标定数据与拟合曲线的关系；其中，图2A为铁氧体感应目标的柔性线圈的电感随角度的变化；图2B为铜箔感应目标的柔性线圈的电感随角度的变化；

图3A，图3B为本发明使用的几种典型线圈；其中，图3A为几种典型的超弹性体硅胶液态金属柔性线圈；图3B为几种典型的覆铜印刷导电金属柔性线圈；

图4A，图4B为具有不同设计参数(长宽比、间距)的柔性线圈测量角度的静态特性；其中，图4A为不同长宽比柔性线圈角度的电感变化(实验测量)；图4B为不同尺寸的柔性线圈在不同间距时角度电感变化(实验测量)；

图5A，图5B，图5C，图5D为可折叠设备中柔性线圈角度传感演示；其中，图5A为柔性线圈布置示意图和线圈的图像；图5B为闭合状态笔记本电脑施加外力；图5C为笔记本电脑开合过程中柔性线圈电感变化；图5D为闭合状态笔记本电脑施加外力过程中柔性线圈电感变化；

图6A，图6B为可穿戴角度传感演示；其中，图6A为将线圈粘贴到衣服表面；图6B为手肘弯曲伸直过程角度检测；

图7为人体运动中肘关节和髋关节角度检测的一种实施方式；

图8为人体运动中肩关节角度检测的一种实施方式；

图9为人体运动中膝关节角度检测的一种实施方式。

附图标记说明如下：

1：柔性线圈薄膜；2：感应目标；3：被测结构表面；4：电感测量模块；5：肘关节角度测量位置；6：大腿之间角度测量位置；7：肩关节角度测量位置；8第一膝关节角度测量位置；9：第二膝关节角度测量位置。

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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明的一种感应式柔性角度传感薄膜，由2块分体式独立薄膜组成，具体包括柔性线圈薄膜1和感应目标2。所述柔性线圈为导电线圈从而构成柔性线圈薄膜1；所述感应目标2为柔性的铁磁性薄膜或导电薄膜。所述的柔性线圈为固态金属电感线圈或液态金属电感线圈。所述柔性线圈薄膜1和感应目标2均设置在被测结构表面3上，所述柔性线圈薄膜1的柔性线圈连接电感测量模块4。

优先地，所述铁磁性薄膜为铁氧体薄膜，所述导电薄膜为铜、铝、金、银等金属单质和合金薄膜或者导电织布等导电复合材料。

优先地，所述的柔性线圈薄膜1和感应目标2分别贴附在被测对象的两个被测结构表面3上，两个被测结构表面3夹角为0°时，感应目标2和柔性线圈薄膜1至少能够部分重叠。

优先地，所述的传感薄膜随被测对象运动的过程中，柔性线圈所测得的电感值随之变化，所测得电感值是磁场在空间积分的平均效果。

优先地，所述的柔性线圈的电感值与两个被测结构表面3的夹角成单调函数(对数)关系，该函数确定所述柔性线圈相对于感应目标的角度，进而实现被测对象角度测量。

本发明的原理在于：基于磁场耦合传感方法，利用电感式换能器原理构建传感器，如图1所示。感应目标2与柔性线圈薄膜1分别位于两个平面，当两个平面之间的角度发生变化时，传感器磁场耦合状态改变导致线圈电感值变化，通过测量线圈电感值就能够反应角度变化。铁磁性材料作为感应目标，线圈靠近铁磁性材料，电感值因磁阻降低而增大；金属导体作为感应目标，线圈靠近金属导体，电感值因电涡流效应增强而减小。图2A和图2B展示两种感应目标情况下电感值的变化情况及标定数据与拟合曲线的关系。

一般电感式角度传感器主要根据其电感来测量角度，因此主要考虑角度-电感的关系。标定数据与拟合曲线如图2A，图2B所示，拟合方程为：

A(x)＝180-a*ln(b-c*x) (1)

其中，A为夹角大小，单位：度(°)；x为电感值大小，单位微亨(μH)；a、b、c均为代指常数。

从图2A和图2B可以看出，拟合方程与测量数据拟合效果非常好，整个区间的拟合误差为-1.2％～0.8％。这表明感应式柔性角度传感薄膜的柔性线圈电感值与两个被测结构表面3的夹角的成单调(对数)函数关系。

本发明采用了覆铜印刷柔性线圈，具有性能一致性好、加工精度高、耐用性高、可批量化加工等优点。本发明采用的柔性线圈可以是固态金属电感线圈，也可以是液态金属电感线圈；可以是单层线圈，也可以是多层线圈；形状包括长方形、正方形、圆形；尺寸可以小至1厘米以下，也可以大至几十厘米。图3A，图3B展示了本发明采用的不同材质、不同形状、不同尺寸的几种典型线圈。优先地，所述的固态金属包括铜、铝或其它导电金属合金等，所述的液态金属包括共晶镓-铟或其他液态金属。

线圈的电感值取决于线圈的形状参数，本发明重点研究了线圈长宽比(AR＝L:W)、线圈与目标间距d两者对传感器灵敏度的影响。如图4A所示，线圈电感变化随着线圈长宽比AR增大而增大。除此之外，长线圈(AR＝3:1)的高灵敏度角度范围大于短线圈(AR＝1:3)，即长线圈的可检测角度范围更大。图4A中，线圈(L40W10P0.2)电感值变化最大(38.04％～100％)，且可检测角度范围最大。图4B展示了线圈在不同间距条件中的电感变化。类似长宽比变化，线圈电感值变化随着线圈与目标的间距d的增大而减小，且线圈可检测角度范围随着间距增大而减小。除此之外，大线圈(L40W20P0.2)在两倍间距的情况下与小线圈(L20W10P0.2)具有相近的电感变化。这说明线圈尺寸增大能够增强磁场耦合强度，进而抵消间距增大的部分影响。如图4B所示，L40W20P0.2的线圈在d＝3mm具有最大的电感变化和最大的高灵敏度角度检测范围。

下面结合附图，分别从可折叠设备、可穿戴传感方式具体介绍本发明的实施方式。本发明的一个实施方式，如图5A，图5B，图5C，图5D所示，本发明的感应式柔性角度传感薄膜，应用于可折叠设备的实施方式。可折叠设备的应用非常普遍，无论是电子设备、生活用品、还是机械设备中都有折叠运动结构的存在。笔记本电脑屏幕与主机两部分通过转轴连接转动，因此传统传感器不适合用来对其角度变化进行传感测量。如图5A所示，笔记本电脑的C面大多为金属材质，可作为感应目标，本发明将柔性线圈薄膜粘贴在笔记本电脑的B面左下角即可作为角度传感器。图5C显示了笔记本电脑在折叠闭合过程中的线圈电感值变化，电感值随线圈开闭角度变化而变化。这体现出本发明的感应式柔性角度传感薄膜非常适合用于实时监测笔记本电脑的开闭角度。

除了检测笔记本电脑的开闭状态变化，如图5B所示，当笔记本电脑闭合后，在A面的不同位置施加不同大小的外力，得到图5D所示的电感值变化曲线。可以发现外力施加在左右两个位置时，电感值变化方向相反。并且，外力大小不同时，电感值大小变化也是不同的。这表现出本发明的感应式柔性角度传感薄膜还具有对外力作用位置和外力大小的监测能力，可防止笔记本电脑受外力损坏。目前已有的可折叠显示屏、折纸锂离子电池等电子设备也可以通过集成分体式柔性可穿戴电感角度传感薄膜来实现角度实时监测和外力监测功能。未来更复杂的折叠结构中可以通过在制造过程中嵌入柔性线圈薄膜或者直接将柔性线圈薄膜粘贴在目标表面来实现结构运动自感知。

本发明的一个实施方式，如图6A，图6B所示，根据本发明所述的角度传感薄膜，应用于可穿戴角度测量。柔性传感器集成到可穿戴设备通常要求传感器具有良好的拉伸性能，以尽可能的保证测量精度并降低对人体运动的阻碍。本发明的感应式柔性角度传感薄膜可为分体式电感角度传感薄膜，其独特的分体式设计在应用时不需要布置在关节的内侧或者外侧。如图6A所示，将所述传感薄膜布置于关节的两侧，极大的降低了对拉伸性能的要求，只需将柔性线圈与感应目标粘贴在衣服上。对局部突变不敏感的优点是传感器易于集成的保证。实验表明，感应目标在发生褶皱变形的情况下也不会对角度测量造成影响，证实了这种传感器对于局部突变不敏感，是对两个面夹角的测量。肘部弯曲伸直的过程中，线圈与目标磁场耦合状态发生变化。如图6B，当手臂由伸直变为完全弯曲状态，或者由伸直变为半弯曲状态式，电感值能够实时反应肘部的角度变化。所述传感薄膜不会影响受试者的本体运动，所述衣物可以与传感薄膜分离，不影响衣物的清洁。这证明了分体式电感角度传感薄膜在可穿戴传感器的应用潜力。

根据本发明的一些实施方案，可以提供模块化独立工作的薄膜传感器系统。所述传感薄膜可以与电源、处理芯片、收发组件集成，组成角度测量模块，独立完成角度测量，测量数据通过无线信号(如WiFi、蓝牙、射频识别等)链路传输至远端处理器。

根据本发明的一些实施方案，可将传感薄膜应用于人机游戏、视频教学、健身训练等人机交互类领域。受试者可将模块化传感薄膜系统布置于需要监测的身体关节处，如图7、图8、图9所示，传感薄膜可实时监测关节的运动状态，并将监测数据无线传输至交互终端。通过交互终端对受试者动作完成质量进行评估，实现动作重建，并给出实时评估建议。

根据本发明的一些实施方案，可将本发明的传感薄膜应用于运动监测领域。可以对受试者的运动情况进行记录。进行羽毛球、网球、乒乓球、俯卧撑、引体向上等上肢运动时，将传感薄膜布置于手腕或肘关节处，如图7、图8所示，在人体相应的地方设置肘关节角度测量位置5、大腿之间角度测量位置6和肩关节角度测量位置7。可以记录受试者挥拍次数，结合时间信息可以获得受试者挥拍的速度和瞬间加速度，还可以获得受试者进行俯卧撑、引体向上等上肢锻炼的幅度和频次；进行走路、跑步、足球等下肢运动时，如图8、图9所示，在人体的相应地方设置第一膝关节角度测量位置8和第二膝关节角度测量位置9。将传感薄膜布置于足部或者膝盖关节处，可以记录受试者的步数，结合时间信息可以获得受试者的走路或跑步的速度和瞬间加速度等信息；结合受试者的身高参数，还可以用于评估受试者的运动距离。为受试者运动质量评估提供依据。

根据本发明的一些实施方案，可将本发明的传感薄膜应用生物医疗领域，尤其是在康复训练领域，包括远程康复训练。本发明可布置于患者需要康复训练的关节处，如图7、图8、图9所示，记录康复训练的训练过程。对训练的频次、时间、运动幅度等进行记录，结合时间信息可以获取患者关节运动的速度大小和速度稳定性，进一步可以评估患者关节和肌肉的恢复情况。医护人员可以实时可视化获取患者康复训练的完成情况，帮助医护人员对患者的康复训练项目、辅助康复器材、训练强度等进行实时调整，对康复训练方案进行优化。同时，可以为医护人员评测辅助康复器材临床效果提供数据参考。

本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (12)

1.一种感应式柔性角度传感薄膜，其特征在于：所述传感薄膜由2片分体式独立薄膜组成，所述独立薄膜为柔性线圈薄膜(1)和感应目标(2)，所述柔性线圈薄膜(1)包括导电的柔性线圈；所述感应目标(2)为柔性的铁磁性薄膜或导电薄膜；所述柔性线圈薄膜(1)和感应目标(2)均设置在被测结构表面(3)上，所述柔性线圈薄膜(1)的柔性线圈连接电感测量模块(4)。

2.根据权利要求1所述的一种感应式柔性角度传感薄膜，其特征在于：所述的柔性线圈薄膜(1)的柔性线圈为固态导体电感线圈、液态金属电感线圈、或嵌入织物的平面或曲面电感线圈。

3.根据权利要求2所述的一种感应式柔性角度传感薄膜，其特征在于：所述的固态导体为铜、铝等金属单质或导电金属的合金，所述的液态金属为共晶镓-铟、镓铟锡合金或其它液态金属。

4.根据权利要求1-3之一所述的一种感应式柔性角度传感薄膜，其特征在于：所述的柔性线圈薄膜(1)的形状为长方形、正方形、圆形、或其它二维形状。

5.根据权利要求1-3之一所述的一种感应式柔性角度传感薄膜，其特征在于：所述的柔性平面线圈(1)为一层或多层。

6.根据权利要求1所述的一种感应式柔性角度传感薄膜，其特征在于：所述感应目标(2)直接附着在被测结构表面或者嵌入被测结构中(3)作为感应目标，在被测结构表面为导体或者铁磁性材料时也可以直接使用被测结构表面(3)作为感应目标。

7.根据权利要求1或6所述的一种感应式柔性角度传感薄膜，其特征在于：所述感应目标(2)为铁磁性薄膜或导电薄膜。

8.根据权利要求7所述的一种感应式柔性角度传感薄膜，其特征在于：所述铁磁性薄膜为任何铁磁性材料构成的薄膜，所述导电薄膜为铜、铝、金、银等金属单质或者合金薄膜或者导电织布等复合导电材料构成的薄膜。

9.根据权利要求1所述的一种感应式柔性角度传感薄膜，其特征在于：所述的柔性线圈基底是可弯折、不可拉伸的聚合物薄膜，或是可拉伸的超弹性体薄膜。

10.根据权利要求1所述的一种感应式柔性角度传感薄膜，其特征在于：所述的柔性线圈薄膜(1)和感应目标(2)独立安装在被测对象的两个位置上，当两者夹角为0时，柔性线圈薄膜(1)和感应目标(2)至少能够部分重叠。

11.根据权利要求1或10所述的一种感应式柔性角度传感薄膜，其特征在于：所述的传感薄膜随被测对象运动的过程中，柔性线圈薄膜(1)的电感值随之变化，所测得的电感值是磁场在空间的积分表达式，对局部非均一性不敏感。

12.根据权利要求1或10所述的一种感应式柔性角度传感薄膜，其特征在于：所述的柔性线圈薄膜(1)的柔性线圈电感值与两个被测结构表面(3)的夹角成单调函数关系，一般为对数关系，该函数确定所述柔性线圈薄膜(1)相对于感应目标(2)的角度，进而实现被测对象角度测量。

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