CN204286650U - 一种压电压阻复合柔性力敏传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种压电压阻复合柔性力敏传感器，包括压力传感模块、信号采集与处理模块、唤醒模块、无线数据通信模块、压力计算模块、高频信号校正模块以及电源模块；所述压力传感模块包括压阻传感器组和压电传感器组；所述压阻传感器组与信号采集与处理模块连接，压电传感器组通过唤醒模块与信号采集与处理模块连接；信号采集与处理模块还与无线数据通信模块连接；所述无线数据通信模块连接压力计算模块，所述压力计算模块与高频信号校正模块连接；所述电源模块分别与信号采集与处理模块、无线数据通信模块连接。本压力检测装置具有耐用性强、动态性能好的优点，可应用于可穿戴足底压力检测、假肢压力检测、机器人电子皮肤等领域。

Description

一种压电压阻复合柔性力敏传感器

技术领域

本实用新型涉及压力检测领域，更具体地说，是涉及一种压电压阻复合柔性力敏传感器。

背景技术

压力采集系统在机器人触觉、测力鞋垫、测力坐垫等方面有着广阔的应用潜力，柔性传感材料的发展更加速了压力采集技术在可穿戴领域的发展。目前的压力传感检测系统，按照传感器种类来分类，可以分为电容式、压阻式和压电式。压阻传感器具有形变范围大、工艺简单、成本低廉等优势，因此目前比较成熟的柔性压力采集与分析系统大部分采用压阻传感器。

然而目前压阻压力采集设备普遍存在着以下问题：

(1)功耗大：压阻压力采集设备需要单片机不断对压阻传感器的电阻值进行激励测量，并进行A/D转换和数据传输，功耗大，导致目前的压阻压力采集设备存在着电源模块体积庞大或者续航能力差的问题；

(2)动态性能差：压阻力敏传感器普遍存在迟滞性问题，材料变形恢复较慢，因此对高频压力的响应存在较大误差。

压阻压力采集设备功耗大、耐用性差、动态性能差等问题，使其在向可穿戴设备发展方向上受到了阻碍。

压电传感器具有动态响应好，灵敏度高的优点，却也具有对低频压力响应差、空间分辨率低的问题，利用压电传感器正好可以弥补压阻传感器的不足。近年来，柔性压电材料的发展，例如PVDF薄膜，更为构造一种压电压阻复合柔性传感器，获得低功耗、动态性能好、耐用性好的可穿戴压力检测系统提供了可能。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提供一种压电压阻复合柔性力敏传感器，解决了目前的压阻压力传感器动态性能不佳、耐用性不好的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供的技术方案如下：

一种压电压阻复合柔性力敏传感器，包括压力传感模块、信号采集与处理模块、唤醒模块、无线数据通信模块、压力计算模块、高频信号校正模块以及电源模块；

所述压力传感模块包括压阻传感器组和压电传感器组；

所述压阻传感器组与信号采集与处理模块连接，压电传感器组通过唤醒模块与信号采集与处理模块连接；信号采集与处理模块还与无线数据通信模块连接；所述无线数据通信模块连接压力计算模块，所述压力计算模块与高频信号校正模块连接；

所述电源模块分别与信号采集与处理模块、无线数据通信模块连接，用以对装置进行供电。

进一步地，还包括一显示模块，所述显示模块与压力计算模块连接。

进一步地，所述压阻传感器组为压阻传感阵列，其中包含的压阻传感器数量为2～100个，所述压电传感器组包括至少1个压电传感器。

进一步地，所述信号采集与处理模块包括压阻传感信号采集电路、压电传感信号采集电路、A/D转换器、数据处理模块和供电电子开关；所述压阻传感信号采集电路和压电传感信号采集电路分别与A/D转换器连接，A/D转换器与数据处理模块连接，所述压阻传感信号采集电路和压电传感信号采集电路还通过供电电子开关与电源模块连接。

进一步地，所述无线数据通信模块为蓝牙通讯模块。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

1、功耗低：利用单个压电传感器的信号来切换设备状态；当压力过小、压力相对静止，或者设备没有被使用的情况下，设备自动进入睡眠状态，只有压力变化幅度超过一定阈值，压电传感器才会通过唤醒模块激活信号采集与处理模块进行采集和传输数据；相对与传统的连续对电阻值进行激励测量和数据传输的技术方案，本技术方案功耗低、设备续航能力强。

2、动态性能好：在激活检测状态下，动态计算压力传感信号频率，在高频状态下，利用压电传感器信号对压阻传感信号进行修正，改善了传统压阻传感器迟滞性大，恢复时间长，造成的动态性能不佳问题。

附图说明

图1是本实用新型实施例1提供的一种压电压阻复合柔性力敏传感器的结构示意图；

图2是本实用新型实施例1进行压力检测的方法的流程图；

图3是本实用新型实施例2具体实施例的足底压力传感器结构示意图；

图4是本实用新型实施例2提供的足底压力检测装置结构示意图；

图5是本实用新型实施例3提供的一种简化的压电压阻复合柔性力敏传感器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型所述的一种压电压阻复合柔性力敏传感器作进一步说明。

实施例1

图1示出了一种压电压阻复合柔性力敏传感器，包括压力传感模块、信号采集与处理模块、唤醒模块、零点校正模块、无线数据通信模块、压力计算模块、高频信号校正模块以及电源模块；

所述压力传感模块包括压阻传感器组和压电传感器组，压阻传感器组用于采集压阻传感信号，压电传感器组用于采集压电传感信号；

所述唤醒模块用于激活信号采集与处理模块，使之工作；

所述信号采集与处理模块用于将压电传感器组和压阻传感器组输入的模拟信号转化为数字信号；

所述无线数据通信模块用于将信号采集与处理模块处理过后的数字信号发送至压力计算模块；

所述压力计算模块用于对接收到的压电传感信号和压阻传感信号进行分析计算并判断是否需要启用高频信号校正模块；

所述高频信号校正模块用于启用压电传感信号来动态校正压阻传感信号；

所述零点校正模块用于通过压电传感信号和压阻传感信号联合判断设备是否处于闲置状态，并且在闲置状态下对压阻传感器组进行零点校正；

所述压阻传感器组与信号采集与处理模块连接，压电传感器组通过唤醒模块与信号采集与处理模块连接；信号采集与处理模块还与所述零点校正模块和无线数据通信模块连接；所述无线数据通信模块连接压力计算模块，所述压力计算模块与高频信号校正模块连接；

所述电源模块分别与信号采集与处理模块、唤醒模块、零点校正模块、无线数据通信模块连接，用以对装置进行供电。

作为优选的，还包括一显示模块，所述显示模块与压力计算模块连接。

作为优选的，所述压阻传感器组中压阻传感器数量为2～100个，按照应用场合需要布置于传感区域。

作为优选的，所述压阻传感器组为压阻传感阵列。

作为优选的，所述压电传感器组包括1个压电传感器。

作为优选的，所述信号采集与处理模块包括压阻传感信号采集电路、压电传感信号采集电路、A/D转换器、数据处理模块和供电电子开关。

作为优选的，所述唤醒模块包括与处理电路和电压比较器，唤醒模块与信号采集与处理模块的单片机相连，唤醒模块通过触发单片机中断引脚，唤醒信号采集与处理模块进入激活状态。

作为优选的，所述无线数据通信模块采用蓝牙通讯方式与压力计算模块通讯连接。

图2示出了一种采用上述压电压阻复合柔性力敏传感器进行压力检测的方法的流程图，包括以下步骤：

S1、信号采集处理：当压电传感器组的压电传感信号超过一定阈值时，唤醒模块通过触发单片机中断引脚，唤醒信号采集与处理模块进入激活状态，进行信号处理传送，将压电传感器组和压阻传感器组输入的模拟信号转化为数字信号，此时信号采集与处理模块处于激活状态；

S2、信号传送：无线数据通信模块将得到的数字信号发送至压力计算模块；

S3、动态校正：压力计算模块对压力传感信号的频率进行动态监测，当频率小于或等于f时，判断为低频响应，只通过压阻传感器组输入的压阻传感信号来分析压力分布情况；当频率大于f时，判断为高频响应，高频信号校正模块采用压电传感器组输入的压电传感信号来动态校正压阻传感信号；

S4、信号处理与计算：压力计算模块根据接收的压电传感信号、压阻传感信号进行分析计算，并将计算结果在显示模块上显示；若压电传感信号持续在一定时间t1内低于一定阈值，信号采集与处理模块进入休眠状态(即睡眠低功耗状态)，进入步骤S5；

S5、压阻传感器组零点校正。

进一步而言，所述S3还包括：通过压电传感信号计算压力峰值和零值及相应时间点，判断压阻传感信号的迟滞情况，进而采取相应的校正措施。

在S5中，所述压阻传感器组零点校正具体包括：当信号采集与处理模块处于睡眠状态的时间超过t2时，零点校正模块通过信号采集与处理模块采集一次压阻传感器组的电阻值，并对相应压力值进行一次计算，若所有压力数值都小于一定阈值ε，则认为此时为压力零点，零点校正模块对压阻传感器组的零点阻值进行校正，储存数据并在下一次与压力计算模块通讯时发送给压力计算模块。

进一步而言，所述t1的值在2分钟～200分钟范围内。

作为优选的，所述t2的值在2小时～5小时范围内。

作为优选的，所述阈值ε的范围在0～200Pa之间。

作为优选的，所述阈值频率f的取值在1Hz～10Hz范围内。

实施例2

图3示出了本实用新型具体实施例的足底压力传感器结构示意图，本实施例为压电压阻复合柔性力敏传感器在可穿戴测力鞋垫上的应用。包括两层起保护作用的第一柔性保护层1和第二柔性保护层4，设置在第一柔性保护层1和第二柔性保护层4之间的压电传感层2和压阻传感层3，所述压电传感层2置于压阻传感层3上部；所述压电传感层2和压阻传感层3的基层采用柔性绝缘材料，相应的压电传感器组和压阻传感器组分别粘接在对应的柔性绝缘材料上。具体地，压阻传感层3中压阻传感器个数为7个，型号为FSR-402，按照生物力学分布于压阻传感层3上足底对应区域。压电传感器个数为1个，型号为LDT0-028K，布置于压电传感层2上对应的前脚掌应力集中区域。本实施中压电传感层2和压阻传感层3的基层采用的是PVDF柔性绝缘材料。

本实施例的结构框图如图4所示，信号采集与处理模块中主芯片选用深圳市信驰达科技有限公司生产的CC2540，该芯片包括了8051处理器、8路A/D转换器和蓝牙通讯模块；利用纽扣电池为信号采集与处理模块供电，压电传感信号通过整形后进入唤醒模块中的电压比较器，再连接CC2540的外部中断IO端口。睡眠状态下，使能外部中断，当压电传感信号大于电压比较器预定阈值，将触发单片机中断，使其进入激活状态，开始数据采集与无线传输，并关闭外部中断，本实施例采用的是低功率电压比较器，型号为MAX9060。

在本实施中，所述压力计算模块、高频信号校正模块和显示模块集成在手机上，当然也可以集成于智能腕表、智能手环或PC机上。

在激活状态下，CC2540通过IO口控制电子开关接通，令电池为压阻传感信号采集电路、压电传感信号采集电路供电，并通过3位IO口控制8路模拟开关CD4051，按照轮询方式选通7个压阻传感器，被选通的传感器信号经过跨阻放大器，将电阻信号转换为电压信号，和压电传感器经过电荷放大器的电压信号共同进入CC2540的多路A/D转换器。压阻传感器和压电传感器的模拟信号转化为数字信号，经过预处理后，利用CC2540的蓝牙模块发送给手机。手机计算得到压力值后，进行实时显示。

激活状态下，手机对压电传感信号进行监测，当压电传感信号连续低于阈值5分钟(t1)后，认为使用者进入到了静止状态或将已将本设备脱下，手机通知CC2540进入睡眠低功耗状态，CC2540通过电子开关关断传感采集线路电源，并停止A/D转换和数据发送。

连续保持睡眠状态3小时(t2)后，认为本设备已经被脱下，处于闲置状态。主芯片CC2540自动唤醒一次，并采集、计算一次7个压阻传感器的值。若7个传感器计算得到的压力值都低于100Pa(ε)，则确认此时各压力传感器所受压力为0，此时的电阻值变动为蠕变导致的零点漂移。将此时的电阻值标定位新的零点，并储存在主芯片中，下次唤醒并与手机连接时，自动发送新的零点电阻值给手机以供压力计算。

激活状态下，手机通过压电与压阻传感器的值动态计算人运动的步频。当步频低于2步/秒(f)时，认为人处于低速运动状态，压阻传感器计算得到的压力值即为足底压力值。当步频高于2步/秒时，认为人处于高速运动状态，比较压阻传感器与压电传感器得到的压力峰值、谷值和对应的时间点，判断压阻传感器的迟滞情况并做出相应的校正。计算后的足底压力分布在手机上实时显示。

实施例3

为了节省成本，使本实用新型的一种压电压阻复合柔性力敏传感器更加简化，还提供了一种如图5所示的传感器，由于压阻传感器压、电传感器传感器的技术已经成熟，所采集的压阻传感信号、压电传感信号已经很精确，因此本实施例中省去了零点校正模块，其余组件、连接方式保持不变，因此不作赘述。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

1、功耗低；利用单个压电传感器的信号来切换设备状态；当压力过小、压力相对静止，或者设备没有被使用的情况下，设备自动进入睡眠状态，只有压力变化幅度超过一定阈值，压电传感器才会通过唤醒模块激活信号采集与处理模块进行采集和传输数据；相对与传统的连续对电阻值进行激励测量和数据传输的技术方案，本技术方案功耗低、设备续航能力强。

2、动态性能好；在激活检测状态下，动态计算压力传感信号频率，在高频状态下，利用压电传感器信号对压阻传感信号进行修正，改善了传统压阻传感器迟滞性大，恢复时间长，造成的动态性能不佳问题。

3、稳定性、耐用性好；在睡眠状态下，利用压电传感器和压阻传感器的信号联合判断设备是否处于闲置状态，在闲置状态下对压阻传感器零点进行校正，避免了传统压阻传感器长时间使用后材料发生蠕变，零点漂移严重的问题；因此利用本技术方案得到的压力检测设备性能更加稳定、耐用性强。

综上所述，本实用新型提供了一种低功耗、耐用性好、动态性能好的压力检测装置及检测方法，可用于建立压力检测的可穿戴设备，增强了产品续航能力与数据准确性，在运动数据监测、体育训练辅助、疾病诊断与预防、机器人触觉方面有着重要的应用价值。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种压电压阻复合柔性力敏传感器，其特征在于，包括压力传感模块、信号采集与处理模块、唤醒模块、无线数据通信模块、压力计算模块、高频信号校正模块以及电源模块；

所述压力传感模块包括压阻传感器组和压电传感器组；

所述压阻传感器组与信号采集与处理模块连接，压电传感器组通过唤醒模块与信号采集与处理模块连接；信号采集与处理模块还与无线数据通信模块连接；所述无线数据通信模块连接压力计算模块，所述压力计算模块与高频信号校正模块连接；

所述电源模块分别与信号采集与处理模块、无线数据通信模块连接，用以对装置进行供电。

2.根据权利要求1所述的压电压阻复合柔性力敏传感器，其特征在于：还包括一显示模块，所述显示模块与压力计算模块连接。

3.根据权利要求1所述的压电压阻复合柔性力敏传感器，其特征在于：所述压阻传感器组为压阻传感阵列，其中包含的压阻传感器数量为2～100个，所述压电传感器组包括至少1个压电传感器。

4.根据权利要求1所述的压电压阻复合柔性力敏传感器，其特征在于：所述信号采集与处理模块包括压阻传感信号采集电路、压电传感信号采集电路、A/D转换器、数据处理模块和供电电子开关；所述压阻传感信号采集电路和压电传感信号采集电路分别与A/D转换器连接，A/D转换器与数据处理模块连接，所述压阻传感信号采集电路和压电传感信号采集电路还通过供电电子开关与电源模块连接。

5.根据权利要求1所述的压电压阻复合柔性力敏传感器，其特征在于：所述无线数据通信模块为蓝牙通讯模块。