CN208998968U - 一种基于复频辨识的三维压力测量装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于复频辨识的三维压力测量装置。主要从下至上依次由下极板和上极板组合而成，上极板底面中心开有方形凹槽，方形凹槽的槽底面中心布置有公共电极，下极板包括下上接口电路层，上接口电路层上表面开有四个间隔阵列布置的方形槽，方形槽中置四个传感电极并中心对称布置；上极板的下表面安装接触在下极板的上表面，公共电极和传感电极之间具有间隙不接触，上下接口电路层底部均设有上下接口模块，上接口模块穿过上接口电路层自身后分别和对应传感电极连接。本实用新型的两个输出端的两组信号通过带通滤波器可提取四组谐波分量，仅需四块传感电极即可实现四个电容子单元的电容量同步测量，完成三维压力的辨识。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种压力测量装置，尤其是涉及一种基于复频辨识的三维压力测量装置。
背景技术
因人体系统的结构和功能损伤导致患者生活和工作自理能力的丧失，是一个广泛并且不可回避的社会问题。采用科学工程方法设计和制造具有多种压力感知功能的仿生假肢手系统，对病损运动系统的功能进行替代或重建，将极大满足残疾人康复工程事业的迫切需求，并推动生机电一体化技术快速发展。传统假肢手一般只具有美观效果和简单的机械操作能力，而缺乏对外界环境信息的感知能力。而机电一体化的智能假肢手则通过生机交互与功能集成，引入与人手功能类似的人工压力感知系统，以神经功能重塑的途径实现压力感知功能再造，实现人脑意识对智能假肢手的直接控制。
近年来，国内外已开展诸多柔性压力传感器的研究，并逐渐应用于智能假肢手的压力功能重建中，但在使用过程中以下重点及难题不断突显：
1)通过柔性材料的使用，压力传感器的挠曲强度和拉伸性能得到提升，但脆弱的信号导线可靠性问题被忽视，信号导线在反复弯曲和拉伸过程中的断裂是目前柔性压力传感器失效的主要原因之一；
2)三维电容式压力传感器的传感单元分布有八片电极，为实现信号的输入与输出，需同时加工与之数量相当的信号导线，错综复杂的信号线会引起信号之间相互干扰，影响测量精度。
实用新型内容
为了解决背景技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种基于复频辨识的三维压力测量装置。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
主要从下至上依次由下极板和上极板组合而成，上极板底面中心开有方形凹槽，方形凹槽的槽底面中心布置有正方形的公共电极，下极板包括从下至上层叠布置的下接口电路层和上接口电路层，上接口电路层上表面开有四个以田字形间隔阵列布置的方形槽，每个方形槽中放置四个传感电极，四个传感电极以上接口电路层中心对称布置，四个传感电极分别为第一传感电极S1、第二传感电极S2、第三传感电极S3和第四传感电极S4，第一传感电极S1和第三传感电极S3对角布置；所述上极板的下表面安装接触在下极板的上表面，公共电极和传感电极之间具有间隙不接触，下极板上的第一传感电极S1、第二传感电极S2、第三传感电极S3和第四传感电极S4分别与上极板上的公共电极S0构成四个独立的电容子单元；当四个电容子单元按正方形排列时，所测得的接触力将被分解为一组正向压力和两组剪切力分量。
上接口电路层底部设有两个上接口模块，两个上接口模块穿过上接口电路层自身后分别和第一传感电极S1和第三传感电极S3连接，下接口电路层底部设有两个下接口模块，两个下接口模块穿过下接口电路层自身和上接口电路层后再分别和第二传感电极S2和第四传感电极S4连接，上接口模块和下接口模块分别与外部的信号发射和接收连接；第一传感电极S1和第三传感电极S3作为信号输入端，第二传感电极S2和第四传感电极S4作为信号输出端，第二传感电极S2和第四传感电极S4分别经各自的运算放大器后和带通滤波器连接。
所述的上接口模块和下接口模块均为嵌装在上接口电路层和下接口电路层底部内的条状结构。
所述的下极板以柔性印刷电路板为基底。
所述的上极板以硅橡胶材料为基底。
所述的公共电极位于四个传感电极的正上方，且面积覆盖四个传感电极组成的共同面积。
所述的上极板顶面设有用于压力触探的凸起结构。
所述的第二传感电极S2和第四传感电极S4均经各自的运算放大器后和两个中心频率分别为f1和f2带通滤波器同步连接。
本实用新型测量装置的具体压力测量采用复合频率激励方式替代单频激励方式：
其中，第一传感电极S1和第三传感电极S3定义为激励端，第二传感电极S2和第四传感电极S4定义为输出端，公共电极S0作为公共端，不连接任何输入端或输出端，第一传感电极S1和第二传感电极S2之间的电容量为CT1，第二传感电极S2和第三传感电极S3之间的电容量为CT2，第三传感电极S3和第四传感电极S4之间的电容量为CT3，第一传感电极S1和第四传感电极S4之间的电容量为CT4。
激励信号从第一传感电极S1和第三传感电极S3中输入，第二传感电极S2和第四传感电极S4输出信号：第一传感电极S1输入频率为f1的激励信号Ui1，第三传感电极S3输入频率为f2的激励信号Ui2，第二传感电极S2的输出信号中包含一组频率为f1的与CT1相关的电压信号和一组频率为f2的与CT2相关的电压信号，第四传感电极S4的输出信号中包含一组频率为f1的与CT4相关的电压信号和一组频率为f2的与CT3相关的电压信号。
通过设置中心频率分别为f1和f2带通滤波器，两个传感端将分离出分别与CT1、CT2、CT3、CT4相关的四组谐波分量，仅需四个传感电极即可实现四组电容量的测量。电容量CT1、CT2、CT3、CT4的大小与传感器测量的正向压力和剪切力成比例关系，通过测量CT1、CT2、CT3、CT4的具体数值即可实现三维压力测量。
本实用新型具有的有益效果是：
1)公共电极式的测量装置设计，将较为脆弱的接口电路加工在下极板上，在一定程度上提高了上极板的挠曲刚度，使得该压力测量装置可以承受更大的拉伸与弯曲。
2)本实用新型装置能采用复合频率激励方式将两片传感电极定义为激励端，另两片传感电极定义为输出端，仅采用四片传感电极即可实现四组电容量的同步检测，解决多维信息量的检测引起系统结构的复杂化。
附图说明
图1是本实用新型测量装置剖视图。
图2是本实用新型下极板结构示意图。
图3是本实用新型上极板结构示意图。
图4是本实用新型下接口电路层仰视图。
图5是本实用新型上接口电路层仰视图。
图6是本实用新型测量工作原理图。
图7是本实用新型测量等效电路图。
图中：1、下极板，2、上极板，3、公共电极，4、传感电极，5、下接口模块，5’、上接口模块，6、下接口电路层，7、上接口电路层，8、运算放大器，9、带通滤波器，10、内部电容，11、内部阻抗。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
具体实施的装置如图1所示，从下至上依次由下极板1和上极板2组合而成。
如图1、图2、图4和图5所示，下极板1以柔性印刷电路板为基底，从下至上由下接口电路层6和上接口电路层7组成，下接口电路层6的下表面有两条沿Y轴方向平行分布的接口模块5，分别表示为T2和T4；上接口电路层7的下表面有两条沿X轴方向平行分布的接口模块5’，分别表示为T1和T3，上接口电路层7的上表面有四个对称分布的传感电极4，分别表示为S1，S2，S3和S4；其中S1连接到T1，S2连接到T2，S3连接到T3，S4连接到T4。
如图1和图3所示，上极板2以硅橡胶材料为基底，下表面加工有一个正方形凹槽，凹槽表面加工有一块公共电极3，表示为S0，公共电极的大小恰好覆盖下极板1上表面的四个传感电极4，上极板2的上表面加工为梯形块形状，目的为提高传感装置对剪切力的灵敏度，上极板2的下表面安装在下极板1的上表面上。
下极板1上的四个传感电极4和上极板2上的公共电极3构成四个独立的电容子单元，其电容量分别表示为CS1、CS2、CS3和CS4，由于四片传感电极结构完全相同，因此四个电容子单元的电容量可以表示为：
式中，ε0表示真空介电常数，AS表示传感子单元的极板面积，g1、g2、g3、g4表示四个电容子单元各自的极板间距。
当X-Y方向的剪切力作用于上极板1时，根据剪切力方向和大小的不同，三维压力测量装置四个电容子单元电容量发生相应的变化，根据电容量的不同变化可实现X-Y方向的剪切力的测量；当Z方向的压力作用于上极板1时，四个电容子单元电容量产生相同的变化，根据电容量的平均变化可以实现Z方向压力的测量，具体而言，四个电容传感子单元的电容量表示为：
其中，kx、ky、kz分别表示测量装置在X-Y-Z方向的的弹性系数，Fx、Fy、Fz分别表示X方向剪切力、Y方向剪切力和Z方向正压力，g0表示四个电容子单元初始的极板间距。
由基于柔性印刷电路板的下极板1和基于硅橡胶的上极板2替代传统的上下两层传感电极层结构，将较为脆弱的接口模块5加工在形变更小的下极板1上，在一定程度上提高了上极板2的挠曲刚度，使得该装置可以承受更大的拉伸与弯曲。
但由于接口模块5均加工在下极板1上，故检测过程中输出的并非单个电容子单元的电容量，而是任意两个输出接口之间的电容量，其中T1和T2接口模块之间的电容量表示为CT1，T2和T3接口模块之间的电容量表示为CT2，T3和T4接口模块之间的电容量表示为CT3，T4和T1接口模块之间的电容量表示为CT4，计算：
可见，外部压力-剪切力虽未直接改变四片传感电极4之间的电容量CT，但通过改变四个传感单元的电容量CS而使其产生相应变化量，经过解析式(2-3)，即可获得传感电极4之间的电容量变化与外部压力-剪切力之间的关系，并实现三维压力-剪切力的测量。
传统的电容器结构每实现一个物理量的检测就需要两片电容极板，而本实用新型所设计的三维压力测量装置只有四片传感电极4与一片公共电极3，且公共电极3即不为输入端也不为输出端。因此以单频信号做为激励信号时，同一时刻只能实现两组电容量的检测，若要实现四组电容量检测，需要分次进行，影响测量效率及测量准确性。为实现四个电容量的同步测量，每片传感电极4必须同时具备激励端和传感端两种功能，这在单频激励情况下不具备实现条件。
因此本实用新型提出复合频率激励，如图6所示，将四片电极中的S1和S3定义为激励端，S2和S4定义为传感端。测量过程中，传感电极S1输入频率为f1的激励信号Ui1，传感电极S3输入频率为f2的激励信号Ui2，传感电极S2的输出信号中包含一组频率为f1的与CT1相关的电压信号和一组频率为f2的与CT2相关的电压信号，传感电极S4的输出信号中包含一组频率为f1的与CT4相关的电压信号和一组频率为f2的与CT3相关的电压信号，通过设置运算放大器8和带通滤波器9，每个传感输出端经一个运算放大器8后分别和带通滤波器9连接，两个传感输出端将分离出分别与CT1，CT2，CT3，CT4相关的四组谐波分量，仅需四个传感电极4即可实现四组电容量的测量。
图7为基于复合频率激励的多组电容量辨识的等效电路，其中Ri代表运算放大器8的内部阻抗11，Ci代表运算放大器8的内部电容10。假设输入两组输入信号定义为：
其中，Ui1(f1)表示频率为f1的一组激励信号，ui1表示激励信号幅值，Ui2(f2)表示表示频率为f2的另一组激励信号，ui2表示激励信号幅值；
谐波分量UT1以矢量形式求解：
其中，Ri表示运算放大器8的内部阻抗大小，Csum1表示CT1和Ci的总和，ka表示功率放大器Amp1的增益，kf1代表滤波器Bp1的中心频率。UT2、UT3、UT4用相同方法推导出来。
考虑到放大器的高输入阻抗和电容式传感器的共同激励频率，电容计算为：
本实用新型装置做阵列式分布后即可与被测对象的不规则表面完全贴合，实现X-Y-Z三维压力传感，有效重建人工假肢的压力功能，提高测量效率和测量精度。
Claims (7)
1.一种基于复频辨识的三维压力测量装置，其特征在于：主要从下至上依次由下极板(1)和上极板(2)组合而成，上极板(2)底面中心开有方形凹槽，方形凹槽的槽底面中心布置有正方形的公共电极(3)，下极板(1)包括从下至上层叠布置的下接口电路层(6)和上接口电路层(7)，上接口电路层(7)上表面开有四个间隔阵列布置的方形槽，每个方形槽中放置四个传感电极(4)，四个传感电极(4)以上接口电路层(7)中心对称布置，四个传感电极分别为第一传感电极S1、第二传感电极S2、第三传感电极S3和第四传感电极S4，第一传感电极S1和第三传感电极S3对角布置；所述上极板(2)的下表面安装接触在下极板(1)的上表面，公共电极(3)和传感电极(4)之间具有间隙不接触，下极板(1)上的第一传感电极S1、第二传感电极S2、第三传感电极S3和第四传感电极S4分别与上极板(2)上的公共电极(3)构成四个独立的电容子单元；上接口电路层(7)底部设有两个上接口模块(5’)，两个上接口模块(5’)穿过上接口电路层(7)自身后分别和第一传感电极S1和第三传感电极S3连接，下接口电路层(6)底部设有两个下接口模块(5)，两个下接口模块(5)穿过下接口电路层(6)自身和上接口电路层(7)后再分别和第二传感电极S2和第四传感电极S4连接，上接口模块(5’)和下接口模块(5)分别与外部的信号发射和接收连接；第一传感电极S1和第三传感电极S3作为信号输入端，第二传感电极S2和第四传感电极S4作为信号输出端，第二传感电极S2和第四传感电极S4分别经各自的运算放大器(8)后和带通滤波器(9)连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于复频辨识的三维压力测量装置，其特征在于：所述的上接口模块(5’)和下接口模块(5)均为嵌装在上接口电路层(7)和下接口电路层(6)底部内的条状结构。
3.根据权利要求1所述的一种基于复频辨识的三维压力测量装置，其特征在于：所述的下极板(1)以柔性印刷电路板为基底。
4.根据权利要求1所述的一种基于复频辨识的三维压力测量装置，其特征在于：所述的上极板(2)以硅橡胶材料为基底。
5.根据权利要求1所述的一种基于复频辨识的三维压力测量装置，其特征在于：所述的公共电极(3)位于四个传感电极(4)的正上方，且面积覆盖四个传感电极(4)组成的共同面积。
6.根据权利要求1所述的一种基于复频辨识的三维压力测量装置，其特征在于：所述的上极板(2)顶面设有用于压力触探的凸起结构。
7.根据权利要求1所述的一种基于复频辨识的三维压力测量装置，其特征在于：所述的第二传感电极S2和第四传感电极S4均经各自的运算放大器(8)后和两个中心频率不同的带通滤波器(9)同步连接。
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