CN220305013U - 一种测量表面结构弹性参数的非接触式测量模块 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种测量表面结构弹性参数的非接触式测量模块，包括：在测量期间面向所述表面结构的基准面；传感器，用于测量对所述表面结构施加动作时所述表面结构的力学响应，所述动作至少包含按压或拉伸，所述传感器被配置为在测量期间凸出基准面地接触所述表面结构从而实现基准面与表面结构的非接触；致动器，用于驱动所述传感器实施所述动作；距离检测装置，用于获取所述基准面与所述皮肤之间的距离；处理模块，分别耦合所述传感器、所述致动器和所述距离检测装置。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种对表面结构弹性参数的非接触式测量，尤其是针对动物的皮肤或者植物的表皮的弹性特别是纵向弹性的检测。
背景技术
如人体的皮肤或植物果实的表皮等的表面结构，分析其表面的物理特性具有重要意义。以人体皮肤为例，皮肤的表面弹性对于美容领域或皮肤病领域均具有测量价值，而弹性又可以分为对皮肤纵向(法向)弹性的测量，和对皮肤横向(切向)弹性的测量。
对于皮肤纵向弹性的测量，目前市面最常见的属于CK的设备，相关专利如US5054502A所示，采用负压+光学测量，每次检测时通过将探头模块外壁的前端面压在皮肤，再通过真空用吸的方式进行拉伸，或者通过活塞用压的方式进行按压，使皮肤达到形变/位移，再结合从光发射器传输到光接收器的光强度减弱进行测量。此种方案测量时前端面压住皮肤产生压力，而皮肤本身具备一定弹性模量，例如在《Stiffness and Elasticityof the Masticatory and FacialExpression Muscles in Patients with theMasticatory MusclePain》Korean J Oral Med,Vol.34,No.3,2009的研究中人体皮肤的弹性约在0.70±0.46N左右。由于检测时前端面压住人体皮肤，而皮肤具有弹性模量且各处皮肤之间关联，前端面对其所覆盖皮肤的挤压(此处挤压的力称为外压力，指前端面与皮肤之间的压力)，将导致前端面的孔内的皮肤的弹性发生改变，改变程度与挤压程度相关，进而给检测带来误差以及较为直接的干扰。
实用新型内容
本实用新型目的是避免表面结构弹性测量时由于前端面的挤压破坏了表面结构的自然状态从而对测量带来干扰。
为此，提出一种测量表面结构弹性参数的非接触式测量模块，包括：在测量期间面向所述表面结构的基准面；传感器，用于测量对所述表面结构施加动作时所述表面结构的力学响应，所述动作至少包含按压或拉伸，所述传感器被配置为在测量期间凸出基准面地接触所述表面结构从而实现基准面与表面结构的非接触；致动器，用于驱动所述传感器实施所述动作；距离检测装置，用于获取所述基准面与所述皮肤之间的距离；处理模块，分别耦合所述传感器、所述致动器和所述距离检测装置。
本实用新型的测量模块(也称测量探头)，检测时利用距离检测装置获取的基准面与被测表面结构之间的距离，从而外部系统如机械手移动模块至基准面距表面结构的距离与上次一致，保障每次的测量基准/测量环境稳定，然后，再利用传感器在测量期间凸出基准面地接触表面结构，由于基准面与表面结构之间的非接触，因此不会对如动物的皮肤或者植物的表皮等表面结构造成挤压，进而从根源上去除外压力干扰，使得传感器能够在表面结构自然状态(未受挤压破坏的状态)下施加按压或拉伸动作进而测量表面结构的力学响应，测量结果更加准确。
本实用新型中，所述的基准面用于保持每次测量时距表面结构的距离基本相同，其中基准面应该被理解为是模块外壳上的具有传感器的外表面。
作为一种改进方案，所述距离检测装置，被配置为包括设于所述基准面的至少两个距离感应电极，其中，距离感应电极设于所述基准面的正面或背面；所述非接触式测量模块设置有耦合处理模块的电容数字转换电路(CDC)，所述电容数字转换电路耦合各个距离感应电极以获取互电容；所述处理模块，根据互电容输出距离信息，具体地，距离感应电极形成的互电容值在靠近表面结构如人体皮肤过程中发生变化，进而得出人体皮肤与基准面的距离，控制人体皮肤与基准面的距离达到预设值并保证其稳定不变。上述方案中，基于一对电极只能得出大致的距离范围，为得到更准确的距离信息，进一步的，距离检测装置的数量可以配置为至少两个，并围绕传感器布置，各个距离检测装置中距离感应电极的面积和/或间距不同，使得形成的电场线强度不同，即形成的电场线有高有低，一方面扩大测量范围给外致动器运行速度作参考，更重要的是可以利用电场线形成的高度差得到准确的接近程度。
本实用新型中，对于利用传感器按压表面结构的方案，可以将传感器配置为包括压力检测传感器，压力检测传感器耦合于致动器，其中致动器用于在测量期间驱动压力检测传感器沿与表面结构接触的法向移动。进一步，压力检测传感器被配置为第一传感器单元，所述第一传感器单元设有柔性多功能层，所述柔性多功能层的内部设置有与多功能层电连接的曲面弹性电极作为上层电极，所述上层电极下方设置有下层电极，所述上层电极与下层电极之间设置绝缘层且上层电极向下的投影至少覆盖下层电极的部分面积，所述柔性多功能层受外力形变带动上层电极改变与绝缘层的接触面积；所述非接触式测量模块设置有耦合处理模块的电容数字转换电路(CDC)，电容数字转换电路通过开关阵列耦合各个电极，用于第一传感器单元中上层电极与下层电极之间形成的电容。按压时，柔性多功能层的形变以及上层电极与下层电极之间的形成的电容反映力在法向上的分量，再配合CDC对各电极进行电容值采集,可以达到较高的力的分辨，并且，由于采用触觉方式直接测量，对于弹性力能够达到准确测量。
而对于利用传感器进行拉伸的方案，则可以将传感器被配置为包括拉力检测传感器，所述拉力检测传感器的用于接触所述表面结构的表面设置有胶粘层，例如双面胶；拉力检测传感器耦合于致动器，致动器用于在测量期间驱动拉力检测传感器沿与所述表面结构接触的法向移动。检测时，当拉力检测传感器与表面结构如人体皮肤接触，表面双面胶与人体皮肤粘合，提供预粘力，致动器带动拉力检测传感器移动，拉力检测传感器处于拉伸状态产生拉伸力，拉伸力与预粘力可得出人体皮肤与传感器的实际接触应力。本实用新型中，待检测完成后，可安装保护盖，避免双面胶与空气长期接触发生氧化反应改变粘性；或者，双面胶可做成耗材，需要检测时，将双面胶放置在表壳凹槽内，监测完成将双面胶取下，并对粘接位置进行擦拭，保证每次测试的预粘力保持相对稳定。
本实用新型中，表面结构被配置为包括动物的皮肤或者植物的表皮。
附图说明
图1示出了表面结构弹性参数的非接触测量模块的测量模块结构示意图；
图2示出了距离检测装置的电极分布示意图；
图3示出了距离检测电极的不同电极组合电场线分布示意图；
图4示出了表面结构弹性参数的非接触式测量模块的按压方案结构示意图；
图5示出了柔性上层电极与下层电极分布关系示意图；
图6-1示出了公共柔性上层电极与分组下层电极分布关系示意图；
图6-2示出了分组柔性上层电极与公共下层电极分布关系示意图；
图7示出了表面结构弹性参数的非接触式测量模块的拉伸方案结构示意图；
图8示出了检测完成后保护盖安装结构示意图；
图9示出了检测模块与表面结构的相对位置示意图。
具体实施方式
如图1所示，表面结构弹性参数的接触式测量模块主要由传感器100、致动器200、距离检测装置300、处理模块400组成。测量过程中，距离检测装置300保证检测模块与表面结构的相对位置关系，致动器200带动传感器100对表面结构进行拉伸或按压，通过传感器100的反馈的信息经由处理模块400进行分析得出表面结构的弹性参数，检测模块可由外部机械手臂控制，确保每次测量位置相对固定，且测试过程中机遇距离检测装置300的反馈信息，可确保基准面A与表皮结构相对位置关系稳定。
如图2所示，距离检测装置300至少包含两组距离检测电极，距离检测电极可配置为面积或者间距不同的电极组，距离检测电极通过处理模块400的开关阵列耦合不同电极形成不同的互电容，当检测模块接近表面结构如人体皮肤时，电容值发生变化可得知检测模块基准面与表面结构如人体皮肤的距离，这样可以避免检测模块与人体皮肤发生接触，减少伤害的同时可使皮肤保持正常状态，避免引入不必要的变形以及外力干扰。
如图3所示，距离检测电极可配置在基准面正面或者背面，当配置在正面时，距离检测电极需要贴服绝缘胶纸或者含有绝缘镀层，距离检测电极不同的电极匹配的互电容形成的电场线分布不同，可测试的距离范围存在差异，因此可提高距离检测范围且可细分距离，使得距离检测更加精准。
如图4所示，传感器100主要包含柔性上层电极101(由底部的柔性多功能层与位于多功能层内中部的向上凸出形成曲面半球的上层电极一体成型)、绝缘层102、设置于处理模块400的下层电极103组成，下层电极103与处理模块400可分离设置。传感器100在致动器200的驱动下可沿表皮结构的法向进行运动，实现对表皮结构的按压动作。距离检测装置300限制了检测模块与表皮结构的初始状态，传感器100在致动器200的作用下进行按压，由于表皮结构弹性参数不同导致在相同的位移状态，柔性上层电极101的变形量有差异，通过处理模块400对于传感器100的电容值变化判定表皮结构的弹性差异。传感器100可设置多个，求得多组均值降低测量误差。
如图5所示，柔性上层电极101受外力作用与下层电极103表面的绝缘层102接触，由于受到按压，柔性上层电极101产生形变，柔性上层电极101与下层电极103形成的互电容发生变化，通过电容值变化可得出传感器100所受法向力的大小。
如图6-1所示，下层电极103也可设置成多个分布电极，可设置成条形或者根据变形设置成不同方向的至少3个检测电极，柔性上层电极101与下层电极103不同分区，可通过处理模块的开关阵列进行匹配形成不同的互电容，当柔性上层电极101的受力变形时，根据受力方向大小不同，导致半球的变化方向与变化幅值不同，半球与下层电极103不同分区的接触面积变化不同，引起测得的电容值变化不同，进而可得出力的方向与大小。
如图6-2所示，柔性上层电极101也可以切分成多个部分，各部分之间通过绝缘层粘接一起，，各部分之间并不导通，下层电极103为一个整体作为公共电极，也可以根据不同的电极组成的电容变化值得出力的大小与方向信息。
如图7所示，该检测模块检测拉伸状态的表面特征参数时，传感器100主要由拉力传感器105、胶粘层104组成，拉力检测传感器105耦合于致动器200，致动器200在测量时驱动拉力检测传感器105与表皮结构产生相对法向移动，拉力检测传感器105与表面结构如人体皮肤接触，胶粘层104如双面胶与人体皮肤粘合，提供预粘力，致动器200带动拉力检测传感器105法向移动，拉力检测传感器105处于拉伸状态产生拉伸力，拉伸力与预粘力可得出人体皮肤与传感器100的实际接触应力，通过对比实际接触应力与致动器200的移动距离可判定表皮结构的表面物理特征参数。
如图8所示，待检测完成后，可安装保护盖500，避免双面胶与空气长期接触发生氧化反应改变粘性；或者，胶粘层104可做成耗材，需要检测时，将胶粘层104放置在表壳凹槽内，检测完成将胶粘层104取下，并对粘接位置进行擦拭，保证每次测试的预粘力保持相对稳定。
如图9所示，表面结构物理特性检测模块对表面结构600的检测可包含法向按压或法向拉伸等作用，表面结构600可被配置为人体或动物皮肤或植物表皮。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对本实用新型保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的实质和范围。
Claims (9)
1.一种测量表面结构弹性参数的非接触式测量模块，其特征在于，包括：
在测量期间面向所述表面结构的基准面；
传感器，用于测量对所述表面结构施加动作时所述表面结构的力学响应，所述动作至少包含按压或拉伸，所述传感器被配置为在测量期间凸出基准面地接触所述表面结构从而实现基准面与表面结构的非接触；
致动器，用于驱动所述传感器实施所述动作；
距离检测装置，用于获取所述基准面与所述表面结构之间的距离；
处理模块，分别耦合所述传感器、所述致动器和所述距离检测装置。
2.根据权利要求1所述的非接触式测量模块，其特征在于：
所述距离检测装置，被配置为包括设于所述基准面的至少两个距离感应电极；
所述非接触式测量模块设置有耦合处理模块的电容数字转换电路，所述电容数字转换电路耦合各个距离感应电极以获取互电容；
所述处理模块，根据所述互电容输出所述基准面与所述表面结构之间的距离信息。
3.根据权利要求2所述的非接触式测量模块，其特征在于：所述距离感应电极设于所述基准面的正面或背面。
4.根据权利要求2所述的非接触式测量模块，其特征在于：
所述距离检测装置的数量被配置为至少两个，并围绕所述传感器布置，各个距离检测装置中距离感应电极的面积和/或间距不同。
5.根据权利要求1所述的非接触式测量模块，其特征在于：
所述传感器被配置为包括压力检测传感器；
压力检测传感器耦合于所述致动器，致动器用于在测量期间驱动压力检测传感器沿与所述表面结构接触的法向移动。
6.根据权利要求5所述的非接触式测量模块，其特征在于：
所述压力检测传感器被配置为第一传感器单元，所述第一传感器单元设有柔性多功能层，所述柔性多功能层的内部设置有与多功能层电连接的曲面弹性电极作为上层电极，所述上层电极下方设置有下层电极，所述上层电极与下层电极之间设置绝缘层且上层电极向下的投影至少覆盖下层电极的部分面积，所述柔性多功能层受外力形变带动上层电极改变与绝缘层的接触面积；
所述非接触式测量模块设置有耦合处理模块的电容数字转换电路，电容数字转换电路通过开关阵列耦合各个电极，用于第一传感器单元中上层电极与下层电极之间形成的电容。
7.根据权利要求1所述的非接触式测量模块，其特征在于：
所述传感器被配置为包括拉力检测传感器，所述拉力检测传感器的用于接触所述表面结构的表面设置有胶粘层；
拉力检测传感器耦合于所述致动器，致动器用于在测量期间驱动拉力检测传感器沿与所述表面结构接触的法向移动。
8.根据权利要求7所述的非接触式测量模块，其特征在于：所述胶粘层被配置为双面胶。
9.根据权利要求1所述的非接触式测量模块，其特征在于：所述表面结构被配置为包括动物的皮肤或者植物的表皮。
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