基于压阻效应的柔性阵列压力测量传感器及其测量方法技术

本发明专利技术涉及基于压阻效应的柔性阵列压力测量传感器，包括顺序连接的行控制电路、触元传感单元、列控制电路、同向放大电路、滤波电路、微控制电路和数据通信端口，以及与触元传感单元连接的等电势屏蔽电路；所述行控制电路、等电势屏蔽电路、列控制电路与微控制电路连接。方法包括：触元传感单元上不同位置的力体现为不同电阻值的变化，测量点切换电路通过行列模拟开关选择将阵列中不同的敏感单元接入信号调理电路，将敏感单元电阻值变化转换为电压，经过电压和压力对应关系的标定得到压力。本发明专利技术以敏感单元行列分布方案为基础，实现了密度22点/cm

A flexible array pressure measuring sensor based on piezoresistive effect and its measurement method

The invention relates to a flexible array pressure sensor based on piezoresistive effect, including the order of connection line control circuit, touch sensing element unit, a column control circuit, the amplifying circuit, filter circuit, micro control circuit and data communication port, and the contact element sensing unit connected as potential shielding the circuit; control circuit, equipotential shielding circuit, column circuit and micro control circuit connection control. The method includes: different positions of the force on the contact element sensing unit to reflect changes in different resistance value, measurement point switching circuit switch will be sensitive to different signal conditioning circuit unit is connected in the array through the ranks of simulation, the sensitive unit of resistance change into a voltage through the calibration voltage and pressure relationship of pressure. The invention has realized the density of 22 point /cm on the basis of the row column distribution scheme of the sensitive unit.

【技术实现步骤摘要】
基于压阻效应的柔性阵列压力测量传感器及其测量方法
本专利技术涉及一种用于机器人电子皮肤的基于压阻效应的阵列压力测量技术。具体地说是用于测量平面力分布的测量系统及其测量方法，主要用于机器人仿生电子皮肤、人机交互等领域。
技术介绍
人类皮肤是一种非常强大的传感器，它不仅能进行多种物理量的测量，例如压力，温度，纹理等，也能同时实现同一种刺激物理量强度和刺激位置的检测。因此，从仿生学出发，对于同一种物理量检测的类皮肤测量传感器也应既能进行刺激物理量强度探测也能实现刺激位置探测，但受制于加工工艺和检测点间传感器干扰，长期以来，该类型传感器密度和精度都受到极大限制。当前此类仿皮肤测量传感器主要有两大类，一类各个测量敏感单元相互独立，测量效果好，各敏感单元间干扰较小，但主要缺点是敏感单元分布密度较小，一般分布密度最高4-7敏感单元每平方厘米；另一类是敏感单元间阵列式分布，分别引出行导线和列导线，该类型传感器密度相比较独立式可以提高约2倍，但由于引入目标敏感单元外的其他并联回来，给类型传感器目标敏感单元易受到其他敏感单元干扰，因此必须通过外部电路进行干扰抑制和滤除。由于该类型传感器性能直接影响机器人或其他设备与环境交互的效果，因此当前国内外对于仿皮肤物理量测量传感器的研究非常重视。例如美国Barrett公司针对与三指机械手研发的微力阵列式测量传感器可以辅助机械手实现对于多数物体的柔性抓取。
技术实现思路
针对上述技术不足，本专利技术的目的在于提供一种高密度(每平方厘米敏感单元数量>＝16)且敏感单元间相互干扰小并能同时实现刺激强度和刺激位置测量的阵列式压力测量系统及其测量方法，能够提高仿生电子皮肤类传感器的分布密度和测量精度。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：基于压阻效应的柔性阵列压力测量传感器，包括顺序连接的行控制电路、触元传感单元、列控制电路、同向放大电路、滤波电路、微控制器控制电路和数据通信端口，以及与触元传感单元连接的等电势屏蔽电路；所述行控制电路、等电势屏蔽电路、列控制电路与微控制器控制电路连接。所述行控制电路为多路模拟开关芯片。所述列控制电路为多路模拟开关芯片。所述触元传感单元包括压阻触元、列电极、行电极和PET薄膜；列电极、行电极之间设置多个压阻触元，列电极、行电极的外层为PET薄膜；压阻触元在同一平面上分布构成方形阵列；在行或列上的任意两个相邻压阻触元的间距相等。所述列电极、行电极为条状金属板，均为多个；行电极呈横向排列，且一行压阻触元分别连接于一个行电极上；列电极呈纵向排列，且一列压阻触元分别连接于一个列电极上；所述列电极通过采样电阻接地。所述压阻触元为压敏电阻。所述等电势屏蔽电路包括译码器和多路单刀单掷开关；多路单刀单掷开关的每个开关一端与触元传感单元的一个行电极连接、每个开关另一端与微控制器控制电路的AD输入端连接，译码器发出控制信号至单刀单掷开关的控制端，译码器的控制线与微控制器控制电路连接。基于压阻效应的柔性阵列压力测量方法，包括以下步骤：微控制器控制电路控制行控制电路选定需要采集的触元传感单元目标行i，控制等电势屏蔽电路选通除i行外的其他行，控制列控制电路选通目标列j，则触元传感单元的第i行、第j列压阻触元被选中，此时该压阻触元同采样电阻构成分压电路，采样电阻上的电压信号经过列控制电路送入同向放大电路(5)进行放大，然后经过滤波电路滤波后，发送至微控制器控制电路，微控制器控制电路接收数据后根据电压与压力的关系得到压力值。所述采样电阻上的电压信号通过以下公式得到：其中，Vout为压阻触元受到压力后输出的电压值，Ri,j代表受到压力时的第i行第j列阻值，Ref为采样电阻，Rs、R为放大倍数控制电阻，V+为行控制电路的参考电压。所述微控制器控制电路接收数据包括以下步骤：微控制器控制电路控制行控制电路、列控制电路进行切换后，启动定时器进行us级延时并阻塞等待延时到信号量；延时时间到达时触发定时器中断，在定时器中断服务中触发定时器延时信号量，ADC采集任务收到定时器延时信号量后进行ADC中断使能，使能并阻塞等待当前ADC转换完成信号量；当前ADC转换完成后触发中断服务程序，在ADC中断服务程序中触发ADC转换完成信号量，ADC采集任务收到ADC转换完信号量后读取转换结果本专利技术具有以下有益效果及优点：1.本专利技术以敏感单元行列分布方案为基础，基于行列控制电路、等电势屏蔽电路、信号处理电路和微控制器控制电路，以及嵌入式实时操作系统实现了密度22点/cm2二维平面分布力的测量，解决了当前国内外压力测量传感器密度较低、检测速度过慢等问题。2.此外该传感器基于PET薄膜基底，是一种具有较高可弯折性的传感器，可贴装于具有一定曲面特征被检测面，因此有更广泛的使用环境。3.另外该阵列压力测量方案不依赖于单一某种力敏材料，具有所有压阻式力敏材料通用特点，用户可以选择不同力敏材料实现不同范围不同精度的二维力测量。附图说明图1为本专利技术的结构示意图；其中，1行控制电路,2等电势屏蔽电路,3触元传感电路,4列控制电路,5同向放大电路,6滤波电路，7微控制器控制电路,8数据通信端口；图2为图1中阵列压力测量传感器结构示意图。其中，9力敏层，10胶水，11银导线，12PET薄膜图3为触元传感单元位置分布示意图。其中，13压阻触元，14行列电极。图4为阵列压力测量软件流程图。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术做进一步的详细说明。一种用于机器人电子皮肤的阵列压力测量系统，具体包括阵列式柔性薄膜压力测量传感器、传感器触元切换电路及其采集控制软件系统，其中施加在阵列式柔性薄膜压力测量传感器上不同位置的力体现为不同敏感单元的电阻值的变化，测量点切换电路通过行列模拟开关可以选择将阵列中不同的敏感单元接入信号调理电路，信号调理电路将敏感单元电阻值变化转换为采集系统可检测的电压变化，经过拉压力试验机进行输出电压和压力对应关系的标定，即可实现阵列式柔性薄膜压力测量传感器上不同位置压力的测量。采用本专利技术可以实现设备表面不同位置所受压力的测量，建立设备表面的二维力分布。所述测量点切换电路由行控制电路1，列控制电路4和等电势屏蔽电路2构成，信号处理电路由同相电压放大电路5和滤波电路6组成。微控制器控制电路包括微控制器主芯片，晶振电路，复位电路，调试接口，CAN总线通信电路。阵列柔性薄膜压力测量传感器敏感单元由具有单位面积施加压力越大阻值越小的压力-电阻负相关特性力敏浆料制作而成，分为7层结构，分别是顶层PET薄膜层，顶层银导线层，顶层力敏层，胶水层，底层力敏层(图3中顶层力敏层、胶水层、底层力敏层是构成压阻触元的基本结构)，底层银导线层，底层PET薄膜层，行列引线分别从底层和顶层银导线层引出。行、列电极分别构成底层银导线层、顶层银导线层。所述系统软件设计基于嵌入式实时操作系统，采用微控制器内部定时器进行触元传感单元切换延时，定时时间截至时通过信号量实现下一步程序同步，ADC采集也通过信号量实现同步，在需要读取ADC转换数据时，使能ADC中断，在ADC转换完成触发的中断中发送同步信号量，主采集任务等待到信号量后进行数据存储和发送处理。一种用于机器人电子皮肤的阵列压力测量系统，由按行列分布的触元传感单元将不同位置的压力变化转换为相应敏感本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于压阻效应的柔性阵列压力测量传感器，其特征在于：包括顺序连接的行控制电路(1)、触元传感单元(3)、列控制电路(4)、同向放大电路(5)、滤波电路(6)、微控制器控制电路(7)和数据通信端口(8)，以及与触元传感单元(3)连接的等电势屏蔽电路(2)；所述行控制电路(1)、等电势屏蔽电路(2)、列控制电路(4)与微控制器控制电路(7)连接。

【技术特征摘要】
1.基于压阻效应的柔性阵列压力测量传感器，其特征在于：包括顺序连接的行控制电路(1)、触元传感单元(3)、列控制电路(4)、同向放大电路(5)、滤波电路(6)、微控制器控制电路(7)和数据通信端口(8)，以及与触元传感单元(3)连接的等电势屏蔽电路(2)；所述行控制电路(1)、等电势屏蔽电路(2)、列控制电路(4)与微控制器控制电路(7)连接。2.根据权利要求1所述的基于压阻效应的柔性阵列压力测量传感器，其特征在于所述行控制电路(1)为多路模拟开关芯片。3.根据权利要求1所述的基于压阻效应的柔性阵列压力测量传感器，其特征在于所述列控制电路(4)为多路模拟开关芯片。4.根据权利要求1所述的基于压阻效应的柔性阵列压力测量传感器，其特征在于所述触元传感单元(3)包括压阻触元(14)、列电极、行电极和PET薄膜(13)；列电极、行电极之间设置多个压阻触元(14)，列电极、行电极的外层为PET薄膜(13)；压阻触元(14)在同一平面上分布构成方形阵列；在行或列上的任意两个相邻压阻触元的间距相等。5.根据权利要求4所述的基于压阻效应的柔性阵列压力测量传感器，其特征在于所述列电极、行电极为条状金属板，均为多个；行电极呈横向排列，且一行压阻触元分别连接于一个行电极上；列电极呈纵向排列，且一列压阻触元分别连接于一个列电极上；所述列电极通过采样电阻接地。6.根据权利要求4或5所述的基于压阻效应的柔性阵列压力测量传感器，其特征在于所述压阻触元(14)为压敏电阻。7.根据权利要求1所述的基于压阻效应的柔性阵列压力测量传感器，其特征在于所述等电势屏蔽电路(2)包括译码器和多路单刀单掷开关；多路单刀单掷开关的每个开关一端与触元传感单元(3)的一个行电极连接、每个开关另一端与微控制器控制电路(7)的AD输入端连接，译码器发出控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘连庆，贺凯，赵亮，于鹏，杨洋，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21