本實(shí)用新型涉及壓力檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種柔性壓力傳感系統(tǒng)，可用于醫(yī)療康復(fù)過(guò)程中壓力分布狀態(tài)的檢測(cè)。

背景技術(shù)：

隨著，微電子技術(shù)和新材料研制的不斷發(fā)展，物體間接觸的壓力大小的測(cè)量與分析在許多行業(yè)的研究和發(fā)展中起著極其重要的作用，其可直接應(yīng)用于機(jī)器人的電子皮膚、智能仿生、生物醫(yī)療檢測(cè)、智能機(jī)器人等領(lǐng)域。

傳統(tǒng)的電阻式壓力傳感器具有僵硬、不能伸縮等缺點(diǎn)，不適合應(yīng)用于柔性場(chǎng)合的測(cè)量；而近年來(lái)發(fā)展迅速的電容式壓力傳感器雖然在一定程度上解決了柔性問(wèn)題但其測(cè)量范圍內(nèi)獲得不了較高的分辨率，不能十分清晰準(zhǔn)確的反映被測(cè)量物體的狀況；如專利CN105997088A中公開(kāi)一種基于柔性力敏傳感器的睡眠呼吸檢測(cè)裝置，該裝置包括柔性力敏陣列床墊，該床墊雖然可以穩(wěn)定的測(cè)量出壓力分布圖像，但是由于其上、下電極層電極的間距過(guò)大，電容單元的陣列密度低，其測(cè)量的分辨率不夠高，當(dāng)減少電極寬度和相鄰間距，則會(huì)使得電容單元的變小，則傳感器單元容易受到各種電氣噪音的干擾如由電線、電路板和傳感器本身帶來(lái)的干擾，而導(dǎo)致無(wú)法獲得高分辨率的傳感器。

因此提供一種具有柔性化、高分辨率、高穩(wěn)定性的柔性壓力傳感系統(tǒng)，成為現(xiàn)有技術(shù)中亟待解決的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型擬解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種柔性壓力傳感系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用陣列電容的原理，在保證柔性的同時(shí)可實(shí)現(xiàn)電容單元的高密度陣列，進(jìn)而獲得更高的分辨率。

本實(shí)用新型解決所述技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案是：提供一種柔性壓力傳感系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括柔性壓力傳感器、信號(hào)采集裝置和上位機(jī)；所述上位機(jī)通過(guò)信號(hào)采集裝置與柔性壓力傳感器的輸出端連接，信號(hào)采集裝置用來(lái)采集柔性壓力傳感器的信號(hào)，上位機(jī)對(duì)采集來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將作用于柔性壓力傳感器上的壓力分布狀態(tài)呈現(xiàn)在上位機(jī)的顯示屏中，得到壓力分布圖像；

所述柔性壓力傳感器由上至下依次包括上緩沖層、上電極層、介電層、下電極層和下緩沖層，且上緩沖層、上電極層、介電層、下電極層和下緩沖層均包裹在屏蔽層內(nèi)，所述屏蔽層采用防輻射布，屏蔽層接地；上電極層和下電極層上分別設(shè)有M條和N條帶狀平行電極，且上電極層和下電極層上的平行電極在空間上垂直相交；這樣每個(gè)上電極層和下電極層的平行電極交叉的部分則構(gòu)成了一個(gè)電容單元，即該柔性壓力傳感器是由M×N個(gè)電容單元陣列而成，每一個(gè)電容單元都是一個(gè)小的傳感器單元；上電極層和下電極層上的電極材料為導(dǎo)電布；介電層為高分子聚酯類泡沫；

所述信號(hào)采集裝置包括交流信號(hào)源、開(kāi)關(guān)掃描裝置和數(shù)據(jù)采集模塊，交流信號(hào)源為正弦信號(hào)源；所述開(kāi)關(guān)掃描裝置為一個(gè)多路開(kāi)關(guān)，交流信號(hào)源與開(kāi)關(guān)掃描裝置的輸入端連接，開(kāi)關(guān)掃描裝置的M路輸出端與上電極層的M條電極相連；

數(shù)據(jù)采集模塊包括數(shù)據(jù)采集卡和N路采樣電阻，每路采樣電阻分別連接柔性壓力傳感器的下電極層上的N條平行電極，N路采樣電阻同時(shí)連接數(shù)據(jù)采集卡連接，使用數(shù)據(jù)采集卡采集每路采樣電阻的電壓；同時(shí)數(shù)據(jù)采集卡與交流信號(hào)源連接，為交流信號(hào)源提供信號(hào)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是：

1)測(cè)得的壓力分布圖分辨率高。該柔性壓力傳感器使用了較小寬度的電極，使得每一個(gè)傳感器單元更小，提高傳感器單元的分布密度，在相同面積下，其陣列的電容單元為之前同類的3倍，從而獲得了更高的分辨率。

2)靈敏度更高。本實(shí)用新型使用柔性導(dǎo)電布作為電極材料時(shí)，電極電阻較小，這使得每一個(gè)電容單元更加靈敏，能夠測(cè)得較小的壓力，測(cè)量精度提到；另一方面本實(shí)用新型采用的平行電極寬度變小，則每一個(gè)電容的相對(duì)面積變小，初始電容變小，使得該柔性壓力傳感器更加靈敏。

3)柔性更好。與現(xiàn)有技術(shù)中印刷到柔性材料的導(dǎo)電電路相比，本實(shí)用新型柔性壓力傳感器電極采用的一種類似棉布的導(dǎo)電材料(簡(jiǎn)稱導(dǎo)電布)，與被檢測(cè)者接觸時(shí)，更加柔軟，舒服，更易被檢測(cè)者接受。

附圖說(shuō)明

圖1是本實(shí)用新型柔性壓力傳感系統(tǒng)的一種實(shí)施例的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實(shí)用新型中所述柔性壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本實(shí)用新型中所述柔性壓力傳感器的剖視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本實(shí)用新型柔性壓力傳感系統(tǒng)的信號(hào)采集的原理示意圖；

圖5為本實(shí)用新型柔性壓力傳感系統(tǒng)的一種實(shí)施例信號(hào)采集裝置的結(jié)構(gòu)框圖；

圖中，1、被檢測(cè)者，2、床墊，3、柔性壓力傳感器，4、信號(hào)采集裝置，5、上位機(jī)；31、上緩沖層，32、上電極層，33、介電層，34、下電極層，35、下緩沖層，36、屏蔽層；41、交流信號(hào)源，42、開(kāi)關(guān)掃描裝置，43、數(shù)據(jù)采集模塊。

具體實(shí)施方式

為了使本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)上述的功能，以下實(shí)施例將結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型提供的一種柔性壓力傳感系統(tǒng)做出具體闡述。

本實(shí)用新型柔性壓力傳感系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱系統(tǒng)，參見(jiàn)圖1-5)包括柔性壓力傳感器3、信號(hào)采集裝置4和上位機(jī)5；所述上位機(jī)5通過(guò)信號(hào)采集裝置4與柔性壓力傳感器3的輸出端連接，信號(hào)采集裝置用來(lái)采集柔性壓力傳感器3的信號(hào)，上位機(jī)對(duì)采集來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將作用于柔性壓力傳感器3上的壓力分布狀態(tài)呈現(xiàn)在上位機(jī)的顯示屏中，得到壓力分布圖像；

所述柔性壓力傳感器3由上至下依次包括上緩沖層31、上電極層32、介電層33、下電極層34和下緩沖層35，且上緩沖層31、上電極層32、介電層33、下電極層34和下緩沖層35均包裹在屏蔽層36內(nèi)，所述屏蔽層36采用柔軟的防輻射布，屏蔽層36接地；上電極層32和下電極層34上分別設(shè)有M條和N條帶狀平行電極，且上電極層32和下電極層34上的平行電極在空間上垂直相交；這樣每個(gè)上電極層32和下電極層34的平行電極交叉的部分則構(gòu)成了一個(gè)電容單元，即該柔性壓力傳感器是由M×N個(gè)電容單元陣列而成，每一個(gè)電容單元都是一個(gè)小的傳感器單元；上電極層和下電極層上的電極材料為一種柔性導(dǎo)電布，具有良好的導(dǎo)電性和柔性，與之前印刷在電極層上的導(dǎo)電橡膠相比較，該柔性導(dǎo)電布不僅柔性更好，人接觸的時(shí)候感覺(jué)更舒適，而且其材料本身電阻小，每條帶狀平行電極的電阻僅2～3歐，使得每個(gè)傳感器單元更靈敏，精度更高；介電層33為高分子聚酯類泡沫，類似海綿之類的物質(zhì)，一方面這種材質(zhì)柔軟，使得柔性壓力傳感器3有很好的柔性，當(dāng)被檢測(cè)者躺在鋪有柔性壓力傳感器3的護(hù)理床上時(shí)，可以感覺(jué)到舒適；另一方面，該材料有合適的彈性模量，保證在其感受到一定壓力后，被壓縮；同時(shí)，當(dāng)壓力消失后，可以很好恢復(fù)到初始狀態(tài)。

所述信號(hào)采集裝置包括交流信號(hào)源41、開(kāi)關(guān)掃描裝置42和數(shù)據(jù)采集模塊43，交流信號(hào)源41為一個(gè)振幅5V頻率1000Hz的正弦信號(hào)源；所述開(kāi)關(guān)掃描裝置42為一個(gè)多路開(kāi)關(guān)，型號(hào)為NI PXI/PXIe-2527，交流信號(hào)源41與開(kāi)關(guān)掃描裝置42的輸入端連接，開(kāi)關(guān)掃描裝置42的M路輸出端與上電極層的M條電極相連，配置開(kāi)關(guān)掃描裝置，使開(kāi)關(guān)掃描裝置的內(nèi)部開(kāi)關(guān)從1路到M路不斷切換，從而使得柔性壓力傳感器的上電極層的平行電極從第1條到第M條周期性的接收到信號(hào)源，從而形成周期性掃描；

數(shù)據(jù)采集模塊43包括數(shù)據(jù)采集卡和N路采樣電阻，每路采樣電阻分別連接柔性壓力傳感器3的下電極層34上的N條平行電極；數(shù)據(jù)采集卡采集采樣電阻的電壓，由數(shù)據(jù)采集卡上的N個(gè)模擬輸入串口實(shí)現(xiàn)；即將柔性壓力傳感器3的下電極層35上的N條帶狀電極分別外接采樣電阻，N路采樣電阻同時(shí)連接數(shù)據(jù)采集卡連接，使用數(shù)據(jù)采集卡采集每路采樣電阻的電壓；同時(shí)數(shù)據(jù)采集卡與交流信號(hào)源41連接，為交流信號(hào)源提供信號(hào)。

隨著開(kāi)關(guān)掃描裝置42的周期性掃描，數(shù)據(jù)采集卡會(huì)不斷的讀取每一行電容單元的壓力信號(hào)，當(dāng)開(kāi)關(guān)掃描裝置從1路掃描到N路時(shí)，完成一個(gè)周期的掃描，得到所有傳感器單元受外界壓力下所對(duì)應(yīng)的采樣電阻的電壓數(shù)值。再將采集到的數(shù)據(jù)傳入上位機(jī)5，對(duì)這一個(gè)掃描周期所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。當(dāng)外界無(wú)壓力時(shí)，則會(huì)采集到一組初始值，以初始值為基準(zhǔn)，將采集到的不同壓力下的數(shù)據(jù)，在上位機(jī)中經(jīng)過(guò)低通濾波器濾波、放大，再進(jìn)行直流平均算法等處理，即對(duì)放大后的數(shù)據(jù)計(jì)算均方根，提取交流信號(hào)中的直流值；然后每次截取50個(gè)值，取其平均值，以獲得穩(wěn)定的直流信號(hào)，將直流信號(hào)以0.05v為一個(gè)梯度，數(shù)據(jù)每相差0.05之后，便改變一種顏色，填充到壓力分布圖中，最終在上位機(jī)的顯示屏中顯示不同狀態(tài)的壓力分布圖像。

本實(shí)用新型的進(jìn)一步特征在于所述數(shù)據(jù)采集卡的型號(hào)為NI PXI-6251，開(kāi)關(guān)掃描裝置為NI-PXI/PXIe 2527多路開(kāi)關(guān)板卡。

圖1所示實(shí)施例表明，本實(shí)用新型柔性壓力傳感系統(tǒng)包括柔性壓力傳感器3、信號(hào)采集裝置4和上位機(jī)5，柔性壓力傳感器3與信號(hào)采集裝置4連接，信號(hào)采集裝置與上位機(jī)進(jìn)行雙向通信，使用時(shí)將信號(hào)柔性壓力傳感器3平整放置在床墊2之上，當(dāng)被檢測(cè)者躺下時(shí)，則柔性壓力傳感器3感受到壓力，將被檢測(cè)者對(duì)柔性壓力傳感器的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，由數(shù)據(jù)采集裝置采集該電信號(hào)，并傳入上位機(jī)5中，在上位機(jī)5中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終在上位機(jī)5的顯示屏中輸出壓力分布的圖像。

圖2所示實(shí)施例表明，本實(shí)用新型柔性壓力傳感系統(tǒng)的柔性壓力傳感器的結(jié)構(gòu)是：包括上電極層32、下電極層34和介電層33，介電層位于上電極層與下電極層之間，此外還包括上緩沖層31、下緩沖層35和屏蔽層36(參見(jiàn)圖3)。所述上緩沖層和下緩沖層均采用柔性材料制成，分別位于上電極層和下電極層的上部和下部，上電極層和下電極層上設(shè)有帶狀平行電極，該平行電極為一種柔性導(dǎo)電布制成，上電極層的M條平行電極與下電極層的N條平行電極空間垂直相交，所述上、下電極層的平行電極分別通過(guò)導(dǎo)線與信號(hào)采集裝置中的回路相連接；上電極層32、介電層33、下電極層34、上緩沖層31、下緩沖層35均包裹在屏蔽層36內(nèi)。

圖5所示實(shí)施例表明，本實(shí)用新型柔性壓力傳感系統(tǒng)的信號(hào)采集裝置4包括交流信號(hào)源41、開(kāi)關(guān)掃描裝置42和數(shù)據(jù)采集模塊43，數(shù)據(jù)采集模塊43包括N路采樣電阻和數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡與采樣電阻連接，采集采樣電阻電壓，每路采樣電阻分別連接柔性壓力傳感器3的下電極層34上的N條平行電極；同時(shí)數(shù)據(jù)采集卡為交流信號(hào)源提供信號(hào)，交流信號(hào)源與開(kāi)關(guān)掃描裝置的輸入端連接，開(kāi)關(guān)掃描裝置與柔性壓力傳感器3的上電極層上的M根平行電極連接(參見(jiàn)圖4)。

具體柔性壓力傳感器的實(shí)現(xiàn)方法如圖4(圖4中所示為將M、N＝3的情況下的示意圖)所示：交流信號(hào)源41輸出一個(gè)5V、1000Hz的正弦信號(hào)；然后接入開(kāi)關(guān)掃描裝置42；將振幅5V頻率1000Hz的正弦信號(hào)源接入一個(gè)1線32路的開(kāi)關(guān)掃描裝置，通過(guò)開(kāi)關(guān)掃描裝置，接出M個(gè)信號(hào)，然后與柔性壓力傳感器3的上電極層32上的M根電極連接，當(dāng)開(kāi)關(guān)掃描裝置從1路掃描到M路時(shí)，即完成一個(gè)周期的掃描，則正弦信號(hào)源會(huì)依次與上電極層的M條平行電極接通，保持短暫時(shí)間后斷開(kāi)；將下電極層34上的每條平行電極連接一個(gè)采樣電阻，然后接地，這就形成一個(gè)完整的閉合回路。數(shù)據(jù)采集卡采集每路采樣電阻兩端的電壓，即當(dāng)交流信號(hào)源接通到某一行平行電極時(shí)，則可以同時(shí)采集到該行的所有傳感器單元的信號(hào)，開(kāi)關(guān)掃描裝置進(jìn)行周期性掃描，則保證信號(hào)源周期性依次接入1路到M路電路，即而可以周期性采集到全部傳感器單元的信號(hào)。

本實(shí)用新型柔性壓力傳感系統(tǒng)的工作原理及過(guò)程：

工作原理：柔性壓力傳感器3是由上緩沖層31、上電極層32、介電層33、下電極層34、下緩沖層35以及屏蔽層36組成；上、下電極層上分別是M條和N條帶狀平行電極，且上、下電極層的平行電極在空間上垂直相交；這樣每個(gè)上、下層交叉的部分則構(gòu)成了一個(gè)電容單元，即該柔性壓力傳感器是由M×N個(gè)電容單元陣列而成。電容的計(jì)算公式為：其中ε₀為真空的介電常數(shù)；ε為介電層相對(duì)與真空的介電常數(shù)；s為每個(gè)電容單元的面積，即相互垂直的電極交叉的面積；d為兩個(gè)平行電極之間的距離，即介電層的厚度。所以，當(dāng)外界施加壓力時(shí)，s一定，距離d改變，導(dǎo)致電容C改變。

工作過(guò)程：交流信號(hào)源由數(shù)據(jù)采集卡上的一個(gè)模擬輸出端口輸出，開(kāi)關(guān)掃描裝置則由NI-PXI/PXIe 2527多路開(kāi)關(guān)板卡實(shí)現(xiàn)，將模擬輸出端口的線與多路開(kāi)關(guān)板卡的公共端(COM端)相連，將多路開(kāi)關(guān)的M路輸出端與上電極層的M條平行電極相連，將下電極層的N條平行電極外接采樣電阻R0，然后接地，形成閉合回路；將數(shù)據(jù)采集卡的N個(gè)模擬輸入端口分別接到采樣電阻兩端，來(lái)采集采樣電阻兩端電壓。當(dāng)開(kāi)關(guān)掃描裝置從第一路切換到第M路完成一個(gè)周期的掃描時(shí)，則數(shù)據(jù)采集裝置將采集到M×N個(gè)傳感器的全部信號(hào)，保存，傳入上位機(jī)，上位機(jī)對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行濾波、去噪、放大等處理后，在上位機(jī)中輸出壓力分布圖像。

實(shí)施例1

本實(shí)施例柔性壓力傳感系統(tǒng)包括柔性壓力傳感器、信號(hào)采集裝置和上位機(jī)；所述上位機(jī)通過(guò)信號(hào)采集裝置與柔性壓力傳感器的輸出端連接，信號(hào)采集裝置用來(lái)采集柔性壓力傳感器的信號(hào)，上位機(jī)對(duì)采集來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將作用于柔性壓力傳感器上的壓力分布狀態(tài)呈現(xiàn)在上位機(jī)的顯示屏中，得到壓力分布圖像；

所述柔性壓力傳感器由上至下依次包括上緩沖層、上電極層、介電層、下電極層和下緩沖層，且上緩沖層、上電極層、介電層、下電極層和下緩沖層均包裹在屏蔽層內(nèi)，所述屏蔽層采用柔軟的防輻射布，屏蔽層接地；上電極層和下電極層上分別設(shè)有M條和N條帶狀平行電極，且上電極層和下電極層上的平行電極在空間上垂直相交；這樣每個(gè)上電極層和下電極層的平行電極交叉的部分則構(gòu)成了一個(gè)電容單元，即該柔性壓力傳感器是由M×N個(gè)電容單元陣列而成，每一個(gè)電容單元都是一個(gè)小的傳感器單元；上電極層和下電極層上的電極材料均為柔性導(dǎo)電布；介電層為高分子聚酯類泡沫；

所述信號(hào)采集裝置包括交流信號(hào)源、開(kāi)關(guān)掃描裝置和數(shù)據(jù)采集模塊，交流信號(hào)源為正弦信號(hào)源；所述開(kāi)關(guān)掃描裝置為一個(gè)多路開(kāi)關(guān)，交流信號(hào)源與開(kāi)關(guān)掃描裝置的輸入端連接，開(kāi)關(guān)掃描裝置的M路輸出端與上電極層的M條電極相連；

數(shù)據(jù)采集模塊包括數(shù)據(jù)采集卡和N路采樣電阻，每路采樣電阻分別連接柔性壓力傳感器的下電極層上的N條平行電極，N路采樣電阻同時(shí)連接數(shù)據(jù)采集卡連接，使用數(shù)據(jù)采集卡采集每路采樣電阻的電壓；同時(shí)數(shù)據(jù)采集卡與交流信號(hào)源連接，為交流信號(hào)源提供信號(hào)。

本實(shí)施例中每條平行電極的寬度為9mm；相鄰兩條平行電極之間的間距為7mm，每平方分米中可陣列39個(gè)傳感器單元。

相比現(xiàn)有技術(shù)(CN105997088A)中所提的同類傳感器的每條電極的寬度和以及電極間距均為14mm，每個(gè)傳感器單元所占的面積為14×14mm²，每平方分米中僅可陣列13個(gè)傳感器單元，即本實(shí)施例中所述的柔性壓力傳感器在結(jié)構(gòu)上通過(guò)減小電極寬度和間距使得每平方米的傳感器單元數(shù)可達(dá)到之前同類傳感器單元數(shù)的3倍，即傳感器單元的單位密度提升為之前的3倍。而如果按照現(xiàn)有技術(shù)僅通過(guò)減少電極寬度和相鄰間距，則使得傳感器單元的初始電容值變小，即電容容易受到各種干擾如由電線、電路板和傳感器單元之間本身帶來(lái)的交叉干擾，而導(dǎo)致無(wú)法獲得高精度。本實(shí)用新型在柔性壓力傳感器的結(jié)構(gòu)上外加了屏蔽層36，有效減少了傳感器單元的抗干擾能力，同時(shí)采用柔軟的防輻射布將整個(gè)柔性壓力傳感器封閉，接地處理，能屏蔽干擾信號(hào)，還能保證整個(gè)柔性壓力傳感器的柔性。

本實(shí)用新型未述及之處適用于現(xiàn)有技術(shù)。