[实用新型]可实现三维变形量和三维压力高精度同步测量的传感阵列

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种三维参量高精度测量的传感阵列，具体为一种可实现三维变形量和三维压力高精度同步测量的传感阵列。

背景技术

界面的三维压力与三维变形量为人机工程学领域提供重要的参数指标，为座椅、鞋垫等产品提供设计、改进、评价的参考依据。针对长期处于坐卧姿态的人群，如办公室工作人员、长途客车司机、半身不遂或卧床不起的病患，若使得人体局部长期处于受压不合理状态，会导致严重的疾病。因此，对界面三维压力和三维变形量的精确测量具有重要研究意义。

为获取可靠精确的界面参数，各种测量三维压力的柔性传感阵列成为研究的热点。但目前的研究没有同时对三维压力与三维变形量进行高精度测量的传感器。三维变形量可以直观地反映出柔性界面被施加外部载荷变形以后的三维轮廓，如可通过测得三维变形量反应人椅作用包络曲面情况，增加包络曲面面积可减小人体的平均受压，从而提高座椅舒适性。因此，柔性界面的三维变形量测量同样具有重要意义。目前研究的测量系统还存在很多的局限，精确度也有待提高，如加拿大Xsensor公司、美国Tekscan公司所研发的压力分布测量系统通过数学算法投影仅能得到竖直方向的一维压力分布，测量结果不够精确。中国国家实用新型专利(公开CN104215363A)，公开了一种基于压敏导电橡胶的柔性触滑觉复合传感阵列，仅能对是否产生滑移信号进行快速判断，不能精确地测量三维变形量，且仅通过弹性压阻单元测得三维压力解耦复杂，存在迟滞现象，没有电容单元的动态性好。

由于电容式传感器具有测量灵敏度高、温度影响小、动态响应好等优点，现有技术研究更多采用组合电容式传感阵列测量界面的三维压力。中国国家实用新型专利(公布号CN103743503A)，公开了一种基于压阻式和电容式组合的柔性三维力触觉传感器，每个三维力敏感单元同时集成竖直布置的力敏感应变片和四组竖直布置的感应电容,分别对竖直法向力和水平切向力敏感。该测量系统忽略了水平和竖直布置的电极板在界面变形后会发生空间位置的变化，由于电容单元电极板受力后的空间位置无法获取，压力的空间方向无法准确测得，因此，测得的三维压力精确度不高。而且该测量系统的功能仅限于测三维压力，不能同时对三维变形量进行测量。同样，大多数采用组合式电容传感阵列测三维压力的测量系统都有上述缺陷和不足。

目前能测得三维压力的传感阵列由于结构设计的局限，分辨率都不能达到很高且结构不够紧凑。若传感器太厚会减小人体与柔性界面的负荷面积，从而使得测量只比实际值高，测量结构不够精确。如中国实用新型专利(公布号CN103134622)，公布了一种三维柔性触觉传感器阵列，由于每个传感单元都由三段柱形体组成，且垂直柱体高度达6-10mm，传感器太厚使得测量不够精确，且解耦复杂。

发明内容

本实用新型提供一种可实现三维变形量和三维压力高精度同步测量的传感阵列，以解决目前存在测量精度低，空间分辨率低，结构不够紧凑的问题。

本实用新型采用的技术方案是：包括下柔性电路板，带有凹槽的下弹性高分子基板，布置在凹槽中的电容单元和弹性压阻单元阵列，上弹性高分子基板，上柔性电路板；电容单元与弹性压阻单元集成网状传感阵列结构，其中每个电容单元与六个弹性压阻单元相邻。

本实用新型所述的下柔性电路板上的中心接触电极、周边接触电极呈凸起圆柱状，每个中心接触电极与六个相邻的周边接触电极构成一接触电极组，其中中心接触电极与电容单元相对应，六个周边接触电极分别与六个弹性压阻单元的一端相对应。

本实用新型所述的带有凹槽的下弹性高分子基板上，每个布置电容单元的凹槽分别与布置六个弹性压阻单元的凹槽相邻但不连通；布置电容单元的凹槽中心加工一通孔，通孔的直径与中心接触电极的直径相同，布置弹性压阻单元的凹槽两端分别加工一通孔，通孔的直径与周边接触电极的直径相同；保证下柔性电路板上的中心接触电极穿过下弹性高分子基板上对应的通孔与电容单元接触，周边接触电极穿过下弹性高分子基板上对应的通孔与弹性压阻单元端部接触，实现电路的接通。

本实用新型所述的布置于下弹性高分子基板凹槽中的电容单元包括下敏感电极板，中间电介质，上敏感电极板；弹性压阻单元由导电橡胶作为敏感单元，使用注射成型的方法将导电橡胶浇注到下弹性高分子基板上弹性压阻单元对应的凹槽中，构成网状传感阵列。

本实用新型所述的上弹性高分子基板有与电容单元一一对应的凹槽，且凹槽中心加工有通孔；上弹性高分子基板将网状传感阵列结构与上柔性电路板隔离，起到保护网状传感阵列结构的作用。