[发明专利]基于电阻抗层析成像的触觉压力传感器与信号采集方法

权利要求书

1.一种基于电阻抗层析成像的触觉压力传感器，其特征在于，包括：位于上层的连接激励信号源的激励层，位于下层的边缘布置有电极阵列的探测层，位于激励层与探测层之间的绝缘层；所述的激励层的制备材料为涂有非极性聚合物的高导电织物，非极性聚合物的介电常数ε＝0～2，高导电织物的电导率在10²—10⁴S/cm范围内；所述的探测层的制备材料为涂有弱极性聚合物的低导电织物，弱极性聚合物的介电常数ε＝3～10，低导电织物的电导率为0.5—10S/cm范围内；所述的激励层与探测层由绝缘层实现零压力无接触状态；所述的探测层的边缘均匀布置有N个电极，N为大于8的正整数，在测量时，选择两个电极，一个作为接地点，另外一个作为测量点。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述的探测层的N个电极分别连接通道选择器的一个输入端，通道选择器的输出端连接电压测量设备；在激励层施加激励电流后，在施加压力前后，通道选择器以设定速率依次选通两个通道，测量两个电极间的电压信号。

3.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，所述的电极有12个。

4.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，所述的绝缘层电导率为10²—10S/cm，弹性模量在10²—10⁵Pa。

5.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述的传感器在测量时，设接触阻抗为R_p，在探测层某一位置(x,y)接触时，探测层串联到电路中的阻抗为R_xy和C_xy，R_xy为阻抗实部，C_xy为阻抗虚部，则两个电极间的电势E_c如下：

其中，I是激励信号的电流，j表示信号的虚部，w是激励信号的角频率，w与激励信号频率f的关系为w＝2πf。

6.一种基于权利要求1、2或5所述的传感器的信号采集方法，其特征在于，包括：

测量过程：在某一压力的施加过程中，利用不同频率的多频正弦电流信号依次激励，以设定的固定速率依次选通(1,2)(1,3)…(1,N)(2,3)(2,4)…(2,N)(3,4)…(N-1,N)的通道，进行电压信号的测量，对每组电极测量得到电势结果E_c1,E_c2……E_cn；

解耦过程：根据两电极间的电势的计算公式建立线性方程，求解接触阻抗R_p，探测层串联到电路中的阻抗R_xy和C_xy；

施加压力的大小求解过程：由于接触阻抗R_p和施加作用力P之间存在反比例关系，表示为R_p＝αP^γ，其中，α和γ是常数，由传感器的材料特性决定；通过在测量过程和解耦过程获取在施加压力的过程中R_p的相对值变化，对阻抗R_p和压力P进行拟合，解算压力P大小；

施加压力的位置求解过程：根据测量过程的电势结果，得到矩阵Ψ，Ψ中元素根据选取的电极i和j所测量的电势E_c得到，计算如下：

计算对应传感器图像的灵敏度矩阵S，S反映了每一个像素点上的单位电导率变化引起的测量电压变化，对于像素点位置(x,y)，通过电极i和j测量，得到映射值S_i,j(x,y)如下：

式中，p(x,y)表示传感器图像形状关于像素点位置(x,y)的函数，E_0i(x,y)表示无触压时电极i在位置(x,y)检测的电压，E_0j(x,y)表示无触压时电极j在位置(x,y)检测的电压，I表示激励电流；

计算灰度矩阵g＝S^-1Ψ，根据g中最大值与梯度最大值确定压力的位置与接触区域。