[发明专利]一种电量识别和刚度筛选的耦合式传感方法及其传感系统

权利要求书

1.一种电量识别和刚度筛选的耦合式传感系统的传感方法，压电驻极体薄膜涂覆在后端电极的前表面，其特征在于，所述传感方法包括以下步骤：

1)前端电极与后端电极之间存在空气间隙；前端电极接地，电阻的一端接地，另一端连接至后端电极的后表面，后电极的后表面连接至电压跟随电路；

2)当耦合识别探头的前端靠近并接触目标物体时，电阻两端产生感应电信号；

3)继续按压耦合识别探头，具有弹性的前端电极发生形变，产生形变电信号，与感应电信号耦合；当耦合识别探头接触物体并按压设定位移后，若目标物体的刚度大于前端电极的阈值刚度，前端电极表现出非线性屈曲特性，反之若目标物体的刚度小于前端电极的阈值刚度，前端电极不表现出非线性屈曲特性；当前端电极发生非线性屈曲时，前端电极在短时间内从原来位置突跳到另一位置，前端电极与后端电极之间的空气间隙在短时间内急剧减小，电阻两端会产生一个明显的脉冲型形变电信号，即屈曲电信号；

4)感应电信号和形变电信号耦合至电压跟随电路进行阻抗匹配，输入至低通滤波电路和运算放大电路进行滤波和放大，输入至微处理器；

5)微处理器节解耦合出感应电信号与形变电信号；

6)对于感应电信号，微处理器通过数值运算识别目标物体的带电量，输出至显示装置显示；

7)对于形变电信号，微处理器通过电压比较器与设置的阈值电压比较峰值大小，判断该形变电信号是否为屈曲电信号，从而判断前端电极是否发生非线性屈曲，进而完成目标物体的刚度筛选。

2.如权利要求1所述的传感方法，其特征在于，在步骤7)中，微处理器通过模数转换芯片将电压波形进行量化、编码以及记录电压波形；微处理器接收的电压波形后根据第一个电压峰值幅度来计算目标物体所带电量，然后将第二个电压峰值幅度传递给电压比较电路与阈值电压比较来判断耦合识别探头的前端电压有没有发生非线性屈曲，进而判断目标物体刚度阈值。

3.如权利要求1所述的传感方法，其特征在于，还包括多个耦合识别探头排成平面阵列，耦合识别探头的前端电极的前端位于同一平面内；通过调整前端电极的球形拱顶结构的结构参数来调节前端电极的刚度，使得每个前端电极拥有不同的刚度；每一个耦合识别探头分别连接至电压跟随电路的一个通道，微处理器的每一个通道与电压比较电路的一个通道相对应，从而每一个耦合识别探头对应电压比较电路的一个通道，针对前端电极的刚度设置一个相应的阈值电压；每一个耦合识别探头的形变信号与相应的阈值电压进行比较，从而判断哪个耦合识别探头的前端电极发生了非线性屈曲，从而得到目标物体刚度的上下限，进而明确目标物体的刚度所在的范围区间。

4.如权利要求3所述的传感方法，其特征在于，根据位于不同位置的多个探头识别出的电荷量得到物体表面的电荷分布，将电荷相加即得到物体的总电荷量。

5.如权利要求1所述的传感方法，其特征在于，电阻R两端的形变电压Vd(t)满足下面方程组：

按照设定的速度按压目标物体，这样C₁(t)的变化规律已知，计算出前端电极未发生非线性屈曲时的理论的形变电压最大值，并将该形变电压最大值设定为阈值电压，以此判断前端电极是否发生非线性屈曲，其中，Q_d(t)为后端电极的形变电荷，Q_e为压电驻极体薄膜的带电量，C₁(t)和C_e分别为前端电极与目标物体的表面之间以及空气电容与压电驻极体电容。