基于EIT技術的柔性壓敏傳感器的制作方法

本發明涉及電阻抗斷層成像及傳感技術領域，特別涉及一種基于EIT技術的柔性壓敏傳感器。

背景技術：

柔性壓敏傳感器具有優越的延展性和敏感性，在機器人產業，智能裝備及工業自動化等領域發展迅速，其中陣列式傳感器應用最為廣泛。這類傳感器主要由壓電式、電容式或壓阻式等多個微小傳感單元嵌入柔性基體中組成，由于各種陣列式傳感器需要大量的傳感單元，單元陣列之間有復雜而微小的通信設備，制作工藝復雜、制造成本高；另外，基體內部大量布線降低了傳感器的拉伸性與柔韌性，限制了其應用空間和功能。因此，針對陣列式傳感器的一些缺陷，尋找一種新技術替代現有陣列式傳感器的設計方法很有價值。

二十世紀七十年代，隨著醫學成像技術的出現，人們開始將電阻抗斷層成像技術應用到醫學影像領域。近30多年來，電阻抗斷層成像一直是國內外醫學電磁成像領域研究的熱點，許多國家的電阻抗研究小組先后設計并實現了應用于不同應用領域的系統。目前在地球物理探測、工業無損檢查、探傷、診斷等方面都有著廣泛的運用。隨著對EIT技術的深入研究及陣列式傳感器的不足之處，研究者開始將EIT(Electrical Impedance Tomography)技術引入到傳感器的設計之中。EIT技術又叫電阻抗斷層成像技術，它是一種無損成像技術，其基本原理是通過向被測場域施加電激勵(電流或電壓)，檢測場域表面的電響應(電壓或電流)，再經過逆問題算法重構出被測場域內部的電導率分布情況。但是，基于EIT技術的柔性壓敏傳感器技術迄今未有相關的公開報導。

技術實現要素：

本發明是為避免上述現有技術所存在的不足，提供一種基于EIT技術的柔性壓敏傳感器，利用無內部布線的“一體式”結構獲取導電復合材料的受力位置分布，進而通過軟件成像的方式實現有關受力位置分布的重構圖像。

本發明為解決技術問題采用如下技術方案：

本發明基于EIT技術的柔性壓敏傳感器的結構特點是：

設置傳感裝置，是在面板上鋪設導電復合材料，在所述導電復合材料的外圍按設定位置分布電極，且相互良好接觸，對應于各電極的所在位置，在所述面板上設置過孔，與各電極電連接的信號引線貫穿過孔；

設置傳感電路，是由交流恒流源提供電流信號，由電流注入模擬多路復用器和電勢測量模擬多路復用器對電極進行選通，經所述電流注入模擬多路復用器選通的電極將電流信號注入導電復合材料，在由所述電勢測量模擬多路復用器選通的電極上獲取導電復合材料對應位置上對電極之間的電壓檢測信號；以所述電壓檢測信號作為傳感器輸出的檢測信號。

本發明基于EIT技術的柔性壓敏傳感器的結構特點也在于：對于所述電壓檢測信號設置信號放大與濾波電路、A/D數據采集、串口通信以及微處理器；所述電壓檢測信號經信號放大與濾波電路的信號處理，再經A/D數據采集轉換為數字信號傳送至微處理器，在微處理器中通過處理獲得導電復合材料的受力位置分布信息，通過串口通信進行信息傳輸的上位機用于實時顯示所述導電復合材料的受力位置分布，實現圖像重構。

本發明基于EIT技術的柔性壓敏傳感器的結構特點也在于：所述導電復合材料是以硅橡膠為基體，添加在基體中的導電顆粒為多壁碳納米管。

本發明基于EIT技術的柔性壓敏傳感器的結構特點也在于：所述導電復合材料的厚度為1mm。

與已有技術相比，本發明有益效果體現在：

1、本發明導電復合材料，并為導電復合材料設置外圍電極，實現了無內部布線的“一體式”結構，通過設置傳感電路獲取導電復合材料的受力位置分布，進而通過軟件成像的方式實現有關受力位置分布的重構圖像，相對傳統的陣列式傳感器來說，其傳感單元為導電復合材料，傳感單元內部無需布線，無需復雜的傳感器件，可以制作成任意的尺寸和形狀。

2、本發明傳感電路中設置交流恒流源，其輸出的正弦電流精度高，帶負載能力強，有效保證也本發明的工作穩定性和工作可靠性；

3、本發明利用MATLBA軟件編輯GUI界面對A/D采集數據進行實時處理，通過軟件成像的方法實時檢測導電復合材料受力位置信息，實現對外界物理量的實時傳感。

附圖說明

圖1為本發明基于EIT技術的柔性壓敏傳感器結構示意圖；

圖2為本發明中微處理器控制模擬多路復用器的選通電路原理圖；

圖3為本發明中信號放大與濾波電路原理圖；

具體實施方式

參見圖1，本實施例中基于EIT技術的柔性壓敏傳感器的結構形式是：

設置傳感裝置，是在面板3上鋪設導電復合材料5，在導電復合材料5的外圍按設定位置分布電極4，且相互良好接觸，對應于各電極4的所在位置，在面板3上設置過孔7，與各電極4電連接的信號引線6貫穿過孔7；導電復合材料5是以硅橡膠為基體，添加在基體中的導電顆粒為多壁碳納米管；導電復合材料5的厚度為1mm，平鋪在亞克力板的面板3上，過孔7開設以導電復合材料的外圍。

設置傳感電路，是由交流恒流源1提供穩定、多頻、大小可調的正弦電流信號，由電流注入模擬多路復用器2和電勢測量模擬多路復用器9對電極4進行選通，經電流注入模擬多路復用器2選通的電極4將電流信號注入導電復合材料5，在由電勢測量模擬多路復用器9選通的電極4上獲取導電復合材料5對應位置上對電極之間的電壓檢測信號；以電壓檢測信號作為傳感器輸出的檢測信號，由電流注入模擬多路復用器選通的電極和由電勢測量模擬多路復用器選通的電極是不同的電極。

具體實施中，對于電壓檢測信號設置信號放大與濾波電路10、A/D數據采集11、串口通信12以及微處理器8；電壓檢測信號經信號放大與濾波電路10的信號處理，再經A/D數據采集11轉換為數字信號傳送至微處理器8，在微處理器8中通過處理獲得導電復合材料5的受力位置分布信息，通過串口通信12進行信息傳輸的上位機13用于實時顯示導電復合材料5的受力位置分布，實現圖像重構。

本實施例中交流恒流源1為單項恒流兩芯輸出，輸出最大量程10mA，采用連續可調的電位器調節電流輸出范圍為1-10mA，頻率為2kHz-20kHz，步進為100Hz；頻率為2kHz的最大輸出電流為10mA，頻率越高則最大輸出電流越低；當導電復合材料的阻抗變化較小時，輸出的正弦電流精度在0.5％的范圍之內，如果阻抗變化較大，輸出的正弦電流精度在1-2％的范圍內，對于導電復合材料5的阻抗變化范圍要求是：1mA為0-16K歐姆；10mA為0-1.6K歐姆；導電復合材料5是以硅橡膠為基體，添加在基體中的導電顆粒為多壁碳納米管，導電復合材料5的厚度為1mm。交流恒流源根據不同導電復合材料的阻抗大小對輸出電流大小及頻率進行調節，同時交流恒流源的輸出端與電流注入模擬多路復用器的公共端相連接。

采用STM32F103VET6微處理器，電流注入模擬多路復用器2和電勢測量模擬多路復用器9是采用ADG1207；使用2K片(K＝1 2 3…)的模擬多路復用器ADG1207即可實現對不同電極數目及測量模式的需求，K片模擬多路復用器構成電流選通通道，K片模擬多路復用器構成電壓測量通道，為了隔離微處理器電平轉換時所產生的干擾，在微處理器STM32F103VET6和模擬多路復用器之間設置TLP521-4可控光耦合隔離器。

圖2所示，STM32F103VET6微控制器的I/O口與圖2a和圖2b中TLP光耦合隔離器管腳相連，進而控制電流注入模擬多路復用器2和電勢測量模擬多路復用器9的選通，TLP的1、3、5管腳經串聯的510Ω電阻連接到5V電源，其2、4、6管腳連接到STM32F103VET6微控制器的C口，即PC0、PC2、PC3、PC4、PC6和PC7，TLP的12、14和16管腳與圖2c和圖2d中ADG的地址選擇端A2、A1和A0相連接；當微控制器的輸出為高電平時，對應的地址選擇端輸出高電平；當微控制器的輸出為低電平時，對應的地址選擇端輸出端輸出低電平。通過ADG的地址選擇端實現對電極的控制，電流注入選通與電壓測量選通原理相同。

圖3所示，在信號放大與濾波電路10中，信號放大采用高共模抑制比、低成本、高精度的放大器AD620，電勢測量模擬多路復用器9的公共端通過導線與放大器AD620的輸入端相連接，采用差分放大方式，AD620的增益僅取決于外接電阻R39，AD620的放大倍數為0～50；濾波電路采用有源濾波器UFA42，改變UFA42的電路參數可以構成各種滿足工程實際需要的濾波器，分別實現低通、高通、帶通濾波器，跳線即可選擇其一進行輸出，通過改變滑動變阻器R46和R48的阻值，輕松調節其濾波器的中心頻率，通常情況下，盡量保證R46和R48的阻值比較接近，以保證能盡量得到較高的中心頻率，本實施例中心頻率可高至40KHz，通過改變滑動變阻器R42和R44的阻值，可以調整濾波器的品質因數Q值，Q值與通帶增益是無法同時獲得較大值得，調節滑動變阻器時，應當在這兩者間取一定的平衡；A/D數據采集是12位A/D轉換電路。