一种阵列化电阻应变传感器及具有该传感器的测量补偿系统

摘要

本发明属于应变测量电路领域，并公开了一种具有减敏功能的阵列化电阻应变传感器，包括柔性基底、减敏层、电阻应变传感单元、连接引线和覆盖层，电阻应变传感单元贴附在所述柔性基底的上表面上并通过连接引线连接在一起；减敏层设置在柔性基底的上表面上；所述连接导线设置在所述减敏层上表面上；覆盖层设置在所述柔性基底上遮盖住所有的减敏层、电阻应变传感单元和连接引线。本发明在连接引线与柔性基底之间设置了一层具有减敏功能的材料，能够减小柔性基底层的应变传递到连接引线中，从而使作用在不同电阻应变传感单元间连接线路上的电阻应变非常微小，有效提高应变测量的精度，又能保护连接引线，防止其断裂，影响传感器工作性能。

权利要求

1.一种具有减敏功能的测量补偿系统，其特征在于，它包括测量补偿电路和阵列化电阻应变传感器，其中，

该阵列化电阻应变传感器包括柔性基底、减敏层、电阻应变传感单元、连接引线和覆盖层，其中所述电阻应变传感单元至少为两个，它们分别贴附在所述柔性基底的上表面上并通过所述连接引线连接在一起；所述减敏层设置在所述柔性基底的上表面上并且设置在所述电阻应变传感单元旁，以用于吸收此电阻应变传感单元产生的应变及隔离所述柔性基底对所述连接引线的应变传递，进而保护此连接引线；所述连接引线设置在所述减敏层的上表面上；所述覆盖层设置在所述柔性基底上，并且遮盖住所有的所述减敏层、所述电阻应变传感单元和所述连接引线，以进行密封保护；

该测量补偿电路包括恒流源、运算放大电路、滑动变阻器和多通道模拟开关，其中所述阵列化电阻应变传感器中每两个电阻应变传感单元形成一个测量单元，每个测量单元具有一正连线端、一负连线端和一公共线端；该测量单元的正连线端与所述多通道模拟开关中的第一多通道模拟开关相连，并且该第一多通道模拟开关与所述恒流源输出端相连，第一多通道模拟开关的通断通过单片机控制，从而实现对接入的所述阵列化应变传感单元实时测量；该测量单元的负连线端与所述多通道模拟开关中的第二多通道模拟开关对应接口相连，并且所述第二多通道模拟开关接地，该测量单元的公共连线端与所述运算放大电路中的第一运算放大电路相连；该第一运算放大电路的输出端与所述运算放大电路中的第二运算放大电路中放大器的反向端相连，该第二运算放大电路的正向输入端与所述恒流源的输出端相连，该第二运算放大电路还与所述运算放大电路中的第三运算放大电路相连。

2.根据权利要求1所述的一种具有减敏功能的测量补偿系统，其特征在于，所述第一运算放大电路为比例放大电路，以放大接入电路的电压。

3.根据权利要求1所述的一种具有减敏功能的测量补偿系统，其特征在于，所述第二运算放大电路为减法电路，其正向输入端的电压与其反向输入端的电压相减从而使第二运算放大电路输出端的电压仅与测量电阻的应变有关，从而消除掉引线电路的影响。

4.根据权利要求1所述的一种具有减敏功能的测量补偿系统，其特征在于，所述第三运算放大电路为比例放大电路，其具有一个带显示的滑动变阻器，可控制放大的倍数，以满足测量需求。

5.根据权利要求1所述的一种具有减敏功能的测量补偿系统，其特征在于，所述电阻应变传感单元包括两个电阻应变传感单元电极和设置在两个电阻应变传感单元电极之间的电阻应变传感单元敏感区。

6.根据权利要求1所述的一种具有减敏功能的测量补偿系统，其特征在于，所述电阻应变传感单元为导电聚合物制成。

说明书

一种阵列化电阻应变传感器及具有该传感器的测量补偿系统

技术领域

[0001] 本发明属于应变测量电路领域，更具体地，涉及一种阵列化电阻应变传感器及具有该传感器的测量补偿系统。

背景技术

[0002] 电阻应变传感器作为一种常用的高精度应力、应变测量元件，通过粘贴在被测物体表面，利用与被测物体一起变形来测量构件的真实应变。

[0003] 随着电子信息技术和智能化设备的发展，电阻应变式传感器已被广泛的应用在各个领域中，相应的对应变式传感技术也提出了更高的要求，特别是在生物医疗器械，可穿戴电子，飞行器智能蒙皮，结构健康监测等方面，要求应变传感器具有柔软性、可大面积阵列化测量和精度高等性能指标。为了满足上述性能要求，目前已有一些学者做出了相关的工作。如中国科学院深圳先进技术研究院公布了一种电阻应变片式传感器(专利号CN1040880206)，该传感器的应变片由一层具有微米和纳米间隙的导电薄膜构成，应变片附着在柔性基底上，因此，传感器具有良好的弹性，最大测量应变高达200％，而且集成度高，可拓展性好。上海交通大学的庄馥隆制作了一种用于结构健康监测的应变传感器，该传感器在柔性衬底PET上采用层层自组装碳纳米管薄膜和光刻工艺制成，传感器具有很好的敏感性。美国西北大学的Rogers和黄永刚团队设计了一种具有自相似结构的大面积表皮生理电极，用于对人体生理信号的监测，具有较高的灵敏度。斯坦福大学的鲍哲楠团队发明了一种柔性微结构的超灵敏导电薄膜，该导电薄膜对力非常敏感，可制作应变，压力传感器，用于对生理信号获取和结构健康监测。上述学者们通过提高材料性能和优化材料结构在很大程度上提高了应变传感器性能，提高了测量精度，对后续应变式传感器的设计具有很强的借鉴意义。

[0004] 但对于大面积阵列化电阻应变传感器的设计和测量，目前仍然存在一些问题尚待解决，如如何消除大面积阵列化应变传感网络中测量引线过长带来的电阻误差问题？另外，当大面积阵列化应变式传感单元受拉伸发生应变时，连接的引线也会发生应变，如何降低阵列化应变传感器连接网络间引线应变带来的干扰。针对这些问题，目前已有一些解决办法，如专利CN101109662A中提出了一种三线制热电阻温度测量电路方案，可以消除温度传感器测量时引线电阻的影响，但该方法只适合单个温度传感器的测量，并不适合阵列化电阻应变传感器网络的测量，同时该三线制测量方案并没有消除温度误差影响。专利CN104470212A提出一种电路板阻抗线的补偿方法，通过阻抗补偿的方式可以在一定程度上降低引线电阻的干扰，但阻抗补偿只适用于无输入有输出的情形，在智能蒙皮，结构健康监测等众多领域并不适用。

发明内容

[0005] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种阵列化电阻应变传感器及具有该传感器的测量补偿系统，既能实现对阵列化应变传感器引线电阻和应变实行补偿，又能在设计上对应变传感单元进行温度补偿，消除温漂影响。

[0006] 为实现上述目的，按照本发明，提供了一种具有减敏功能的阵列化电阻应变传感器，其特征在于，包括柔性基底、减敏层、电阻应变传感单元、连接引线和覆盖层，其中，[0007] 所述电阻应变传感单元至少为两个，它们分别贴附在所述柔性基底的上表面上并通过所述连接引线连接在一起；

[0008] 所述减敏层设置在所述柔性基底的上表面上并且设置在所述电阻应变传感单元旁，以用于吸收电阻应变传感单元产生的应变及隔离柔性基底对连接引线的应变传递，进而保护连接引线；

[0009] 所述连接导线设置在所述减敏层上表面上；

[0010] 所述覆盖层设置在所述柔性基底上，并且遮盖住所有的减敏层、电阻应变传感单元和连接引线，以进行密封保护。

[0011] 优选地，所述电阻应变传感单元包括两个电阻应变传感单元电极和设置在两个电阻应变传感单元电极之间的电阻应变传感单元敏感区。

[0012] 优选地，所述电阻应变传感单元为导电聚合物制成。

[0013] 优选地，所述覆盖层由聚酰亚胺制成。

[0014] 优选地，所述柔性基底层由聚酰亚胺制成。

[0015] 优选地，所述减敏层由硅橡胶制成。

[0016] 一种具有减敏功能的测量补偿系统，其特征在于，包括测量补偿电路及所述的阵列化电阻应变传感器，其中，

[0017] 所述测量补偿电路包括恒流源、运算放大电路、滑动变阻器和多通道模拟开关，所述阵列化电阻应变传感器中每两个电阻应变传感单元形成一个测量单元，每个测量单元具有一正连线端、一负连线端和一公共线端，测量单元的正连线端与第一多通道模拟开关相连并且第一多通道模拟开关与恒流源输出端相连，第一多通道模拟开关的通断通过单片机控制，从而实现对接入的阵列化应变传感单元实时测量，测量单元的负连线端与第二多通道模拟开关对应接口相连并且所述第二多通道模拟开关接地，测量单元的公共连线端与第一运算放大电路相连，第一运算放大电路的输出端与第二运算放大电路中放大器的反向端相连，第二运算放大电路的正向输入端与恒流源输出端相连，第二运算放大电路还与第三运算放大电路相连。

[0018] 优选地，所述第一运算放大电路为比例放大电路，以放大接入电路的电压。

[0019] 优选地，所述第二运算放大电路为减法电路，其正向输入端的电压与其反向输入端的电压相减从而使第二运算放大电路输出端的电压仅与测量电阻的应变有关，从而消除掉引线电路的影响。

[0020] 优选地，所述第三运算放大电路为比例放大电路，其具有一个带显示的滑动变阻器，可控制放大的倍数，以满足测量需求。。

[0021] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

[0022] 1)本发明在制作阵列化电阻应变传感器时，在连接引线与柔性基底之间，设置了一层具有减敏功能的材料，利用减敏材料吸收应变的功能，能够减小柔性基底层的应变传递到连接引线中，从而使作用在不同电阻应变传感单元间连接线路上的电阻应变非常微小，这样可以有效提高应变测量的精度，又能保护连接引线，防止其断裂，影响传感器工作性能。

[0023] 2)测量补偿电路部分采用单片机控制的多通道模拟开关测量方案能够满足阵列化测量的需要，三线制测量方法能够完全消除阵列化电阻应变片连接引线过长线路电阻带来的影响。测量时将每两个电阻应变传感单元组成一个测量单元，此法能够从设计上对电阻应变片进行温度补偿，消除温漂影响，提高测量准确度。而放大电路中设置具有显示功能的变阻器，能够通过改变滑阻值来调控输出电压的放大倍数。

[0024] 3)本发明电阻应变传感单元整体制作在柔性基底上，电阻应变传感单元采用具有微米和纳米间隙的导电聚合物，因此具有非常高的灵敏度，非常适合于可穿戴设备和结构健康检测等领域的应用。

附图说明

[0025] 图1为本发明中测量补偿系统的原理框图；

[0026] 图2为本发明中阵列化电阻应变传感器撤去覆盖层后的示意图；

[0027] 图3为本发明中阵列化电阻应变传感器的剖视图；

[0028] 图4为本发明中测量补偿系统的结构图；

[0029] 图5为本发明中测量补偿系电路的具体实施例结构图；

[0030] 图6是本发明中阵列化电阻应变传感器的结构示意图。

具体实施方式

[0031] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0032] 如图1所示，本发明包括阵列化电阻应变传感器和测量补偿电路两部分。

[0033] 如图2所示，本发明中的阵列化电阻应变传感器，包括柔性基底1、减敏层2、连接引线3、覆盖层6和电阻应变传感单元7五部分。电阻应变传感单元7又包括电阻应变传感单元电极4和电阻应变传感单元敏感区5。阵列化的电阻应变传感单元7整齐的贴附在柔性基底1上，并通过连接引线3相连。值得注意的是，在连接引线3与柔性基底1之间，设置有一层减敏层2，连接引线3贴附在减敏层2上，而减敏层2贴附在柔性基底1上，减敏层2的作用利用减敏材料吸收应变的性能特点隔离柔性基底1对电阻应变传感单元7间连接引线3的应变传递，同时作为缓冲区域，保护连接引线3，防止其断裂，影响传感器工作性能。覆盖层6覆盖在电阻应变传感单元7和连接引线3上，对其进行密封保护。

[0034] 如图3所示，对于阵列化应变传感器，每根连接引线3下方均设置有减敏层2。

[0035] 如图4所示，本发明中的测量补偿电路，包括第一多通道模拟开关8，2×3的阵列化电阻应变传感器9，第二多通道模拟开关10，第一运算放大电路11，第二运算放大电路12，第三运算放大电路13，带显示滑动变阻器14和恒流源15。值得注意的是，第一多通道模拟开关8和第二多通道模拟开关10的通道数与阵列化电阻应变传感器数相对应，多通道模拟开关的通断通过单片机程序控制，从而实现对接入的阵列化应变传感单元实时测量。此处的2×
3阵列化电阻应变传感器9仅为示例，在实际应用中，电阻应变传感器数量非常大。2×3阵列化电阻应变传感器9通过三线制与测量电路其它部分相连。另外如图3所示，阵列化应变传感器9电路中每两个电阻应变传感单元组成一个测量单元16，两个电阻应变传感单元作为一个独立的测量单元16，能够在硬件上进行温度补偿，提高测量精度。每个测量单元16包括一正连线端，一负连线端和一公共线端，正连线端与第一多通道模拟开关8相连，第一多通道模拟开关8与恒流源15输出端相连。测量单元16的负连线端与第二多通道模拟开关10对应接口相连，第二多通道模拟开关10接地。测量单元16公共连线端与第一运算放大电路11相连。第一运算放大电路11为比例放大电路，能够放大接入电路的电压，这里放大的电压倍数为两倍。第一运算放大电路11输出端将与第二运算放大电路12中放大器的反向端相连，第二运算放大电路12的正向输入端与恒流源15输出端相连。第二运算放大电路12为减法电路，正向输入端的电压与反向输入端的电压相减从而使放大器输出端的电压仅与测量电阻的应变有关，从而消除掉引线电路的影响。第二运算放大电路12与第三运算放大电路13相连，第三运算放大电路13为比例放大电路，第三运算放大电路13中的放大器输出端输出测量电压，值得注意的是第三运算放大电路13设置有一个滑动变阻器14，可以有效控制放大的倍数，从而满足测量需求。

[0036] 下面将结合图5讲解测量补偿电路消除测量引线电阻影响，进行温度补偿的原理。RL为引线电阻，电流Io从恒流源正向端流出经A点流向测量单元中，由于集成运算放大器的阻抗非常高，因此通过电阻R5和R2电流近似为零。则可计算出V1和V2的电压如下：

[0037] V1＝2Io(R+ΔRT)               (1)

[0038] V2＝Io(R+ΔRT-ΔR)             (2)

[0039] 经过第一运算放大电路的电压V3为：

[0040]

[0041] 因为RF1＝R1，所以

[0042] V3＝2V2                    (4)

[0043] 经过第二运算放大电路的电压V4为：

[0044]

[0045] 因为RF2＝R4＝R5＝R6，所以：

[0046] V4＝V1-V3＝2IoΔR              (6)

[0047] 经过第三运算放大电路后，输出电压为：

[0048]

[0049] 当滑动变阻器RX与固定电阻R7的阻值确定后，便能通过输入电流和输出电压计算出应变传感器的受力应变的情况。从上式(7)中也可以看出电阻应变传感器的应变不受引线电阻RL的影响，因此采用该种方案可以完全消除引线电阻的干扰，同时又能在设计上对应变传感单元进行温度补偿，消除温漂影响，从而实现对阵列化电阻应变传感器的高精度测量。

[0050] 参照图6，可以看出，覆盖层遮盖住所有的减敏层、电阻应变传感单元和连接引线，以进行密封保护。

[0051] 本发明一种具有减敏功能的阵列化电阻应变传感器补偿系统整体制作在柔性基底材料上，可作为表皮电子系统用于获取人体的生理信号。

[0052] 人体表皮电子系统是一种大面积、复杂化的传感器网络，为了适应人体皮肤共形需要，要求表皮电子系统具有柔性，能够进行延展。本发明能很好的满足这些性能需求，将阵列化应变传感器做成生理电极粘贴在皮肤表面，用于获取人体的生理信号，阵列化应变传感器设置有减敏层，能够减少内部连接引线应变的干扰，同时对连接引线进行保护。然后利用本发明中的柔性测量补偿电路对其进行测量，测量补偿电路既能消除引线电阻，又能对电阻应变传感器进行温度补偿，避免温漂的影响。更进一步的，对于人体表皮电子系统中的其它测量元件，如温度传感器，也能通过在其基底上设置减敏层，减少应变对温度传感器精度的影响。因此本发明能够大大提高表皮电子测量系统的测量精度。

[0053] 本发明可以用于结构健康检测，如对飞机表面应变进行测量，大面积的阵列化应变传感器粘贴在飞机表面，用于获取飞机蒙皮的应变信息。飞机表面曲面复杂，连接引线众多，引线应变会给测量精度带来很大影响，而本发明中具有补偿效应的阵列化应变传感器，能够减小引线应变，提高测量精度。同时测量补偿电路可以消除连接引线误差，同时进行温度补偿。更进一步的，本发明能整体制作在柔性基底材料上，方便在飞机上进行集成，测量电路上获取的数据也可以通过无线传输的方式传输到电脑处理终端，从而获得测量结构表面的性能状态。

[0054] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。