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技术方案

本发明专利技术公开了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。本发明专利技术利用静电感应与压电驻极体的近场效应，通过单层或双层压电驻极体薄膜分别提高带电量识别灵敏度或刚度判断灵敏度；前端电极为阈值刚度固定的球形拱顶结构，若目标物体的刚度大于前端电极的阈值刚度，则前端电极会发生非线性屈曲，产生高脉冲窄形变电信号；因此无需测量接触力与物体形变，直接实现对物体刚度的筛选；在一种结构上同时实现对目标的带电量测量与阈值刚度的判别；进一步地，通过阵列化排布不同刚度的前端电极，可以实现物体带电量分布识别以及更高精度地判定物体刚度范围；本发明专利技术具有高灵敏度、耦合识别、刚度筛选、阵列化、集成度高、体积微小等特点。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术涉及电量识别及刚度筛选传感技术，具体涉及一种电量识别和刚度筛选的耦合式传感系统及其传感方法。
技术介绍
机器人智能机械手需要穿戴先进微型传感器才能更好完成精细化作业任务，包括：对物体的识别、抓取等操作。在上述任务中，通常配备触觉传感器以检测物体的温度、形状、表面粗糙度、表面湿度、带电特性以及刚度等。太空环境中弥漫着大量带有电荷的流星体，其表面电压最高可达几千伏，与装备接触时极易产生放电损害电路设备，因此，在机械手抓取目标前需要提前判断目标物体的带电量以确定是否抓取物体。此外，流星体成分大多为金属、石质矿物和冰晶，刚度差别很大。为了选择合适的抓取目标与抓取力度，在机械手抓取目标时需要筛选目标物体的刚度。因此，在太空探索过程中，需要开发一种具有对物体带电量识别及其刚度筛选能力的耦合式传感方法与传感系统。然而，目前针对物体带电量及其刚度判别多用两种类型传感器同时感测，集成化程度低。在相关研究中，对物体刚度的测量多采用压电式传感器，利用正压电效应，通过输出电信号计算得到接触时的相互作用力，反推出物体刚度，这需要压电式传感器的灵敏度极高以输出高精度连续信号。但是压电式触觉传感器只能测量物体动态刚度，无法测量静态刚度，而物体与探头之间接触不稳会引发较大误差。目标物体的刚度等于相互作用力除以物体的形变量，但物体的微小形变量难以通过压电传感器测量，需要额外的位移传感器，这为计算刚度带来了极大的不便与困难。对于物体表面带电量的测量多采用静电式传感器，利用静电感应原理测量目标物体带电量。但静电式传感器的带电量识别灵敏度取决于物体的带电量及物体与探测极板间相对运动的速度、距离，因此当物体带电量较小、距离很远时其灵敏度十分微弱。目前，没有发现复合式传感器同时满足对物体这两种特性的感测。
技术实现思路
针对以上现有技术中存在的问题，本专利技术提出了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，实现更高精度地判定物体刚度范围，具有高灵敏度、刚度筛选、耦合传感、阵列化等特点。本专利技术的一个目的在于提出一种电量识别和刚度筛选的耦合式传感系统。本专利技术采用压电驻极体薄膜，涂覆在后端电极的前表面，或者压电驻极体薄膜分别涂覆在前端电极的后表面以及后端电极的前表面。压电驻极体薄膜涂覆在后端电极的前表面，本专利技术的电量识别和刚度筛选的耦合式传感系统包括：耦合识别探头、电压跟随电路、低通滤波电路、运算放大电路、微处理器、电压比较电路和显示装置；耦合识别探头、电压跟随电路、低通滤波电路、运算放大电路、微处理器和显示装置依次连接，微处理器还连接至电压比较电路；其中，耦合识别探头包括前端电极、后端电极、压电驻极体薄膜和电阻；前端电极为向前隆起的球形拱顶结构，具有弹性，受力后会发生形变；后端电极为平板结构；在后端电极的前表面覆有压电驻极体薄膜，压电驻极体薄膜的表面具有极化电荷；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；当耦合识别探头的前端靠近并接触目标带电物体时，电阻两端产生感应电信号，由于压电驻极体近场效应，压电驻极体薄膜表面的极化电荷与目标物体的所带电荷之间形成电偶极子，使目标物体与前端电极之间的电场强度成倍数增加，极大地提高了探测灵敏度；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，前端电极会结构失稳，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，电阻两端产生一个明显的脉冲型形变电信号，称之为屈曲电信号；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；微处理器解耦合出感应电信号与形变电信号；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；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。压电驻极体薄膜分别涂覆在前端电极的后表面以及后端电极的前表面，本专利技术的电量识别和刚度筛选的耦合式传感系统包括：耦合识别探头、电压跟随电路、低通滤波电路、运算放大电路、微处理器、电压比较电路和显示装置；耦合识别探头、电压跟随电路、低通滤波电路、运算放大电路、微处理器和显示装置依次连接，微处理器还连接至电压比较电路；其中，耦合识别探头包括前端电极、后端电极、压电驻极体薄膜和电阻；前端电极为向前隆起的球形拱顶结构，具有弹性，受力后会发生形变；后端电极为平板结构；在前端电极的后表面以及后端电极的前表面分别涂覆压电驻极体薄膜，前端电极与后端电极的压电驻极体薄膜的表面具有相反的极化电荷；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；当耦合识别探头的前端靠近并接触目标带电物体时，电阻两端产生感应电信号使目标物体与前端电极之间的电场强度成倍数增加；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，前端电极会结构失稳，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，电阻两端产生一个明显的脉冲型形变电信号，称之为屈曲电信号；由于压电驻极体的近场效应，前端电极与后端电极的压电驻极体薄膜表面的极化电荷之间形成电偶极子，使前端电极与后端电极之间的电场强度增加数倍，极大地提高了屈曲电信号的幅值，进而提高了刚度探测灵敏度；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；微处理器解耦合出感应电信号与形变电信号；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；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。前端电极和后端电极采用金属。前端电极为球形拱顶结构(sphericaldomestructure)或称之为球冠结构，是球体或椭球体的一部分。压电驻极体薄膜包括压电驻极体基体和其表面的极化电荷；压电驻极体基底采用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯(PP)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)等材料中的一种；表面的极化电荷的极化方式采用射线或电晕极化本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：/n1)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；/n2)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；/n3)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；/n4)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；/n5)微处理器节解耦合出感应电信号与形变电信号；/n6)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；/n7)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。/n...

【技术特征摘要】
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。


2.一种电量识别和刚度筛选的耦合式传感系统的传感方法，压电驻极体薄膜分别涂覆在前端电极的后表面以及后端电极的前表面，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带电物体时，电阻两端产生感应电信号使目标物体与前端电极之间的电场强度成倍数增加；
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，前端电极会结构失稳，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，电阻两端产生一个明显的脉冲型形变电信号，称之为屈曲电信号；由于压电驻极体的近场效应，前端电极与后端电极的压电驻极体薄膜表面的极化电荷之间形成电偶极子，使前端电极与后端电极之间的电场强度增加数倍，极大地提高了屈曲电信号的幅值，进而提高了刚度探测灵敏度；
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。


3.如权利要求1或2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。


4.如权利要求1或2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。


5.如权利要求4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。


6.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，Qd(t)为后端电极的形变电荷，Qe为压电驻极体薄膜的带电量，C1(t)和Ce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。


7.一种电量识别和刚度筛选的耦合式传感系统，其特征在于，压电驻极体薄膜涂覆在后...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯跃，周子隆，韩炎晖，胡佳辰，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11