本發(fā)明屬于應(yīng)變測量電路領(lǐng)域，更具體地，涉及一種陣列化電阻應(yīng)變傳感器及具有該傳感器的測量補償系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

電阻應(yīng)變傳感器作為一種常用的高精度應(yīng)力、應(yīng)變測量元件，通過粘貼在被測物體表面，利用與被測物體一起變形來測量構(gòu)件的真實應(yīng)變。

隨著電子信息技術(shù)和智能化設(shè)備的發(fā)展，電阻應(yīng)變式傳感器已被廣泛的應(yīng)用在各個領(lǐng)域中，相應(yīng)的對應(yīng)變式傳感技術(shù)也提出了更高的要求，特別是在生物醫(yī)療器械，可穿戴電子，飛行器智能蒙皮，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測等方面，要求應(yīng)變傳感器具有柔軟性、可大面積陣列化測量和精度高等性能指標。為了滿足上述性能要求，目前已有一些學者做出了相關(guān)的工作。如中國科學院深圳先進技術(shù)研究院公布了一種電阻應(yīng)變片式傳感器(專利號cn1040880206)，該傳感器的應(yīng)變片由一層具有微米和納米間隙的導電薄膜構(gòu)成，應(yīng)變片附著在柔性基底上，因此，傳感器具有良好的彈性，最大測量應(yīng)變高達200％，而且集成度高，可拓展性好。上海交通大學的莊馥隆制作了一種用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的應(yīng)變傳感器，該傳感器在柔性襯底pet上采用層層自組裝碳納米管薄膜和光刻工藝制成，傳感器具有很好的敏感性。美國西北大學的rogers和黃永剛團隊設(shè)計了一種具有自相似結(jié)構(gòu)的大面積表皮生理電極，用于對人體生理信號的監(jiān)測，具有較高的靈敏度。斯坦福大學的鮑哲楠團隊發(fā)明了一種柔性微結(jié)構(gòu)的超靈敏導電薄膜，該導電薄膜對力非常敏感，可制作應(yīng)變，壓力傳感器，用于對生理信號獲取和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。上述學者們通過提高材料性能和優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)在很大程度上提高了應(yīng)變傳感器性能，提高了測量精度，對后續(xù)應(yīng)變式傳感器的設(shè)計具有很強的借鑒意義。

但對于大面積陣列化電阻應(yīng)變傳感器的設(shè)計和測量，目前仍然存在一些問題尚待解決，如如何消除大面積陣列化應(yīng)變傳感網(wǎng)絡(luò)中測量引線過長帶來的電阻誤差問題？另外，當大面積陣列化應(yīng)變式傳感單元受拉伸發(fā)生應(yīng)變時，連接的引線也會發(fā)生應(yīng)變，如何降低陣列化應(yīng)變傳感器連接網(wǎng)絡(luò)間引線應(yīng)變帶來的干擾。針對這些問題，目前已有一些解決辦法，如專利cn101109662a中提出了一種三線制熱電阻溫度測量電路方案，可以消除溫度傳感器測量時引線電阻的影響，但該方法只適合單個溫度傳感器的測量，并不適合陣列化電阻應(yīng)變傳感器網(wǎng)絡(luò)的測量，同時該三線制測量方案并沒有消除溫度誤差影響。專利cn104470212a提出一種電路板阻抗線的補償方法，通過阻抗補償?shù)姆绞娇梢栽谝欢ǔ潭壬辖档鸵€電阻的干擾，但阻抗補償只適用于無輸入有輸出的情形，在智能蒙皮，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測等眾多領(lǐng)域并不適用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種陣列化電阻應(yīng)變傳感器及具有該傳感器的測量補償系統(tǒng)，既能實現(xiàn)對陣列化應(yīng)變傳感器引線電阻和應(yīng)變實行補償，又能在設(shè)計上對應(yīng)變傳感單元進行溫度補償，消除溫漂影響。

為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明，提供了一種具有減敏功能的陣列化電阻應(yīng)變傳感器，其特征在于，包括柔性基底、減敏層、電阻應(yīng)變傳感單元、連接引線和覆蓋層，其中，

所述電阻應(yīng)變傳感單元至少為兩個，它們分別貼附在所述柔性基底的上表面上并通過所述連接引線連接在一起；

所述減敏層設(shè)置在所述柔性基底的上表面上并且設(shè)置在所述電阻應(yīng)變傳感單元旁，以用于吸收電阻應(yīng)變傳感單元產(chǎn)生的應(yīng)變及隔離柔性基底對連接引線的應(yīng)變傳遞，進而保護連接引線；

所述連接導線設(shè)置在所述減敏層上表面上；

所述覆蓋層設(shè)置在所述柔性基底上，并且遮蓋住所有的減敏層、電阻應(yīng)變傳感單元和連接引線，以進行密封保護。

優(yōu)選地，所述電阻應(yīng)變傳感單元包括兩個電阻應(yīng)變傳感單元電極和設(shè)置在兩個電阻應(yīng)變傳感單元電極之間的電阻應(yīng)變傳感單元敏感區(qū)。

優(yōu)選地，所述電阻應(yīng)變傳感單元為導電聚合物制成。

優(yōu)選地，所述覆蓋層由聚酰亞胺制成。

優(yōu)選地，所述柔性基底層由聚酰亞胺制成。

優(yōu)選地，所述減敏層由硅橡膠制成。

一種具有減敏功能的測量補償系統(tǒng)，其特征在于，包括測量補償電路及所述的陣列化電阻應(yīng)變傳感器，其中，

所述測量補償電路包括恒流源、運算放大電路、滑動變阻器和多通道模擬開關(guān)，所述陣列化電阻應(yīng)變傳感器中每兩個電阻應(yīng)變傳感單元形成一個測量單元，每個測量單元具有一正連線端、一負連線端和一公共線端，測量單元的正連線端與第一多通道模擬開關(guān)相連并且第一多通道模擬開關(guān)與恒流源輸出端相連，第一多通道模擬開關(guān)的通斷通過單片機控制，從而實現(xiàn)對接入的陣列化應(yīng)變傳感單元實時測量，測量單元的負連線端與第二多通道模擬開關(guān)對應(yīng)接口相連并且所述第二多通道模擬開關(guān)接地，測量單元的公共連線端與第一運算放大電路相連，第一運算放大電路的輸出端與第二運算放大電路中放大器的反向端相連，第二運算放大電路的正向輸入端與恒流源輸出端相連，第二運算放大電路還與第三運算放大電路相連。

優(yōu)選地，所述第一運算放大電路為比例放大電路，以放大接入電路的電壓。

優(yōu)選地，所述第二運算放大電路為減法電路，其正向輸入端的電壓與其反向輸入端的電壓相減從而使第二運算放大電路輸出端的電壓僅與測量電阻的應(yīng)變有關(guān)，從而消除掉引線電路的影響。

優(yōu)選地，所述第三運算放大電路為比例放大電路，其具有一個帶顯示的滑動變阻器，可控制放大的倍數(shù)，以滿足測量需求。。

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果：

1)本發(fā)明在制作陣列化電阻應(yīng)變傳感器時，在連接引線與柔性基底之間，設(shè)置了一層具有減敏功能的材料，利用減敏材料吸收應(yīng)變的功能，能夠減小柔性基底層的應(yīng)變傳遞到連接引線中，從而使作用在不同電阻應(yīng)變傳感單元間連接線路上的電阻應(yīng)變非常微小，這樣可以有效提高應(yīng)變測量的精度，又能保護連接引線，防止其斷裂，影響傳感器工作性能。

2)測量補償電路部分采用單片機控制的多通道模擬開關(guān)測量方案能夠滿足陣列化測量的需要，三線制測量方法能夠完全消除陣列化電阻應(yīng)變片連接引線過長線路電阻帶來的影響。測量時將每兩個電阻應(yīng)變傳感單元組成一個測量單元，此法能夠從設(shè)計上對電阻應(yīng)變片進行溫度補償，消除溫漂影響，提高測量準確度。而放大電路中設(shè)置具有顯示功能的變阻器，能夠通過改變滑阻值來調(diào)控輸出電壓的放大倍數(shù)。

3)本發(fā)明電阻應(yīng)變傳感單元整體制作在柔性基底上，電阻應(yīng)變傳感單元采用具有微米和納米間隙的導電聚合物，因此具有非常高的靈敏度，非常適合于可穿戴設(shè)備和結(jié)構(gòu)健康檢測等領(lǐng)域的應(yīng)用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中測量補償系統(tǒng)的原理框圖；

圖2為本發(fā)明中陣列化電阻應(yīng)變傳感器撤去覆蓋層后的示意圖；

圖3為本發(fā)明中陣列化電阻應(yīng)變傳感器的剖視圖；

圖4為本發(fā)明中測量補償系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；

圖5為本發(fā)明中測量補償系電路的具體實施例結(jié)構(gòu)圖；

圖6是本發(fā)明中陣列化電阻應(yīng)變傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

如圖1所示，本發(fā)明包括陣列化電阻應(yīng)變傳感器和測量補償電路兩部分。

如圖2所示，本發(fā)明中的陣列化電阻應(yīng)變傳感器，包括柔性基底1、減敏層2、連接引線3、覆蓋層6和電阻應(yīng)變傳感單元7五部分。電阻應(yīng)變傳感單元7又包括電阻應(yīng)變傳感單元電極4和電阻應(yīng)變傳感單元敏感區(qū)5。陣列化的電阻應(yīng)變傳感單元7整齊的貼附在柔性基底1上，并通過連接引線3相連。值得注意的是，在連接引線3與柔性基底1之間，設(shè)置有一層減敏層2，連接引線3貼附在減敏層2上，而減敏層2貼附在柔性基底1上，減敏層2的作用利用減敏材料吸收應(yīng)變的性能特點隔離柔性基底1對電阻應(yīng)變傳感單元7間連接引線3的應(yīng)變傳遞，同時作為緩沖區(qū)域，保護連接引線3，防止其斷裂，影響傳感器工作性能。覆蓋層6覆蓋在電阻應(yīng)變傳感單元7和連接引線3上，對其進行密封保護。

如圖3所示，對于陣列化應(yīng)變傳感器，每根連接引線3下方均設(shè)置有減敏層2。

如圖4所示，本發(fā)明中的測量補償電路，包括第一多通道模擬開關(guān)8，2×3的陣列化電阻應(yīng)變傳感器9，第二多通道模擬開關(guān)10，第一運算放大電路11，第二運算放大電路12，第三運算放大電路13，帶顯示滑動變阻器14和恒流源15。值得注意的是，第一多通道模擬開關(guān)8和第二多通道模擬開關(guān)10的通道數(shù)與陣列化電阻應(yīng)變傳感器數(shù)相對應(yīng)，多通道模擬開關(guān)的通斷通過單片機程序控制，從而實現(xiàn)對接入的陣列化應(yīng)變傳感單元實時測量。此處的2×3陣列化電阻應(yīng)變傳感器9僅為示例，在實際應(yīng)用中，電阻應(yīng)變傳感器數(shù)量非常大。2×3陣列化電阻應(yīng)變傳感器9通過三線制與測量電路其它部分相連。另外如圖3所示，陣列化應(yīng)變傳感器9電路中每兩個電阻應(yīng)變傳感單元組成一個測量單元16，兩個電阻應(yīng)變傳感單元作為一個獨立的測量單元16，能夠在硬件上進行溫度補償，提高測量精度。每個測量單元16包括一正連線端，一負連線端和一公共線端，正連線端與第一多通道模擬開關(guān)8相連，第一多通道模擬開關(guān)8與恒流源15輸出端相連。測量單元16的負連線端與第二多通道模擬開關(guān)10對應(yīng)接口相連，第二多通道模擬開關(guān)10接地。測量單元16公共連線端與第一運算放大電路11相連。第一運算放大電路11為比例放大電路，能夠放大接入電路的電壓，這里放大的電壓倍數(shù)為兩倍。第一運算放大電路11輸出端將與第二運算放大電路12中放大器的反向端相連，第二運算放大電路12的正向輸入端與恒流源15輸出端相連。第二運算放大電路12為減法電路，正向輸入端的電壓與反向輸入端的電壓相減從而使放大器輸出端的電壓僅與測量電阻的應(yīng)變有關(guān)，從而消除掉引線電路的影響。第二運算放大電路12與第三運算放大電路13相連，第三運算放大電路13為比例放大電路，第三運算放大電路13中的放大器輸出端輸出測量電壓，值得注意的是第三運算放大電路13設(shè)置有一個滑動變阻器14，可以有效控制放大的倍數(shù)，從而滿足測量需求。

下面將結(jié)合圖5講解測量補償電路消除測量引線電阻影響，進行溫度補償?shù)脑?。rl為引線電阻，電流io從恒流源正向端流出經(jīng)a點流向測量單元中，由于集成運算放大器的阻抗非常高，因此通過電阻r5和r2電流近似為零。則可計算出v1和v2的電壓如下：

v1＝2io(r+δrt)(1)

v2＝io(r+δrt-δr)(2)

經(jīng)過第一運算放大電路的電壓v3為：

因為rf1＝r1，所以

v3＝2v2(4)

經(jīng)過第二運算放大電路的電壓v4為：

因為rf2＝r4＝r5＝r6，所以：

v4＝v1-v3＝2ioδr(6)

經(jīng)過第三運算放大電路后，輸出電壓為：

當滑動變阻器rx與固定電阻r7的阻值確定后，便能通過輸入電流和輸出電壓計算出應(yīng)變傳感器的受力應(yīng)變的情況。從上式(7)中也可以看出電阻應(yīng)變傳感器的應(yīng)變不受引線電阻rl的影響，因此采用該種方案可以完全消除引線電阻的干擾，同時又能在設(shè)計上對應(yīng)變傳感單元進行溫度補償，消除溫漂影響，從而實現(xiàn)對陣列化電阻應(yīng)變傳感器的高精度測量。

參照圖6，可以看出，覆蓋層遮蓋住所有的減敏層、電阻應(yīng)變傳感單元和連接引線，以進行密封保護。

本發(fā)明一種具有減敏功能的陣列化電阻應(yīng)變傳感器補償系統(tǒng)整體制作在柔性基底材料上，可作為表皮電子系統(tǒng)用于獲取人體的生理信號。

人體表皮電子系統(tǒng)是一種大面積、復雜化的傳感器網(wǎng)絡(luò)，為了適應(yīng)人體皮膚共形需要，要求表皮電子系統(tǒng)具有柔性，能夠進行延展。本發(fā)明能很好的滿足這些性能需求，將陣列化應(yīng)變傳感器做成生理電極粘貼在皮膚表面，用于獲取人體的生理信號，陣列化應(yīng)變傳感器設(shè)置有減敏層，能夠減少內(nèi)部連接引線應(yīng)變的干擾，同時對連接引線進行保護。然后利用本發(fā)明中的柔性測量補償電路對其進行測量，測量補償電路既能消除引線電阻，又能對電阻應(yīng)變傳感器進行溫度補償，避免溫漂的影響。更進一步的，對于人體表皮電子系統(tǒng)中的其它測量元件，如溫度傳感器，也能通過在其基底上設(shè)置減敏層，減少應(yīng)變對溫度傳感器精度的影響。因此本發(fā)明能夠大大提高表皮電子測量系統(tǒng)的測量精度。

本發(fā)明可以用于結(jié)構(gòu)健康檢測，如對飛機表面應(yīng)變進行測量，大面積的陣列化應(yīng)變傳感器粘貼在飛機表面，用于獲取飛機蒙皮的應(yīng)變信息。飛機表面曲面復雜，連接引線眾多，引線應(yīng)變會給測量精度帶來很大影響，而本發(fā)明中具有補償效應(yīng)的陣列化應(yīng)變傳感器，能夠減小引線應(yīng)變，提高測量精度。同時測量補償電路可以消除連接引線誤差，同時進行溫度補償。更進一步的，本發(fā)明能整體制作在柔性基底材料上，方便在飛機上進行集成，測量電路上獲取的數(shù)據(jù)也可以通過無線傳輸?shù)姆绞絺鬏數(shù)诫娔X處理終端，從而獲得測量結(jié)構(gòu)表面的性能狀態(tài)。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。