基于平行極板電容的接近覺傳感器及其檢測方法與流程

本發(fā)明屬于電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于平行極板電容的接近覺傳感器及其檢測方法，尤其應(yīng)用于機器手測量待測物體的接近距離、接近方向和屬性。

背景技術(shù)：

隨著電子技術(shù)、控制理論、計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)、人工智能等學(xué)科的發(fā)展，機器人技術(shù)的研究已經(jīng)從示教再現(xiàn)型轉(zhuǎn)向具有感覺功能的適應(yīng)控制型。這一轉(zhuǎn)變要求機器人具有感知系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠通過感覺傳感器，使機器人能夠“感知”自身和外部環(huán)境的變化。接近覺傳感器就是這類傳感器中的一種。

接近覺傳感器在機器人實現(xiàn)目標的識別、定位與跟蹤，以及運動中的避障等各種活動中發(fā)揮著重要作用。通過機器人能夠感知到與對象之間的接近程度，從而實現(xiàn)無沖擊接近，避免碰撞和抓取操作。因此，研究接近覺傳感器對推動機器人技術(shù)的發(fā)展有重要的作用和意義。

已報道的接近覺傳感器按照工作原理可分為光電式、光纖式、普通電容式、電磁感應(yīng)式、超聲波式、紅外式、微波式等類型，然而這些接近覺傳感器的研究仍然存在一些問題。光電式容易受到待測物體顏色、粗糙度和環(huán)境亮度的限制。電磁式只能用于檢測鐵磁物質(zhì)，而且作用的距離比較短，一般僅為零點幾毫米。超聲波在空氣中衰減很厲害，因此頻率(20Hz以下)通常不高，所以提高分辨率很困難，而且它的電路也比較復(fù)雜。

目前以電容式為主的接近覺傳感器的研究主要有：1、普通電容式的接近覺傳感器，即將傳感器本身作為一個極板，待測物體作為另一個極板。這種結(jié)構(gòu)要求待測物體必須是接地導(dǎo)體，而且容易受到周圍雜散電場的干擾，測量范圍一般僅為幾毫米。2、雙極板式的接近覺傳感器，如中國專利申請，授權(quán)號公告號為CN 2356337Y，名稱為“電容接近覺傳感器”，公開日為1999年12月29日，該傳感器由一塊激勵極板和一塊接收極板組成，能檢測導(dǎo)體和非導(dǎo)體的待測物體，但不能測量待測物體的接近方向及待測物體的屬性。

另外，隨著接近覺傳感器在電子皮膚、醫(yī)療保健、電子電工、運動器材、紡織品、航天航空、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，對傳感器的要求也趨向具有良好的柔韌性和延展性，而且結(jié)構(gòu)形式靈活多樣，可根據(jù)測量條件的要求任意布置，能夠非常方便地對復(fù)雜待測物體進行檢測。

綜上所述，現(xiàn)有的接近覺傳感器存在如下缺點：(1)不能同時實現(xiàn)待測物體接近距離與方向的檢測；(2)不能判斷待測物體的屬性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了達到上述目的，本發(fā)明提供一種基于平行極板電容的接近覺傳感器，靈敏度高，精確度高，解決了現(xiàn)有技術(shù)中接近覺傳感器不能同時檢測待測物體接近距離與方向，不能判斷待測物體屬性的問題。

本發(fā)明的另一目的是，提供一種基于平行極板電容的接近覺傳感器的檢測方法。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種基于平行極板電容的接近覺傳感器，由表層襯底、驅(qū)動電極、感應(yīng)電極、保護環(huán)、底層襯底和中間層組成；表層襯底、底層襯底和中間層的形狀、大小相同，表層襯底、中間層和底層襯底自上而下成層疊結(jié)構(gòu)，表層襯底的上表面設(shè)置有驅(qū)動電極、感應(yīng)電極和保護環(huán)，驅(qū)動電極設(shè)于表層襯底上表面的中心位置，在驅(qū)動電極的外圍一周耦合有保護環(huán)，在保護環(huán)的外圍耦合有兩個或兩個以上結(jié)構(gòu)相同的感應(yīng)電極，感應(yīng)電極在保護環(huán)的外圍對稱分布，每個感應(yīng)電極分別與驅(qū)動電極生成相應(yīng)的耦合電容；中間層作為GND接地層，保護環(huán)上打有第一小圓孔，表層襯底上打有第二小圓孔，第一小圓孔與第二小圓孔的位置完全重合，便于保護環(huán)接于GND。

本發(fā)明的特征還在于，進一步的，驅(qū)動電極與保護環(huán)相距0.5mm，保護環(huán)與感應(yīng)電極相距1.5mm。

進一步的，驅(qū)動電極、感應(yīng)電極和保護環(huán)均采用導(dǎo)電材料，驅(qū)動電極為圓形、橢圓形或多邊形；感應(yīng)電極為扇形環(huán)狀或矩形。

進一步的，驅(qū)動電極、感應(yīng)電極和保護環(huán)均采用銅材料。

進一步的，表層襯底采用柔性聚合物薄膜材料，底層襯底采用柔性聚合物材料，中間層采用導(dǎo)電材料。

進一步的，表層襯底采用PET材料，底層襯底采用PDMS材料，中間層采用銅材料。

進一步的，底層襯底、中間層和表層襯底均為正方形板材，底層襯底、中間層和表層襯底的大小均為長2.0～5.0cm、寬2.0～5.0cm，底層襯底厚1.0～2.0mm；中間層厚20～50μm；表層襯底厚0.5～2mm；保護環(huán)的寬度為1～3mm、厚度為20～50μm，感應(yīng)電極的寬度為5mm、厚度為20～50μm；驅(qū)動電極的面積大小為4～25cm²、厚度為20～50μm；第一小圓孔和第二小圓孔分別有20個，第一小圓孔和第二小圓孔的孔徑均為0.05～0.25mm。

本發(fā)明的另一技術(shù)方案是，一種基于平行極板電容的接近覺傳感器的檢測方法，包括待測物體距離檢測、待測物體方向檢測和待測物體屬性檢測；

待測物體距離檢測：對待測物體的接近距離與接近覺傳感器電容輸出值的關(guān)系進行標定，獲得待測物體接近距離與對應(yīng)電容輸出值的距離量化關(guān)系；根據(jù)已有的距離量化關(guān)系和接近覺傳感器電容輸出值，得到待測物體的接近距離；

待測物體方向檢測：待測物體分別從四個方向接近接近覺傳感器，得到四個接近覺傳感器電容輸出的差值；對待測物體接近方向和電容輸出差值的關(guān)系進行標定，獲得待測物體接近方向與對應(yīng)電容輸出差值的方向量化關(guān)系，根據(jù)已有的方向量化關(guān)系和接近覺傳感器電容輸出差值，得到待測物體的接近方向；

待測物體屬性檢測：將不同屬性的待測物體接近接近覺傳感器一定距離時，接近覺傳感器電容輸出值激增，對不同屬性待測物體和電容突變輸出值的關(guān)系進行標定，獲得待測物體屬性與對應(yīng)電容突變輸出值的屬性量化關(guān)系，根據(jù)已有的屬性量化關(guān)系和接近覺傳感器電容突變輸出值，得到待測物體的屬性。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的結(jié)構(gòu)由于采用了驅(qū)動電極和感應(yīng)電極耦合在同一表面襯底，根據(jù)驅(qū)動電極與感應(yīng)電極的耦合電容變化能夠檢測待測物體的接近度，實現(xiàn)了近距離范圍的待測物體的距離測量；多個感應(yīng)電極對稱分布的結(jié)構(gòu)，根據(jù)多個耦合電容的大小不同可判斷待測物體的接近方向；當待測物體接觸到本發(fā)明時，根據(jù)待測物體的介電常數(shù)不同，可判斷待測物體的屬性。本發(fā)明能夠應(yīng)用于仿生機器手，具有較高的應(yīng)用前景。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發(fā)明實施例的主視圖。

圖2是本發(fā)明實施例的俯視圖。

圖中，1.表層襯底，2.驅(qū)動電極，3.感應(yīng)電極，4.保護環(huán)，5.底層襯底，6.第一小圓孔，7.中間層，8.第二小圓孔。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

實施例，

本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，如圖1-2所示，由表層襯底1、驅(qū)動電極2、感應(yīng)電極3、保護環(huán)4、底層襯底5和中間層7組成；表層襯底1、中間層7和底層襯底5自上而下成層疊結(jié)構(gòu)，中間層7采用銅材質(zhì)，作為GND接地層，表層襯底1的上表面設(shè)置有驅(qū)動電極2、感應(yīng)電極3和保護環(huán)4，驅(qū)動電極2設(shè)于表層襯底1上表面的中心位置，在驅(qū)動電極2的外圍一周耦合有保護環(huán)4，在保護環(huán)4的外圍耦合有四個相同的感應(yīng)電極3，四個相同的感應(yīng)電極3在保護環(huán)4的外圍對稱分布；驅(qū)動電極2、感應(yīng)電極3和保護環(huán)4均采用銅材料；保護環(huán)4上打有密集的第一小圓孔6，表層襯底1上打有密集的第二小圓孔8，第一小圓孔6與第二小圓孔8的位置完全重合，用于保護環(huán)4接于GND，第一小圓孔6和第二小圓孔8分別有20個，孔徑均為0.05～0.25mm。

驅(qū)動電極2為圓形，半徑為1cm；保護環(huán)4的寬度為1～3mm，保護環(huán)4與驅(qū)動電極2相距0.5mm，感應(yīng)電極3為扇形環(huán)狀，感應(yīng)電極3的寬度為5mm，感應(yīng)電極3與保護環(huán)4相距1.5mm，四個感應(yīng)電極3分別與驅(qū)動電極2生成四個耦合電容，根據(jù)四個耦合電容的電容大小不同，判斷待測物體的接近方向。

底層襯底5采用PDMS材料，以便于傳感器為柔性設(shè)計實現(xiàn)隨體成型，底層襯底5的形狀為正方形板材，以便于貼附，中間層7的形狀為正方形板材，以便于鋪在底層襯底5表面，表層襯底1采用PET材料，以便于傳感器為柔性設(shè)計，形狀為正方形板材，以便于層疊在中間層上；底層襯底5、中間層7和表層襯底1的大小相等。

底層襯底5貼合于機器手或假肢，因此其厚度越薄，貼合性越好。根據(jù)現(xiàn)有的旋涂工藝，底層襯底5厚度為1.0mm～2.0mm時，易于制作且襯底均勻；中間層7為GND層，在保證其導(dǎo)電性良好的前提下，盡量做薄，根據(jù)現(xiàn)有的制作工藝，厚度為20～50μm；表層襯底1的厚度會對平行極板間的耦合電容的測量產(chǎn)生影響，根據(jù)耦合電容計算公式的分析和推導(dǎo)，當表層襯底1的厚度小于2mm時，表層襯底1對耦合電容的影響可忽略，根據(jù)現(xiàn)有的制作工藝將其厚度設(shè)為0.5mm～2mm。驅(qū)動電極2、保護環(huán)4和感應(yīng)電極3在保證其導(dǎo)電性良好的情況下，其厚度盡量做薄，根據(jù)現(xiàn)有的制作工藝，其厚度均為20～50μm。

根據(jù)對平行極板間的耦合電容計算公式的分析，將底層襯底5、中間層7和表層襯底1的大小均設(shè)為長2.0cm×寬2.0cm，底層襯底5、中間層7和表層襯底1的大小均設(shè)為長4.0cm×寬4.0cm，底層襯底5、中間層7和表層襯底1的大小均設(shè)為長5.0cm×寬5.0cm。

根據(jù)銅材料具有良好的延展性和導(dǎo)電性，更利于隨體貼合，所以選擇銅作為驅(qū)動電極2、感應(yīng)電極3、保護環(huán)4及中間層7的導(dǎo)電材料。

保護環(huán)4與驅(qū)動電極2相距0.5mm，感應(yīng)電極3與保護環(huán)4相距1.5mm，以便于確保驅(qū)動電極2與感應(yīng)電極3間的耦合電容適中，易于觀察耦合電容的變化量；相同的距離測量范圍內(nèi)，其靈敏度較高；同時在檢測待測物體屬性時，靈敏度較高，待測物位于相對較遠的距離時，就可檢測出其屬性。在測量物體的接近方向這一特征，是本領(lǐng)域技術(shù)人員不易想到的。

其中，驅(qū)動電極2還可以為橢圓形或多邊形，驅(qū)動電極2面積大小為4～25cm²，當驅(qū)動電極2為多邊形時，感應(yīng)電極3為矩形，在保護環(huán)4的外圍對稱分布。

本發(fā)明的技術(shù)原理：

當正弦交流電供給驅(qū)動電極2時，本發(fā)明傳感器開始工作，驅(qū)動電極2分別與四個感應(yīng)電極3之間形成耦合電容。根據(jù)平行板電容的靜電感應(yīng)原理，當待測物體靠近傳感器時，引起極板周圍電場發(fā)生變化，即當待測物體靠近傳感器時，四個耦合電容的電容值減小，對待測物體的接近距離與本發(fā)明接近覺傳感器電容輸出值的關(guān)系進行標定，獲得待測物體接近距離與對應(yīng)電容輸出值的距離量化關(guān)系；根據(jù)已有的距離量化關(guān)系和接近覺傳感器電容輸出值，得到待測物體的接近距離。

當待測物體非正對靠近傳感器時，四個耦合電容的電容大小存在差異；待測物體分別從四個方向接近本發(fā)明接近覺傳感器，得到四個接近覺傳感器電容輸出的差值；對待測物體接近方向和電容輸出差值的關(guān)系進行標定，獲得待測物體接近方向與對應(yīng)電容輸出差值的方向量化關(guān)系，根據(jù)已有的方向量化關(guān)系和接近覺傳感器電容輸出差值，得到待測物體的接近方向。

當待測物體接觸到傳感器時，由于待測物體的介電常數(shù)的影響，引起耦合電容的反常變化，將不同屬性的待測物體(根據(jù)導(dǎo)電性、較大質(zhì)量密度差等屬性劃分)接近本發(fā)明接近覺傳感器一定距離時，接近覺傳感器電容輸出值激增，對不同屬性待測物體和電容突變輸出值的關(guān)系進行標定，獲得待測物體屬性與對應(yīng)電容突變輸出值的屬性量化關(guān)系，根據(jù)已有的屬性量化關(guān)系和接近覺傳感器電容突變輸出值，得到待測物體的屬性。

本發(fā)明中由于保護環(huán)4的設(shè)計，待測物體能夠在距離傳感器1cm的位置就會出現(xiàn)電容輸出值突變，即檢測到待測物體的屬性。

需要說明的是，在本文中，術(shù)語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設(shè)備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設(shè)備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設(shè)備中還存在另外的相同要素。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。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、改進等，均包含在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。