一种可拉伸柔性传感器及其形变检测方法与流程

本发明涉及柔性传感器检测技术领域，特别涉及一种可拉伸柔性传感器及其形变检测方法。

背景技术：

较大幅度人体运动的数字化采集与分析，在运动、健康和健身、医疗、人机界面和娱乐行业中都具有广泛的应用价值。

目前，诸如采用基于主要应用于电机、机械制造等其他行业中的应变传感器以及其他非柔性传感器等来适配人体运动测量的方案中，多采用刚性材料，并且具有高硬度，低应变能力等特性。这与测量人体的运动时，通常需要传感器具备低硬度，高应变特性来减小佩戴者在运动种的障碍感的需求存在明显的不匹配。同时这也增加了成本和测量系统的复杂性。

另一方面，基于结构光学和机器视觉分析的方案也伴随着近年来人工智能在图像和视觉处理领域的快速发展而逐渐流行起来，但这类方案通常需要昂贵的摄像机设置和复杂的光学结构设计并配合大量的人体建模算法实现，这使得视觉的方案在识别范围、实时性、成本、甚至特定角度位置的识别率上都有明显的不足，而且存在极大的隐私风险。还有基于惯性传感器的方案单独或少了使用时可避免部分基于刚性形变的传感器耦合到像人体这样的柔软和柔性结构的障碍感，并且提供了关于动态运动的出色反馈，但当进行覆盖全身3d的多点监测时，还是无法彻底解决佩戴的舒适感这一问题，且不能给出慢速运动或静态位置的良好近似。

近年来，基于柔性导电聚合物类型的传感器由于与人体和可拉伸织物的机械性能匹配极佳，成为应用于穿戴领域的新选择，这类传感器根据感应类型可分为电阻型和电容型传感器。其中，电阻型传感器具有制造工艺简单，成本低等特性，但对环境参数(例如温度和湿度)有较高度敏感，并且由于时间，应变速率和操作循环次数而具有其输出值漂移等缺陷。电容型传感器是另一种类型的软质聚合物传感器，它们具有良好的机械性能，并具有明显更高的可重复性和对环境因素的低敏感度等特性。然而电容型传感器的制造工艺相对更为复杂，增加了成本，同时由于电极是基于导电聚合物所以同样具有复杂的电阻特性耦合，需要配合软件算法来分离耦合电阻特性，这也显著降低了传感器的实时性并大幅降低了信噪比。

现有技术中，申请号为201611107156.5的中国发明专利公开了一种柔性传感器的变形检测装置及方法。该装置包括：压力控制系统，包括压力控制器及微泵，安装在样品池与储液器的液体输送管路中；样品池上方有由柔性传感器与可延展基膜构成的可延展复合膜的安装口；二维移动系统，包括放置样品池的二维载物台及步进电机；显微成像测量系统，包括可升降调节的显微镜头，装在样品池正上方；数据处理系统，根据二维载物平台及显微镜头的位移数据，输出可延展复合膜在不同压力情况下不同位置的轮廓曲线以及曲线的曲率，获得曲线与压力的关系。上述发明在一定程度上解决了现有技术不能从整体和细节上检测柔性传感器在不同压力下形变情况的不足。

上述发明提供了一种柔性传感器的检测方法，传感器的检测过程中需要通过采用载物台以及显微镜，通过二维载物台配合显微镜头扫描薄膜外形轮廓，由微泵与压力控制器线性改变并稳定保持可延展复合薄膜受到的压力，观察柔性可延展复合薄膜的变形情况，从而给出被观测点的相应空间坐标，最终由计算机处理得到柔性可延展复合薄膜在不同压力下的轮廓曲线及曲率半径。

但现有技术仍存在一定缺陷，传感器的检测过程复杂且对于检测装置以及检测环境的要求高，虽然能采用机电一体化的设计通过计算机控制除压力控制器的部分，但由于检测过程中需要采用载物台以及显微镜，并且需要采用计算机进行控制处理，并不能应用于设置于可穿戴设备上柔性传感器发生形变时的检测，也无法通过检测设置于可穿戴设备上的柔性传感器及其形变进而感知和监测人体运动状况的需求。

技术实现要素：

本发明目的在于，针对现有技术的上述不足，提供一种可拉伸柔性传感器的形变检测方法及柔性传感器，以应用于设置于可穿戴设备上柔性传感器发生形变时的检测，同时通过检测设置于可穿戴设备上的柔性传感器及其形变数据，感知和监测使用者人体运动状况。

本发明具体通过独特的形变检测电路和检测方法，对设置于可穿戴设备上的柔性传感器进行感测，检测电路可由分立器件或者集成电路组成，将其集成于可穿戴设备上能够满足随时对柔性传感器的形变进行感测，实现通过感测设置于可穿戴设备上的柔性传感器的形变的感知、进而监测人体的实时运动参数。本发明还提供一种柔性传感器，其能够在低成本的基础上实现柔性传感器与传统织物制造加工的集成，其具有柔性、应变度高、低环境敏感度等特性，便于集成到衣物和穿戴设备中，使用方便、用途广泛。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种可拉伸柔性传感器的形变检测方法，包括以下步骤：

(1)将可拉伸柔性传感器设置于可穿戴物品中、供使用者穿着；设置可拉伸柔性传感器的检测电路，检测电路与可穿戴物品中的拉伸柔性传感器相连接；

(2)启动检测电路，其对进行集成于可穿戴物品中的可拉伸柔性传感器发生形变时的电容和/或电阻、电感变化所引起的在检测电路中充放电信号波形的变化进行感测；

(3)检测电路对传感器进行充电，当检测电路感测到可拉伸柔性传感器发生形变时，通过将传感器的电信号与参考电压进行比较输出对应于可拉伸柔性传感器产生形变的波形信号，再对信号进行整形和量化，最后通过对传感器进行放电来完成整个测量周期，完成对使用者运动状态的感知和数据采集。

(4)重复步骤(3)，完成多个测量周期的使用者运动状态的感知和数据采集。

作为本发明的进一步改进，可拉伸柔性传感器的检测电路包括：直流恒流源、电压比较器、模拟多路器、时钟发生器、开关电路以及逻辑控制电路；其中，逻辑控制电路包括充放电控制逻辑电路、寄存器以及计数器。

作为本发明的进一步改进，模拟多路器与可穿戴物品中的可拉伸柔性传感器相连接，另外其通过开关电路s1与直流恒流源相连接以及通过开关电路s2与电源低电位端相连接，模拟多路器还与电压比较器相连接，开关电路s1以及开关电路s2分别与充放电控制逻辑电路相连接，充放电控制逻辑电路相连接与时钟发生器相连接，时钟发生器还分别与寄存器以及计数器相连接，电压比较器分别与寄存器以及计数器相连接；直流恒流电源为检测电路提供电源，时钟发生器为逻辑控制电路提供时钟翻转信号。

作为本发明的进一步改进，所述步骤(3)还包括以下步骤：

(31)逻辑控制电路闭合开关电路s1，打开开关电路s2对传感器进行充电，当检测电路感测到可拉伸柔性传感器发生形变时，同时经由模拟多路器将该路传感器的电信号送到电压比较器的一端，通过与电压比较器的另一端的参考电压进行比较输出对应于可拉伸柔性传感器产生形变的波形信号，再由逻辑电路对信号进行整形和量化，最后通过打开开关电路s1，并闭合开关电路s2对传感器进行放电来完成整个测量周期。

作为本发明的进一步改进，所述步骤(31)还包括以下步骤：

(311)逻辑控制电路先通过闭合开关电路s1对传感器进行预充电到预设电压，再经由闭合开关电路s2对传感器放电，同时测量传感器的放电波形。

一种实施上述方法的可拉伸柔性传感器，包括一电极电介质结构，所述电极电介质结构包括两电极层以及用于分开该两电极层并在电极层上提供电容的一电介质层，所述电极层包括一个或多个电极，所述电介质层包括一个或多个电介质；相邻的两电极相互连接且构成z字形设置于可拉伸弹性织物上；当其发生弹性拉伸形变时，其电极电介质结构的电容和/或电阻、电感变化可引起充放电信号波形的对应变化。

作为本发明的进一步改进，还包括一层或多层叠加电极电介质结构，包括一电极层以及一电介质层，其设置于电极电介质结构或叠加于叠加电极电介质结构上，所述叠加电极电介质结构中的电介质层与电极电介质结构或叠加电极电介质结构上的电极层相连接；所述电极层包括一个或多个电极，所述电介质层包括一个或多个电介质；相邻的两电极相互连接且构成z字形设置于可拉伸弹性织物上。

作为本发明的进一步改进，所述电极与电介质均采用柔性可拉伸织物制成。

作为本发明的进一步改进，所述电极的导电部件为散布在织物纤维之间的离散但互连的导电颗粒的网络或者导电纱线、导电纤维、导电聚合物中的一种或多种。

作为本发明的进一步改进，所述电介质为微粒子或高介电常数的纳米粒子或导电材料。

与现有技术相比具有的优点：

1、本发明的可拉伸柔性传感器的形变检测方法及传感器，其形变检测方法通过设置检测电路、对设置于可穿戴设备上的柔性传感器的形变时的数据进行感知和检测，完成对使用者运动状态的感知和数据采集。该检测电路可由分立器件或者集成电路组成，将其集成于可穿戴设备上能够满足随时对柔性传感器进行感测，实现通过感测设置于可穿戴设备上的柔性传感器的进而监测人体运动的需求；提供的柔性传感器，能够在低成本的基础上实现柔性传感器与传统织物制造加工的集成，其具有柔性、应变度高、低环境敏感度等特性，便于集成到衣物和穿戴设备中。

2、本发明提供的可拉伸柔性传感器基于电容传感器的性能，其主要部件包括电极和电介质，均由可拉伸的织物制成，并且该可拉伸柔性传感器能够使用与制造中使用的相同的传统纺织品加工技术形成，体积小、效率高、数据准确性好，成本低、易于量产和推广。

3、本发明可拉伸柔性传感器的形变检测方法及传感器，提供的柔性传感器的形变检测方法及传感器均采用的灵活且柔顺的电路，是柔性传感器技术领域中的重大飞跃，其具有克服现有技术中存在的缺陷的能力，并且本发明提供的柔性传感器的形变检测方法及传感器中提供的电路能够设置于可穿戴设备上，能够满足容易地穿上和取下电路的需求，能够直接应用于人体的各种运动数据采集，使用方便、应用广泛。

为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对其进行详细说明。

附图说明

图1是本发明中的可拉伸柔性传感器检测电路的电路原理图；

图2是本发明提供的可拉伸柔性传感器结构分层示意图；

图3是本发明提供的可拉伸柔性传感器的组合结构示意图；

图4是本发明提供的可拉伸柔性传感器叠加后的结构示意图；

图5是本发明提供的可拉伸柔性传感器拉伸时的结构示意图；

图6是本发明提供的可拉伸柔性传感器叠加后拉伸时的结构示意图；

图7是本发明提供的可拉伸柔性传感器结构分层连接检测电路的结构示意图；

图8是本发明提供的可拉伸柔性传感器连接检测电路的结构示意图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见附图1-8，本实施例提供的可拉伸柔性传感器的形变检测方法，包括以下步骤：

(1)将可拉伸柔性传感器设置于可穿戴物品中、供使用者穿着；设置可拉伸柔性传感器的检测电路，检测电路与可穿戴物品中的拉伸柔性传感器相连接；

(2)启动检测电路，其对进行集成于可穿戴物品中的可拉伸柔性传感器发生形变时的电容和/或电阻、电感变化所引起的在检测电路中充放电信号波形的变化进行感测；

(3)检测电路对传感器进行充电，当检测电路感测到可拉伸柔性传感器发生形变时，通过将传感器的电信号与参考电压进行比较输出对应于可拉伸柔性传感器产生形变的波形信号，再对信号进行整形和量化，最后通过对传感器进行放电来完成整个测量周期，完成对使用者运动状态的感知和数据采集。

(4)重复步骤(3)，完成多个测量周期的使用者运动状态的感知和数据采集。

参见附图1，本实施例提供的可拉伸柔性传感器的形变检测方法中，该可拉伸柔性传感器的检测电路包括：直流恒流源、电压比较器、模拟多路器、时钟发生器、开关电路以及逻辑控制电路；其中，逻辑控制电路包括充放电控制逻辑电路、寄存器以及计数器。

该电路中的模拟多路器与可穿戴物品中的可拉伸柔性传感器相连接，另外其通过开关电路s1与直流恒流源相连接以及通过开关电路s2与电源低电位端相连接，模拟多路器还与电压比较器相连接，开关电路s1以及开关电路s2分别与充放电控制逻辑电路相连接，充放电控制逻辑电路相连接与时钟发生器相连接，时钟发生器还分别与寄存器以及计数器相连接，电压比较器分别与寄存器以及计数器相连接；直流恒流电源为检测电路提供电源，时钟发生器为逻辑控制电路提供时钟翻转信号。

本实施例中的可拉伸柔性传感器的形变检测方法，所述步骤(3)还包括以下步骤：

(31)逻辑控制电路闭合开关电路s1，打开开关电路s2对传感器进行充电，当检测电路感测到可拉伸柔性传感器发生形变时，同时经由模拟多路器将该路传感器的电信号送到电压比较器的一端，通过与电压比较器的另一端的参考电压进行比较输出对应于可拉伸柔性传感器产生形变的波形信号，再由逻辑电路对信号进行整形和量化，最后通过打开开关电路s1，并闭合开关电路s2对传感器进行放电来完成整个测量周期。

本实施例中的可拉伸柔性传感器的形变检测方法，所述步骤(31)还包括以下步骤：

(311)逻辑控制电路先通过闭合开关电路s1对传感器进行预充电到预设电压，再经由闭合开关电路s2对传感器放电，同时测量传感器的放电波形。

参见附图2、3，一种实施上述方法的可拉伸柔性传感器，包括一电极电介质结构，所述电极电介质结构包括两电极层1结构以及用于分开该两电极层1并在电极层上提供电容的一电介质层2结构，所述电极层1结构包括一个或多个电极，所述电介质层2包括一个或多个电介质；相邻的两电极相互连接且构成z字形设置于可拉伸弹性织物上；当其发生弹性拉伸形变时，其电极电介质结构的电容和/或电阻、电感变化可引起充放电信号波形的对应变化。

参见附图4，本实施例中的可拉伸柔性传感器，还包括一层或多层叠加电极电介质结构，传感器上的电极电介质结构可通过该叠加电极电介质结构进行叠加，包括一电极层1以及一电介质层2，其设置于电极电介质结构或叠加于叠加电极电介质结构上，所述叠加电极电介质结构中的电介质层1与电极电介质结构或叠加电极电介质结构上的电极层2相连接；所述电极层1包括一个或多个电极，所述电介质层2包括一个或多个电介质；相邻的两电极相互连接且构成z字形设置于可拉伸弹性织物上。

可拉伸传感器的结构至少由可拉伸织物的可组成一电极电介质结构的三个层组成，其可通过设置于该电极电介质结构外的叠加电极电介质结构对电极电介质结构进行叠加。电极电介质结构中设置于中层的内部介电层为不导电的介电质织物，介电质织物外的两个层均为导电织物；外部的两个层上的导电织物或导电聚合物材料均构成z字形图案并附着到弹性织物上。织物的结构包括可伸长或不可伸长的纤维或两者的组合，它们以织物的形式能够在一个或多个方向上以拉伸的方式编织或编织。参见附图7及附图8，本实施例中的可拉伸传感器通过导电织物或者导电聚合物与外部连接，其通过导电织物或者导电聚合物连通已构成z字形结构的可拉伸传感器电极以及检测电路。

当可拉伸织物的三个层结合在一起时，三层形成电容器，导电织物用作电极且非导电织物用作电介质；当可拉伸织物变形时，电极和的电容和/或电阻将随着传感器的几何形状而改变，其中，电容器的电容取决于分隔电极织物和非导电织物的厚度以及导电织物电极的重叠区域的厚度，电容器的电感取决于电极织物中的z字形结构的夹角疏密。当变形时，电极和的电感将随着传感器的几何形状而改变。

参见附图3以及附图4，可拉伸柔性传感器处于未拉伸状态，参见附图5以及附图6，可拉伸柔性传感器处于拉伸状态；上述附图显示了可拉伸柔性传感器结构如何用于拉伸感应配置，当可拉伸柔性传感器伸展和收缩时，可拉伸柔性传感器的面积和/或电极的分离发生变化，这导致传感器电容的变化。当电极伸展和收缩时，它们的电感也可能改变。

本实施例中的可拉伸柔性传感器，所述电极与电介质均采用柔性可拉伸织物制成。

本实施例中的可拉伸柔性传感器，所述电极的导电部件为散布在织物纤维之间的离散但互连的导电颗粒的网络或者导电纱线、导电纤维、导电聚合物中的一种或多种。

本实施例中的可拉伸柔性传感器，所述电介质为微粒子或高介电常数的纳米粒子或导电材料。

本实施例中的可拉伸柔性传感器的形变检测方法及传感器，其设计重点在于：

1、本实施例中的可拉伸柔性传感器的形变检测方法及传感器，通过对设置于可穿戴设备上的柔性传感器的形变数据进行感知和监测，完成对使用者运动状态的感知和数据采集，便捷高效。该检测电路可由分立器件或者集成电路组成，将其集成于可穿戴设备上能够满足随时对柔性传感器进行感测，实现通过感测设置于可穿戴设备上的柔性传感器的进而监测人体运动的需求；提供的柔性传感器，能够在低成本的基础上实现柔性传感器与传统织物制造加工的集成，其具有柔性、应变度高、低环境敏感度等特性，便于集成到衣物和穿戴设备中。

2、本实施例中提供的可拉伸柔性传感器基于电容传感器的性能，其主要部件包括电极和电介质，均由可拉伸的织物制成，并且该可拉伸柔性传感器能够使用与制造中使用的相同的传统纺织品加工技术形成，结构紧凑、工作可靠、成本低，易于使用，易于推广。

3、本实施例中的可拉伸柔性传感器的形变检测方法及传感器，提供的柔性传感器的形变检测方法及传感器均采用的灵活且柔顺的电路，是柔性传感器技术领域中的重大飞跃，其具有克服现有技术中存在的缺陷的能力，并且本发明提供的柔性传感器的形变检测方法及传感器中提供的电路能够设置于可穿戴设备上，能够满足容易地穿上和取下电路的需求，能够直接应用于各种人体运动数据的检测上，用途广泛。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。