压力测量和震动反馈的传感器模组及其压力测量方法与流程

1.本发明涉及触觉反馈技术领域，具体的说是涉及压力测量和震动反馈的传感器模组及其压力测量方法。


背景技术：

2.触觉反馈技术是当前热门的技术，其中压力的测量技术和震动反馈技术是该触觉反馈技术的核心部分。
3.一、在触觉反馈应用中的压力的测量技术分成两大类：
4.第一类，利用压电陶瓷的压电效应:机械的形变产生交变的电压,通过测量这个电压的大小从而确定形变大小。
5.第二类，利用应变片或压阻油墨组成惠斯通电桥,利用形变改变其中一个或多个电阻的阻值大小,通过测量惠斯通电桥的微小电压变化,从而计算出形变量。
6.其中第一类有明显缺陷：只有当形变速度较快时,压电效应才明显；当压力保持不变时,压电陶瓷输出电压为零。因此无法准确测量压力变化小或者压力保持不良的情况。
7.第二类能克服第一类的缺陷：第二类能够测量压力微小变化以及压力保持不变的情况,比如人们日常使用的电子称就是此类典型的应用。
8.二、震动反馈技术也分成两大类：
9.第一类，线性马达:利用电磁效应,在线性马达的z轴方向或x轴或y轴的带动铁块等磁性物质进行急速启动和骤停,产生特定的震动,从而实现震动反馈。
10.第二类，压电陶瓷:在压电陶瓷的两极施加较高的电压，比如60到300v的电压，给压电陶瓷产生机械能,从而实现震动反馈。
11.线性马达需要很大的体积,才能产生足够大的机械震动,并且相对于压电陶瓷需要更长的运行时间和震动周期,相对电能也需要更多。因此有线性马达驱动的产品难以做到轻薄化。
12.另外，压电陶瓷则在体积上的轻、薄更有优势,也较省电.不过压电陶瓷需要更高的电压,因此需要专用的电路来管理。


技术实现要素：

13.针对现有技术中的不足，本发明要解决的技术问题在于提供了压力测量和震动反馈的传感器模组及其压力测量方法，设计该传感器模组的目的是通过压电陶瓷片所受的压力变化或未受压力进行测量，以实现震动反馈。
14.为解决上述技术问题，本发明通过以下方案来实现：本发明的压力测量和震动反馈的传感器模组，包括：
15.压电陶瓷片，其正面覆有一层作为电极的环形铜面和设于所述环形铜面内圈的电极金属触点，其中，所述环形铜面粘有第一导电双面胶，所述电极金属触点粘有第二导电双面胶；
16.fpc板，具有相连的镂空部和圆部，所述镂空部和圆部通过连接处折弯后形成具有间隙的结构，所述压电陶瓷片设于该间隙内，所述圆部的正面与所述压电陶瓷片的背面粘合固定，所述镂空部和所述压电陶瓷片的正面通过第一导电双面胶、第二导电双面胶粘合固定；
17.在所述圆部的正面印刷有四个压阻油墨，该四个压阻油墨能够形成电阻且该四个压阻油墨分布于一矩形的各边中线上，该四个压阻油墨组成一惠斯通电桥电路；
18.所述镂空部，其和所述压电陶瓷片粘固的一面设有和所述四个压阻油墨连接的电路，且在该电路中设有第一接触电极和第二接触电极，所述第一导电双面胶和所述第一接触电极粘接形成电导通结构，所述第二导电双面胶和所述第二接触电极粘接形成电导通结构；
19.所述压电陶瓷片的背面粘有缓冲片，所述缓冲片设有多片，该多片缓冲片分为相等的两部分，该两部分缓冲片对称的设于所述压电陶瓷片边缘且分别与相对的两个压阻油墨靠近，和另外两个压阻油墨远离。
20.进一步的，所述缓冲片为弯形且双面带胶的橡胶薄片或弯形且双面带胶的硅胶薄片。
21.进一步的，所述四个压阻油墨以顺时针方向，分别为电阻r1、电阻r3、电阻r4和电阻r2，其中，所述电阻r1、所述电阻r4分别靠近两部分的缓冲片。
22.更进一步的，所述镂空部一端设有fpc连接器，该fpc连接器设有六个电接点，该六个电接点分别是vs电接点、s1电接点、s2电接点、gnd电接点、vh1电接点和vh2电接点；
23.其中，所述vs电接点为供电端，其分别连接至所述电阻r1的一端、电阻r3的一端；
24.所述s1电接点分别连接至所述电阻r1的另一端和电阻r2的一端，所述电阻r2的另一端接地；
25.所述s2电接点分别连接至所述电阻r3的另一端和电阻r4的一端，所述电阻r4的另一端接地；
26.所述gnd电接点为四个电阻的地回路；
27.所述vh1电接点连接至所述第一接触电极；
28.所述vh2电接点接至所述第二接触电极。
29.一种传感器模组的压力测量方法，所述传感器模组在不受压力时，进入s1电接点、s2电接点的电压差为零；
30.所述传感器模组的中心处受压时，由于压电陶瓷片的背面发生形变，进而使四个压阻油墨发生形变；
31.其中，所述电阻r1和所述电阻r4由于缓冲片的作用发生的形变小，其电阻值变化小；
32.所述电阻r2和所述电阻r3跟随所述压电陶瓷片的形变被弯曲而形变大，其电阻值增大；
33.由此，可得出电压v＝电压v
s1-电压v
s2
，电压v由小变大，其中，电压v
s1
为进入所述电阻r1和电阻r2之间的电路节点上的电压，所述电压v
s2
为进入所述电阻r3和所述电阻r4之间的电路节点上的电压；
34.进而在所述压电陶瓷片的弹性形变范围内，所述压电陶瓷片所受的压力f与所述
电压v成正比；
35.通过在所述压电陶瓷片上施压多个预设的标准压力，以校准所述压电陶瓷片，通过以下线性方程：
36.f＝av+b，计算出该线性方程的系数a和系数b；
37.得出所述方程的系数a和系数b，进而推算出所述压电陶瓷片在所承受压力范围内的压力值。
38.相对于现有技术，本发明的有益效果是：
39.1.本发明的传感器模组通过在fpc板上设置四个压阻油墨以形成电阻，在fpc板的间隙处设置压电陶瓷片，整个模组结构为薄型结构，减小体积。
40.2.本发明的传感器模组的压力测量方法，当压电陶瓷片受力变形时，其中的两个压阻油墨变形以增加电阻的大小，通过计算的电压差，电压v
s1-电压v
s2
，再通过f＝av+b，测出压电陶瓷片所受到的压力大小。
41.3.本发明的传感器模组的结构隔离了压力传感器的压力测试以及压电陶瓷片的高压驱动，进而把压力传感器的低压部分和压电陶瓷驱动的高压部分组合在一块fpc上。
42.4.通过在压电陶瓷片的驱动电压端口vh1和vh2上,增加100v到300v的电压，即可实现压电陶瓷片的驱动反馈。
附图说明
43.图1为本发明传感器模组的爆炸图。
44.图2为本发明fpc板的正面结构图。
45.图3为本发明fpc板的背面结构图。
46.图4为本发明fpc板的圆部与压电陶瓷片的背面粘接后的结构图。
47.图5为本发明惠斯通电桥电路图。
48.图6为本发明压力传感模组的低电压以及压电陶瓷片的高压部分线路导图。
49.图7为本发明镂空部的电路结构图。
50.图8为本发明传感器模组可视底面的立体图。
51.图9为本发明传感器模组可视正面的立体图。
52.图10为本发明压电陶瓷片的结构图。
53.图11为本发明的电压和压力线性化拟合的示意图。
54.附图中标记：压电陶瓷片1、fpc板2、缓冲片3、压阻油墨4、低电压导线图5、高电压导线图6、第一导电双面胶7、第二导电双面胶8、压片9、环形铜面11、电极金属触点12、镂空部21、圆部22、第一接触电极211、第二接触电极212。
具体实施方式
55.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，使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。显然，本发明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。
56.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
57.实施例1：本发明的具体结构如下：
58.请参照附图1-11，本发明的压力测量和震动反馈的传感器模组，包括：
59.压电陶瓷片1，其正面覆有一层作为电极的环形铜面11和设于所述环形铜面11内圈的电极金属触点12，其中，所述环形铜面11粘有第一导电双面胶7，所述电极金属触点12粘有第二导电双面胶8；
60.fpc板2，具有相连的镂空部21和圆部22，所述镂空部21和圆部22通过连接处折弯后形成具有间隙的结构，所述压电陶瓷片1设于该间隙内，所述圆部22的正面与所述压电陶瓷片1的背面粘合固定，所述镂空部21和所述压电陶瓷片1的正面通过第一导电双面胶7、第二导电双面胶8粘合固定；
61.在所述圆部22的正面印刷有四个压阻油墨4，该四个压阻油墨4能够形成电阻且该四个压阻油墨4分布于一矩形的各边中线上，该四个压阻油墨4组成一惠斯通电桥电路；
62.所述镂空部21，其和所述压电陶瓷片1粘固的一面设有和所述四个压阻油墨4连接的电路，且在该电路中设有第一接触电极211和第二接触电极212，所述第一导电双面胶7和所述第一接触电极211粘接形成电导通结构，所述第二导电双面胶8和所述第二接触电极212粘接形成电导通结构；
63.所述压电陶瓷片1的背面粘有缓冲片3，所述缓冲片3设有多片，该多片缓冲片3分为相等的两部分，该两部分缓冲片3对称的设于所述压电陶瓷片1边缘且分别与相对的两个压阻油墨4靠近，和另外两个压阻油墨4远离。
64.本实施例的一种优选技术方案：所述缓冲片3为弯形且双面带胶的橡胶薄片或弯形且双面带胶的硅胶薄片。
65.本实施例的一种优选技术方案：所述四个压阻油墨4以顺时针方向，分别为电阻r1、电阻r3、电阻r4和电阻r2，其中，所述电阻r1、所述电阻r4分别靠近两部分的缓冲片3。
66.本实施例的一种优选技术方案：所述镂空部21一端设有fpc连接器，该fpc连接器设有六个电接点，该六个电接点分别是vs电接点、s1电接点、s2电接点、gnd电接点、vh1电接点和vh2电接点；
67.其中，所述vs电接点为供电端，其分别连接至所述电阻r1的一端、电阻r3的一端；
68.所述s1电接点分别连接至所述电阻r1的另一端和电阻r2的一端，所述电阻r2的另一端接地；
69.所述s2电接点分别连接至所述电阻r3的另一端和电阻r4的一端，所述电阻r4的另一端接地；
70.所述gnd电接点为四个电阻的地回路；
71.所述vh1电接点连接至所述第一接触电极211；
72.所述vh2电接点接至所述第二接触电极212。
73.实施例2：
74.一种传感器模组的压力测量方法，所述传感器模组在不受压力时，进入s1电接点、s2电接点的电压差为零；
75.所述传感器模组的中心处受压时，由于压电陶瓷片1的背面发生形变，进而使四个
压阻油墨4发生形变；
76.其中，所述电阻r1和所述电阻r4由于缓冲片3的作用发生的形变小，其电阻值变化小；
77.所述电阻r2和所述电阻r3跟随所述压电陶瓷片1的形变被弯曲而形变大，其电阻值增大；
78.由此，可得出电压v＝电压v
s1-电压v
s2
，电压v由小变大，其中，电压v
s1
为进入所述电阻r1和电阻r2之间的电路节点上的电压，所述电压v
s2
为进入所述电阻r3和所述电阻r4之间的电路节点上的电压；
79.进而在所述压电陶瓷片1的弹性形变范围内，所述压电陶瓷片1所受的压力f与所述电压v成正比；
80.通过在所述压电陶瓷片1上施压多个预设的标准压力，以校准所述压电陶瓷片1，通过以下线性方程：
81.f＝av+b，计算出该线性方程的系数a和系数b；
82.得出所述方程的系数a和系数b，进而推算出所述压电陶瓷片1在所承受压力范围内的压力值。
83.实施例3：
84.以下是基于实施例2的内容进行校准传感器模组：
85.在压电陶瓷片1上施加100克力、200克力进行分2段校准和线性拟合过程，而电压v可通过电压v
s1-电压v
s2
算出，因此：
86.式1：100＝a
1v1
；(b1＝0)；
87.式2：100＝a
2v1
+b2；
88.式3：200＝a
2v2
+b2；
89.式3减去式2,得到
90.式4:100＝a2(v
2-v1)
91.其中，v1为100克力的压力下所测出的电压差，v1＝电压v
s1-电压v
s2
。设v1＝2伏。
[0092]v2
为200克力的压力下所测出的电压差，v2＝电压v
s1-电压v
s2
。设v2＝3伏。
[0093]
则由式1可算出a1＝50,由式4可算得a2＝100，代入式2得到b2＝-100。即在0到100克力时,使用f＝50v计算压力；在100克到200克力时,使用f＝100v-100计算压力。如果需要更高精度,增加更多区间即可。
[0094]
实施例4：
[0095]
如图1所示，本发明的传感器模组还设有压片9，所述压片9粘固于所述镂空部21的中心处，且压片9处于各电阻的中心处。
[0096]
实施例5：
[0097]
如图6-7所示，图6为本发明压力传感模组的低电压以及压电陶瓷片的高压部分线路导图。图7为本发明镂空部的电路结构图。
[0098]
图6中，未带箭头的虚线部分为本发明传感器模组的低电压导线图5，有带箭头的两个虚线是本发明压电陶瓷片1的正极和负极的高电压导线图6。由图中可知，隔离了传感器模组的压力测试以及压力陶瓷片的高压驱动，进而把传感器模组的低部分和压电陶瓷片驱动的高压部分组合在一块fpc上。
[0099]
如图7所示，通过在压电陶瓷片1的驱动电压端口vh1和vh2上,增加100v到300v的电压，即可实现压电陶瓷的驱动反馈。
[0100]
综上所述，本发明的传感器模组通过在fpc板上设置四个压阻油墨以形成电阻，在fpc板的间隙处设置压电陶瓷片，整个模组结构为薄型结构，减小体积。本发明的传感器模组的压力测量方法，当压电陶瓷片受力变形时，其中的两个压阻油墨变形以增加电阻的大小，通过计算的电压差，电压v
s1-电压v
s2
，再通过f＝av+b，测出压电陶瓷片所受到的压力大小。本发明的传感器模组的结构隔离了压力传感器的压力测试以及压电陶瓷片的高压驱动，进而把压力传感器的低压部分和压电陶瓷驱动的高压部分组合在一块fpc上。通过在压电陶瓷片的驱动电压端口vh1和vh2上,增加100v到300v的电压，即可实现压电陶瓷片的驱动反馈。
[0101]
以上所述仅为本发明的优选实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。