[发明专利]基于压阻材料的电阻率成像柔性压力检测系统及检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种压力检测系统及其检测方法，特别涉及一种用于医疗康复辅具的电阻抗成像压力检测系统及其检测方法。

背景技术

在医疗领域的康复工程中有时候经常需要测量某一个界面的压力分布，比如脑瘫患儿的坐姿辅具系统、关节康复辅具、足底压力检测康复辅具等，另外在日常生活中也常常涉及到汽车座椅、轮椅、地毯、鞋垫等受力器具或服装的关节等部位的设计，这些都需要对一个柔性界面进行压力分析，进而使得这些器具或者服装等的使用效果到优化或者改良。从以上可以看出，发展柔性压力检测技术具有十分重要的实际应用价值和科学意义。

目前在这些柔性压力检测领域中应用较为广泛的技术主要包括三种：

第一种是采用晶体管阵列或力传感器等刚性元件作为内部传感器阵列，以柔性材料如硅橡胶、石墨聚合物等作为传递压力信息媒介的柔性压力检测系统。当受到外部压力时，检测系统内电阻发生变化，其传感器阵列就会记录下电阻变化的数值，以这种电阻的变化来反映所受到的压力大小。这种技术由于传感器本身不具有柔性，弯曲变形会受到一定的限制；

第二种是利用微机械电子系统MEMS（(Micro-Electro-Mechanical System）工艺将各种电子线路依网状设计嵌入到一张柔软的塑料薄膜上作为传感器阵列，仍以柔性材料作为传递压力信息媒介的柔性压力检测系统。这种技术虽然可以使传感器具备一定的柔性，但成本较高，制作工艺较为复杂，不适合大范围的应用；

第三种是采用具有压敏特性的柔性材料作为传感器阵列的柔性压力检测系统，其所用的柔性材料主要包括具有压阻特性的压力敏感材料，如炭黑、碳纳米管等和具有压电特性的PVDF(聚偏二氟乙烯)材料等。这种技术采用的柔性材料成本较低，使用方便，但其灵敏度有点低、抗电磁干扰能力差，另外由于其导线要从内部引出造成其易磨损等。

在上述三种技术中还普遍存在一个缺点，就是压力测量时需要在内部有传感器阵列，造成其使用上测量节点较多，线路复杂，使用不便，也容易因其内部某个节点的损坏造成其测量误差，维护和维修不便。

另外，在目前所使用的柔性压力检测系统中，测量的参数是压阻材料的电阻变化或者压电材料自身产生的电流、电压，因而为了更好地测量局部压力，就需要在整个测量压力的区域内布置传感器或电极，传感器或电极布置的密度越大，测量精度也越高。这样一方面会增加压力检测系统的成本，另一方面也会影响其柔性，造成很高的测量误差。

发明内容

本发明的目的是克服上述几种现有的柔性压力检测系统的缺点，提出一种基于压阻材料的电阻率成像柔性压力检测系统及其检测方法。

本发明采用具有压阻特性的柔性材料，如炭黑、纳米粒子等复合导电材料填充而成的导电橡胶等，作为柔性压力检测系统的主体——压力检测垫，利用连接在压力检测垫上的注入电极向检测垫内注入电流。通过布置在检测垫四周的接收电极接收检测到的电压信号，采用电阻抗成像的原理，计算得到压力检测垫内部的电阻率分布，进而根据材料的压阻特性反演出压力检测垫承受的压力分布。

本发明的柔性压力检测系统主要包括压力检测垫、埋在压力检测垫内部的温度传感器、连接在压力检测垫边缘的注入电极、连接在压力检测垫四周的多个均匀分布的接收电极、连接在接收电极和温度传感器上的导线以及与导线连接在一起的信号采集电路六个部分。

所述的压力检测垫采用柔性导电橡胶材料制作，所述的柔性导电橡胶材料是由炭黑或者纳米粒子等复合导电材料填充到硅橡胶中形成的，具有独特压阻效应。所述的压力检测垫的上、下表面，以及压力检测垫与注入电极和接收电极连接处均涂有柔性绝缘材料，用以防止外界接触物对压力检测垫的电干扰。

所述的信号采集电路包含多个分路，每一个分路都通过导线与一个接收电极或温度传感器相连，接收电极检测到的电压信号或温度传感器检测到的温度信号通过导线传输到信号采集电路的不同分路。信号采集电路的每个分路的电路结构均相同，主要包括：与导线相连的运算放大电路、与运算放大电路输出端相连的滤波电路、与滤波电路输出端相连的差分放大电路和与差分放大电路输出端相连的A/D转换电路四部分。

采用本发明检测系统的检测方法如下：