技术摘要：
本发明公开了一种电量识别和刚度筛选的耦合式传感方法及其传感系统。本发明利用静电感应与压电驻极体的近场效应，通过单层或双层压电驻极体薄膜分别提高带电量识别灵敏度或刚度判断灵敏度；前端电极为阈值刚度固定的球形拱顶结构，若目标物体的刚度大于前端电极的阈值  全部
背景技术：
机器人智能机械手需要穿戴先进微型传感器才能更好完成精细化作业任务，包 括：对物体的识别、抓取等操作。在上述任务中，通常配备触觉传感器以检测物体的温度、形 状、表面粗糙度、表面湿度、带电特性以及刚度等。 太空环境中弥漫着大量带有电荷的流星体，其表面电压最高可达几千伏，与装备 接触时极易产生放电损害电路设备，因此，在机械手抓取目标前需要提前判断目标物体的 带电量以确定是否抓取物体。此外，流星体成分大多为金属、石质矿物和冰晶，刚度差别很 大。为了选择合适的抓取目标与抓取力度，在机械手抓取目标时需要筛选目标物体的刚度。 因此，在太空探索过程中，需要开发一种具有对物体带电量识别及其刚度筛选能力的耦合 式传感方法与传感系统。然而，目前针对物体带电量及其刚度判别多用两种类型传感器同 时感测，集成化程度低。 在相关研究中，对物体刚度的测量多采用压电式传感器，利用正压电效应，通过输 出电信号计算得到接触时的相互作用力，反推出物体刚度，这需要压电式传感器的灵敏度 极高以输出高精度连续信号。但是压电式触觉传感器只能测量物体动态刚度，无法测量静 态刚度，而物体与探头之间接触不稳会引发较大误差。目标物体的刚度等于相互作用力除 以物体的形变量，但物体的微小形变量难以通过压电传感器测量，需要额外的位移传感器， 这为计算刚度带来了极大的不便与困难。对于物体表面带电量的测量多采用静电式传感 器，利用静电感应原理测量目标物体带电量。但静电式传感器的带电量识别灵敏度取决于 物体的带电量及物体与探测极板间相对运动的速度、距离，因此当物体带电量较小、距离很 远时其灵敏度十分微弱。目前，没有发现复合式传感器同时满足对物体这两种特性的感测。
技术实现要素：
针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种电量识别和刚度筛选的耦合 式传感方法及其传感系统，实现更高精度地判定物体刚度范围，具有高灵敏度、刚度筛选、 耦合传感、阵列化等特点。 本发明的一个目的在于提出一种电量识别和刚度筛选的耦合式传感系统。 本发明采用压电驻极体薄膜，涂覆在后端电极的前表面，或者压电驻极体薄膜分 别涂覆在前端电极的后表面以及后端电极的前表面。 压电驻极体薄膜涂覆在后端电极的前表面，本发明的电量识别和刚度筛选的耦合 式传感系统包括：耦合识别探头、电压跟随电路、低通滤波电路、运算放大电路、微处理器、 电压比较电路和显示装置；耦合识别探头、电压跟随电路、低通滤波电路、运算放大电路、微 处理器和显示装置依次连接，微处理器还连接至电压比较电路；其中，耦合识别探头包括前 6 CN 111579891 A 说　明　书 2/9 页 端电极、后端电极、压电驻极体薄膜和电阻；前端电极为向前隆起的球形拱顶结构，具有弹 性，受力后会发生形变；后端电极为平板结构；在后端电极的前表面覆有压电驻极体薄膜， 压电驻极体薄膜的表面具有极化电荷；前端电极与后端电极之间存在空气间隙；前端电极 接地，电阻的一端接地，另一端连接至后端电极的后表面，后电极的后表面连接至电压跟随 电路；当耦合识别探头的前端靠近并接触目标带电物体时，电阻两端产生感应电信号，由于 压电驻极体近场效应，压电驻极体薄膜表面的极化电荷与目标物体的所带电荷之间形成电 偶极子，使目标物体与前端电极之间的电场强度成倍数增加，极大地提高了探测灵敏度；继 续按压耦合识别探头，具有弹性的前端电极发生形变，产生形变电信号，与感应电信号耦 合；当耦合识别探头接触物体并按压设定位移后，若目标物体的刚度大于前端电极的阈值 刚度，前端电极会结构失稳，表现出非线性屈曲特性，反之若目标物体的刚度小于前端电极 的阈值刚度，前端电极不表现出非线性屈曲特性；当前端电极发生非线性屈曲时，前端电极 在短时间内从原来位置突跳到另一位置，前端电极与后端电极之间的空气间隙在短时间内 急剧减小，电阻两端产生一个明显的脉冲型形变电信号，称之为屈曲电信号；感应电信号和 形变电信号耦合至电压跟随电路进行阻抗匹配，输入至低通滤波电路和运算放大电路进行 滤波和放大，输入至微处理器；微处理器解耦合出感应电信号与形变电信号；对于感应电信 号，微处理器通过数值运算识别目标物体的带电量，输出至显示装置显示；对于形变电信 号，微处理器通过电压比较器与设置的阈值电压比较峰值大小，判断该形变电信号是否为 屈曲电信号，从而判断前端电极是否发生非线性屈曲，进而完成目标物体的刚度筛选。 压电驻极体薄膜分别涂覆在前端电极的后表面以及后端电极的前表面，本发明的 电量识别和刚度筛选的耦合式传感系统包括：耦合识别探头、电压跟随电路、低通滤波电 路、运算放大电路、微处理器、电压比较电路和显示装置；耦合识别探头、电压跟随电路、低 通滤波电路、运算放大电路、微处理器和显示装置依次连接，微处理器还连接至电压比较电 路；其中，耦合识别探头包括前端电极、后端电极、压电驻极体薄膜和电阻；前端电极为向前 隆起的球形拱顶结构，具有弹性，受力后会发生形变；后端电极为平板结构；在前端电极的 后表面以及后端电极的前表面分别涂覆压电驻极体薄膜，前端电极与后端电极的压电驻极 体薄膜的表面具有相反的极化电荷；前端电极与后端电极之间存在空气间隙；前端电极接 地，电阻的一端接地，另一端连接至后端电极的后表面，后电极的后表面连接至电压跟随电 路；当耦合识别探头的前端靠近并接触目标带电物体时，电阻两端产生感应电信号使目标 物体与前端电极之间的电场强度成倍数增加；继续按压耦合识别探头，具有弹性的前端电 极发生形变，产生形变电信号，与感应电信号耦合；当耦合识别探头接触物体并按压设定位 移后，若目标物体的刚度大于前端电极的阈值刚度，前端电极会结构失稳，表现出非线性屈 曲特性，反之若目标物体的刚度小于前端电极的阈值刚度，前端电极不表现出非线性屈曲 特性；当前端电极发生非线性屈曲时，前端电极在短时间内从原来位置突跳到另一位置，前 端电极与后端电极之间的空气间隙在短时间内急剧减小，电阻两端产生一个明显的脉冲型 形变电信号，称之为屈曲电信号；由于压电驻极体的近场效应，前端电极与后端电极的压电 驻极体薄膜表面的极化电荷之间形成电偶极子，使前端电极与后端电极之间的电场强度增 加数倍，极大地提高了屈曲电信号的幅值，进而提高了刚度探测灵敏度；感应电信号和形变 电信号耦合至电压跟随电路进行阻抗匹配，输入至低通滤波电路和运算放大电路进行滤波 和放大，输入至微处理器；微处理器解耦合出感应电信号与形变电信号；对于感应电信号， 7 CN 111579891 A 说　明　书 3/9 页 微处理器通过数值运算识别目标物体的带电量，输出至显示装置显示；对于形变电信号，微 处理器通过电压比较器与设置的阈值电压比较峰值大小，判断该形变电信号是否为屈曲电 信号，从而判断前端电极是否发生非线性屈曲，进而完成目标物体的刚度筛选。 前端电极和后端电极采用金属。前端电极为球形拱顶结构(spherical  dome  structure)或称之为球冠结构，是球体或椭球体的一部分。 压电驻极体薄膜包括压电驻极体基体和其表面的极化电荷；压电驻极体基底采用 聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯(PP)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)等材料中的一种；表 面的极化电荷的极化方式采用射线或电晕极化。 基于驻极体近场效应，目标物体的电量识别灵敏度，不仅取决于物体带电量还取 决压电驻极体薄膜本身的性质，如厚度、介电常数、表面电荷量等。 前端电极的刚度随着前端电极的形变先是保持不变，然后在前端电极的刚度迅速 降为零时,前端电极的中心点的形变位移被定义为阈值位移，初始的前端电极的刚度为阈 值刚度，两者均通过调整球形拱顶结构的结构参数来调节，当球形拱顶结构的曲率半径一 定时，减小拱顶高度与增加结构厚度会提升结构的阈值刚度和阈值位移。 耦合识别探头接触物体后按压的设定位移设定为阈值位移的两倍。 电压比较器通过设定的阈值电压与形变电信号的峰值相比较，若形变电信号的峰 值大于设定的阈值电压，则表明前端电极发生非线性屈曲，反之，则没有发生非线性屈曲。 进一步，本发明包括多个耦合识别探头排成平面阵列，耦合识别探头的前端电极 的前端位于同一平面内；通过调整前端电极的球形拱顶结构的结构参数来调节前端电极的 刚度，使得每个前端电极拥有不同的刚度；每一个耦合识别探头分别连接至电压跟随电路 的一个通道，电压跟随电路的每一个通道对应于微处理器的一个通道，微处理器的每一个 通道与电压比较电路的一个通道相对应，从而每一个耦合识别探头对应电压比较电路的一 个通道，针对前端电极的刚度设置一个相应的阈值电压；每一个耦合识别探头的形变信号 与相应的阈值电压进行比较，从而判断哪个耦合识别探头的前端电极发生了非线性屈曲， 从而得到目标物体刚度的上下限，进而明确目标物体的刚度所在的范围区间。耦合识别探 头数目越多，目标物体的刚度的范围越精确。第i耦合识别探头的前端电极的刚度为Si第i 耦合识别探头连接至电压跟随电路的第i通道，相应连接至电压比较电路的第i通道，相应 的电压比较电路的第i通道的阈值电压为 第一至第n耦合识别探头的前端电极的刚度 从小至大依次增加，若第i耦合识别探头的形变信号大于相应的阈值电压 (第1至第i-1 耦合识别探头的形变信号也必然大于相应的阈值电压 并且第i 1耦合识别探头 的形变信号小于相应的阈值电压 (第i 2至第n耦合识别探头的形变信号也必然小于相 应的阈值电压 则目标物体的刚度位于Si～Si 1的范围区间，n为探头的总个数，i ＝1,…,n。反之，第一至第n耦合识别探头的前端电极的刚度从大至小依次减小，若第i耦合 识别探头的形变信号小于相应的阈值电压 (第1至第i-1耦合识别探头的形变信号也必 然小于相应的阈值电压 并且第i 1耦合识别探头的形变信号大于相应的阈值电 压 (第i 2至第n耦合识别探头的形变信号也必然大于相应的阈值电压 则目 8 CN 111579891 A 说　明　书 4/9 页 标物体的刚度位于Si 1～Si的范围区间，n为≥2的自然数。 微处理器通过模数转换芯片将电压波形进行量化、编码以及记录电压波形；然后 将不同的耦合识别探头的电信号送到微处理器不同的管脚；微处理器接收到各个管脚的电 信号后，将从第一个不为0的数据开始记录，直到最后一个不为0的数据，并编号；微处理器 接收各个管脚的电压波形后根据第一个电压峰值幅度来计算目标物体的所带电量，然后将 第二个电压峰值幅度传递给电压比较电路所对应的通道与各个耦合识别探头的阈值电压 比较来判断各个耦合识别探头的前端电极有没有发生非线性屈曲，进而确定目标物体的刚 度范围。 本发明的另一个目的在于提出一种电量识别和刚度筛选的耦合式传感系统的传 感方法。 本发明的电量识别和刚度筛选的耦合式传感系统的传感方法，压电驻极体薄膜涂 覆在后端电极的前表面，包括以下步骤： 1)前端电极与后端电极之间存在空气间隙；前端电极接地，电阻的一端接地，另一 端连接至后端电极的后表面，后电极的后表面连接至电压跟随电路； 2)当耦合识别探头的前端靠近并接触目标物体时，电阻两端产生感应电信号； 3)继续按压耦合识别探头，具有弹性的前端电极发生形变，产生形变电信号，与感 应电信号耦合；当耦合识别探头接触物体并按压设定位移后，若目标物体的刚度大于前端 电极的阈值刚度，前端电极表现出非线性屈曲特性，反之若目标物体的刚度小于前端电极 的阈值刚度，前端电极不表现出非线性屈曲特性；当前端电极发生非线性屈曲时，前端电极 在短时间内从原来位置突跳到另一位置，前端电极与后端电极之间的空气间隙在短时间内 急剧减小，电阻两端会产生一个明显的脉冲型形变电信号，即屈曲电信号； 4)感应电信号和形变电信号耦合至电压跟随电路进行阻抗匹配，输入至低通滤波 电路和运算放大电路进行滤波和放大，输入至微处理器； 5)微处理器节解耦合出感应电信号与形变电信号； 6)对于感应电信号，微处理器通过数值运算识别目标物体的带电量，输出至显示 装置显示； 7)对于形变电信号，微处理器通过电压比较器与设置的阈值电压比较峰值大小， 判断该形变电信号是否为屈曲电信号，从而判断前端电极是否发生非线性屈曲，进而完成 目标物体的刚度筛选。 本发明的电量识别和刚度筛选的耦合式传感系统的传感方法，压电驻极体薄膜分 别涂覆在前端电极的后表面以及后端电极的前表面，包括以下步骤： 1)前端电极与后端电极之间存在空气间隙；前端电极接地，电阻的一端接地，另一 端连接至后端电极的后表面，后电极的后表面连接至电压跟随电路； 2)当耦合识别探头的前端靠近并接触目标带电物体时，电阻两端产生感应电信号 使目标物体与前端电极之间的电场强度成倍数增加； 3)继续按压耦合识别探头，具有弹性的前端电极发生形变，产生形变电信号，与感 应电信号耦合；当耦合识别探头接触物体并按压设定位移后，若目标物体的刚度大于前端 电极的阈值刚度，前端电极会结构失稳，表现出非线性屈曲特性，反之若目标物体的刚度小 于前端电极的阈值刚度，前端电极不表现出非线性屈曲特性；当前端电极发生非线性屈曲 9 CN 111579891 A 说　明　书 5/9 页 时，前端电极在短时间内从原来位置突跳到另一位置，前端电极与后端电极之间的空气间 隙在短时间内急剧减小，电阻两端产生一个明显的脉冲型形变电信号，称之为屈曲电信号； 由于压电驻极体的近场效应，前端电极与后端电极的压电驻极体薄膜表面的极化电荷之间 形成电偶极子，使前端电极与后端电极之间的电场强度增加数倍，极大地提高了屈曲电信 号的幅值，进而提高了刚度探测灵敏度； 4)感应电信号和形变电信号耦合至电压跟随电路进行阻抗匹配，输入至低通滤波 电路和运算放大电路进行滤波和放大，输入至微处理器； 5)微处理器解耦合出感应电信号与形变电信号； 6)对于感应电信号，微处理器通过数值运算识别目标物体的带电量，输出至显示 装置显示； 7)对于形变电信号，微处理器通过电压比较器与设置的阈值电压比较峰值大小， 判断该形变电信号是否为屈曲电信号，从而判断前端电极是否发生非线性屈曲，进而完成 目标物体的刚度筛选。 其中，在步骤2)中，若压电驻极体薄膜只涂覆在后端电极的前表面，由于压电驻极 体近场效应，压电驻极体薄膜表面的极化电荷与目标物体的所带电荷之间形成电偶极子， 使目标物体与前端电极之间的电场强度成倍数增加，极大地提高了探测灵敏度；若在前端 电极的后表面以及后端电极的前表面分别涂覆压电驻极体薄膜，前端电极与后端电极的压 电驻极体薄膜的表面具有相反的极化电荷，由于压电驻极体的近场效应，前端电极与后端 电极的压电驻极体薄膜表面的极化电荷之间形成电偶极子，使前端电极与后端电极之间的 电场强度增加数倍，极大地提高了屈曲电信号的幅值，进而提高了刚度探测灵敏度。 其中，在步骤7)中，微处理器通过模数转换芯片将电压波形进行量化、编码以及记 录电压波形；微处理器接收的电压波形后根据第一个电压峰值幅度来计算目标物体所带电 量，然后将第二个电压峰值幅度传递给电压比较电路与阈值电压比较来判断耦合识别探头 的前端电压有没有发生非线性屈曲，进而判断目标物体刚度阈值。 进一步，还包括多个耦合识别探头排成平面阵列，耦合识别探头的前端电极的前 端位于同一平面内；通过调整前端电极的球形拱顶结构的结构参数来调节前端电极的阈值 刚度和阈值位移，使得每个前端电极拥有不同的刚度；每一个耦合识别探头分别连接至电 压跟随电路的一个通道，微处理器的每一个通道与电压比较电路的一个通道相对应，从而 每一个耦合识别探头对应电压比较电路的一个通道，针对前端电极的刚度设置一个相应的 阈值电压；每一个耦合识别探头的形变信号与相应的阈值电压进行比较，从而判断哪个耦 合识别探头的前端电极发生了非线性屈曲，从而得到目标物体刚度的上下限，进而明确目 标物体的刚度所在的范围区间。 微处理器通过模数转换芯片将电压波形进行量化、编码以及记录电压波形；然后 将不同的耦合识别探头产生的电压送到微处理器不同的通道；微处理器接收到各个通道的 电压后，将从第一个不为0的数据开始记录，直到最后一个不为0的数据，并编号；微处理器 接收各个通道的电压波形后根据第一个电压峰值幅度来计算目标物体所带电量，根据位于 不同位置的多个探头识别出的电荷量得到物体表面的电荷分布，将电荷相加即得到物体的 总电荷量。然后将第二个电压峰值幅度传递给电压比较电路与各个耦合识别探头的阈值电 压比较来判断各个耦合识别探头的前端电压有没有发生非线性屈曲，进而判断目标物体刚 10 CN 111579891 A 说　明　书 6/9 页 度阈值，最后确定物体刚度范围。 本发明的优点： 本发明通过单层压电驻极体薄膜的极化电荷与目标物体所带电荷之间形成电偶 极子，增强物体与感应电极之间的电场强度，提高带电量识别灵敏度，或者双层压电驻极体 薄膜的相反极化电荷之间形成电偶极子，增强前端电极与后端电极之间的电场强度，提高 刚度筛选灵敏度；前端电极为球形拱顶结构，以前端电极的刚度所对应的电压设为阈值电 压；通过设定前端电极接触目标物体后的按压位移，若目标物体的刚度大于前端电极的阈 值刚度，则前端电极会发生非线性屈曲，形变电信号大于阈值电压，反之，形变电信号小于 阈值电压；因此无需测量接触力与物体形变，直接实现对物体刚度的筛选；通过运用压电驻 极体的近场效应以及弹性结构非线性力学效应导致输出电压响应信号的差异，在一种结构 上同时实现对目标的带电量测量与阈值刚度的判别，并能够通过改变球形拱顶结构的参数 设定不同的前端电极刚度，具有筛选不同刚度物体的能力；进一步地，通过阵列化排布不同 刚度的前端电极，可以实现更高精度地判定物体刚度范围；本发明具有高灵敏度、耦合识 别、刚度筛选、阵列化、集成度高、体积微小等特点。 附图说明 图1为本发明的电量识别和刚度筛选的耦合式传感系统的结构框图； 图2为本发明的电量识别和刚度筛选的耦合式传感系统的一个实施例的耦合识别 探头的示意图，其中，(a)为单层压电驻极体薄膜紧贴在后端电极的前表面的探头示意图， (b)双层压电驻极体薄膜分别紧贴于前端电极的后表面和后端电极的前表面的探头示意 图； 图3为本发明的具有单层压电驻极体薄膜的电量识别和刚度筛选的耦合式传感系 统的耦合识别探头的等效电路图，其中，(a)为接触目标物体前的等效电路图，(b)为接触目 标物体时的等效电路图； 图4为本发明的具有双层压电驻极体薄膜的电量识别和刚度筛选的耦合式传感系 统的耦合识别探头的等效电路图，其中，(a)为接触目标物体前的等效电路图，(b)为接触目 标物体时的等效电路图； 图5为本发明的电量识别和刚度筛选的耦合式传感系统的一个实施例在整个识别 过程中的输出电压波形图。