一种基于驻极体的非接触式空间位置传感装置的制作方法

1.本发明涉及距离传感器技术领域，特别是涉及一种基于驻极体的非接触式空间位置传感装置。


背景技术：

2.驻极体是一种用途广泛的储电功能电介质，随着科学技术的发展，已经逐渐显示出它作为一种重要用途电子材料的潜力，在环境净化，能源，电子工程，生物医药上都有重要的应用。随着有机化学的进步，更多性能优异的有机高分子材料被科学家合成出来，这其中有很多材料都具有优异的驻极体性质。例如，ptfe(聚四氟乙烯)是一种性能良好的驻极体材料。
3.而现有的距离传感器通常包括红外传感器、激光距离传感器、超声波传感器等等，而红外传感器可测距离较近，精度较低，激光距离传感器成本较高，使用环境苛刻，超声波传感器成本较高。所以如何提供一种成本较低，且测量精度较高的距离传感器是本领域技术人员急需解决的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种基于驻极体的非接触式空间位置传感装置，具有较低的成本以及较高的测量精度。
5.为解决上述技术问题，本发明提供一种基于驻极体的非接触式空间位置传感装置，包括电位信号采集处理单元、高压极化单元、至少一个运动单元和至少两个驻极体阵列单元；
6.所述驻极体阵列单元包括电极，以及贴合在所述电极表面的驻极体薄膜，所述驻极体阵列单元固定于预设的探测空间内；所述运动单元包括驻极体介质，所述运动单元与所述探测空间内可移动物体固定连接；
7.所述电位信号采集处理单元包括至少两个采集分路，任一所述电极均通过对应的所述采集分路与所述电位信号采集处理单元电连接，所述电位信号采集处理单元用于通过所述电极获取所述驻极体阵列单元的电位信息；任一所述驻极体阵列单元均与所述高压极化单元相互串联连接，所述高压极化单元用于向所述驻极体阵列单元发射脉冲电信号以维持所述驻极体阵列单元的表面电位。
8.可选的，包括至少三个所述驻极体阵列单元。
9.可选的，所述驻极体阵列单元均匀分布于所述探测空间的侧壁。
10.可选的，所述电位信号采集处理单元还用于：
11.根据所述电位信息确定所述运动单元的速度信息和位置信息。
12.可选的，所述驻极体阵列单元与所述采集分路一一对应。
13.可选的，所述高压极化单元为可编程直流脉冲高压源。
14.可选的，所述脉冲电信号中每个脉冲持续时间的取值范围为1μs至100ms，包括端
点值。
15.可选的，所述驻极体薄膜包括以下任意一种或任意组合：
16.聚四氟乙烯薄膜、聚氯乙烯薄膜、聚全氟乙烯丙烯薄膜、聚乙烯薄膜、聚丙烯薄膜、聚酯薄膜、聚酰亚胺薄膜、有机玻璃薄膜、树脂薄膜、松香薄膜；
17.所述驻极体介质包括以下任意一种或任意组合：
18.聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚全氟乙烯丙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚酯、聚酰亚胺、有机玻璃、树脂、松香。
19.可选的，所述电极包括以下任意一种或任意组合：
20.pedot印刷层、ito涂层、导电油墨印刷层。
21.可选的，所述电极通过物理化学沉积工艺生长于所述驻极体薄膜表面。
22.本发明所提供的一种基于驻极体的非接触式空间位置传感装置，包括电位信号采集处理单元、高压极化单元、至少一个运动单元和至少两个驻极体阵列单元；驻极体阵列单元包括电极，以及贴合在电极表面的驻极体薄膜，驻极体阵列单元固定于预设的探测空间内；运动单元包括驻极体介质，运动单元与探测空间内可移动物体固定连接；电位信号采集处理单元包括至少两个采集分路，任一电极均通过对应的采集分路与电位信号采集处理单元电连接，电位信号采集处理单元用于通过电极获取驻极体阵列单元的电位信息；任一驻极体阵列单元均与高压极化单元相互串联连接，高压极化单元用于向驻极体阵列单元发射脉冲电信号以维持驻极体阵列单元的表面电位。
23.运动单元在移动过程中会引起驻极体阵列单元表面电位的变化，而利用驻极体薄膜以及其间形成的静电场探测空间中物体的变化，具有响应灵敏，精准度高的特点。驻极体材料成本低廉，使得该探测装置造价低廉，可以广泛应用。同时驻极体阵列单元体积纤薄，可以在一定空间内随意安放，自由度高。相比于传统的传感装置具有精准度高，功耗低，造价低廉，使用环境更灵活的特点。
附图说明
24.为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1为本发明实施例所提供的一种基于驻极体的非接触式空间位置传感装置的结构示意图；
26.图2为本发明实施例所提供的一种具体的基于驻极体的非接触式空间位置传感装置的结构示意图；
27.图3为本发明实施例所提供的另一种具体的基于驻极体的非接触式空间位置传感装置的电位信息图；
28.图4为图3的速度信息图。
29.图中：1.驻极体阵列单元、11.电极、12.驻极体薄膜、2.运动单元、3.电位信号采集处理单元、4.高压极化单元、5.探测空间。
具体实施方式
30.本发明的核心是提供一种基于驻极体的非接触式空间位置传感装置。在现有技术中，红外传感器可测距离较近，精度较低，激光距离传感器成本较高，使用环境苛刻，超声波传感器成本较高。
31.而本发明所提供的一种基于驻极体的非接触式空间位置传感装置，包括电位信号采集处理单元、高压极化单元、至少一个运动单元和至少两个驻极体阵列单元；驻极体阵列单元包括电极，以及贴合在电极表面的驻极体薄膜，驻极体阵列单元固定于预设的探测空间内；运动单元包括驻极体介质，运动单元与探测空间内可移动物体固定连接；电位信号采集处理单元包括至少两个采集分路，任一电极均通过对应的采集分路与电位信号采集处理单元电连接，电位信号采集处理单元用于通过电极获取驻极体阵列单元的电位信息；任一驻极体阵列单元均与高压极化单元相互串联连接，高压极化单元用于向驻极体阵列单元发射脉冲电信号以维持驻极体阵列单元的表面电位。
32.运动单元在移动过程中会引起驻极体阵列单元表面电位的变化，而利用驻极体薄膜以及其间形成的静电场探测空间中物体的变化，具有响应灵敏，精准度高的特点。驻极体材料成本低廉，使得该探测装置造价低廉，可以广泛应用。同时驻极体阵列单元体积纤薄，可以在一定空间内随意安放，自由度高。相比于传统的传感装置具有精准度高，功耗低，造价低廉，使用环境更灵活的特点。
33.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。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。
34.请参考图1，图1为本发明实施例所提供的一种基于驻极体的非接触式空间位置传感装置的结构示意图。
35.参见图1，在本发明实施例中，基于驻极体的非接触式空间位置传感装置包括电位信号采集处理单元3、高压极化单元4、至少一个运动单元2和至少两个驻极体阵列单元1；所述驻极体阵列单元1包括电极11，以及贴合在所述电极11表面的驻极体薄膜12，所述驻极体阵列单元1固定于预设的探测空间5内；所述运动单元2包括驻极体介质，所述运动单元2与所述探测空间5内可移动物体固定连接；所述电位信号采集处理单元3包括至少两个采集分路，任一所述电极11均通过对应的所述采集分路与所述电位信号采集处理单元3电连接，所述电位信号采集处理单元3用于通过所述电极11获取所述驻极体阵列单元1的电位信息；任一所述驻极体阵列单元1均与所述高压极化单元4相互串联连接，所述高压极化单元4用于向所述驻极体阵列单元1发射脉冲电信号以维持所述驻极体阵列单元1的表面电位。
36.上述驻极体阵列单元1即传感装置中用于产生电信号的单元，该驻极体阵列单元1通常需要分散在探测空间5内，以便对运动单元2进行测量。具体的，上述驻极体阵列单元1包括电极11以及贴合在电极11表面的驻极体薄膜12，上述驻极体薄膜12可以具体包括以下任意一种或任意组合：聚四氟乙烯薄膜、聚氯乙烯薄膜、聚全氟乙烯丙烯薄膜、聚乙烯薄膜、聚丙烯薄膜、聚酯薄膜、聚酰亚胺薄膜、有机玻璃薄膜、树脂薄膜、松香薄膜。即在本发明实施例中，驻极体薄膜12可以具体为有机高分子材料薄膜。有关驻极体薄膜12具体的材质在本发明实施例中不做具体限定，视具体情况而定。
37.上述电极11可以具体包括以下任意一种或任意组合：pedot印刷层、ito涂层、导电油墨印刷层。即上述电极11可以具体是通过印刷工艺在驻极体薄膜12表面印刷而成。当然，为了保证电极11与驻极体薄膜12之间具有足够的贴合强度，具体可以通过物理化学沉积工艺在驻极体薄膜12表面生长电极11，即上述电极11可以通过物理化学沉积工艺生长于所述驻极体薄膜12表面。有关电极11具体的材质在本发明实施例中不做具体限定，视具体情况而定。
38.需要说明的是，所谓探测空间5可以是某种材料制成的腔体，例如利用有机物制成的壳体、房间等，为所述驻极体阵列单元1提供位置支撑。该探测空间5也可以是抽象的立体坐标空间，由多个驻极体阵列单元1的位置所确定，上述驻极体阵列单元1会固定于预设的探测空间5内。
39.上述运动单元2包括驻极体介质，用于在运动时基于电荷感应效应与上述驻极体阵列单元1相互感应，以改变驻极体阵列单元1表面电位，以产生电位信息。具体的，上述驻极体介质可以具体包括以下任意一种或任意组合：聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚全氟乙烯丙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚酯、聚酰亚胺、有机玻璃、树脂、松香。即在本发明实施例中，驻极体介质可以具体为有机高分子材料。有关驻极体介质具体的材质在本发明实施例中不做具体限定，视具体情况而定。
40.上述运动单元2需要与探测空间5内可移动物体固定连接，此时运动单元2可以跟随可移动物体在探测空间5内移动，在移动过程中运动单元2会引起驻极体阵列单元1表面电位的变化以产生电位信息。有关可移动物体的种类在本发明实施例中不做具体限定，视具体情况而定。有关上述运动单元2的具体结构同样在本发明实施例中不做具体限定，视具体情况而定。
41.上述电位信号采集处理单元3需要包括至少两个采集分路，任一电极11均需要通过一对应的采集分路与电位信号采集处理单元3电连接，而电位信号采集处理单元3可以通过该采集分路获取驻极体阵列单元1所产生的电位信息，以便根据该电位信息计算可移动物体的位置信息以及速度信息。在本发明实施例中，电位信号采集处理单元3具体可以直接根据采集到的电位信息确定运动单元2的速度信息和位置信息，即所述电位信号采集处理单元3还可以具体用于：根据所述电位信息确定所述运动单元2的速度信息和位置信息。有关速度信息和位置信息的具体内容，以及根据驻极体薄膜12电位信息计算速度信息和位置信息的具体算法可以参考现有技术，在此不再进行赘述。
42.通常情况下，在本发明实施例中所述驻极体阵列单元1与所述采集分路一一对应，而驻极体阵列单元1会通过对应的采集分路连接电位信号采集处理单元3，使得电位信号采集处理单元3可以通过采集分路单独获取各个驻极体阵列单元1所产生的电位信息，并进一步可以根据多个电位信息计算运动单元2的速度信息和位置信息。
43.上述任一驻极体阵列单元1均与高压极化单元4相互串联连接，而高压极化单元4用于向驻极体阵列单元1供电以保持驻极体阵列单元1的表面电位。具体的，该高压极化单元4会向驻极体阵列单元1发射脉冲电信号以维持驻极体阵列单元1的表面电位，脉冲电信号的每个脉冲之间具有一定的时间间隙，而驻极体阵列单元1的表面电位可以在该时间间隙内根据运动单元2的位置引起表面电位的变化，即产生相应的电位信息。而在本发明实施例中调整好电位信号采集处理单元3的采样时间就可以实现对上述电位信息的采样。通常
情况下，上述高压极化单元4的一电极11会与上述驻极体阵列单元1串联连接，而高压极化单元4的另一电极11通常会接地。
44.具体的，在本发明实施例中，所述高压极化单元4可以为可编程直流脉冲高压源。为了保证非接触式空间位置传感装置可以准确测出可移动物体的运动信息，上述可编程直流脉冲高压源的电压通常设定在1kv至10kv之间，包括端点值；而所述脉冲电信号中每个脉冲持续时间的取值范围为1μs至100ms，包括端点值。基于可编程直流脉冲高压源的特殊性，在本发明实施例中相邻脉冲之间的间隔时间可以任意编程调节。为了提高空间位置传感装置的探测精度，上述每个脉冲持续时间可以尽可能缩短，且电位信号采集处理单元3的采集频率可以尽可能提高。
45.具体的，在本发明实施例中，通常需要设置至少三个驻极体阵列单元1，即基于驻极体的非接触式空间位置传感装置通常包括至少三个所述驻极体阵列单元1，以实现可以在三维空间的x轴、y轴、z轴三个方向实现对运动单元2运动信息的检测。需要说明的是，在本发明实施例中为了提高基于驻极体的非接触式空间位置传感装置的分辨率，可以通过提高驻极体阵列单元1分布密度的方式来提高，密度越高，该空间位置传感装置的分辨率越高。
46.通常情况下，在本发明实施例中当探测空间5为一封闭空间时，上述驻极体阵列单元1可以均匀分布与所述探测空间5的侧壁，此时运动单元2会在相对的驻极体阵列单元1之间移动，多个驻极体阵列单元1可以包围上述运动单元2，从而保证空间位置传感装置测量的准确性。
47.本发明实施例所提供的一种基于驻极体的非接触式空间位置传感装置，包括电位信号采集处理单元3、高压极化单元4、至少一个运动单元2和至少两个驻极体阵列单元1；驻极体阵列单元1包括电极11，以及贴合在电极11表面的驻极体薄膜12，驻极体阵列单元1固定于预设的探测空间5内；运动单元2包括驻极体介质，运动单元2与探测空间5内可移动物体固定连接；电位信号采集处理单元3包括至少两个采集分路，任一电极11均通过对应的采集分路与电位信号采集处理单元3电连接，电位信号采集处理单元3用于通过电极11获取驻极体阵列单元1的电位信息；任一驻极体阵列单元1均与高压极化单元4相互串联连接，高压极化单元4用于向驻极体阵列单元1发射脉冲电信号以维持驻极体阵列单元1的表面电位。
48.运动单元2在移动过程中会引起驻极体阵列单元1表面电位的变化，而利用驻极体薄膜12以及其间形成的静电场探测空间5中物体的变化，具有响应灵敏，精准度高的特点。驻极体材料成本低廉，使得该探测装置造价低廉，可以广泛应用。同时驻极体阵列单元1体积纤薄，可以在一定空间内随意安放，自由度高。相比于传统的传感装置具有精准度高，功耗低，造价低廉，使用环境更灵活的特点。
49.有关本发明所提供的一种基于驻极体的非接触式空间位置传感装置的具体内容将在下述发明实施例中做详细介绍。
50.请参考图2，图3以及图4，图2为本发明实施例所提供的一种具体的基于驻极体的非接触式空间位置传感装置的结构示意图；图3为本发明实施例所提供的另一种具体的基于驻极体的非接触式空间位置传感装置的电位信息图；图4为图3的速度信息图。
51.区别于上述发明实施例，本发明实施例是在上述发明实施例的基础上，进一步的对基于驻极体的非接触式空间位置传感装置的结构进行具体限定。其余内容已在上述发明
实施例中进行了详细介绍，在此不再进行赘述。
52.在本发明实施例中，具体提供两种在实际情况中所应用的结构图或效果图。参见图2，在本发明实施例中，当上述发明实施例所提供的一种基于驻极体的非接触式空间位置传感装置应用于对用户步态的测量时，其探测空间5为一开放空间，而驻极体阵列单元1具体设置在地面。在本实施例中一共设置有三个运动单元2，其分别贴附在用户的脖颈以及双腿处。此时通过对驻极体阵列单元1产生电信号的分析，可以具体分析出用户行走习惯，例如快慢、步幅等等，可以作为用户的生物特征所使用。
53.参见图3以及图4，当上述发明实施例所提供的一种基于驻极体的非接触式空间位置传感装置，应用于车内对驾驶员头部的位置进行测量以检测驾驶员是否疲劳驾驶时，通常需要在驾驶座的前侧与后侧各设置一驻极体阵列单元1，即第一驻极体阵列单元1和第二驻极体阵列单元1，并将运动单元2贴在驾驶员头部。当驾驶员因疲劳驾驶而低头时，在本实施例中两个驻极体阵列单元1所产生的电位信息，即表面电位采样结果可以如图3所示，而基于图3采集到的电位信息所计算到的头部移动速度可以如图4所示，图3以及图4中虚线框即驾驶员头部突然移动的时间点，该虚线框表示驾驶员突然低头，此时可以对用户进行提示，或者结合当前车速对用户进行提示均可。
54.本发明实施例具体提供了两种具体场景下基于驻极体的非接触式空间位置传感装置的应用，均可以准确测量用户或用户部位移动的运动信息。
55.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。
56.专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
57.结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
58.最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
59.以上对本发明所提供的一种基于驻极体的非接触式空间位置传感装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术
人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。