1.一种足底压力传感器,包括信号采集部分和电路部分,其特征在于:
一)信号采集部分
所述信号采集部分包括至少一个检测单元,所述检测单元包括自上而下依次设置的湿度敏感材料层、压电薄膜层和第一电极层,所述湿度敏感材料层与压电薄膜层之间设置有具有间隔的第二电极和第三电极;
所述第三电极、压电薄膜层和第一电极一起组成压力检测组;所述第二电极与第三电极通过边缘效应形成电容,第二电极和第三电极之间的湿度敏感材料作为介电层,三者一起组成湿度检测组;
二)电路部分
所述电路部分包括前端电路和后端电路;
所述前端电路包括控制器和多路调制器,所述控制器的信号输出端通过多路调制器分别与第二电极和第三电极的信号输入端相连;
所述后端电路为第一后端电路或第二后端电路;
A.第一后端电路
所述第一后端电路包括依次串接的第一多路解调器、第一模数转换单元、第一中央处理器、通讯设备和第一上位机;
所述压力检测组和湿度检测组的信号输出端均与第一多路解调器的信号输入端相连;
B.第二后端电路
所述第二后端电路包括依次串接的第二多路解调器、滤波单元、第二模数转换单元、第二中央处理器、第二通讯设备和第二上位机;
所述滤波单元包括并联的低通滤波器和带通滤波器,第二模数转换单元包括并联的第一模数转换器和第二模数转换器,所述低通滤波器的信号输出与第一模数转换器的信号输入端相连,带通滤波器的信号输出端与第二模数转换器的信号输入端相连;压力检测组和湿度检测组的信号输出端均与第二多路解调器的信号输入端相连;
所述电路部分还包括电源模块,第二电极作为能量收集组、与所述电源模块的输入端相连,所述电源模块的输出端与前端电路的电源输入端以及后端电路除第一上位机/第二上位机之外的组件的电源输入端相连;
电源模块将第二电极产生的电荷收集,并向前端电路和第一后端电路/第二后端电路供电,在此过程中,由多路调制器通过时序控制,使收集能量和电容测量轮流进行;
第一中央处理器利用自身存储的带通滤波算法将收到的数字信号处理得到包含互感电容信息的数字信号,第一中央处理器利用自身存储的低通滤波算法将收到的数字信号处理得到包含压力信息的数字信号;第一中央处理将包含互感电容信息的数字信号计算处理得到互感电容随时间变化值C(t)并通过第一通讯设备输出至第一上位机,第一中央处理将包含压力信息的数字信号计算处理得到压力信号UF(t)并通过第一通讯设备输出至第一上位机;第一上位机根据收到的互感电容随时间变化值C(t)计算出修正后的压电常数,第一上位机根据收到的压力信号UF(t)计算出检测单元的总电荷数QF(t),最后计算出压力修正值;
第二中央处理器将从第一模数转换器收到的数字电信号进行计算处理得到压力信号UF(t)并通过第二通讯设备输出至第二上位机,第二中央处理器将从第二模数转换器收到的数字信号进行计算处理得到互感电容随时间变化值C(t)并通过第二通讯设备输出至第二上位机;第二上位机根据收到的互感电容随时间变化值C(t)计算出修正后的压电常数,第二上位机根据收到的压力信号UF(t)计算出检测单元的总电荷数QF(t),最后计算出压力修正值。
2.根据权利要求1所述的足底压力传感器,其特征在于:所述第二电极和第三电极的横截面是梳状结构,二者的分支相互交叉形成梳状交叉的电容。
3.一种检测压力、湿度和收集能量的方法,采用权利要求1或2所述的足底压力传感器实现,其特征在于该方法为方法一或者方法二,当后端电路采用第一后端电路时该方法为方法一,当后端电路采用第二后端电路时该方法为方法二,其中,I、方法一
方法一包括依次进行的以下步骤:
一、通过控制器将一频率为f1的交流电压信号输出至多路调制器,多路调制器将收到的交流电压/电流信号调制之后输出至第二电极和第三电极;
当第二电极和第三电极对应的传感器外表的湿度发生变化时,湿度敏感材料层的介电常数发生变化,第二电极和第三电极之间产生互感电容,湿度检测组将含有所述互感电容信息的交流模拟电信号输出至第一多路解调器;当检测单元所受压力发生变化时,压电薄膜层表面产生电荷并进一步形成交流模拟电流信号;
检测单元将含有所述互感电容信息的交流模拟电压信号和压力值变化的交流模拟电流信号输出至第一模数转换单元;
二、第一模数转换单元将收到的混合模拟电信号转化为数字信号,并输出至第一中央处理器;
三、第一中央处理器利用自身存储的带通滤波算法将收到的数字信号处理得到包含互感电容信息的数字信号,第一中央处理器利用自身存储的低通滤波算法将收到的数字信号处理得到包含压力信息的数字信号;
四、第一中央处理将包含互感电容信息的数字信号计算处理得到互感电容随时间变化值C(t)并通过第一通讯设备输出至第一上位机,第一中央处理将包含压力信息的数字信号计算处理得到压力信号UF(t)并通过第一通讯设备输出至第一上位机;
五、第一上位机根据收到的互感电容随时间变化值C(t)计算出修正后的压电常数,第一上位机根据收到的压力信号UF(t)计算出检测单元的总电荷数QF(t),最后计算出压力修正值;
Ⅱ、方法二
方法二包括依次进行的以下步骤:
(一)通过控制器将一频率为f1的交流电压信号输出至多路调制器,多路调制器将收到的交流电压/电流信号调制之后输出至第二电极和第三电极;
当第二电极和第三电极对应的传感器外表的湿度发生变化时,湿度敏感材料层的介电常数发生变化,第二电极和第三电极之间产生互感电容,湿度检测组将含有所述互感电容信息的交流模拟电信号输出至第二多路解调器;当检测单元所受压力发生变化时,压电薄膜层表面产生电荷并进一步形成交流模拟电流信号;
检测单元将含有所述互感电容信息的交流模拟电压信号和压力值变化的交流模拟电流信号输出至滤波单元;
(二)滤波单元将收到的混合模拟电信号经过低通滤波器的处理得到含有压力变化的交流模拟电信号并输出至第一模数转换器,滤波单元将收到的混合模拟电流信号经过带通滤波器的处理得到含互感电容信息的交流模拟电信号并输出至第二模数转换器;
(三)第一模数转换器将收到的含有压力变化的交流模拟电信号转化为数字信号并输出至第二中央处理器,第二模数转换器将收到的含互感电容信息的交流模拟电信号转化为数字信号并输出至第二中央处理器;
(四)第二中央处理器将从第一模数转换器收到的数字电信号进行计算处理得到压力信号UF(t)并通过第二通讯设备输出至第二上位机,第二中央处理器将从第二模数转换器收到的数字信号进行计算处理得到互感电容随时间变化值C(t)并通过第二通讯设备输出至第二上位机;
(五)第二上位机根据收到的互感电容随时间变化值C(t)计算出修正后的压电常数,第二上位机根据收到的压力信号UF(t)计算出检测单元的总电荷数QF(t),最后计算出压力修正值;
在所述方法一和方法二进行的整个过程中,还分别进行以下步骤,
电源模块将第二电极产生的电荷收集,并向前端电路和第一后端电路/第二后端电路供电,在此过程中,由多路调制器通过时序控制,使收集能量和电容测量轮流进行。