FI105238B

FI105238B - Sensor apparatus and method for determining the intensity and point of application of a force or pressure

Info

Publication number: FI105238B
Application number: FI982543A
Authority: FI
Inventors: Kari Kirjavainen; Lasse Raeisaenen
Original assignee: Emfitech Oy
Priority date: 1998-11-24
Filing date: 1998-11-24
Publication date: 2000-06-30
Also published as: FI982543A7; FI982543A0

Description

105238105238

ANTURILAITTEISTO JA MENETELMÄ VOIMAN TAI PAINEEN INTENSITEETIN JA VAIKUTUSKOHDAN MÄÄRITTÄMISEKSISENSOR EQUIPMENT AND METHOD FOR DETERMINING THE INTENSITY AND EFFECT OF THE FORCE OR PRESSURE

Tämän keksinnön kohteena on anturilaitteisto ja menetelmä 5 anturiin kohdistuvan voiman tai paineen intensiteetin ja/tai vaikutuskohdan määrittämiseksi.The present invention relates to a sensor apparatus and a method for determining the force or pressure intensity and / or the point of impact on a sensor.

US-patentissa 4,654,546 on esitetty voiman tai paineen mittaamiseen tarkoitettuihin antureihin soveltuva, biaksiaali-10 sesti orientoitu, esimerkiksi polypropeenia oleva muovikalvo, jossa on litteitä kaasukuplia (kaasurakkuloita). WO-julkaisussa 96/06718 on lisäksi esitetty menetelmä tällaisten ns. kuplakalvojen paisuttamiseksi.U.S. Patent No. 4,654,546 discloses a biaxially oriented plastic film for sensors for measuring force or pressure, for example, polypropylene, with flat gas bubbles (gas bubbles). WO 96/06718 further discloses a method for such a so-called. to expand the bubble membranes.

15 _ Ennestään on tunnettu ns. kaapelitutkaperiaate, jossa koak-siaalisissa signaalikaapeleissa olevat epäjatkuvuuskohdat (vuodot, katkokset) havaitaan kaapelin toisesta päästä lähetetyn mikroaaltopulssin ja samasta päästä mitattujen ta-kaisinheijastuneiden pulssien aikaeroista. Menetelmä perus-20 tuu epäjatkuvuuskohtien aiheuttamiin impedanssimuutoksiin kaapelissa. Menetelmää on kuvattu esimerkiksi US-patentissa 3,753,086.15 The so-called so-called. cable radar principle, where discontinuities (leaks, breaks) in coaxial signal cables are detected by the time difference between the microwave pulse transmitted at one end of the cable and the reflected reflected pulses measured at the same end. The basic method 20 provides for impedance changes in the cable caused by discontinuities. The method is described, for example, in U.S. Patent 3,753,086.

Tässä keksinnössä on esitetty anturirakenne ja menetelmä, 25 joiden avulla voidaan määrittää anturiin kohdistuvan voiman tai paineen intensiteetti ja vaikutuskohta käyttämällä näiden määrittämiseen sinällään tunnettua kaapelitutkaperiaa-tetta. Keksinnön mukaisessa anturilaitteistossa on anturi ' ' sekä siihen liitetty ohjausyksikkö voiman tai paineen in- 30 tensiteetin ja/tai vaikutuskohdan määrittämiseksi anturista saatavien signaalien avulla. Lisäksi anturissa on olennaisesti kalvomaiset maadoituselektrodit sekä ainakin yksi niiden väliin sovitettu kuplarakenteinen muovikalvo. Keksinnön mukaiselle anturilaitteistolle on tunnusomaista se, 2 105238 että anturissa on ainakin yksi kalvomaisten maadoituselekt-rodien väliin sovitettu signaalielektrodi, ja että ohjausyksikössä on mikroaaltoalueella toimiva lähetinyksikkö, joka lähettää mikroaaltoalueella olevia signaaleita anturiin, 5 ja vastaanottoyksikkö, joka ottaa vastaan takaisin heijastuneet signaalit. Anturiin kohdistuvan voiman tai paineen intensiteetti ja/tai vaikutuskohta havaitaan vastaanottoyksikössä mitatun signaalin amplitudi-, vaihe- ja/tai kulku-aikamuutoksina.The present invention provides a sensor structure and method for determining the intensity and point of application of force or pressure on a sensor using a cable radar principle known per se. The transducer apparatus according to the invention comprises a transducer '' and a control unit connected thereto for determining the intensity or pressure of the force or pressure by means of signals received from the transducer. In addition, the sensor has substantially film-like grounding electrodes and at least one bubble-shaped plastic film disposed therebetween. The sensor apparatus according to the invention is characterized in that the sensor has at least one signal electrode disposed between the diaphragm earth electrodes, and that the control unit has a microwave transmitter unit which transmits microwave area signals to the sensor, and a receiving unit receiving signals. The intensity and / or the point of application of force or pressure on the sensor is detected as changes in the amplitude, phase and / or travel time of the signal measured in the receiving unit.

1010

Keksinnön mukaista anturia ja menetelmää voidaan käyttää lukuisiin erilaisiin sovellutuksiin havaitsemaan anturiin vaikuttavia staattisia ja dynaamisia voimia. Voidaan esimerkiksi valmistaa laajapintaisia antureita, jotka asenne-15 taan lattioille jolloin voidaan esimerkiksi havaita henkilöiden liikkumista huoneissa. Voidaan myös toteuttaa erilaisia turvakytkimiä, esimerkiksi havaitsemaan onko sulkeutuvien ovien tai ikkunoiden välissä esteitä jne. Lisäksi voidaan toteuttaa erilaisia näppäimistöjä ja käyttöpainik-20 keitä.The sensor and method of the invention can be used for a variety of applications to detect static and dynamic forces acting on a sensor. For example, wide-area sensors can be manufactured and mounted on floors, for example, to detect the movement of persons in rooms. Various safety switches may also be provided, for example to detect whether there are obstructions between the closing doors or windows, etc. In addition, various keyboards and operating buttons may be provided.

Keksintöä ja sen eri suoritusmuotoja kuvataan seuraavassa esimerkin avulla viitaten piirustuksiin, joissa 25 kuvio 1 esittää anturin poikkileikkausrakennetta sekä lähetin- ja vastaanotinvahvistimen kytkemistä anturin signaa-lielektrodiin kuvio 2 esittää keksinnön mukaisen 1-ulotteisen kaapelian-30 turin edullisesti serpentiinimäistä signaalielektrodia, ja kuvio 3 esittää paisutettua kuplakalvoa.The invention and various embodiments thereof will now be described, by way of example, with reference to the drawings, in which Fig. 1 shows a cross-sectional structure of a sensor and a transponder and receiver amplifier coupling to a sensor signal electrode. bubble film.

3 1052383, 105238

Kuviossa 1 on esitetty keksinnön mukaisen anturin poikki-leikkausrakenne, jossa kahden kuplarakenteisen, elastisen muovikalvon 11 väliin on sijoitettu signaalielektrodi 12 ja uloimpina kerroksina ovat kalvomaiset, johtavaa materiaalia 5 olevat, muovikalvojen 11 suuruiset maadoituselektrodit 13. Muovikalvot 11 ovat edullisesti ohuita ja sisältävät runsaasti litteitä kaasukuplia (kaasurakkuloita) 20 (kuv. 3), jotta anturiin paikallisesti vaikuttavan voiman aiheuttamat impedanssimuutokset olisivat mahdollisimman suuria. Anturin 10 toiseen päähän on kytketty lähetysvahvistin 14, jolla anturiin ohjataan mikroaaltoalueella oleva pulssi ohjausyksiköstä 16, ja vastaanotinvahvistin 15, jonka avulla ta-kaisinheijastuneet pulssit mitataan mittausyksikköön (vas-taanotinyksikkö) 17. Ohjaus- ja mittausyksiköt 16, 17 voi-15 daan toteuttaa esimerkiksi mikroprosessorilla 18, jonka ohjelmisto ohjaa lähetysvahvistinta ja mittaa vastaanotinvah-vistimen signaalit, sekä suorittaa tarvittavat laskutoimitukset anturiin vaikuttavan voiman paikan ja intensiteetin määrittämiseksi.Fig. 1 shows a cross-sectional structure of a sensor according to the invention, in which a signal electrode 12 is disposed between two bubble-shaped, elastic plastic films 11 and the outer layers are earthing electrodes 13 of conductive material 5 of plastic film 11 preferably thin and containing (gas vesicles) 20 (Fig. 3) to maximize the impedance changes caused by the force acting locally on the sensor. Connected to one end of the sensor 10 is a transmit amplifier 14 for controlling a pulse in the microwave region from the control unit 16 and a receiver amplifier 15 for measuring the reflected pulses in the measuring unit (receiver unit) 17. microprocessor 18, whose software controls the transmit amplifier and measures the signals of the receiver amplifier, and performs the necessary calculations to determine the position and intensity of the force acting on the sensor.

2020

Keksintöä voidaan soveltaa 1-ulotteisena (kaapelianturi), jolloin lähetin- ja vastaanotinvahvistimet kytketään kaape-lianturin samaan päähän ja 2-ulotteisena (tasoanturi), joi-loin erillisiä lähetin/vastaanotinpareja on kytketty sopi-25 vasti anturin kulmiin.The invention can be applied in a 1-dimensional (cable transducer) configuration, whereby the transmitter and receiver amplifiers are coupled to the same end of the cable transducer and a 2-dimensional (level transducer) where separate transceiver pairs are coupled suitably to the corners of the transducer.

Keksinnön mukaisessa 1-ulotteisessa kaapelianturissa sig-naalielektrodina toimiva johdin 12 on levitetty muovikal-voile 18 kuplakalvojen 11 kokoiselle alueelle edullisesti 30 serpentiinimäisesti (kuvio 2), jolloin siihen saadaan suu- remmat impedanssimuutokset voiman vaikuttaessa anturiin.In a 1-dimensional cable transducer according to the invention, a conductor 12 acting as a signal electrode is applied to a plastic film 18 over an area of bubble membranes 11 preferably 30 serpentine (Fig. 2), thereby providing greater impedance changes when applied to the transducer.

f 4 105238f 4 105238

Keksinnön mukaisessa 2-ulotteisessa tasoanturissa lähetin-ja vastaanotinvahvistimet on järjestetty pareittain ainakin kahteen anturin kulmaan.In the 2-dimensional level sensor of the invention, the transmitter and receiver amplifiers are arranged in pairs at least at two corners of the sensor.

5 Keksinnön mukaisessa anturissa kuplarakenteiset, elastiset muovikalvot 11 ovat edullisesti esimerkiksi US-patentissa 4,654,546 ja WO-julkaisussa 96/06718 esitettyä ns. EMF-kalvoa, joka on ohutta ja erittäin elastista materiaalia sisältämiensä litteiden kaasukuplien ansiosta, erityisesti 10 ns. paisutetussa EMF-kalvossa (WO-julkaisu 96/06718) kaasu-kuplien suuri osuus kokonaistilavuudesta(50-90 %) mahdollistaa suuret impedanssimuutokset voiman vaikututtaessa anturiin. EMF-kalvolla on myös erittäin pienet dielektriset häviöt, josta seuraa että detektointi on mahdollista laa-15 joilla alueilla.In the sensor of the invention, the bubble-shaped, elastic plastic films 11 are preferably those described in U.S. Patent No. 4,654,546 and WO 96/06718. EMF film, which is a thin and highly elastic material due to its flat gas bubbles, especially 10 so-called. in the expanded EMF film (WO 96/06718), the high proportion of gas bubbles in the total volume (50-90%) allows for large impedance changes under the influence of a force on the sensor. The EMF film also has very low dielectric losses, which means that detection is possible in wide areas.

Keksinnön mukaisessa anturissa elastiset muovikalvot voivat olla myös pysyvästi varattuja, jolloin impedanssimuutokset voiman vaikuttaessa anturiin korostuvat entisestäänkin.In the sensor according to the invention, the elastic plastic films may also be permanently charged, whereby the impedance changes under the influence of the sensor are further emphasized.

2020

Asiantuntijalle on itsestään selvää, että keksinnön mukainen anturi voidaan toteuttaa lukuisilla eri tavoilla ja että sen rakenne voi myös poiketa edellä kuvatusta rakentees-ta. Oleellista on että anturissa on ainakin yksi kuplara-25 kenteinen muovikalvo ja signaalielektrodi kahden maadoi-tuselektrodin välissä. Myös elektrodikerrokset voidaan keksinnön mukaisessa anturissa toteuttaa käyttäen lukuisia eri tekniikoita. Yksi toteutustapa on käyttää silkkipainotek- 4 niikkaa, jolloin elektrodikerrokset painetaan sähköäjohta-30 villa pastoilla muovikalvojen pinnoille halutun muotoisiksi kuvioiksi. Elektrodikerroksina voidaan käyttää myös metal-loituja muovikalvoja ja -levyjä, joihin halutut elektrodi-kuviot toteutetaan syövyttämällä.It will be obvious to one skilled in the art that the sensor of the invention may be implemented in a number of different ways and that its design may also differ from the structure described above. It is essential that the sensor has at least one bubble-25 plastic film and a signal electrode between two grounding electrodes. Also, the electrode layers in the sensor of the invention can be implemented using a variety of techniques. One embodiment is the use of screen printing technology whereby the electrode layers are printed with electrically conductive wool pastes on the surfaces of the plastic films in the desired shape. Metallized plastic films and sheets can also be used as electrode layers, in which the desired electrode patterns are accomplished by etching.

Claims

1. Sensor device for determining the size and / or point of attack of the force or pressure acting on a sensor, comprising a sensor and a control unit (18) connected thereto for determining the size and / or point of attack of the force or pressure acting on the transducer by means of the signals from the transducer, and which transducer is provided with substantially diaphragm-shaped grounding electrodes (13) and at least one of these bubble-shaped plastic membranes (11), characterized in that the transducer is provided with at least one diaphragm the grounding electrodes arranged signal electrode (12), and that the control unit comprises a transmitter unit (16) operating within the microwave area, which transmits the microway area signals to the sensor signal electrode (12), and a receiver unit (17) which receives the signal electrodes reflected from the signal electrode. which control unit determines the size and / or point of attack of that force or d a pressure acting on the sensor by means of the signals measured in the receiver unit, for example by means of their amplitude, phase and / or maturity changes.

Sensor according to claim 1, characterized in that the signal electrode (12) is a serpentine-shaped conductor.

3. One-dimensional transducer according to claim 1, characterized in that both a transmitter amplifier (14) and a receiver amplifier (15) have been connected to one end of the transducer.

4. Two-dimensional sensor according to claim 1, characterized in that transmitter amplifiers and receiver amplifiers (14,15) have been connected in pairs to at least two of the sensor's corners.

Sensor according to claim 1, characterized in that the plastic membranes (11) are membranes containing biaxially oriented, flat gas bubbles (20) or bubbles.

6. Sensor according to claim 1 or 5, characterized in that the plastic diaphragm (11) contains a permanent electrical charge.

Sensor according to claim 1 or 5, characterized in that the plastic membranes (11) contain at least 50%, preferably 70 ... 90% gas. 20

A method for determining the size and / or point of attack of the force or pressure acting on a sensor, comprising a sensor and a control unit (18) connected thereto for determining the size and / or point of attack of that force. or the pressure acting on the transducer by means of the signals from the transducer, and which transducer is provided with substantially diaphragm-shaped grounding electrodes (13) and at least one. a bubble structure disposed between these plastic membranes (11), characterized in that the transducer is provided with at least one signal electrode (12) arranged between the grounding ground electrodes, and the control unit comprises a transmitter operating within the micro-range (16). in the microwaving area transmits signals to the sensor signal electrode (12), and a receiver unit (17) which receives the signals reflected from the signal electrode, which control unit determines the size and / or the point of attack of the force or pressure acting on the sensor by means of the sensor. the receiver unit dims the signals, for example by means of their amplitude, phase and / or maturity changes. «% WJ