阻性传感器阵列测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种阻性传感器阵列测量装置，所述阻性传感器阵列为共用行线和列线的阻性传感器阵列；该测量装置包括：标准电阻行，其包括一行

【技术实现步骤摘要】
阻性传感器阵列测量装置及方法
本专利技术涉及一种阻性传感器阵列测量装置及方法，属于传感器

技术介绍
阵列式传感装置就是将具有相同性能的多个传感元件，按照二维阵列的结构组合在一起，它可以通过检测聚焦在阵列上的参数变化，改变或生成相应的形态与特征。这个特性被广泛应用于生物传感、温度触觉和基于红外传感器等的热成像等方面。阻性传感器阵列被广泛应用于红外成像仿真系统、力触觉感知与温度触觉感知。以温度触觉为例，由于温度觉感知装置中涉及热量的传递和温度的感知，为得到物体的热属性，装置对温度测量精度和分辨率提出了较高的要求，而为了进一步得到物体不同位置材质所表现出的热属性，则对温度觉感知装置提出了较高的空间分辨能力要求。阻性传感器阵列的质量或分辨率是需要通过增加阵列中的传感器的数量来增加的。然而，当传感器阵列的规模加大，对所有元器件的信息采集和信号处理就变得困难。一般情况下，要对一个M×N阵列的所有的传感器的进行逐个访问，而每个传感器具有两个端口，共需要2×M×N根连接线。这种连接方式不仅连线复杂，而且每次只能选定单个待测电阻进行测量，扫描速度慢，周期长，效率低。为降低器件互连的复杂性，可以引入共用行线与列线的二维阵列，将扫描控制器与单个运算放大电路和多路选择器结合，但是其必然增加了电路的复杂度，因此如何减少扫描次数，减小电路复杂度就成了一道需要攻克的难题。关于电阻式传感阵列的检测研究，2006年R.S.Saxena等人提出了基于红外热成像的阵列检测技术，测试结构是基于电阻传感网络配置，基于电阻的线性与齐次性使用补偿网络定理和叠加网络定理开发了该电阻网络的理论模型。使用16×16阵列网络热辐射计阵列验证，仅使用32个引脚，已经证实，该模型针对器件损坏或器件值的微小变化都可以有效分辨，它具有一定精度，但是在检测速度上依然存在技术缺陷。2009年Y.J.Yang等人提出了一个32×32阵列的温度和触觉传感阵列，用于机械手臂的人造皮肤，该电路为了保证检测精度，屏蔽阵列内非待测电阻的干扰，在阵列的每一列都引入了运算放大电路，其电路复杂度大大增加，且其内阻的干扰也不能有效避免，检测效率、电路复杂度以及避免电子器件内部等效内阻的干扰成为最大的技术瓶颈。有相关文献提出了一种通过对传感器阵列建立、并求解电阻矩阵方程的方法来读出阵列中的电阻阻值。其将阻性阵列的第一行设置为标准电阻，相应列方向上采用ADC采集列电压数据，在行方向上使第一行至最后一行依次接地，其余行输入高电平，每次过程中通过ADC采出对应行接地时对应列的电压，列出矩阵方程，分别求出每列中的电阻与标准电阻的关系并求解。该方法虽然在很大程度上避免串扰电流，同时减少了电路复杂度，检测速度较高，运算复杂度较低，但没有考虑到通过单片机输出高低电平时其等效内阻的存在，同时阵列中电阻阻值范围局限于某一区间内，对于大范围电阻阻值的测量问题还是没有解决，所以还需要寻求一种在不提高运算复杂度的前提下，能够有效避免电压输出口等效内阻的干扰的方法，同时在电阻阻值范围上也需要进一步的扩大。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提出一种阻性传感器阵列测量装置及方法，可以实现对共用行线和列线的二维阻性传感器阵列中所有阻性传感器(物理量敏感电阻)的快速检测，同时可以有效消除控制器IO端口直接驱动电路时输出电阻的影响，以及阵列中连接线电阻产生的测量误差，提高测量精度，同时扩大测量量程。本专利技术具体采用以下技术方案解决上述技术问题：一种阻性传感器阵列测量装置，所述阻性传感器阵列为共用行线和列线的M×N二维阻性传感器阵列；所述测量装置包括：标准电阻行，其包括一行N个电阻值已知的标准电阻，作为新的一行被增设于所述阻性传感器阵列中，从而得到一个新的共用行线和列线的(M+1)×N电阻阵列；(M+1)个运算放大器，与所述新的共用行线和列线的(M+1)×N电阻阵列的(M+1)条行线一一对应，每个运算放大器的反相输入端、输出端分别通过一根连接线与其所对应行线连接；控制器，其具有至少(M+1)个IO端口以及至少N个ADC采样端口，其中的(M+1)个IO端口与所述(M+1)个运算放大器的同相输入端一一对应连接，其中的N个ADC采样端口与所述新的共用行线和列线的(M+1)×N电阻阵列的N条列线一一对应连接。一种阻性传感器阵列测量方法，所述阻性传感器阵列为共用行线和列线的M×N二维阻性传感器阵列；利用上述装置进行测量，具体包括以下步骤：步骤1、控制器控制与标准电阻行所连接的IO端口输出低电平，而其余M个IO端口输出高电平；与此同时控制器通过与N条列线连接的N个ADC采样端口采集N根列线的电压，此时第j条列线的列电压记为Vsj，j＝1,2,…,N；步骤2、控制器依次控制与M×N二维阻性传感器阵列的第i行所连接的IO端口输出低电平，而其余M个IO端口输出高电平；与此同时控制器通过与N条列线连接的N个ADC采样端口采集N根列线的电压，此时第j条列线的列电压记为Vij，i＝1,2,…,M，j＝1,2,…,N；步骤3、利用下式计算出所述二维阻性传感器阵列中每个阻性传感器的电阻值：式中，Rij表示所述二维阻性传感器阵列中第i行第j列的阻性传感器的电阻值，Rsj表示接入所述二维阻性传感器阵列中第j列的标准电阻的电阻值，Vcc表示控制器IO端口所输出的高电平电压。相比现有技术，本专利技术具有以下有益效果：(1)本专利技术测量方法采用了(M+1)个运算放大器，可以有效避免控制器IO口连接负载时由于驱动电流导致的输出电阻的影响。由于控制器的(M+1)个IO端口分别与对应行的运算放大器的同相输入端相连，输出电平时驱动电流为0，进而避免了控制器通用数字IO端口的输出内阻的影响，在低运算复杂度的前提下提高了阻性传感阵列中物理量敏感电阻的测量精度。(2)本专利技术测量方法为二维阻性传感阵列的每一根行线设置了两根连接线，消除了测试线缆接头的触点电阻、长测试线缆导致的串扰误差，提高了阵列中物理量敏感电阻的测量精度，也使得长测试线缆能被应用于阻性传感阵列测量。(3)本专利技术测量方法通过控制器的N个ADC采样通道，实现对当前驱动电平为低电平的电阻行的一次性电压采样。由于N个ADC采样通道分别与二维阻性传感阵列的N条列线相连，对标准电阻行施加低电平，同时对物理量敏感电阻阵列的M行施加高电平后，可采集到N个标准电压值，再对M×N物理量敏感电阻阵列中任意一行施加低电平，同时对标准电阻行施加高电平，采集到对应于该行的N个电压值，结合控制器输出的高电平Vcc以及N个标准电压值，可一次性求得该行中所有物理量敏感电阻的阻值，进而逐一选定剩余待测行，最终完成阵列中所有待测物理量敏感电阻的测量，并最终提高测量速度。(4)本专利技术测量方法需要的额外器件只包括(M+1)个运算放大器及N个标准电阻，在确保测量精度的前提下，减少了器件间连线的数量以及电路复杂度。附图说明图1是为共用行线和列线的M×N二维阻性传感器阵列结构示意图；；图2是现有单线驱动行线的阻性传感阵列测量电路示意图；图3是STC单片机IO端口分别置高、置低时其端口的电压与电流关系曲线示意图；图4是本专利技术测量装置的电路示意图；图5是标准电阻行的驱动电平为低电平时阵列中每列列方向上的电流流向示意图；图6是标本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种阻性传感器阵列测量装置，所述阻性传感器阵列为共用行线和列线的M×N二维阻性传感器阵列；其特征在于，所述测量装置包括：标准电阻行，其包括一行N个电阻值已知的标准电阻，作为新的一行被增设于所述阻性传感器阵列中，从而得到一个新的共用行线和列线的(M+1)×N电阻阵列；(M+1)个运算放大器，与所述新的共用行线和列线的(M+1)×N电阻阵列的(M+1)条行线一一对应，每个运算放大器的反相输入端、输出端分别通过一根连接线与其所对应行线连接；控制器，其具有至少(M+1)个IO端口以及至少N个ADC采样端口，其中的(M+1)个IO端口与所述(M+1)个运算放大器的同相输入端一一对应连接，其中的N个ADC采样端口与所述新的共用行线和列线的(M+1)×N电阻阵列的N条列线一一对应连接。

【技术特征摘要】
1.一种阻性传感器阵列测量装置，所述阻性传感器阵列为共用行线和列线的M×N二维阻性传感器阵列；其特征在于，所述测量装置包括：标准电阻行，其包括一行N个电阻值已知的标准电阻，作为新的一行被增设于所述阻性传感器阵列中，从而得到一个新的共用行线和列线的(M+1)×N电阻阵列；(M+1)个运算放大器，与所述新的共用行线和列线的(M+1)×N电阻阵列的(M+1)条行线一一对应，每个运算放大器的反相输入端、输出端分别通过一根连接线与其所对应行线连接；控制器，其具有至少(M+1)个IO端口以及至少N个ADC采样端口，其中的(M+1)个IO端口与所述(M+1)个运算放大器的同相输入端一一对应连接，其中的N个ADC采样端口与所述新的共用行线和列线的(M+1)×N电阻阵列的N条列线一一对应连接。2.一种阻性传感器阵列测量方法，所述阻性传感器阵列为共用行线和列线的M×N二维阻性传感器阵列；其特征在于，利用如权利要求1所述装置进行测量，具体包括以下步...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴剑锋，何赏赏，汪峰，王琦，李建清，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32