[發(fā)明專利]基于運(yùn)算放大器的阻性傳感器陣列讀出電路及其讀出方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710044884.4
• 申請(qǐng)日: 2017-01-20
• 公開（公告）號(hào): CN106813783B
• 公開（公告）日: 2019-10-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳劍鋒;王琦;何賞賞;汪峰;李建清
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號(hào): G01J5/24
• 分類號(hào): G01J5/24
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 樓高潮

本發(fā)明公開了一種基于運(yùn)算放大器的阻性傳感器陣列讀出電路，所述阻性傳感器陣列為共用行線和列線的阻性傳感器陣列；該讀出電路包括：標(biāo)準(zhǔn)電阻行，其包括一行N個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻，增設(shè)于所述阻性傳感器陣列中，從而得到一個(gè)新的共用行線和列線的（M+1）×N電阻陣列；（M+1）個(gè)運(yùn)算放大器，與電阻陣列的（M+1）條行線一一對(duì)應(yīng)，每個(gè)運(yùn)算放大器的反相輸入端、輸出端連接于一點(diǎn)后與其所對(duì)應(yīng)行線連接；控制器，其具有至少(M+1)個(gè)IO端口以及至少N個(gè)ADC采樣端口，其中的(M+1)個(gè)IO端口與所述（M+1）個(gè)運(yùn)算放大器的同相輸入端一一對(duì)應(yīng)連接，其中的N個(gè)ADC采樣端口與所述新的阻陣列的N條列線一一對(duì)應(yīng)連接。本發(fā)明還公開了該讀出電路的讀出方法。本發(fā)明具有更好的測(cè)量精度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種阻性傳感器陣列讀出電路及其讀出方法，屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

陣列式傳感裝置就是將具有相同性能的多個(gè)傳感元件，按照二維陣列的結(jié)構(gòu)組合在一起，它可以通過檢測(cè)聚焦在陣列上的參數(shù)變化，改變或生成相應(yīng)的形態(tài)與特征。這個(gè)特性被廣泛應(yīng)用于生物傳感、溫度觸覺和基于紅外傳感器等的熱成像等方面。

阻性傳感器陣列被廣泛應(yīng)用于紅外成像仿真系統(tǒng)、力觸覺感知與溫度觸覺感知。以溫度觸覺為例，由于溫度覺感知裝置中涉及熱量的傳遞和溫度的感知，為得到物體的熱屬性，裝置對(duì)溫度測(cè)量精度和分辨率提出了較高的要求，而為了進(jìn)一步得到物體不同位置材質(zhì)所表現(xiàn)出的熱屬性，則對(duì)溫度覺感知裝置提出了較高的空間分辨能力要求。

阻性傳感器陣列的質(zhì)量或分辨率是需要通過增加陣列中的傳感器的數(shù)量來增加的。然而，當(dāng)傳感器陣列的規(guī)模加大，對(duì)所有元器件的信息采集和信號(hào)處理就變得困難。一般情況下，要對(duì)一個(gè)M×N陣列的所有的傳感器的進(jìn)行逐個(gè)訪問，而每個(gè)傳感器具有兩個(gè)端口，共需要2×M×N根連接線。這種連接方式不僅連線復(fù)雜，而且每次只能選定單個(gè)待測(cè)電阻進(jìn)行測(cè)量，掃描速度慢，周期長(zhǎng)，效率低。為降低器件互連的復(fù)雜性，可以引入共用行線與列線的二維陣列，將掃描控制器與單個(gè)運(yùn)算放大電路和多路選擇器結(jié)合，但是其必然增加了電路的復(fù)雜度，因此如何減少掃描次數(shù)，減小電路復(fù)雜度就成了一道需要攻克的難題。

關(guān)于電阻式傳感陣列的檢測(cè)研究，2006年R.S.Saxena等人提出了基于紅外熱成像的陣列檢測(cè)技術(shù)，測(cè)試結(jié)構(gòu)是基于電阻傳感網(wǎng)絡(luò)配置，基于電阻的線性與齊次性使用補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)定理和疊加網(wǎng)絡(luò)定理開發(fā)了該電阻網(wǎng)絡(luò)的理論模型。使用16×16陣列網(wǎng)絡(luò)熱輻射計(jì)陣列驗(yàn)證，僅使用32個(gè)引腳，已經(jīng)證實(shí)，該模型針對(duì)器件損壞或器件值的微小變化都可以有效分辨，它具有一定精度，但是在檢測(cè)速度上依然存在技術(shù)缺陷。2009年Y.J.Yang等人提出了一個(gè)32×32陣列的溫度和觸覺傳感陣列，用于機(jī)械手臂的人造皮膚，該電路為了保證檢測(cè)精度，屏蔽陣列內(nèi)非待測(cè)電阻的干擾，在陣列的每一列都引入了運(yùn)算放大電路，其電路復(fù)雜度大大增加，且其內(nèi)阻的干擾也不能有效避免，檢測(cè)效率、電路復(fù)雜度以及避免電子器件內(nèi)部等效內(nèi)阻的干擾成為最大的技術(shù)瓶頸。

有相關(guān)文獻(xiàn)提出了一種通過對(duì)傳感器陣列建立、并求解電阻矩陣方程的方法來讀出陣列中的電阻阻值。其將阻性陣列的第一行設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)電阻，相應(yīng)列方向上采用ADC采集列電壓數(shù)據(jù)，在行方向上使第一行至最后一行依次接地，其余行輸入高電平，每次過程中通過ADC采出對(duì)應(yīng)行接地時(shí)對(duì)應(yīng)列的電壓，列出矩陣方程，分別求出每列中的電阻與標(biāo)準(zhǔn)電阻的關(guān)系并求解。該方法雖然在很大程度上避免串?dāng)_電流，同時(shí)減少了電路復(fù)雜度，檢測(cè)速度較高，運(yùn)算復(fù)雜度較低，但沒有考慮到通過單片機(jī)輸出高低電平時(shí)其等效內(nèi)阻的存在，同時(shí)陣列中電阻阻值范圍局限于某一區(qū)間內(nèi)，對(duì)于大范圍電阻阻值的測(cè)量問題還是沒有解決，所以還需要尋求一種在不提高運(yùn)算復(fù)雜度的前提下，能夠有效避免電壓輸出口等效內(nèi)阻的干擾的方法，同時(shí)在電阻阻值范圍上也需要進(jìn)一步的擴(kuò)大。