一種陣列式小尺寸溫度傳感裝置*

吳劍鋒，王 蕾，李建清，于忠洲

(1.東南大學(xué)儀器與科學(xué)工程學(xué)院，南京 210096;2.南京電子技術(shù)研究所，南京 210039)

視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)和味覺(jué)是人類(lèi)感知世界的重要方式，人類(lèi)利用視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)所具有的快速響應(yīng)特性識(shí)別快速活動(dòng)物體，通過(guò)主動(dòng)方式的視覺(jué)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)和味覺(jué)實(shí)現(xiàn)靜態(tài)或慢速運(yùn)動(dòng)物體或物質(zhì)的識(shí)別。在機(jī)器探測(cè)未知世界過(guò)程中，視聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)成為主要的在線(xiàn)感知方式，通過(guò)視聽(tīng)覺(jué)可以快速確定物體的外形、顏色和障礙物的存在，通過(guò)力觸覺(jué)可以感知物體力學(xué)特性，通過(guò)溫度觸覺(jué)可以感知物體的熱學(xué)特性。

用于外形識(shí)別、接觸點(diǎn)分布與定位、聲源定位、光源定位的陣列傳感器是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)［1－8］。從尺寸而言，現(xiàn)有的傳感器陣列向著小型化甚至微型化和集成化方向發(fā)展，現(xiàn)有的微型陣列傳感器可在19.2 mm×19.2 mm范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)4096個(gè)傳感器及其檢測(cè)電路［9］。由于受到傳感器特性限制，溫度觸覺(jué)陣列傳感器還比較少見(jiàn)［10－17］，應(yīng)用于溫度觸覺(jué)的陣列式傳感器有待于進(jìn)一步研究，其中傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度、尺寸以及快速檢測(cè)方法是溫度觸覺(jué)陣列傳感器研究的關(guān)鍵。就溫度觸覺(jué)陣列傳感器而言，F(xiàn)ranco Castelli［10］設(shè)計(jì)了一種 8×8 陣列尺寸為 18 mm×18 mm觸覺(jué)傳感器，其中包括的溫度觸覺(jué)感知元件采用銅熱敏電阻，可應(yīng)用于被接觸物體的材質(zhì)熱屬性識(shí)別。Li Ping［11］采用非掃描方式設(shè)計(jì)了一種具有快速響應(yīng)的非掃描方式的觸覺(jué)傳感器陣列，將力、壓力、溫度和生化傳感功能集成在一起，采用壓電諧振器作為感知元件。Hidekuni Takao［12－13］設(shè)計(jì)了硅基多功能智能觸覺(jué)圖像陣列傳感器，其具有應(yīng)力和溫度感知功能，在3.04 mm×3.04 mm范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了6×6個(gè)傳感器的集成，在力、壓力測(cè)量以及力和溫度觸點(diǎn)定位取得較好結(jié)果。Chia Hsien Lin［14］設(shè)計(jì)了一種具有熱、力和微振動(dòng)傳感功能的仿生觸覺(jué)傳感器陣列，同時(shí)采集溫度信號(hào)的交直流部分，主要通過(guò)交流部分材質(zhì)進(jìn)行識(shí)別，對(duì)銅、鋁、鋼和塑料取得了較好的識(shí)別效果。Akihiko Nagakubo［15］采用電阻抗成像方法檢測(cè)壓力變形問(wèn)題，有效的解決了大變形物體觸點(diǎn)定位和接觸力的分布問(wèn)題。Y.J.Yang［16］采用集成式溫度傳感器在160 mm×160 mm實(shí)現(xiàn)了32×32溫度觸覺(jué)傳感器陣列，較好實(shí)現(xiàn)了大尺寸溫度物體外形識(shí)別。

本文在對(duì)現(xiàn)有陣列式傳感裝置研究的基礎(chǔ)上，研制了一種8×16陣列式微小尺寸溫度傳感裝置，提出了一種溫度傳感器陣列檢測(cè)方法，減少了微小空間內(nèi)溫度傳感器陣列中相鄰傳感器的相互耦合和干擾，可用于檢測(cè)空間微小尺寸溫度場(chǎng)分布，并可對(duì)具有一定溫度的被測(cè)物體外形進(jìn)行識(shí)別。

1 陣列式小尺寸溫度傳感裝置組成

所設(shè)計(jì)的陣列式溫度感知裝置設(shè)有主控制器、溫度傳感器陣列及其測(cè)控電路，以溫度傳感器陣列作為溫度感知的核心，其中:溫度敏感單元采用微小尺寸測(cè)溫型高精度NTC電阻，單個(gè)元件的平面尺寸不大于2 mm×2 mm;具有陣列交叉分布式結(jié)構(gòu)，共同組成一個(gè)8×16矩陣，陣列中每一個(gè)測(cè)溫電阻一端與所在的列線(xiàn)相連，另一端與所在的行線(xiàn)相連，其陣列分布的形狀根據(jù)需要設(shè)定;測(cè)量控制電路包括主控制器、多路開(kāi)關(guān)、反饋驅(qū)動(dòng)隔離電路，控制處理器采用含有模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換模塊的控制器。圖1為設(shè)計(jì)所采用的反饋隔離驅(qū)動(dòng)測(cè)量電路原理圖。

圖1 陣列式電阻反饋隔離驅(qū)動(dòng)測(cè)量電路原理

2 陣列式電阻反饋隔離驅(qū)動(dòng)測(cè)量方法

圖2是本設(shè)計(jì)所采用的電阻測(cè)量電路基本原理圖，采樣分壓法測(cè)量。對(duì)測(cè)溫電阻RXY和采樣電阻RS加一精密恒定電壓VI到地，該電壓VI在兩電阻上產(chǎn)生分壓，在采樣電阻上取得的電壓值VXY與兩電阻的比值相關(guān)聯(lián)，其電壓值符合

通過(guò)已知電壓VI、已知電阻RS和測(cè)量所得電壓VXY，可求解出RXY。通過(guò)對(duì)該電阻值查表可得該電阻所處位置對(duì)應(yīng)的溫度值。對(duì)單個(gè)或陣列中每個(gè)測(cè)溫電阻都用兩根線(xiàn)單獨(dú)連接則可采用分壓法進(jìn)行測(cè)量(如圖2所示)，則所有的測(cè)溫電阻共需要2N×M根連接線(xiàn)才能完成測(cè)量。

圖2 單個(gè)熱敏電阻的分壓法檢測(cè)原理圖

當(dāng)采用交叉式陣列結(jié)構(gòu)，即陣列中每一個(gè)測(cè)溫電阻一端與所在的列線(xiàn)相連，另一端與所在的行線(xiàn)相連，則N×M個(gè)溫度傳感器的連接線(xiàn)數(shù)目為N+M根，可大大減少電阻陣列測(cè)量所需連線(xiàn)數(shù)目。但該接線(xiàn)方式同時(shí)也給陣列中所有電阻的測(cè)量帶來(lái)了問(wèn)題，陣列中相鄰電阻對(duì)被測(cè)電阻的測(cè)量產(chǎn)生影響，使得該電阻測(cè)量難以準(zhǔn)確。為消除相鄰電阻對(duì)被測(cè)電阻的影響，通常需采用運(yùn)算放大器虛地隔離電流電壓轉(zhuǎn)換法進(jìn)行測(cè)量［9］，該類(lèi)方法需要在每根測(cè)試輸出線(xiàn)加上運(yùn)算放大器以實(shí)現(xiàn)虛地隔離，對(duì)運(yùn)放數(shù)將大大增加。

反饋隔離驅(qū)動(dòng)測(cè)量電路采用了反饋隔離驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行虛擬隔離被測(cè)電阻，具體如下:主控制器控制陣列溫度觸覺(jué)傳感裝置的工作方式，控制行列多路開(kāi)關(guān)中每一個(gè)的斷開(kāi)與閉合，對(duì)陣列中每一個(gè)溫敏電阻掃描測(cè)量，控制自身的A/D進(jìn)行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換。陣列中溫度傳感器檢測(cè)各自所處位置的溫度，將溫度變化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電阻變化。

如圖1所示，根據(jù)當(dāng)前被測(cè)電阻在陣列中所處的位置，主控制控制列多路開(kāi)關(guān)選擇被測(cè)電阻相應(yīng)列與所要加載測(cè)試電壓VI相連，忽略列多路開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻，此時(shí)該列電壓與所加載測(cè)試電壓相等，而其它列X與反饋電壓VF相連，這些列上的電壓值與VF相等。而后主控制控制行多路開(kāi)關(guān)選擇被測(cè)電阻相應(yīng)行Y與分壓電阻相連，其它行也與反饋電壓VF相連通，忽略行多路開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻，這些行上的電壓值也與VF相等。因此除被測(cè)電阻所處的行線(xiàn)、列線(xiàn)以外的行線(xiàn)和列線(xiàn)的電壓都為VF。而測(cè)試電壓VI通過(guò)被測(cè)電阻RXY連接到分壓采樣電阻RS到信號(hào)地，在被測(cè)電阻和分壓采樣電阻連接處的電壓符合式(1)。將該電壓通過(guò)運(yùn)放跟隨并進(jìn)行電流放大后輸出為反饋電壓VF，VF與在VXY數(shù)值相等，但相互隔離，VF通過(guò)反饋電壓線(xiàn)傳輸給列多路開(kāi)關(guān)和行多路開(kāi)關(guān)進(jìn)行反饋。

所有行線(xiàn)上電壓都為VF，所有非當(dāng)前電阻所在列線(xiàn)上的電壓也為VF，因此這些列的電阻上都沒(méi)有電流通過(guò)，被虛擬隔離。我們僅需要考察當(dāng)前被測(cè)電阻所在列的M個(gè)電阻。這M個(gè)電阻中的當(dāng)前被測(cè)電阻上通過(guò)的電流為

如前所描述，其他剩余電阻上通過(guò)的電流都與當(dāng)前行上的電阻無(wú)關(guān)，VI，RS是常數(shù)，VXY僅與RXY相關(guān)。電路自動(dòng)反饋?zhàn)詈髮⒈粶y(cè)電阻RXY從陣列中隔離出來(lái)，其溫度所對(duì)應(yīng)的VXY與陣列上的其他溫敏電阻阻值無(wú)關(guān)。VXY經(jīng)過(guò)跟隨放大輸出到主控制器的高速模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換端口轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，完成RXY的測(cè)量，而后通過(guò)主控制器選擇下一個(gè)熱敏電阻進(jìn)行逐一掃描測(cè)量，最終完成陣列中所有熱敏電阻的測(cè)量。對(duì)該掃描驅(qū)動(dòng)電路的進(jìn)行了讀出速度測(cè)試，可達(dá)1 ksps，結(jié)果基本能保證準(zhǔn)確，受硬件條件限制，更高的掃描速度對(duì)性能影響有待進(jìn)一步改進(jìn)電路驗(yàn)證。

需要注意的是:該隔離驅(qū)動(dòng)反饋技術(shù)要求列多路開(kāi)關(guān)和行多路開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻阻值與被測(cè)電阻阻值和測(cè)量精度要求相比可忽略，文中所采用的多路開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通電阻為8 Ω，而采用的溫度傳感器為10 kΩ的NTC溫敏電阻，在相應(yīng)溫度點(diǎn)電阻值溫敏系數(shù)至少為264 Ω/℃，因此該導(dǎo)通電阻可忽略。溫度其反饋驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)能力足夠驅(qū)動(dòng)陣列中除被測(cè)電阻以外的電阻以實(shí)現(xiàn)虛擬隔離，同時(shí)反饋驅(qū)動(dòng)電流導(dǎo)致的溫敏電阻溫升影響可忽略。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，該隔離驅(qū)動(dòng)反饋技術(shù)的特點(diǎn)在于:①采用陣列式溫度傳感結(jié)構(gòu)，可對(duì)一定空間范圍內(nèi)溫度分布及其變化進(jìn)行傳感;②陣列式溫度觸覺(jué)傳感裝置的溫度場(chǎng)空間分辨率高，相鄰點(diǎn)間距可優(yōu)于2 mm;③采用交叉式陣列結(jié)構(gòu)，與N×M個(gè)溫度傳感器的連線(xiàn)數(shù)目為N+M根，可大大減少溫度傳感器陣列檢測(cè)所需連線(xiàn)數(shù)目;④采用反饋隔離驅(qū)動(dòng)測(cè)量技術(shù)，可快速對(duì)陣列中的所有溫度點(diǎn)的溫度及其變化進(jìn)行測(cè)量，每秒鐘可掃描測(cè)量陣列中100個(gè)以上的溫度點(diǎn)，相鄰溫度點(diǎn)交叉干擾小，測(cè)量精度高，抗噪聲干擾能力強(qiáng)。

3 裝置實(shí)現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的陣列式溫度感知裝置的測(cè)溫精度，將溫度傳感陣列和同型號(hào)單獨(dú)的參比電阻置于恒溫箱中，在從27℃到37℃多個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。由恒溫對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，反饋隔離驅(qū)動(dòng)測(cè)量方法具有較好的性能。

表1 恒溫對(duì)比實(shí)驗(yàn) 單位:kΩ

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的陣列式溫度感知裝置(如圖3所示)功能，進(jìn)行了溫度觸覺(jué)形狀識(shí)別測(cè)試實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖4～圖6所示。實(shí)驗(yàn)中人手為柔性，對(duì)溫度傳感陣列施加一定的接觸力以確保兩者間保持有較好的接觸特性，若被測(cè)對(duì)象為剛性物體則需要將傳感器陣列設(shè)計(jì)為柔性陣列，以確保溫度傳感器陣列與被測(cè)量點(diǎn)的良好接觸。圖中的平面坐標(biāo)為熱敏電阻傳感器所對(duì)在的位置，縱坐標(biāo)為AD的轉(zhuǎn)換值減去基數(shù)后的值。圖4為單個(gè)手指?jìng)?cè)按在溫度傳感器陣列表面的溫度傳感結(jié)果。圖5為四個(gè)手指按溫度傳感器陣列四個(gè)角的溫度傳感結(jié)果。圖6為單個(gè)手指按溫度傳感器陣列中心的溫度傳感結(jié)果。

圖3 陣列式微小尺寸溫度傳感裝置實(shí)物照片

圖4 單個(gè)手指?jìng)?cè)按表面溫度傳感結(jié)果

圖5 四個(gè)手指按四個(gè)角的溫度傳感結(jié)果

圖6 單個(gè)手指按中心的溫度傳感結(jié)果

由于手與溫度傳感器間存在熱傳導(dǎo)，同時(shí)陣列中相鄰溫度傳感器之間有熱傳導(dǎo)，在手指的邊界處溫度較低，而中心處溫度較高。圖4～圖6的結(jié)果表明，陣列式溫度感知裝置能較好的溫度傳感能力，溫度場(chǎng)空間分辨率較高。

4 結(jié)束語(yǔ)

陣列式溫度傳感裝置可用于檢測(cè)一定空間內(nèi)分布的溫度，然而小型化和相鄰傳感點(diǎn)的相互干擾消除是需要解決的難題，本文研制了一種陣列式小尺寸溫度傳感裝置，采用陣列式微小熱敏電阻進(jìn)行溫度傳感，提出了反饋隔離驅(qū)動(dòng)測(cè)量方法進(jìn)行陣列電阻檢測(cè)，并進(jìn)行了溫度觸覺(jué)形狀識(shí)別測(cè)試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，陣列式小尺寸溫度傳感裝置性能良好，可減少陣列中相鄰傳感器的相互耦合和干擾。

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