CN102322974A

CN102322974A - 一种阵列式温度触觉传感装置

Info

Publication number: CN102322974A
Application number: CN201110148963A
Authority: CN
Inventors: 吴剑锋; 李建清; 于忠洲
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2011-06-03
Filing date: 2011-06-03
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2031-06-03
Also published as: CN102322974B

Abstract

本发明公开了一种阵列式温度触觉传感装置，采用微小尺寸NTC温度敏感器件(如测温型高精度NTC电阻)作为温度敏感单元。采用温度传感器阵列分布式交叉结构，阵列分布的形状可为矩形、圆形、椭圆形、三角形等形状，阵列中每一个测温电阻一端与所在的列线相连，另一端与所在的行线相连，N×M个温度传感器检测所需的连接线数目为N+M根，可大大减少温度传感器阵列检测连线数。采用多路电子模拟开关、反馈驱动隔离电路从阵列中虚拟隔离出每一个温度敏感电阻器件，并通过该温度敏感电阻实现该点温度的精确测量，通过逐一高速扫描测量阵列中的每个器件实现阵列上所有温度点的快速测量。该阵列式温度触觉传感装置可同时动态测量一定空间范围内的温度信号，具有温度测量精度高、速度快，空间分辨率好，抗噪声干扰性能优良的特点。

Description

一种阵列式温度触觉传感装置

技术领域

本发明涉及虚拟现实技术中的触觉感知，尤其是阵列式的温度觉感知装置，该装置可实现温度觉的机器人感知，属于机器人测控领域。

背景技术

随着电子信息技术的飞速发展，虚拟现实技术作为当前信息技术领域研究的前沿和热点，成为二十一世纪最令人鼓舞的信息应用技术之一。“多感知、交互性和临场感”是理想的虚拟现实系统所追求的目标。技术的重要性已经被广泛认识并得到深入研究，不断优化和完善的力触觉算法及柔性、纹理触觉复现装置已能够较好地模拟虚拟场景物体柔性、纹理力触觉特性，而形状触觉、温度触觉等触觉可以感知物体的形状特性、热量属性等，在该领域的人机交互技术研究尚少。

触觉是人类感知外部世界的重要手段。温度觉作为触觉的一种在人的整个感知系统中发挥着重要作用，人手触摸不同热属性的物体时有着不同的温度感觉，据此人可以判断出物体的热属性。到目前为止，国内外对触觉的研究都集中于力触觉，力触觉再现装置的研究已比较透彻。而温度觉作为力触觉的主要辅助手段，在触觉建立过程中发挥了重要的作用，在虚拟现实技术中加入温度觉可以增强人的临场感和沉浸感。

温度触觉感知技术是一项新兴的研究方向，所涉及的学科众多，跨越的学科有机械、材料、电子学等多个方面。温度触觉感知技术的深入研究，将会进一步加强其在医学、军事、机器人仿真、工业制造、教育及其娱乐各领域的广泛应用。

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，阵列式温度触觉传感装置能够同时提供一定空间范围内的温度信息，为实现材料热传导特性和多材质物体热属性识别提供了手段。

为实现对一定区域内的参数进行测量，通常采用集总参数传感器阵列式分布测量和分布参数平面式传感器直接测量实现，其中分布式通常采用电阻抗成像(EIT)来实现测量，其具有空间解析连续的优点，但其单点测量易受相邻位置参数的影响，因而很难实现高精度测量。集总参数传感器阵列式分布测量对各个单独位置上的参数进行测量，空间解析不连续，但传感器所处位置的测量结果受附件参数交叉干扰小，可实现精确测量，而没有分布传感器的位置可采用拟合的方法推导得到。目前国内外在阵列式传感器方面主要用于触点位置定位以及该点压力大小的研究，其传感方式常用光电式、触点式、电容式、电感式、压阻式和微机械式等。

就阵列式温度觉传感器而言，1995年Franco Castelli设计了一种8×8阵列尺寸为18mm×18mm触觉传感器，其中包括的温度觉感知元件采用铜热敏电阻，可应用于被接触物体的材质热属性识别。1996年Li Ping采用非扫描方式设计了一种具有快速响应的非扫描方式的触觉传感器阵列，将力、压力、温度和生化传感功能集成在一起，采用压电谐振器作为感知元件。2005年Hidekuni Takao设计了硅基多功能智能触觉图像阵列传感器，其具有应力和温度感知功能，在3.04mm×3.04mm范围内实现了6×6个传感器的集成，在力、压力测量以及力和温度触点定位取得较好结果。2009年Chia Hsien Lin设计了一种具有热、力和微振动传感功能的仿生触觉传感器阵列，同时采集温度信号的交直流部分，主要通过交流部分材质进行识别，对铜、铝、钢和塑料取得了较好的识别效果。

采用（FTI 温度*传感*阵列）+（FTI 温度触觉传感）检索，国内基于温度的触觉感知方面专利有CN200910034949和CN201010134052，CN200910034949基于单个点的温度感知，其尺寸较大而不是阵列式。CN201010134052采用阵列波导光栅进行温度传感，与本装置采用的方法不同。目前国内还没有基于温度敏感电阻器件的阵列式温度触觉传感装置。

发明内容

针对温度触觉感知的需要，本发明提出了一种阵列式温度触觉传感装置。该装置可快速对一定空间范围内的温度分布及其变化进行动态测量，具有温度测量精度高、速度快、空间分辨率好、抗干扰性能优良的特点。

本发明采用如下技术方案：

一种阵列式温度触觉传感装置，包括：温度敏感阵列、行多路选择器及列多路选择器、反馈驱动隔离电路，所述的温度敏感阵列由按照M*N阵列分布的作为温度敏感单元的温度敏感电阻Rij构成，其中， M为行数，N为列数，i=1、2、…、M，j=1、2、…、N，温度敏感电阻Rij的一端与行多路选择器的y_Li端连接，另一端与列多路选择器的y_Hj端连接，行多路选择器的a_L1、a_L2、…、a_LM端口和列多路选择器的b_H1、b_H2、…、b_HN端口都与反馈驱动隔离电路的输出电压V_F相连，列多路选择器的a_H1、a_H2、…、a_HN端口都与测试电压V_I相连，行多路选择器的b_L1、b_L2、…、b_LM端口相连并与反馈驱动隔离电路的输入端以及采样电阻R_S的一端相连，采样电阻R_S的另一端接地，行多路选择器及列多路选择器分别由行控制信号和列控制信号控制，所述反馈驱动隔离电路的输入端作为测量电压V_ij的输出端口。

本发明采用温度传感阵列分布式结构，阵列可大于5×5，阵列中每一个测温电阻一端与所在的列线相连，另一端与所在的行线相连，其阵列分布的形状可为矩形、圆形、椭圆形、三角形等形状。温度传感器采用微小尺寸NTC温度敏感电阻，单个NTC电阻的平面尺寸不大于2mm×2mm。为消除相邻温度点的测量干扰，设计了多路选择器、反馈驱动隔离电路实现反馈驱动隔离技术对每一个温度敏感电阻进行隔离测量，每秒钟可扫描测量100个以上的温度点。

本发明以温度触觉传感器阵列作为温度感知的核心，温度敏感单元采用微小尺寸测温型高精度NTC电阻，其平面尺寸不大于2mm×2mm；具有阵列交叉分布式结构，共同组成一个N×M矩阵，阵列大于5×5，阵列中每一个测温电阻一端与所在的列线相连，另一端与所在的行线相连，其阵列分布的形状可为矩形、圆形、椭圆形、三角形等形状；测量控制电路包括多路选择器和反馈驱动隔离电路，多路选择器、反馈驱动电路采用逐一扫描方式从阵列式传感器中隔离出所要测量的温度传感单元，并将该传感单元的温度信号转换的电压信号，并把该电压信号作为本装置的输出量。采用反馈驱动隔离测量技术，对阵列中的每一个温度传感单元采用电路自动先分压驱动，而后反馈，再分压，再反馈的方式将温度传感单元从阵列中虚拟隔离出来测量，并将最终稳定电压输出给后继测量电路，单个温度传感器的隔离驱动扫描测量时间小于10ms(1μs)。

本发明装置的工作原理：行控制信号和列控制信号分别控制行多路选择器1、列多路选择器2的每个选择单元的选择情况。阵列中温度传感器检测各自所处位置的温度，并将温度变化转换为相应电阻变化。根据所要测量的电阻在阵列中所处的位置，列控制信号控制列多路选择器选择被测电阻相应列与所要加载测试电压VI相连，忽略列多路选择器的导通电阻，此时该列电压与所加载测试电压相等，而其它列j与反馈电压VF相连，这些列上的电压值与VF相等，而后行控制信号控制行多路选择器选择被测电阻相应行i与分压电阻RS相连，其它行也与反馈电压线相连通，忽略行多路选择器的导通电阻，这些行上的电压值也与VF相等，测试电压VI通过被测电阻Rij连接到分压采样电阻RS到信号地，在被测电阻和分压采样电阻连接处的电压Vij=RSVI/(RS+Rij)，将该电压通过运放跟随并进行电流放大后输出为反馈电压VF，VF与Vij数值相等，但相互隔离，VF通过反馈电压线传输给列多路选择器和行多路选择器进行反馈，通过电路自动反馈最后将被测电阻Rij从阵列中隔离出来，其温度所对应的Vij与阵列上的其他温敏电阻阻值无关，并把Vij作为本装置的输出量。而后再通过控制信号选择下一个热敏电阻进行逐一扫描测量，最终完成阵列中所有热敏电阻的测量。该装置的行多路选择器和列多路选择器可互换，此时两个多路选择器与外围测试电压源，采样电阻和反馈驱动隔离电路的连接方式相应进行互换。该隔离驱动反馈技术要求，列多路选择器和行多路选择器的导通电阻阻值与被测电阻阻值和测量精度要求相比可忽略，反馈驱动电路的驱动能力足够驱动阵列中除被测电阻以外的电阻以实现虚拟隔离，同时反馈驱动电流导致的温敏电阻温升影响可忽略。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、采用阵列式温度传感结构，可对一定空间范围内的温度分布及其变化进行传感；

2、采用交叉式阵列结构，与N×M个温度传感器的连线数目为N+M根，可大大减少温度传感器阵列检测所需连线数目。

3、阵列式温度触觉传感装置的温度场空间分辨率高，相邻点间距可优于2mm；

4、采用反馈隔离驱动测量技术，可快速对阵列中的所有温度点的温度及其变化进行测量，每秒钟可扫描测量阵列中100个以上的温度点，相邻温度点交叉干扰小，测量精度高，抗噪声干扰能力强。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的阐述。

图1是本发明单一个温敏电阻测量电路示意图；

图2是本发明的多路选择器的示意图；

图3是本发明的多路选择器的控制时序图；

图4是本发明反馈隔离驱动测量电路示意图；

图5是传感器阵列的矩形排列方式示意图；

图6是传感器阵列的三角形排列方式示意图；

图7是传感器阵列的圆形排列方式示意图；

图8是传感器阵列的椭圆形排列方式示意图；

图9为单个手指侧按在温度传感器阵列表面的温度传感结果图；

图10为四个手指按温度传感器阵列四个角的温度传感结果图；

图11为单个手指按温度传感器阵列中心的温度传感结果图。

具体实施方式

一种阵列式温度触觉传感装置，包括：温度敏感阵列、行多路选择器1及列多路选择器2、反馈驱动隔离电路3，所述的温度敏感阵列由按照M*N阵列分布的作为温度敏感单元的温度敏感电阻Rij构成，其中， M为行数，N为列数，i=1、2、…、M，j=1、2、…、N，温度敏感电阻Rij的一端与行多路选择器的y_Li端连接，另一端与列多路选择器2的y_Hj端连接，行多路选择器1的a_L1、a_L2、…、a_LM端口和列多路选择器2的b_H1、b_H2、…、b_HN端口都与反馈驱动隔离电路3的输出电压V_F相连，列多路选择器2的a_H1、a_H2、…、a_HN端口都与测试电压V_I相连，行多路选择器1的b_L1、b_L2、…、b_LM端口相连并与反馈驱动隔离电路3的输入端以及采样电阻R_S的一端相连，采样电阻R_S的另一端接地，行多路选择器1及列多路选择器2分别由行控制信号和列控制信号控制，所述反馈驱动隔离电路3的输入端作为测量电压V_ij的输出端口，

在本实施例中，

反馈驱动隔离电路3是由跟随器和驱动放大电路共同构成，跟随器的输出端和驱动放大电路输入端连接，跟随器的输入端作为反馈驱动隔离电路3的输入端，驱动放大电路的输出端作为反馈驱动隔离电路3的输出端；

所采用温度传感阵列分布式结构，阵列大于5×5，其阵列分布的形状可为矩形、圆形、椭圆形、三角形等形状。温度传感器阵列采用交叉结构，阵列中每一个测温电阻一端与所在的列线相连，另一端与所在的行线相连，N×M个温度传感器检测所需的连线数目为N+M根，可减少所有温度点检测所需的连线数。

阵列中的单个温度传感器采用微小尺寸NTC温度敏感电阻，其平面尺寸不大于2mm×2mm，其热容量小，对被测对象的影响小。

本发明的行多路选择器能够按照设定程序控制某一行的连通状态，列多路选择器也能够按照设定程序控制某一列的连通状态，选择器切换速度快，灵敏度高，如此便能够迅速定位到想要测量的温度传感单元。

下面参照附图，对本发明的具体实施方案做出更为详细的说明：

图1是本发明所采用的电阻测量电路原理图，采样分压法测量。对采样电阻R_ij和分压电阻R_S加一精密恒定电压V_I到地，该电压V_I在两电阻上产生分压，在采样电阻上取得的电压值V_ij与两电阻的比值相关联，最终值为V_ij=R_SV_I/(R_S+R_ij)，通过已知电压V_I、已知电阻R_S和测量所得电压V_ij，可求解出R_ij。通过对该电阻值查表可得该电阻所处位置对应的温度值。

图2 为本发明所采用的多路选择器的示意图，如图，多路选择器的三根控制线S₁、S₂、S₃作为控制信号的输入端，a₁、b₁、a₂、b₂ 、a₃、b₃端为多路选择器的输入择端，y₁、 y₂ 、端为多路选择器的输出端，S₁控制选择a₁、b₁两个输入的其中一个作为y₁的输出，S₂控制选择a₂、b₂两个输入的其中一个作为y₂的输出，S₃控制选择a₃、b₃两个输入的其中一个作为y₃的输出。

图3为本发明所采用的多路选择器的控制，如图， S_i为多路选择器输入的控制信号线，a_i、b_i为多路选择器的输入信号线，y_i为多路选择器的输出信号线，由S_i输入的控制信号来控来制选择a_i、b_i两个输入信号的其中一个作为y_i的信号输出。如时序图所示，当S_i=0时y_i=a_i，当S_i=1时y_i=b_i，即当S_i输入为0时，多路选择器选择a_i端与y_i端相连，当S_i输入为1时，多路选择器选择b_i端与y_i端相连。由此可以得出逻辑方程y_i = ~ S_i & a_i | S_i & b_i，于是便可得出图2中y₁ = ~S₁ & a₁ | S₁ & b₁，y₂ = ~ S₂ & a₂ | S₂ & b₂， y₃ = ~ S₃ & a₃ | S₃ & b₃。

图4为本发明所采用的反馈隔离驱动测量电路原理图。如果对单个或阵列中所有的测温电阻都用两根线单独连接则可采用分压法进行测量（如图1所示），则所有的测温电阻共需要2N×M根连接线才能完成测量。当采用交叉式阵列结构，即阵列中每一个测温电阻一端与所在的列线相连，另一端与所在的行线相连，则N×M个温度传感器的连接线数目为N+M根，可大大减少电阻阵列测量所需连线数目。但该接线方式同时也给阵列中所有电阻的测量带来了问题，阵列中相邻电阻对被测电阻的测量产生影响，使得该电阻测量难以准确。为消除相邻电阻对被测电阻的影响，通常需采用运放放大器虚地隔离电流电压转换法进行测量，该类方法需要在每根测试输出线加上运放放大器以实现虚地隔离，所需的运放数将大大增加。在此采用了反馈隔离驱动技术进行虚拟隔离被测电阻，具体如下：根据所要测量的电阻在阵列中所处的位置，列控制信号控制列多路选择器选择被测电阻相应列与所要加载测试电压V_I相连，忽略列多路选择器的导通电阻，此时该列电压与所加载测试电压相等，而其它列j与反馈电压V_F相连，这些列上的电压值与V_F相等，而后行控制信号控制行多路选择器选择被测电阻相应行i与分压电阻相连，其它行也与反馈电压线相连通，忽略行多路选择器的导通电阻，这些行上的电压值也与V_F相等，测试电压V_I通过被测电阻R_ij连接到分压采样电阻R_S到信号地，在被测电阻和分压采样电阻连接处的电压V_ij=R_SV_I/(R_S+R_ij)，将该电压通过运放跟随并进行电流放大后输出为反馈电压V_F，V_F与V_ij数值相等，但相互隔离，V_F通过反馈电压线传输给列多路选择器和行多路选择器进行反馈，通过电路自动反馈最后将被测电阻R_ij从阵列中隔离出来，其温度所对应的V_ij与阵列上的其他温敏电阻阻值无关，并把V_ij作为本装置的输出量。而后通过控制信号选择下一个热敏电阻进行测量，如此逐一扫描测量，最终完成阵列中所有热敏电阻的测量。

图5为本发明所采用的矩形阵列分布形状示意图，热敏电阻传感器可按照需要排列成矩形阵列。

图6为本发明所采用的三角形阵列分布形状示意图，热敏电阻传感器可按照需要排列成三角形阵列。

图7为本发明所采用的圆形阵列分布形状示意图，热敏电阻传感器可按照需要排列成圆形阵列。

图8为本发明所采用的椭圆形阵列分布形状示意图，热敏电阻传感器可按照需要排列成椭圆形阵列。

图9为单个手指侧按在温度传感器阵列表面的温度传感结果图，图中的平面坐标为热敏电阻传感器所对在的位置，纵坐标为AD的转换值减去基数后的值。手指与温度传感器间存在热传导，因此温度传感器能够感知其所处位置手指的温度。同时阵列中相邻温度传感器之间有热传导，在手指的边界处温度较低，而手指中心处温度较高。

图10为四个手指按温度传感器阵列四个角的温度传感结果，图中的平面坐标为热敏电阻传感器所对在的位置，纵坐标为AD的转换值减去基数后的值。可见该温度触觉传感装置能够感受多个热源的温度分布。

图11为单个手指按温度传感器阵列中心的温度传感结果，图中的平面坐标为热敏电阻传感器所对在的位置，纵坐标为AD的转换值减去基数后的值。

图9~图11的结果表明，阵列式温度感知装置能较好的温度传感能力，温度场空间分辨率较高。

Claims

1.一种阵列式温度触觉传感装置，其特征在于，包括：温度敏感阵列、行多路选择器（1）及列多路选择器（2）、反馈驱动隔离电路（3），所述的温度敏感阵列由按照M*N阵列分布的作为温度敏感单元的温度敏感电阻Rij构成，其中， M为行数，N为列数，i=1、2、…、M，j=1、2、…、N，温度敏感电阻Rij的一端与行多路选择器的y_Li端连接，另一端与列多路选择器（2）的y_Hj端连接，行多路选择器（1）的a_L1、a_L2、…、a_LM端口和列多路选择器（2）的b_H1、b_H2、…、b_HN端口都与反馈驱动隔离电路（3）的输出电压V_F相连，列多路选择器（2）的a_H1、a_H2、…、a_HN端口都与测试电压V_I相连，行多路选择器（1）的b_L1、b_L2、…、b_LM端口相连并与反馈驱动隔离电路（3）的输入端以及采样电阻R_S的一端相连，采样电阻R_S的另一端接地，行多路选择器（1）及列多路选择器（2）分别由行控制信号和列控制信号控制，所述反馈驱动隔离电路（3）的输入端作为测量电压V_ij的输出端口。

2.根据权利要求1所述的阵列式温度触觉传感装置，其特征在于：反馈驱动隔离电路（3）是由跟随器和驱动放大电路共同构成，跟随器的输出端和驱动放大电路输入端连接，跟随器的输入端作为反馈驱动隔离电路（3）的输入端，驱动放大电路的输出端作为反馈驱动隔离电路（3）的输出端。

3.根据权利要求1所述的阵列式温度触觉传感装置的阵列交叉分布式结构，其特征在于：采用温度传感阵列分布式结构，阵列大于5×5，其阵列分布的形状可为矩形、圆形、椭圆形、三角形等形状；温度传感器阵列采用交叉结构，阵列中每一个测温电阻一端与所在的列线相连，另一端与所在的行线相连，N×M个温度传感器检测所需的连线数目为N+M根，可减少所有温度点检测所需的连线数。