CN105424096A - 一种阻性复合传感器阵列的读出电路及其读出方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阻性复合传感器阵列的读出电路，属于传感器技术领域。本发明针对由内含偶数个二端阻性敏感单元的阻性复合传感器所构成的二维阵列的数据读取速度问题，基于双电压反馈法，设计阵列结构及相应的读出电路，单次检测能够读取同一阻性复合传感器中两个不同物理量敏感的阻性敏感单元的阻值，从而大幅提高传感器阵列的数据检测速度，同时有效降低传感系统的复杂度。本发明还公开了该读出电路的读出方法。相比现有技术，本发明检测速度更快，且可在一次扫描中对某些需要高频率检测的待测阻性敏感单元进行多次检测，除此以外，本发明的电路复杂度及实现成本更低。

Description

一种阻性复合传感器阵列的读出电路及其读出方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种阻性复合传感器阵列的读出电路及其读出方法。

背景技术

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阵列的所有的阻性传感器的进行逐个访问，而每个阻性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，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，尽管如此，还是只能实现单个待测电阻的测量，因此如何在每次扫描中同时选取多个待测电阻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，在阵列网络中加入多路选择器，行选择与列选择速度大大加快，最大检测速率能够达到每秒3000个传感单元，但该阵列的检测每次也只能检测单个待测单元，检测效率成为最大的技术瓶颈。

一篇中国发明专利(CN201110148963.2)公开了一种阵列式温度触觉传感装置，采用电阻传感阵列实现温度触觉的传感，其反馈驱动隔离电路将待测电阻所在行的电压经行选择器后的端电压VSG反馈回非选定行线与列线，虽然对精度有一定程度改善，但并未在检测速度上有所突破。另有中国发明专利CN201410183065《一种增强电压反馈的阻性传感阵列的检测电路》，它在专利CN201110148963.2的基础上将扫描控制器、反馈电路、行多路选择器及列多路选择器结合，其中反馈电路由单个运算放大器及分压电路组成，分压电路中电阻R1与电阻R2选用特定阻值的电阻，将电阻R1与电阻R2的比值限定为R1∶R2＝Rr∶Rs，其中，Rr表示行多路选择器的通道内阻，Rs表示采样电阻。该方法虽然可以有效减小待测电阻的相邻列电阻和列多路选择器的内阻对被测电阻测量的干扰，显著提高其测量精度，但依然每次只能选定单个待测电阻，所以在检测速度上，还需要更进一步的改进提高。

随着传感器技术的发展，目前出现了一类阻性复合传感器，每一个传感器由多个二端阻性敏感单元构成，可同时对多个相同或不同的物理量进行检测。对于由此类阻性复合传感器所组成的传感器阵列，如采用传统的电压反馈法进行扫描测量，同样单次测量只能获得单个阻性敏感单元的电阻，检测速度较低。此外，由于传感器阵列中的阻性敏感单元数量更大，由此也带来了组阵所需的连线数量过多，复杂度过高的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种阻性复合传感器阵列的读出电路及其读出方法，针对由阻性复合传感器所构成的二维阵列，基于双电压反馈法，提高单次检测所能读取的阻性敏感单元的数量，从而提高检测速度，同时有效降低传感系统的复杂度。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种阻性复合传感器阵列的读出电路，所述阻性复合传感器阵列为M×N个阻性复合传感器所构成的二维阵列；每个阻性复合传感器包括2K个二端阻性敏感单元，2K个二端阻性敏感单元的一端连接到该阻性复合传感器的公共端点，另一端为一个独立端点，每个阻性复合传感器共有2K+1个端点；同一列阻性复合传感器的公共端点相互连接，构成该列阻性复合传感器的共用列线，同一行阻性复合传感器中第i个阻性敏感单元的另一端相互连接，构成该行阻性复合传感器的第i条共用行线，i＝1，2，…，2K；K为大于0的自然数；所述读出电路包括：行多路选择器、列多路选择器、扫描控制器、第一电压反馈驱动电路、第二电压反馈驱动电路、采样电阻、测试电压输入端；采样电阻一端接地，另一端连接第一电压反馈驱动电路的输入端；每一行阻性复合传感器的2K条共用行线预先按照相同的分组方式被分为两组；对于属于第一组的共用行线，行多路选择器可在扫描控制器控制下使得其中任一共用行线与测试电压输入端接通而与第二电压反馈驱动电路的输出端断开，或者与第二电压反馈驱动电路的输出端接通而与测试电压输入端断开；对于属于第二组的共用行线，行多路选择器可在扫描控制器控制下使得其中任一共用行线与第一电压反馈驱动电路的输入端接通而与第二电压反馈驱动电路的输出端断开，或者与第二电压反馈驱动电路的输出端接通而与第一电压反馈驱动电路的输入端断开；列多路选择器可在扫描控制器控制下使得任一共用列线与第二电压反馈驱动电路的输入端接通而与第一电压反馈驱动电路的输出端断开，或者与第一电压反馈驱动电路的输出端接通而与第二电压反馈驱动电路的输入端断开。

优选地，所述第一电压反馈驱动电路包括第一运算放大器和第一驱动电路，第一运算放大器的反相输入端与第一运算放大器的输出端及第一驱动电路的输入端连接，第一运算放大器的同相输入端、第一驱动电路的输出端分别作为第一电压反馈驱动电路的输入端、第一电压反馈驱动电路的输出端；所述第二电压反馈驱动电路包括第二运算放大器和第二驱动电路，第二运算放大器的反相输入端与第二运算放大器的输出端及第二驱动电路的输入端连接，第二运算放大器的同相输入端、第二驱动电路的输出端分别作为第二电压反馈驱动电路的输入端、第二电压反馈驱动电路的输出端。

优选地，每一行阻性复合传感器的2K条共用行线被分为数量相同的两组。

优选地，所述行多路选择器包括与阻性复合传感器阵列的M×2K条共用行线一一对应的M×2K个二选一双向模拟开关；根据共用行线的分组情况，这M×2K个二选一双向模拟开关被分为相应的两组；对于第一组中的每一个二选一双向模拟开关，其公共输入/输出端与其所对应的共用行线连接，其两个独立输入/输出端分别与测试电压输入端、第二电压反馈驱动电路的输出端连接，其控制信号输入端与扫描控制器连接；对于第二组中的每一个二选一双向模拟开关，其公共输入/输出端与其所对应的共用行线连接，其两个独立输入/输出端分别与第一电压反馈驱动电路的输入端、第二电压反馈驱动电路的输出端连接，其控制信号输入端与扫描控制器连接。

优选地，所述列多路选择器包括与阻性复合传感器阵列的N条共用列线一一对应的N个二选一双向模拟开关；对于每一个二选一双向模拟开关，其公共输入/输出端与其所对应的共用列线连接，其两个独立输入/输出端分别与第一电压反馈驱动电路的输出端、第二电压反馈驱动电路的输入端连接，其控制信号输入端与扫描控制器连接。

如上任一技术方案所述读出电路的读出方法，扫描控制器控制列多路选择器，使得当前扫描列阻性复合传感器的共用列线与第二电压反馈驱动电路的输入端接通而与第一电压反馈驱动电路的输出端断开，其余共用列线与第一电压反馈驱动电路的输出端接通而与第二电压反馈驱动电路的输入端断开；同时，扫描控制器控制行多路选择器，使得当前扫描行阻性复合传感器所对应的2K条共用行线中属于第一组的一条共用行线与测试电压输入端接通，该行阻性复合传感器所对应的2K条共用行线中属于第二组的一条共用行线与第一电压反馈驱动电路的输入端接通，阻性复合传感器阵列中的其余所有共用行线均与第二电压反馈驱动电路的输出端接通；然后利用以下公式得到当前扫描行、列相交处的阻性复合传感器中，与测试电压输入端接通的共用行线所对应的阻性敏感单元的电阻值R1，以及与第一电压反馈驱动电路的输入端接通的共用行线所对应的阻性敏感单元的电阻值R2：

$\left\{\begin{array}{c}R1=\frac{V_I-V_{s2}}{V_{s1}}\·R_s\\ R2=\frac{V_{s2}-V_{s1}}{V_{s1}}\·R_s\end{array}\right.$

式中，V_I为测试电压输入端输入的测试电压，V_S1为第一电压反馈驱动电路的输入端电压，V_S2为第二电压反馈驱动电路的输入端电压，R_S为所述采样电阻的电阻值。

根据相同的发明思路还可以得到以下技术方案：

一种传感装置，包括阻性复合传感器阵列及读出电路，所述阻性复合传感器阵列为M×N个阻性复合传感器所构成的二维阵列；每个阻性复合传感器包括2K个二端阻性敏感单元，2K个二端阻性敏感单元的一端连接到该阻性复合传感器的公共端点，另一端为一个独立端点，每个阻性复合传感器共有2K+1个端点；同一列阻性复合传感器的公共端点相互连接，构成该列阻性复合传感器的共用列线，同一行阻性复合传感器中第i个阻性敏感单元的另一端相互连接，构成该行阻性复合传感器的第i条共用行线，i＝1，2，…，2K；K为大于0的自然数；所述读出电路为如上任一技术方案所述读出电路。

每个阻性复合传感器可以包括2K个对同一物理量敏感的二端阻性敏感单元，也可以包括2K个对不同物理量敏感的二端阻性敏感单元。优选后者，从而可以同时对多种不同的物理量(例如温度、压力、光强等)进行检测。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

一、本发明是针对阻性复合传感器阵列的检测需要，在不破坏阻性传感器阵列结构及不中断该传感器阵列正常工作的前提下，对任一行任一列上的某阻性复合传感器内部的任意两个阻性敏感单元同时进行检测，提高了检测速度。

二、本发明巡检速度提高，周期缩短，可以有效减小时间对传感器阵列带来的影响，同时，对于物理量敏感的待测阻性敏感单元，当物理属性快速变化时，本发明电路能够更快察觉其变化，完成变化量的测量。

三、对于阻性复合传感器阵列中某些需要高频率检测的待测阻性敏感单元，本发明能够通过更改扫描控制器的编程，实现对阵列中某一或某些阻性复合传感器内的待测阻性敏感单元高频率地多次检测，在完成所有其他待测阻性敏感单元检测的同时还能保证较高的扫描速度。

四、本发明采用双电压反馈驱动电路，在确保测量精度的前提下，减少了器件间连线的数量，在一定程度上降低了电路的成本。

五、本发明采用共用行线与列线的阻性复合传感器阵列，并且按照M×N方式二维分布，以每一传感器内含四个阻性敏感单元的阻性复合传感器阵列为例，共4×M×N个阻性敏感单元，本发明可将连线数目减少为4M+N根，减少了器件互连的复杂性，保证了阵列中的每一个阻性复合传感器包括其内部的每一个阻性敏感单元都有唯一的行与列组合的访问方式。

附图说明

图1是共用行线(a线、b线、c线、d线)与列线(O线)的阻性复合传感器阻

性复合传感器阵列示意图；

图2是本发明一个具体实施例的电路示意图；

图3是检测待测阻性敏感单元时阻性复合传感器阻性复合传感器阵列的区域划分示意图；

图4是本发明读出电路工作时与待测阻性敏感单元所在阻性复合传感器阻性复合传感器同列的电路示意图；

图5是本发明读出电路工作时与待测阻性敏感单元所在阻性复合传感器阻性复合传感器同行的电路示意图；

图6是本发明读出电路工作时非选定行非选定列阻性复合传感器阻性复合传感器阵列的电路示意图；

图7是本发明读出电路工作时的简化电路示意图；

图8是本发明另一实施例的电路示意图。

图中各标号含义如下：

1、M×N阻性复合传感器阵列，2、a和b单元行多路选择器，3、c和d单元行多路选择器，4、列多路选择器，5、扫描控制器，6、第一电压反馈驱动电路，7、第二电压反馈驱动电路，8、a单元行多路选择器，9、bcd单元行多路选择器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明针对由每一传感器内含偶数个阻性敏感单元的阻性复合传感器所构成的二维阵列的数据读取速度问题，基于双电压反馈法，设计阵列结构及相应的读出电路，单次检测能够读取同一阻性复合传感器中两个不同阻性敏感单元的阻值，从而大幅提高传感器阵列的数据检测速度，同时有效降低传感系统的复杂度。

本发明所采用的技术方案具体如下：

一种阻性复合传感器阵列的读出电路，所述阻性复合传感器阵列为M×N个阻性复合传感器所构成的二维阵列；每个阻性复合传感器包括2K个二端阻性敏感单元，2K个二端阻性敏感单元的一端连接到该阻性复合传感器的公共端点，另一端为一个独立端点，每个阻性复合传感器共有2K+1个端点；同一列阻性复合传感器的公共端点相互连接，构成该列阻性复合传感器的共用列线，同一行阻性复合传感器中第i个阻性敏感单元的另一端相互连接，构成该行阻性复合传感器的第i条共用行线，i＝1，2，…，2K；K为大于0的自然数；所述读出电路包括：行多路选择器、列多路选择器、扫描控制器、第一电压反馈驱动电路、第二电压反馈驱动电路、采样电阻、测试电压输入端；采样电阻一端接地，另一端连接第一电压反馈驱动电路的输入端；每一行阻性复合传感器的2K条共用行线预先按照相同的分组方式被分为两组；对于属于第一组的共用行线，行多路选择器可在扫描控制器控制下使得其中任一共用行线与测试电压输入端接通而与第二电压反馈驱动电路的输出端断开，或者与第二电压反馈驱动电路的输出端接通而与测试电压输入端断开；对于属于第二组的共用行线，行多路选择器可在扫描控制器控制下使得其中任一共用行线与第一电压反馈驱动电路的输入端接通而与第二电压反馈驱动电路的输出端断开，或者与第二电压反馈驱动电路的输出端接通而与第一电压反馈驱动电路的输入端断开；列多路选择器可在扫描控制器控制下使得任一共用列线与第二电压反馈驱动电路的输入端接通而与第一电压反馈驱动电路的输出端断开，或者与第一电压反馈驱动电路的输出端接通而与第二电压反馈驱动电路的输入端断开。

上述读出电路的读出方法，扫描控制器控制列多路选择器，使得当前扫描列阻性复合传感器的共用列线与第二电压反馈驱动电路的输入端接通而与第一电压反馈驱动电路的输出端断开，其余共用列线与第一电压反馈驱动电路的输出端接通而与第二电压反馈驱动电路的输入端断开；同时，扫描控制器控制行多路选择器，使得当前扫描行阻性复合传感器所对应的2K条共用行线中属于第一组的一条共用行线与测试电压输入端接通，该行阻性复合传感器所对应的2K条共用行线中属于第二组的一条共用行线与第一电压反馈驱动电路的输入端接通，阻性复合传感器阵列中的其余所有共用行线均与第二电压反馈驱动电路的输出端接通；然后利用以下公式得到当前扫描行、列相交处的阻性复合传感器中，与测试电压输入端接通的共用行线所对应的阻性敏感单元的电阻值R1，以及与第一电压反馈驱动电路的输入端接通的共用行线所对应的阻性敏感单元的电阻值R2：

$\left\{\begin{array}{c}R1=\frac{V_I-V_{s2}}{V_{s1}}\·R_s\\ R2=\frac{V_{s2}-V_{s1}}{V_{s1}}\·R_s\end{array}\right.$

式中，V_I为测试电压输入端输入的测试电压，V_S1为第一电压反馈驱动电路的输入端电压，V_S2为第二电压反馈驱动电路的输入端电压，R_S为所述采样电阻的电阻值。

为了便于公众理解，下面以每一传感器内含偶数个阻性敏感单元的阻性复合传感器阻性复合传感器阵列为例，并结合附图来对本发明技术方案进行进一步地详细说明。

本实施例中的阻性复合传感器阵列(M×N)结构如图1所示，其是由M×N个阻性复合传感器构成的二维阵列。每个阻性复合传感器有4个阻性敏感单元(R_a、R_b、R_c、R_d)和5个连接端子，且4个阻性敏感单元连接到一个公共端子(O线)，此外还各有一个独立连接端子(a线、b线、c线、d线)，M×N个阻性复合传感器按照共用行列线的方式二维连接，M为行数，N为列数。每列的阻性复合传感器的O线连接在一起，共有N根列线，每行的阻性复合传感器的a线连接在一起，每行的阻性复合传感器的b线连接在一起，每行的阻性复合传感器的c线连接在一起，每行的阻性复合传感器的d线连接在一起，共有4M根行线。阵列中的每个阻性复合传感器内的每个阻性敏感单元都有唯一的行线与列线的组合。按照这样的方式将所有阻性复合传感器按照M×N的二维结构进行分布，只需要4M+N根连线数目即可保证任何一个特定的阻性复合传感器内的特定阻性敏感单元可以通过控制行线和列线的相应组合被访问。处于第i行第j列的阻性复合传感器内的a、b、c、d四个阻性敏感单元可分别用R_aij、R_bij、R_cij、R_dij表示，其中i＝1、2、…、M，j＝1、2、…、N。

基于图1所示的阻性复合传感器阵列，本发明所构建传感装置的一个具体实施例如图2所示。该传感装置包括M×N阻性复合传感器阵列1及读出电路；其中读出电路包括：a和b单元行多路选择器2、c和d单元行多路选择器3、列多路选择器4、扫描控制器5及第一电压反馈驱动电路6和第二电压反馈驱动电路7。本实施例中将a线、b线、c线、d线分为两组，一组为a线和b线，另一组为c线和d线。为了简化电路，降低成本，本实施例中的a和b单元行多路选择器2、c和d单元行多路选择器3、列多路选择器4分别采用2M、2M、N个二选一双向模拟开关(例如最常见的可控单刀双掷开关)构建，各二选一双向模拟开关的控制端与扫描控制器5连接并受其控制。

如图2所示，a和b单元行多路选择器2中的M个二选一双向模拟开关的公共输入/输出端a_ri端(i＝1、2、…、M)与阻性复合传感器阵列的M条a线一一对应连接，这M个二选一双向模拟开关的其中一个独立输入/输出端e_r1、e_r2、…、e_rM端与测试电压V_I相连，另一个独立输入/输出端f_r1、f_r2、…、f_rM端与第二电压反馈驱动电路7的输出端相连；a和b单元行多路选择器2中的另外M个二选一双向模拟开关的公共输入/输出端b_ri端(i＝1、2、…、M)与阻性复合传感器阵列的M条b线一一对应连接，这M个二选一双向模拟开关的其中一个独立输入/输出端g_r1、g_r2、…、g_rM与测试电压V_I相连，另一个独立输入/输出端h_r1、h_r2、…、h_rM端与第二电压反馈驱动电路7的输出端相连。c和d单元行多路选择器3中的M个二选一双向模拟开关的公共输入/输出端c_ri端(i＝1、2、…、M)与阻性复合传感器阵列的M条c线一一对应连接，这M个二选一双向模拟开关的其中一个独立输入/输出端s_r1、s_r2、…、s_rM端与第二电压反馈驱动电路7的输出端相连，另一个独立输入/输出端t_r1、t_r2、…、t_rM端与第一电压反馈驱动电路6的输入端相连；c和d单元行多路选择器3中的另外M个二选一双向模拟开关的公共输入/输出端d_ri端与阻性复合传感器阵列的M条d线一一对应连接，这M个二选一双向模拟开关的其中一个独立输入/输出端k_r1、k_r2、…、k_rM与第二电压反馈驱动电路7的输出端相连，另一个独立输入/输出端l_r1、l_r2、…、l_rM与端与第一电压反馈驱动电路6的输入端相连。列多路选择器4的N个二选一双向模拟开关的公共输入/输出端o_cj端与阻性复合传感器阵列的N条O线一一对应连接，这N个二选一双向模拟开关的其中一个独立输入/输出端a_c1、a_c2、…、a_cN端与第一电压反馈驱动电路6的输出端相连，另一个独立输入/输出端b_c1、b_c2、…、b_cN与第二电压反馈驱动电路7的输入端相连。

扫描控制器5输出扫描控制信号，控制多路选择器内端口的连接方式，其中，a和b单元控制信号控制a和b单元行多路选择器2的a_ri端与e_ri端或是与f_ri端相连，同时也控制a和b单元行多路选择器2的b_ri端与g_ri端或是与h_ri端相连；c和d单元控制信号控制c和d单元行多路选择器3的c_ri端与s_ri端或是与t_ri端相连，同时也控制c和d单元行多路选择器2的d_ri端与k_ri端或是与l_ri端相连；列控制信号控制列多路选择器4的o_cj端与a_cj端或是与b_cj端相连。阻性复合传感器中的阻性敏感单元可将各自所处位置的待测物理量的变化转换为相应电阻阻值变化，根据分压原理，通过电压反映出来。扫描控制器5通过列控制信号控制列多路选择器4选定第j列，通过行控制信号控制行多路选择器选定第i行，其行列交叉处的阻性复合传感器被选定，阻性复合传感器内包括了R_aij、R_bij、R_cij、R_dij四个阻性敏感单元，扫描控制器5同时通过a和b单元控制信号控制a和b单元行多路选择器2选定a单元阻性敏感单元R_aij或者是阻性敏感单元R_bij作为被测单元，其独立端连接V_I，通过c和d单元控制信号控制c和d单元行多路选择器3选定阻性敏感单元R_cij或者是阻性敏感单元R_dij作为被测单元，其独立端连接V_S1。此时两个阻性敏感单元R_aij、R_cij或者R_aij、R_dij或者R_bij、R_cij或者R_bij、R_dij被选定测量。以R_aij、R_cij和R_bij、R_dij分别为待测阻性敏感单元为例，其中，R_aij、R_cij被选定测量时，待测阻性敏感单元为R_aij，其独立端连接V_I，R_cij的独立端连接V_S1，待测阻性敏感单元R_aij位于阵列中第i行第j列的阻性复合传感器a单元内，a和b单元控制信号控制a和b单元行多路选择器2的a_ri端与e_ri端相连，e_ri端与测试电压V_I相连，而其他行的a_rj端与f_rj端相连(i、j不相等，1≤j≤M)，b_r1、b_r2、…、b_rM端分别与f_r1、f_r2、…、f_rM相连，同时f_rj端(i、j不相等，1≤j≤M)、f_r1、f_r2、…、f_rM端与第二反馈电压V_F2相连，待测阻性敏感单元R_cij位于阵列中第i行第j列的阻性复合传感器内，c和d单元控制信号控制c和d单元行多路选择器2的c_ri端与t_ri端相连，t_ri端与采样电压V_s1相连，而其他行的c_rj端与s_rj端相连(i、j不相等，1≤j≤M)，d_r1、d_r2、…、d_rM端分别与k_r1、k_r2、…、k_rM相连，同时s_rj端(i、j不相等，1≤j≤M)、k_r1、k_r2、…、k_rM端与第二反馈电压V_F2相连，此时待测阻性敏感单元R_aij、R_cij被选定测量。其中，R_bij、R_dij被选定测量时，待测阻性敏感单元R_bij的独立端连接V_I，R_dij的独立端连接V_S1，待测阻性敏感单元R_bij位于阵列中第i行第j列的阻性复合传感器内，a和b单元控制信号控制a和b单元行多路选择器2的b_ri端与g_ri端相连，g_ri端与测试电压V_I相连，而其他行的b_rj端与h_rj端相连(i、j不相等，1≤j≤M)，a_r1、a_r2、…、a_rM端分别与e_r1、e_r2、…、e_rM相连，同时g_rj端(i、j不相等，1≤j≤M)、e_r1、e_r2、…、e_rM端与第二反馈电压V_F2相连，待测阻性敏感单元R_dij位于阵列中第i行第j列的阻性复合传感器内，c和d单元控制信号控制c和d单元行多路选择器2的d_ri端与l_ri端相连，l_ri端与采样电压V_s1相连，而其他行的d_rj端与k_rj端相连(i、j不相等，1≤j≤M)，c_r1、c_r2、…、c_rM端分别与s_r1、s_r2、…、s_rM相连，同时k_rj端(i、j不相等，1≤j≤M)、s_r1、s_r2、…、s_rM端与第二反馈电压V_F2相连，此时待测阻性敏感单元R_bij、R_dij被选定测量。这样，位于第i行第j列的阻性复合传感器内的四个阻性敏感单元分为两组，依次被选定测量。通过对扫描控制器5编程，可以控制a和b单元行多路选择器2、c和d单元行多路选择器3、列多路选择器4，实现对所有待测阻性敏感单元的快速巡检扫描。假设该阻性复合传感器阵列为M×N，即M行N列，扫描以列为单位，依次按行进行检测。若从第1列开始，通过控制a和b单元行多路选择器2依次选定第一行至第M行的阻性复合传感器内a和b阻性敏感单元，同时控制c和d单元行多路选择器3依次选定第一行至第M行的阻性复合传感器内c和d阻性敏感单元，每行的测定顺序可以为(R_ai1、R_ci1；R_bi1、R_di1)或者(R_ai1、R_di1；R_bi1、R_ci1)，直至扫描至第一列第M行的阻性复合传感器。当第1列上的所有阻性复合传感器内的阻性敏感单元扫描完成，接着扫描第2列，对该列的扫描顺序和对第1列的扫描顺序相同，以此类推，直至第N列上的所有阻性敏感单元扫描完成，结束一轮完整的扫描。

如图2所示，本实施例中的电压反馈驱动电路6包括运算放大器1(AMP1)与驱动电路1(Drive1)，运算放大器1的同相输入端作为电压反馈驱动电路6的输入端，并且，电压反馈驱动电路6的输入端与采样电阻Rs的一端相连，采样电阻Rs的另一端接地，电压反馈驱动电路6的输出端与运算放大器1的反相输入端相连，同时电压反馈驱动电路6的输出端连接驱动电路1的输入端以及ADC1；电压反馈驱动电路7包括运算放大器2(AMP2)与驱动电路2(Drive2)，运算放大器2的同相输入端作为电压反馈驱动电路7的输入端，其反相输入端连接输出端形成反馈，同时，运算放大器2的输出端连接驱动电路2的输入端以及ADC2。

图3显示了在检测待测敏感阻性单元时阻性复合传感器阵列的区域划分，该图以阵列中位于第一行第一列的阻性复合传感器内的R_a11和R_c11作为待测阻性敏感单元为例，此时阻性敏感单元R_a11独立端所在行的a_r1端与e_r1端相连，e_r1端的电压值为测试电压V_I，阻性敏感单元R_c11独立端所在行的c_r1端与t_r1端相连，t_r1端与采样电压V_s1相连，待测阻性敏感单元R_a11和R_c11的另一端相连接至公共端子(O线)，O线所在列的o_c1端与b_c1端相连，b_c1端的电压值为测试电压V_s2，阻性敏感单元R_b11独立端所在行的b_r1端与h_r1端相连，阻性敏感单元R_d11独立端所在行的d_r1端与k_r1端相连，h_r1端与k_r1端的电压值为第二反馈跟随电压V_F2，此时待测阻性敏感单元R_a11和R_c11被选定测量。本发明可对这两个待测阻性敏感单元同时进行扫描。通过待测阻性敏感单元R_a11和R_c11所在的阻性复合传感器将阻性复合传感器阵列分为4个区域：

1)I区：待测阻性敏感单元R_a11和R_c11位于第一行第一列的阻性复合传感器内，此时阻性敏感单元R_a11独立端所在行的a_r1端与e_r1端相连，e_r1端的电压值为测试电压V_I，阻性敏感单元R_a11公共端所在列的o_c1端与b_c1端相连，b_c1端的电压值为测试电压V_s2，此时阻性敏感单元R_a11被选定测量；阻性敏感单元R_c11独立端所在行的c_r1端与t_r1端相连，t_r1端的电压值为采样电压V_s1，阻性敏感单元R_c11公共端所在列的o_c1端与b_c1端相连，b_c1端的电压值为测试电压V_s2，此时阻性敏感单元R_c11被选定测量；阻性敏感单元R_b11、R_d11则均作为反馈端，R_b11独立端所在行的b_r1端与h_r1端相连，h_r1端的电压值为第二反馈电压V_F2，R_d11独立端所在行的d_r1端与k_r1端相连，k_r1端的电压值为第二反馈电压V_F2，且R_b11、R_d11所在列的o_c1端与b_c1端相连，b_c1端的电压值为测试电压V_s2；

2)II区：与待测阻性敏感单元R_a11和R_c11所在阻性复合传感器在同一列的非待测的相邻行阻性复合传感器，共(M-1)个阻性复合传感器，该(M-1)个非待测的相邻阻性复合传感器共用列线为待测阻性敏感单元R_a11和R_c11的列线，列1的o_c1端与b_c1端相连，b_c1端的电压值为测试电压V_s2，由于这些阻性复合传感器的行线未被选中，对于未被选中的a单元的行线，将其表示为行p，对应的a_rp端与f_rp端相连，f_rp端的电压值为第二反馈电压V_F2，对于未被选中的b单元的行线，将其表示为行q，对应的b_rq端与h_rq端相连，h_rq端的电压值为第二反馈电压V_F2，对于未被选中的c单元的行线，将其表示为行m，对应的c_rm端与s_rm端相连，s_rm端的电压值为第二反馈电压V_F2，对于未被选中的d单元的行线，将其表示为行n，对应的d_rn端与k_rn端相连，k_rn端的电压值为第二反馈电压V_F2；

3)III区：与待测阻性敏感单元R_a11和R_c11所在阻性复合传感器在同一行的非待测的相邻列阻性复合传感器，共(N-1)个阻性复合传感器，由于阻性复合传感器阵列共用行线(a线、b线、c线、d线)，该(N-1)个非待测的相邻列阻性复合传感器的行线(a线、b线、c线、d线)为待测阻性敏感单元R_a11和R_c11所在阻性复合传感器的行线(a线、b线、c线、d线)，a线与a_r1端相连，a_r1端与e_r1端相连，e_r1端的电压值为测试电压V_I，b线与b_r1端相连，b_r1端与h_r1端相连，h_r1端的电压值为第二反馈电压V_F2，c线与c_r1端相连，c_r1端与t_r1端相连，t_r1端的电压值为采样电压V_s1，d线与d_r1端相连，d_r1端与k_r1端相连，k_r1端的电压值为第二反馈电压V_F2。由于这些阻性复合传感器的列线未被选中，将这些未选中的列线表示为列j′，所在列j′的o_cj′端与a_cj′端相连，a_cj′端的电压值为第一反馈电压V_F1；

4)IV区：行线与列线均未被选中的阻性复合传感器区域，共(M-1)×(N-1)个阻性复合传感器，由于这些阻性复合传感器的行线(a线、b线、c线、d线)与列线(O线)均未被选中，其所在列j′的o_cj′端与a_cj′端相连，a_cj′端的电压值为第一反馈电压V_F1；其所在行p的a单元的行线的a_rp端与f_rp端相连，f_rp端的电压值为第二反馈电压V_F2；其所在行q的b单元的行线的b_rq端与h_rq端相连，h_rq端的电压值为第二反馈电压V_F2；其所在行m的c单元的行线的c_rm端与s_rm端相连，s_rm端的电压值为第二反馈电压V_F2；其所在行n的d单元的行线的d_rn端与k_rn端相连，k_rn端的电压值为第二反馈电压V_F2；

现以位于第一行第一列的阻性复合传感器内的R_a11和R_c11作为待测阻性敏感单元为例，图4为本发明电路工作时与待测阻性敏感单元所在的阻性复合传感器同列的电路示意图。由图4可知，阻性敏感单元R_a11和R_c11所在的阻性复合传感器的列电压为测试电压V_s2，R_a11独立端所在行的行电压为测试电压V_I，R_c11独立端所在行的行电压为采样电压V_s1，该阻性复合传感器内未被选定的阻性敏感单元R_b11独立端和R_d11独立端的行电压均为第二反馈电压V_F2，其中V_F2＝V_s2，可知R_b11和R_d11两端无电势差，即没有电流流过；其余非选定行的阻性复合传感器的a、b、c、d单元的行电压均为第二反馈电压V_F2，列电压与待测阻性敏感单元所在的阻性复合传感器的列电压相同，为测试电压V_s2，其中，V_F2＝V_s2，在电路工作时，位于选定列但非选定行的阻性复合传感器由于无电势差，所以没有电流流过，即II区的所有阻性复合传感器内的阻性敏感单元上的电流都为0，I区的待测阻性敏感单元R_a11和R_c11由于各自两端存在电势差，所以有电流经过，这两个阻性敏感单元同采样电阻R_s构成串联回路，所以I_a11＝I_c21。

图5为本发明电路工作时与待测阻性敏感单元所在的阻性复合传感器同行的电路示意图。图5仍以位于第一行第一列的阻性复合传感器内的R_a11和R_c11作为待测阻性敏感单元为例，其所在的阻性复合传感器的列电压为测试电压V_s2，R_a11独立端所在行的行电压为测试电压V_I，R_c11独立端所在行的行电压为采样电压V_s1，R_b11独立端和R_d11独立端所在行的行电压为第二反馈电压V_F2，其中，V_F2＝V_s2，可知R_y11独立端和R_d11独立端两端无电势差，即没有电流流过；因为同行的复合阻性传感器共用行线(a线、b线、c线、d线)，所以非选定列的阻性复合传感器的a单元的阻性敏感单元独立端的行电压为测试电压V_I，b、d单元的阻性敏感单元独立端的行电压为第二反馈电压V_F2，c单元的阻性敏感单元独立端的行电压为采样电压V_s1，其余非选定列的阻性复合传感器的列电压为第一反馈电压V_F1，其中，V_F1＝V_s1。在电路工作时，I区的待测阻性敏感单元R_a11和R_c11由于各自两端存在电势差，所以有电流经过，这两个阻性敏感单元同采样电阻R_s构成串联回路，所以I_a11＝I_c11。位于III区的阻性复合传感器内的a单元的阻性敏感单元独立端由于行电压为测试电压V_I，公共端子电压为第一反馈电压V_F1，因为V_I≠V_F1，所以该区的阻性复合传感器内每个a单元的阻性敏感单元都有电流流过，且电流会比较大；c单元的阻性敏感单元由于两侧无电势差，所以无电流流过；b、d单元的阻性敏感单元独立端由于行电压为第二反馈电压V_F2，公共端子电压为第一反馈电压V_F1，b、d单元的阻性敏感单元两端存在电势差，所以有电流经过。

图6为在本发明电路工作时非选定行及非选定列阻性复合传感器阵列的电路示意图。非选定行非选定列阻性复合传感器阵列即IV区，共(M-1)×(N-1)个阻性复合传感器。每个阻性复合传感器内的a、b、c、d四个单元独立端的行电压均为第二反馈电压V_F2，公共端子的列电压为第一反馈电压V_F1，所以该区每个阻性敏感单元两端都存在电势差，所以每个电阻都有电流通过，形成回路。

图7为本发明电路工作时的简化电路示意图。由简化后的电路可明显看出，在电路工作时，待测阻性敏感单元R_a11、R_c11和采样电阻R_s构成串联回路，且有I_b11＝I_d11＝0，故有I_a11＝I_c11＝I_Rs＝V_s1/R_s，且(V_I－V_s2)为R_a11两端电压，(V_s2－V_s1)为R_c11两端电压。推广到一般情况，本发明电路每次扫描选定某行i某列j上的阻性复合传感器，通过控制信号选定a单元或者b单元的阻性敏感单元，即R_aij或者R_bij的独立端连接V_I，同时选定c单元或者d单元的阻性敏感单元，即R_cij或者R_dij的独立端连接第一测试电压。从而，共两个阻性敏感单元R_aij、R_cij或者R_aij、R_dij或者R_bij、R_cij或者R_bij、R_dij被选定为待测阻性敏感单元。以R_aij、R_cij为待测阻性敏感单元为例，其中，待测阻性敏感单元R_aij的独立端所在行i的a_ri端与e_ri端相连，e_ri端的电压值为测试电压V_I，待测阻性敏感单元为R_cij的独立端所在行i的c_ri端与t_ri端相连，t_ri端的电压值为采样电压V_s1，其中(V_I－V_s2)为阻性敏感单元R_aij的两端电压，(V_s2－V_s1)为阻性敏感单元R_cij两端电压，采样电压V_s1是加载到采样电阻R_s两端的电压，在采样电阻R_s已知的情况下，易求得待测阻性敏感单元R_aij、R_cij的阻值：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_{aij}=\frac{V_I-V_{s2}}{V_{s1}}\·R_s\\ R_{cij}=\frac{V_{s2}-V_{s1}}{V_{s1}}\·R_s\end{array}\right.,$

根据上述分析可知，对于传感器阵列中任一阻性传感器，仅需要测量两次即可得到其内四个阻性敏感单元各自的电阻。

图8显示了本发明的又一实施例的电路。如图8所示，其基本结构与图2类似，区别在于：本实施例中的行多路选择器包括a单元行多路选择器8、bcd单元行多路选择器9；a单元行多路选择器8中的M个二选一双向模拟开关的公共输入/输出端a_ri端(i＝1、2、…、M)与阻性复合传感器阵列的M条a线一一对应连接，这M个二选一双向模拟开关的其中一个独立输入/输出端e_r1、e_r2、…、e_rM端与测试电压V_I相连，另一个独立输入/输出端f_r1、f_r2、…、f_rM端与电压反馈驱动电路7的输出端相连；bcd单元行多路选择器9的三组公共输入/输出端b_ri、c_ri、d_ri端分别连接b线、c线、d线，独立输入/输出端g_r1、g_r2、…、g_rM端，s_r1、s_r2、…、s_rM端，k_r1、k_r2、…、k_rM端均与电压反馈驱动电路7的输出端相连，独立输入/输出端h_r1、h_r2、…、h_rM端，t_r1、t_r2、…、t_rM端，l_r1、l_r2、…、l_rM端均与电压反馈驱动电路6的输入端相连。扫描控制器5同时通过a单元控制信号控制a单元行多路选择器选定a单元的阻性敏感单元R_aij的独立端连接V_I，通过bcd单元控制信号控制bcd单元行多路选择器选定b单元的阻性敏感单元R_bij，或者是c单元的阻性敏感单元R_cij，或者是d单元的阻性敏感单元R_dij的独立端连接V_S1。同理即可通过一次测量得到同时被选中的R_aij与R_bij，或者R_aij与R_cij，或者R_aij与R_dij。通过上述分析可知，采用此种结构，对于传感器阵列中第i行第j列的阻性复合传感器，只需要三次即可测得其内四个阻性敏感单元的电阻值，并且其中一个阻性敏感单元(本实施例中为R_aij)需要测量三次。

综上，对于共用行线和列线的阻性复合传感器阵列(其中每个阻性复合传感器包括2K个阻性敏感单元，K为大于0的自然数)，采用本发明技术方案，可以通过最少K次，最多2K-1次测量即可获得任意一个传感器中的2K个阻性敏感单元的阻值。因此，可根据实际需要，通过不同的分组方式，来获得最快的检测速度；或者，在获得较快检测速度的同时，在一次扫描中对其中需要高频率检测的某一个阻性敏感单元或某几个阻性敏感单元进行多次测量。

此外，上述行、列为相对概念，本领域技术人员完全可以将之互换，行、列多路选择器以及电压反馈驱动电路等部件的具体实现也可采用各种现有或将有技术；本领域技术人员应知，基于本发明思路的类似此种简单变形仍为本发明技术方案所涵盖。

Claims (8)

1.一种阻性复合传感器阵列的读出电路，其特征在于，所述阻性复合传感器阵列为M×N个阻性复合传感器所构成的二维阵列；每个阻性复合传感器包括2K个二端阻性敏感单元，2K个二端阻性敏感单元的一端连接到该阻性复合传感器的公共端点，另一端为一个独立端点，每个阻性复合传感器共有2K+1个端点；同一列阻性复合传感器的公共端点相互连接，构成该列阻性复合传感器的共用列线，同一行阻性复合传感器中第i个阻性敏感单元的另一端相互连接，构成该行阻性复合传感器的第i条共用行线，i＝1，2，…，2K；K为大于0的自然数；所述读出电路包括：行多路选择器、列多路选择器、扫描控制器、第一电压反馈驱动电路、第二电压反馈驱动电路、采样电阻、测试电压输入端；采样电阻一端接地，另一端连接第一电压反馈驱动电路的输入端；每一行阻性复合传感器的2K条共用行线预先按照相同的分组方式被分为两组；对于属于第一组的共用行线，行多路选择器可在扫描控制器控制下使得其中任一共用行线与测试电压输入端接通而与第二电压反馈驱动电路的输出端断开，或者与第二电压反馈驱动电路的输出端接通而与测试电压输入端断开；对于属于第二组的共用行线，行多路选择器可在扫描控制器控制下使得其中任一共用行线与第一电压反馈驱动电路的输入端接通而与第二电压反馈驱动电路的输出端断开，或者与第二电压反馈驱动电路的输出端接通而与第一电压反馈驱动电路的输入端断开；列多路选择器可在扫描控制器控制下使得任一共用列线与第二电压反馈驱动电路的输入端接通而与第一电压反馈驱动电路的输出端断开，或者与第一电压反馈驱动电路的输出端接通而与第二电压反馈驱动电路的输入端断开。

2.如权利要求1所述读出电路，其特征在于，所述第一电压反馈驱动电路包括第一运算放大器和第一驱动电路，第一运算放大器的反相输入端与第一运算放大器的输出端及第一驱动电路的输入端连接，第一运算放大器的同相输入端、第一驱动电路的输出端分别作为第一电压反馈驱动电路的输入端、第一电压反馈驱动电路的输出端；所述第二电压反馈驱动电路包括第二运算放大器和第二驱动电路，第二运算放大器的反相输入端与第二运算放大器的输出端及第二驱动电路的输入端连接，第二运算放大器的同相输入端、第二驱动电路的输出端分别作为第二电压反馈驱动电路的输入端、第二电压反馈驱动电路的输出端。

3.如权利要求1所述读出电路，其特征在于，每一行阻性复合传感器的2K条共用行线被分为数量相同的两组。

4.如权利要求1所述读出电路，其特征在于，所述行多路选择器包括与阻性复合传感器阵列的M×2K条共用行线一一对应的M×2K个二选一双向模拟开关；根据共用行线的分组情况，这M×2K个二选一双向模拟开关被分为相应的两组；对于第一组中的每一个二选一双向模拟开关，其公共输入/输出端与其所对应的共用行线连接，其两个独立输入/输出端分别与测试电压输入端、第二电压反馈驱动电路的输出端连接，其控制信号输入端与扫描控制器连接；对于第二组中的每一个二选一双向模拟开关，其公共输入/输出端与其所对应的共用行线连接，其两个独立输入/输出端分别与第一电压反馈驱动电路的输入端、第二电压反馈驱动电路的输出端连接，其控制信号输入端与扫描控制器连接。

5.如权利要求1所述读出电路，其特征在于，所述列多路选择器包括与阻性复合传感器阵列的N条共用列线一一对应的N个二选一双向模拟开关；对于每一个二选一双向模拟开关，其公共输入/输出端与其所对应的共用列线连接，其两个独立输入/输出端分别与第一电压反馈驱动电路的输出端、第二电压反馈驱动电路的输入端连接，其控制信号输入端与扫描控制器连接。

6.如权利要求1～5任一项所述读出电路的读出方法，其特征在于，扫描控制器控制列多路选择器，使得当前扫描列阻性复合传感器的共用列线与第二电压反馈驱动电路的输入端接通而与第一电压反馈驱动电路的输出端断开，其余共用列线与第一电压反馈驱动电路的输出端接通而与第二电压反馈驱动电路的输入端断开；同时，扫描控制器控制行多路选择器，使得当前扫描行阻性复合传感器所对应的2K条共用行线中属于第一组的一条共用行线与测试电压输入端接通，该行阻性传感器所对应的2K条共用行线中属于第二组的一条共用行线与第一电压反馈驱动电路的输入端接通，阻性复合传感器阵列中的其余所有共用行线均与第二电压反馈驱动电路的输出端接通；然后利用以下公式得到当前扫描行、列相交处的阻性复合传感器中，与测试电压输入端接通的共用行线所对应的阻性敏感单元的电阻值R1，以及与第一电压反馈驱动电路的输入端接通的共用行线所对应的阻性敏感单元的电阻值R2：

$\left\{\begin{array}{c}R1=\frac{V_I-V_{s2}}{V_{s1}}\·R_s\\ R2=\frac{V_{s2}-V_{s1}}{V_{s1}}\·R_s\end{array}\right.$

式中，V_I为测试电压输入端输入的测试电压，V_S1为第一电压反馈驱动电路的输入端电压，V_S2为第二电压反馈驱动电路的输入端电压，R_S为所述采样电阻的电阻值。

7.一种传感装置，包括阻性复合传感器阵列及读出电路，其特征在于，所述阻性复合传感器阵列为M×N个阻性复合传感器所构成的二维阵列；每个阻性复合传感器包括2K个二端阻性敏感单元，2K个二端阻性敏感单元的一端连接到该阻性复合传感器的公共端点，另一端为一个独立端点，每个阻性复合传感器共有2K+1个端点；同一列阻性复合传感器的公共端点相互连接，构成该列阻性复合传感器的共用列线，同一行阻性复合传感器中第i个阻性敏感单元的另一端相互连接，构成该行阻性复合传感器的第i条共用行线，i＝1，2，…，2K；K为大于0的自然数；所述读出电路为权利要求1～5任一项所述读出电路。

8.如权利要求7所述传感装置，其特征在于，每个阻性复合传感器包括2K个对不同物理量敏感的二端阻性敏感单元。