CN111201376B - 用于sma线材电阻测量的装置、系统、设备和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于测量形状记忆合金SMA线材的电阻的装置。该装置包括：SMA线材；感测电阻器，其与该SMA线材串联连接；测量电路，其被配置成执行指示至少该SMA线材两端的电势差的测量；以及测量开关，其在SMA线材与传感电阻器之间。测量开关被配置成连接到测量电路使得测量电路可以执行测量，或者连接到绕过感测电阻器的电路。

Description

用于SMA线材电阻测量的装置、系统、设备和方法
本申请大体上涉及测量SMA线材的电阻。更具体地，本技术关注用于包含形状记忆合金(SMA)的致动器的驱动电路。在特定实施例中，本技术应用于驱动电路，该驱动电路用于驱动微型相机中的SMA致动器。
根据本技术的第一方法，提供了用于测量形状记忆合金(SMA)线材的电阻的装置，该装置包括：SMA线材；感测电阻器，其与SMA线材串联连接；测量电路，其被配置成执行测量，该测量指示至少SMA线材两端的电势差；以及测量开关，其在SMA线材和感测电阻器之间；其中测量开关被配置成连接到测量电路使得测量电路可以执行测量，或者连接到绕过(bypass)感测电阻器的电路。
这种装置提高了测量SMA线材的电阻的效率，同时保持了灵敏度和准确度。测量开关使得能够在驱动(即，加热)SMA线材时绕过感测电阻器，并且在需要测量时将感测电阻器切换到电路中。可能只需要间歇地测量电阻。在测量之间，可以绕过感测电阻器。这减少了加热SMA线材所需的功率，从而提高了效率。
另外，在进行测量时，可以仅使用非常短的测量脉冲(即，向SMA线材仅输入少量功率)。例如，测量脉冲可以比用于加热SMA线材以控制其长度的脉冲短。通过使用短的测量脉冲，可以在不会不合需要地加热SMA线材的情况下执行测量。
根据本技术的第二方法，提供了用于测量形状记忆合金SMA线材的电阻的装置，该装置包括：SMA线材；与SMA线材串联连接的感测电阻器；以及测量电路，其被配置成执行测量，该测量指示至少SMA线材两端相对于参考电势的电势差；其中参考电势在感测电阻器与SMA线材相反的一侧连接到连接电势，使得参考电势等于连接电势。
这种装置提高了电阻测量的准确度。这是因为通过使连接电势等于参考电势，测量不准确性的一个来源被减少或者甚至被消除。特别地，连接电势可能随时间变化，因此不一定等于参考电势。根据测量结果对SMA线材的电阻进行推导取决于参考电势与连接电势的比率(ratio)。通过将参考电势输入连接到连接电势，测量的输出根据与连接电势相同的电压进行缩放。这至少可以降低电阻测量对电源电压的依赖性。
根据本技术的第三种方法，提供了用于测量形状记忆合金SMA线材的电阻的装置，该装置包括：SMA线材；与SMA线材串联连接的感测电阻器；测量电路，其被配置成执行指示至少SMA线材两端的电势差的测量；以及另一个测量电路，其被配置成执行指示感测电阻器两端的电势差的测量。
这种装置提高了电阻测量的准确度。SMA线材两端的电压和感测电阻器两端的电压被采样。因为感测电阻器的电阻是准确已知的，所以可以将SMA线材的电阻计算为两个电压的比率。因此，这种测量电阻的方法与电源电压无关。
在一个示例中，装置包括采样保持电路(sample and hold circuit)，该采样保持电路被配置成对输入到测量电路的电压进行采样。采样保持电路可以包括用于在测量电路的稳定时间(settling time)期间存储电荷的电容器。
这种装置改进了电阻测量的定时。电容器保持充电状态，并在覆盖测量电路(如测量电路的放大器)的稳定时间的整个时间段保持电平恒定。实现了测量电阻的有效且快速的方法。系统可以等到放大器输出稳定之后，再触发放大器输出的测量。
在一个示例中，装置包括与电容器并联布置的至少一个放电开关。放电开关可以被配置成选择性地将电容器连接到用于至少部分地对电容器放电的端子。
这种装置提高了电阻测量的准确度。放电开关允许采样保持电路中的电容器放电或部分放电，使得如果连续测量彼此靠近，连续测量之间不会出现串扰(cross talk)。
在一个示例中，测量电路连接到驱动开关(其向SMA线材提供脉冲)和SMA线材之间的端子，使得测量电路被配置成执行指示SMA线材两端的电势差但不是驱动开关两端的电势差的测量。
这种装置提高了电阻测量的准确度。这种测量电阻的方法与驱动开关的电阻无关。因此，驱动开关的寄生电阻不会不合时宜地影响对SMA线材的电阻测量。
在实施例中，提供了用于测量SMA的电阻的装置，包括：SMA线材、与SMA线材串联连接的感测电阻器、至少一个开关、至少一个采样保持电路、被配置成测量SMA线材两端的电势差的放大器、以及数模转换器，其特征在于，至少一个开关连接到采样保持电路或者连接到绕过感测电阻器的电路。
优选地，该装置还可以包括被配置成测量感测电阻器两端的电势差的放大器。更优选地，该装置还可以包括与采样保持电路中的电容器并联布置的至少一个开关。
在实施例中，公开了测量SMA线材的电阻的方法，包括以下步骤：提供前述装置，激活开关使得第一放大器的输入被配置成测量感测电阻器两端的电势差，激活开关使得第二放大器的输入被配置成测量SMA线材两端的电势差，发送短电脉冲通过SMA线材和感测电阻器，同时测量感测电阻器和SMA线材两端的电势差，并且激活开关，使得SMA线材的电势差不被测量并且感测电阻器被绕过。
优选地，用于测量SMA电阻的短脉冲与测量电路的激活同步。
在实施例中，提供了驱动SMA线材的方法，包括用于加热SMA线材的脉冲和用于测量SMA线材的电阻的短脉冲的组合，其特征在于，用于测量SMA线材的电阻的短脉冲与测量电路的激活同步。
优选地，驱动脉冲和测量脉冲具有不同的函数形式。
本文所述的装置可以结合到包含形状记忆合金致动器的任何设备中。该设备可以是以下任意一种：智能手机、相机、可折叠智能手机、可折叠智能手机相机、具有折叠光学器件的相机、可折叠消费电子设备、图像捕获设备、阵列相机、3D感测设备或系统、伺服电机、消费电子设备、移动计算设备、移动电子设备、膝上型电脑、平板计算设备、电子阅读器(也称为电子书阅读器或电子书设备)、计算附件或计算外围设备(例如，鼠标、键盘、头戴式耳机(headphones)、耳机(earphones)、耳塞(earbuds)等)、安全系统、游戏系统、游戏附件(例如，控制器、耳麦(headset)、可佩戴控制器等)、增强现实系统、增强现实设备、虚拟现实系统、虚拟现实设备、可佩戴设备(例如，手表、智能手表、健身跟踪器等)、医疗设备(例如，内窥镜)、触摸设备或触摸按钮、无人驾驶飞机(drone)(空中、水、水下等)、机器人或机器人设备、飞机、宇宙飞船、潜水船、车辆和自主驾驶车辆。应当理解，这是示例设备的非穷举列表。
在本技术的相关方法中，提供了携带处理器控制代码以实现本文描述的任意方法的非暂态数据载体。
优选特征在所附的从属权利要求中阐述。
如将由本领域中的技术人员认识到的，本技术可被体现为系统、方法或计算机程序产品。因此，本技术可以采取完全硬件实施例、完全软件实施例、或组合软件和硬件方面的实施例的形式。
此外，本技术可采用体现在计算机可读介质中的计算机程序产品的形式，该计算机可读介质具有体现在其上的计算机可读程序代码。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电子、磁性、光学、电磁、红外或半导体系统、装置或设备或者前述项的任何合适的组合。
可以用一种或更多种编程语言(包括面向对象的编程语言和传统的过程编程语言)的任何组合来书写用于执行本技术的操作的计算机程序代码。代码组件可以体现为过程、方法等，并且可以包括子组件，这些子组件可以采取在从本地指令集的直接机器指令到高级编译或解释语言结构的任何抽象级别处的指令或指令序列的形式。
本技术的实施例还提供了携带代码的非暂态数据载体，该代码当在处理器上实施时使处理器执行本文描述的任一方法。
这些技术还提供处理器控制代码以例如在通用计算机系统或数字信号处理器(DSP)上实现上述方法。该技术还提供携带处理器控制代码的载体(特别是在非暂态数据载体上)，以在运行时实现任何上述方法。代码可以在载体(诸如磁盘、微处理器、CD-ROM或DVD-ROM)、编程存储器(诸如非易失性存储器(例如闪存))或只读存储器(固件)上被提供，或者在诸如光或电信号载体的数据载体上被提供。实现本文描述的这些技术的实施例的代码(和/或数据)可以包括以传统编程语言(解释或编译)(诸如C)的源、对象或可执行代码、或者汇编代码、用于设置或控制ASIC(专用集成电路)或FPGA(现场可编程门阵列)的代码、或者用于硬件描述语言(诸如VerilogTM或VHDL(超高速集成电路硬件描述语言))的代码。如技术人员将认识到的，这样的代码和/或数据可以分布在彼此通信的多个耦合的组件之间。这些技术可以包括控制器，该控制器包括微处理器、工作存储器和耦合到系统的一个或更多个组件的程序存储器。
本领域中的技术人员还将清楚，根据本技术的实施例的逻辑方法的全部或部分可以适当地体现在包括执行上述方法的步骤的逻辑元件的逻辑装置中，并且这种逻辑元件可以包括在例如可编程逻辑阵列或专用集成电路中的组件，诸如逻辑门。这种逻辑布置可以进一步体现在用于使用例如虚拟硬件描述符语言来在这种阵列或电路中临时或永久地建立逻辑结构的启用元件中，虚拟硬件描述符语言可以使用固定或可传输的载体介质来被存储和传输。
在实施例中，本技术可以以数据载体的形式实现，该数据载体具有在其上的功能数据，所述功能数据包括功能计算机数据结构，以当被加载到计算机系统或网络中并从而被操作时使所述计算机系统能够执行上述方法的所有步骤。
现在将仅通过示例并参考附图描述本技术的实施方式，其中：
图1是现有技术的SMA驱动和感测电路的示意图；
图2是可替代的驱动和感测电路的示意图；
图3是改进的驱动和感测电路的示意图；
图4是可替代的改进的驱动和感测电路的示意图；
图5是另一可替代的改进的驱动和感测电路的示意图；
图6是用于SMA线材的示例驱动和感测脉冲串的图；
图7是使用图3中所示的电路测量SMA线材的电阻的方法的流程图；
图8是使用图4中所示的电路测量SMA线材的电阻的方法的流程图；以及
图9是使用图5中所示的电路测量SMA线材的电阻的方法的流程图。
概括地说，本技术提供了用于测量形状记忆合金(SMA)线材电阻的装置和方法。SMA线材可以在SMA致动器或SMA致动器组件中，该SMA致动器或SMA致动器组件包括静态部分和相对于静态部分移动的可移动部分。可以在任何设备中提供SMA致动器组件，诸如：智能手机、相机、可折叠智能手机、可折叠智能手机相机、可折叠消费电子设备、图像捕获设备、3D感测设备或系统、伺服电机、消费电子设备、移动计算设备、移动电子设备、膝上型电脑、平板计算设备、电子阅读器(也称为电子书阅读器或电子书设备)、计算附件或计算外围设备(例如，鼠标、键盘、头戴式耳机、耳机、耳塞等)、安全系统、游戏系统、游戏附件(例如，控制器、耳麦、可佩戴控制器等)、增强现实系统、增强现实设备、虚拟现实系统、虚拟现实设备、可佩戴设备(例如，手表、智能手表、健身跟踪器等)、医疗设备(例如，内窥镜)、无人驾驶飞机(空中、水、水下等)、飞机、宇宙飞船、潜水船、车辆和自主驾驶车辆。应当理解，这是示例设备的非穷举列表。还应当理解，尽管以下描述中的一些明确提到了相机或微型相机，但这仅仅是一个可以结合SMA致动器的示例设备。
微型照机包括在各种消费电子设备中。微型相机包括与透镜镜筒正交的光轴定位的图像传感器。致动器通常附接到透镜以实现两个功能：致动器提供自动聚焦，该致动器响应于来自电子设备的控制信号而相对于图像传感器沿着透镜的光轴移动透镜；以及致动器提供光学图像稳定，该致动器响应于来自电子设备的控制信号而在与透镜的光轴正交的两个方向上移动透镜镜筒。在国际专利公开号WO2007/113478、WO2007/113478、WO2011/104518、WO2012/066285和WO2014/076463中示出了示例设备。
提供驱动力的一种方法是使用形状记忆合金(SMA)。形状记忆合金是在其从马氏体(martensite)转变为奥氏体相(austenite phase)时，随温度改变形状的一种材料。当线材被加热时，它的长度变短，当线材冷却时，它变得更有弹性，并且可以通过施加力来拉伸。在致动器中使用了SMA线材，使得其在加热时可以快速响应，典型地通过施加电流并依靠线材的电阻耗散功率来加热。SMA通过利用其冷却时的弹性并施加反向力来返回到更长的状态，该反向力可以由弹性装置或另一SMA线材提供。
对于定位应用，必须要能够测量每个SMA线材的长度。这是很复杂的，因为在给定的温度下，线材可能有几种不同的长度，这取决于施加在其上的应力，这在用几个线材提供移动的复杂致动器设计中通常是未知的。长度的测量典型地通过测量电阻来实现，因为电阻与线材的长度和直径直接相关。
还需要知道电阻，因为准确改变长度将需要线材温度的计算的变化，因此需要由准确量的功率来驱动线材。典型地，线材由脉冲驱动，其中通过改变宽度来提供所需的功率量—即，脉冲宽度调制(PWM)控制。线材电阻的测量必然需要电势，因此通常在线材被驱动时测量电阻。在微型相机中，致动器脉冲宽度的持续时间可以是大约1μs。在如此短的时间段内准确测量线材电阻是一项挑战。
在现有技术中，SMA线材与感测电阻器串联驱动。为了确定电阻，测量感测电阻器两端的电势差，或者SMA线材两端到接地(ground)的电势差。系统被配置成将测量的电势差与偏移值进行比较。随后，测量的电势与偏移之间的微小差异被放大以提高准确度。
这种方法有许多缺点：
一个缺点在于，这种方法假设驱动电压是恒定的，并且是精确已知的，这意味着电压源上的任何噪声或功率相关纹波(ripple)是电阻测量误差的主要原因。从电势差到线材电阻的数学变换需要驱动电压作为输入。
另一个缺点在于，系统只能测量加上任何其他寄生串联电阻(包括用于将功率切换到线材的MOSFET电阻)的SMA线材的电阻。
另一个缺点在于，放大器的稳定时间需要小于最小驱动时间。考虑到所需的放大器增益很大，这在技术上可能具有挑战性，需要宽带宽的放大器。
相应地，需要测量电阻的可替代的方法。
本技术的目标是克服这些问题中的一个或更多个，并产生测量SMA线材的电阻的改进方法，或者至少产生商业上有吸引力的、新颖的和创造性的可替代方案。
在图1中示出了现有技术的驱动电路的示意图。电阻为Rw的SMA线材与电阻为Rs的感测电阻器在电源电势Vm处的连接与接地GND之间串联放置。在SMA线材和接地之间放置驱动开关，该驱动开关可以被实现为例如NFET开关。驱动开关具有电阻Rds(on)。当驱动开关被激活(即，闭合)时，电流能够流动通过SMA线材，从而加热SMA线材。控制系统使用例如PWM控制器(也可以被称为PWM功率驱动)来打开和闭合驱动开关，从而控制输送到SMA负载的功率。如图1所示，存在SMA线材与接地两端的电势差Vw。存在感测电阻器两端的电势差Vs。
电路的感测侧连接在感测电阻器和SMA线材之间，以测量SMA线材与接地两端的电势差Vw。电势差Vw连同由数模转换器DAC生成的偏移电势Voff被馈送到放大器中，数模转换器DAC可以生成介于参考电势Vref与接地之间的值。参考电势Vref名义上等于电源电势Vm。放大器配置成放大偏移电势Voff与电势差Vw之间的差值，从而将增益Gw施加到较低的电势，并提高测量的准确度。通过为具有电阻R1和R2的测量电路的电阻器选择合适的值来控制增益Gw。输出被馈送到模数转换器ADC中，该模数转换器ADC相对于参考电势Vref缩放结果，并将值输出至控制算法。控制算法可以由控制系统运行。控制算法可以基于电路的感测侧的输出来确定电阻Rw。
图1中所示的电路有许多缺点。一个缺点在于，这种方法假设电源电势Vm(也可以称为驱动电压)是恒定的，并且是精确已知的。因此，电压源上的任何噪声或功率相关纹波都会导致电阻测量的误差。从电势差Vw到SMA线材电阻Rw的数学变换需要电源电势Vm作为输入。具体地，从图1中所示的电势差Vw与电阻R的关系可以确定：
Figure GDA0003921182810000091
如上所述，电势差Vw是相对于参考电势Vref按比例测量的。根据电势差Vw与参考电势Vref的测量比率重写上述方程，得到：
Figure GDA0003921182810000092
因此，有必要知道电源电势Vm与参考电势Vref的比率。作为近似，这个比率可以假定为常数1。然而，不准确的一个原因是电源电势Vm可能随时间而变化，因此不一定等于Vref。从ADC输出(即，电势差Vw与参考电势Vref的测量比率)到SMA线材电阻Rw的数学变换需要参考电势Vref与电源电势Vm的比率作为输入。
图2示意性地描绘了根据本技术的实施例的用于测量SMA线材的电阻Rw的装置。如图2所示，该装置包括电阻为Rw的SMA线材和与该SMA线材串联连接的电阻为Rs的感测电阻器。感测电阻器的电阻Rs是准确已知的。
如图2所示，该装置还包括测量电路。在图2所示的示例中，测量电路包括放大器、数模转换器DAC和模数转换器ADC。测量电路被配置成执行测量，该测量指示至少该SMA线材两端的相对于参考电势Vref的电势差Vw。
SMA线材和感测电阻器在电源电势Vm处的连接和接地GND之间。驱动开关NFET(尽管驱动开关不一定要实现为NFET)在SMA线材和接地GND之间。驱动开关具有电阻Rds(on)。
当驱动开关被激活(即，闭合)时，电流能够流动通过SMA线材，从而加热SMA线材。控制器被配置成控制驱动开关的打开和闭合。控制器可以使用PWM功率驱动。感测电阻器两端存在电势差Vs。
测量电路连接在感测电阻器和SMA线材之间，以便测量SMA线材两端到接地的电势差Vw。电势差Vw连接到测量电路。在一个示例中，测量电路包括放大器。电势差Vw可以连接到测量电路的放大器。偏移电势Voff可以连接到放大器。偏移电势Voff由数模转换器DAC生成。数模转换器DAC被配置成生成介于参考电势Vref和接地GND之间的值。
放大器可以被配置成放大至少感测电阻器两端的电势差Vw与偏移电势Voff之间的差值。放大器放大偏移电势Voff与电势差Vw之间的差值，从而将增益Gw施加到较低的电势，并提高测量的准确度。通过为具有电阻R1和R2的测量电路的电阻器选择合适的值来控制增益Gw。具体地，增益Gw可以根据以下公式进行控制：
Gw＝1-R2/R1
放大器的输出(GwVw+Voff)连接到模数转换器ADC。模数转换器ADC被配置成相对于参考电势Vref来缩放放大器的输出。模数转换器ADC被配置成将缩放值输出至控制算法。控制算法可以由控制器运行。控制算法可以基于测量电路输出的缩放值的输出来确定电阻Rw。
如图2的环形部分所示，参考电势Vref在感测电阻器的与SMA线材相反的侧连接到电源电势Vm，使得参考电势Vref等于电源电势Vm。图2中所示的装置期望克服电源电势Vm不恒定所引起的不准确性。如图2所示意性地示出，参考电势Vref的输入连接到电源电势Vm，以便模数转换器ADC的输出相对于相同的电压进行缩放。
图2中所示的装置期望使SMA线材电阻Rw的测量更少地依赖于电源电压。具体地，当参考电势Vref等于电源电势Vm时，上述方程简化为：
Figure GDA0003921182810000101
该方程与电源电势Vm无关。相对于图1中所示的电路，图2中所示的修改提供了精度上的改进。
如以上所解释的，将SMA线材与感测电阻器串联放置允许测量SMA线材的电阻Rw。然而，存在可能低效的缺点，因为感测电阻器和SMA线材一样消耗功率。
在一个实施例中，感测电阻器的电阻值Rs不超过SMA线材的电阻Rw的大约20％，并且可选地不超过大约10％。这减少了感测电阻器消耗的功率，从而提高了功率效率。
在可替代的实施例中，在标准温度和压力下，感测电阻器的电阻Rs在SMA线材的电阻Rw的20％以内，并且可选地在10％以内。在标准温度和压力下，感测电阻器的电阻Rs可以等于SMA线材的电阻Rw。通过使电阻Rs接近或近似等于电阻Rw，测量准确度得以提高。这是因为这种配置增加了待测量的电压变化。
图3示意性地描绘了根据本技术的实施例的用于测量SMA线材的电阻Rw的装置。一些部件与图2中所示的装置的那些部件相同。这些部件将不再详细描述。
如图3所示，该装置包括SMA线材、与SMA线材串联的感测电阻器、以及测量电路。测量电路被配置成执行测量，该测量指示至少SMA线材两端的电势差。
如图3所示，该装置包括在SMA线材和感测电阻器之间的测量开关S1。可选地，测量开关S1是单刀(single-pole)双掷(double-throw)开关。
如图3所示，测量开关S1被配置成连接到测量电路以使测量电路可以执行测量，或者连接到绕过感测电阻器的电路。
图3中所示的装置期望使测量更有效，并保持灵敏度和准确度。测量开关S1在线材被驱动时绕过感测电阻器，并且在需要测量时将感测电阻器切换到电路中。仅当需要用感测电阻器来执行电阻测量时，感测电阻器才会消耗功率。当不需要感测电阻器时(因为没有进行测量)，感测电阻器不会消耗功率。这减少了使用的功率。
可选地，用于加热SMA线材的频率大于进行电阻测量的频率。如以上所提到的，控制器被配置成控制提供给SMA线材的电压脉冲。一些脉冲用于加热SMA线材，以便控制其长度。其他脉冲用于测量SMA线材的电阻。用于加热的脉冲频率大于用于测量的脉冲频率。
例如，可以在40kHz的PWM频率上近似地控制(即，提供用于加热的脉冲)SMA线材。同时，电阻测量只需要在2.5kHz左右。在由控制器提供的脉冲波形中，测量脉冲可以与驱动脉冲(即，加热脉冲)分开。可选地，测量脉冲具有大约1μs的长度。这意味着测量可以在不显著加热SMA线材的情况下进行。
如图3所示，SMA线材与感测电阻器串联布置。具有三个端子的测量开关S1被放置在两个SMA线材和感测电阻器之间。端子1连接到馈送到感测放大器的采样保持电路。端子2连接在SMA线材和感测电阻器之间。端子3连接到电源电势线。当测量开关S1连接在端子2和3之间时，驱动(即加热)SMA线材，并且绕过感测电阻器，给出有效的驱动。
如图3中所示，采样保持电路可以包括用于存储电荷的电容器C1。更具体地，电容器C1被配置成在测量电路的稳定时间期间存储电荷。这解决了测量电路的电子放大器具有响应和稳定时间的问题。当测量脉冲很短时，这个问题尤其重要。否则，放大器的稳定时间需要小于最小驱动时间。考虑到所需的放大器增益Gw很大，这在技术上可能具有挑战性，需要具有宽带宽的放大器。通过提供电容器C1，可以使用更大范围的不同放大器。
SMA线材的电阻Rw可根据以下过程进行测量。测量开关S1连接在端子1和2之间，使得感测电阻器被切换到电路中。通过激活接地GND和SMA线材之间的驱动开关，短测量脉冲被馈送通过SMA线材和感测电阻器。短脉冲对耦合到高阻抗放大器的电容器C1充电。然后，可以再次切换开关S1，从而可以驱动SMA线材以用于致动。尽管S1被切换，但电容器仍保持充电状态，并在覆盖放大器稳定时间的整个时间段内保持电平恒定。电路的其余部分按照前面的示例进行配置，从而实现了测量电阻Rw的高效且快速的方法。系统可以等到放大器输出稳定之后，再触发ADC来测量放大器输出。
图7是流程图，示出了使用图3中所示的装置驱动SMA线材的方法。控制器被配置为执行该方法。如图7中所示，该方法包括在端子1和2之间连接测量开关S1。该方法包括间歇地(因为重复图7中所示的过程)提供测量脉冲，使得电流流动通过SMA线材和与SMA线材串联连接的感测电阻器。该方法包括在端子2和3之间连接测量开关S1。该方法包括提供加热脉冲，使得电流流动通过SMA线材以便加热SMA线材，从而控制其长度。
该方法包括提供测量激活信号，以便激活测量电路来执行指示SMA线材的电阻的测量。测量脉冲可以与测量激活信号同步。特别地，使它们以相同的速率发生。在提供对应的测量脉冲之后的一个时间段内，可以提供每个测量激活信号。这个时间段允许测量电路的放大器稳定。
图4示意性地描绘了根据本技术的实施例的用于测量SMA线材的电阻Rw的装置。一些部件与图2或图3中所示装置的那些部件相同。这些部件将不再详细描述。
如图4中所示，装置包括SMA线材、与该SMA线材串联连接的感测电阻器以及测量电路，该测量电路被配置成执行指示至少该SMA线材两端的电势差Vw的测量。如图4中所示，装置还包括另一个测量电路，该另一个测量电路被配置成执行指示感测电阻器两端的电势差Vs的测量。
这种配置允许同时采样SMA线材两端的电压和感测电阻器两端的电压。因为感测电阻器的电阻是准确已知的，所以可以将SMA线材的电阻Rw计算为两个电压的比率。该装置可以独立于电源电势Vm测量电阻。
如图4中所示，装置包括多个测量开关。测量开关S3可以与上面关于图3描述的测量开关S1基本上相同。测量开关S2具有连接到感测电阻器的电源电势Vm侧的端子2、连接到开路的端子3和连接到另一个测量电路的采样保持电路元件中的端子1。
采样保持元件的输出馈送到两个放大器中。测量电路的放大器被配置成测量至少SMA线材两端的电势差Vw。另一个测量电路的放大器被配置成使用来自测量开关S2和S3的信号来测量感测电阻器两端的电势差Vs。参考/偏移电压以与前面示例中描述的相同方式馈送到放大器中。这些参考电压可以彼此不同，只要它们是已知的，并且被选择为在电势差Vs和Vw的测量中给出良好的灵敏度和准确度。
在图4所示的电路中，信号被多路复用到单个模数转换器ADC中。在可替代的布置中，可以使用两个模数转换器。感测电阻器两端的电势差Vs与SMA线材两端的电势差Vw的比率被用来导出SMA线材的电阻Rw。从模数转换器ADC的输出到线材电阻Rw的数学变换与电源电势Vm无关。
特别地，感测电阻器两端的电势差Vs以及SMA线材和驱动开关NFET两端的电势差Vw遵循以下方程：
Figure GDA0003921182810000141
Figure GDA0003921182810000142
相应地，电阻R可以被计算为：
Figure GDA0003921182810000143
如图4中所示，测量电路可以连接到驱动开关NFET和SMA线材之间的端子，使得测量电路被配置成执行指示SMA线材两端但不是驱动开关NFET两端的电势差Vw的测量。
这种装置期望利用上述准确度和定时的改进，并另外地减少或消除寄生电阻误差。寄生误差可能由驱动开关NFET的电阻Rds(on)引起。测量不易受驱动开关NFET的寄生电阻所引起的误差的影响。该系统可以仅测量SMA线材的电阻Rw，而不测量SMA线材的电阻Rw加上其他寄生串联电阻，包括用于将功率切换到SMA线材的MOSFET电阻。
如图4中所示，装置可以包括三个可控的测量开关S2-S4。每个测量开关连接到包括电容器C1-C3和高阻抗缓冲器的采样保持电路元件。测量开关S4经由端子2连接在SMA线材和驱动开关NFET之间，其中端子3连接到开路，以及端子1连接到采样保持电路元件。
测量电路的放大器被配置成使用来自测量开关S3和S4的信号来测量SMA线材两端的电势差Vw。从模数转换器ADC的输出到线材电阻Rw的数学变换与驱动开关NFET的电阻Rds(on)无关。
特别地，感测电阻器两端的电势差Vs以及SMA线材和驱动开关NFET两端的电势差Vw遵循以下方程：
Figure GDA0003921182810000151
Figure GDA0003921182810000152
相应地，SMA线材的电阻Rw可以被计算为：
Figure GDA0003921182810000153
下面描述了使用图4中所示的装置在某一时间点测量电势差Vw的示例性顺序。
在驱动状态下(即，为了加热SMA线材)，测量开关S2连接在端子2和3之间，以及测量开关S3连接在端子2和3之间，使得感测电阻器被绕过，并且测量开关S4连接在端子2和3之间。当需要测量时，通过在端子1和2之间切换测量开关S2、S3和S4，并经由驱动开关NFET将短的测量脉冲发送到电路中来来准备测量电路。测量脉冲对存储电荷的电容器C1、C2和C3进行充电，并经由高阻抗缓冲器将进入两个放大器的线路保持在恒定电压，从而可以独立于放大器的稳定时间进行测量。选择高阻抗缓冲器和电容的值，以便在测量期间没有显著的泄漏电流。
应当认识到，一旦测量脉冲被传送，测量开关S2、S3和S4可以各自分别返回到端子2和3之间的连接，使得另外的驱动信号不影响电阻测量。
图8是流程图，示出了使用图4中所示的装置来驱动SMA线材的方法。控制器被配置为执行该方法。如图8中所示，该方法包括在端子1和2之间连接测量开关S2-S4。该方法包括间歇地(因为重复图8所示的过程)提供测量脉冲，使得电流流动通过SMA线材和与SMA线材串联连接的感测电阻器。该方法包括在端子2和3之间连接测量开关S2-S4。该方法包括提供加热脉冲，使得电流流动通过SMA线材以加热SMA线材，从而控制其长度。
该方法包括提供测量激活信号，以便激活测量电路和另一个测量电路来执行指示SMA线材的电阻的测量。测量脉冲可以与测量激活信号同步。特别地，使它们以相同的速率发生。在提供对应的测量脉冲之后的时间段内，可以提供每个测量激活信号。这个时间段允许测量电路的放大器和另一个测量电路的放大器稳定。
图5示意性地描绘了根据本技术的实施例的用于测量SMA线材电阻Rw的装置。一些部件与图2、图3或图4中所示装置的那些部件相同。这些部件将不再详细描述。
如图5所示，装置包括至少一个放电开关S5-S7，放电开关S5-S7与对应的电容器C1-C3并联布置。至少一个放电开关S5-S7被配置成选择性地将电容器C1-C3连接到用于至少部分地对电容器C1-C3放电的端子。
图5中示出了对装置进一步的改进。在图5中，增加了放电开关S5-S7，以允许采样保持电路元件中的电容器C1-C3放电或部分放电，从而减少连续测量之间的串扰。如果连续测量彼此接近，则这一点尤其重要。
图9是流程图，示出了使用图5中所示的装置驱动SMA线材的方法。控制器被配置为执行该方法。如图9中所示，该方法包括在端子1和2之间连接测量开关S2-S4。该方法包括间歇地(因为重复图8所示的过程)提供测量脉冲，使得电流流动通过SMA线材和与SMA线材串联连接的感测电阻器。该方法包括在端子2和3之间连接测量开关S2-S4。该方法包括提供加热脉冲，使得电流流动通过SMA线材以加热SMA线材，从而控制其长度。
该方法包括提供测量激活信号，以便激活测量电路和另一个测量电路来执行指示SMA线材的电阻的测量。测量脉冲可以与测量激活信号同步。特别地，使它们以相同的速率发生。在提供对应的测量脉冲之后的时间段内，可以提供每个测量激活信号。这个时间段允许测量电路的放大器和另一个测量电路的放大器稳定。
该方法包括连接(即，闭合)放电开关S5-S7，以便至少部分地对电容器C1-C3放电。一旦电容器C1-C3放电，放电开关S5-S7就断开连接(即，打开)。
图4或图5中的电路允许在不影响测量的准确度的情况下，使用各种波形来驱动SMA线材。例如，如果SMA线材非常靠近对高频电磁辐射敏感的设备，则这是有用的，如果SMA致动器用于SMA线材非常靠近图像传感器的微型相机，可能是这种情况。在该示例中，可以使用圆形脉冲来将功率驱动到致动器中，从而避免了使用方形脉冲生成的高频，并从而减少了对图像传感器的干扰。只有在不经常需要测量电阻的时候，才会向SMA线材施加具有快速转变的脉冲。如图6中所示，控制器可以实现一种机制，用于在驱动功率时的慢转换速率(slew rate)和测量电阻时的快转换速率之间进行改变。
如图6中所示，测量脉冲可以比加热脉冲短。加热脉冲和测量脉冲可以是不同的函数形式。例如，如图6中所示，测量脉冲的转换速率可以大于加热脉冲的转换速率。
上述示例性装置可以与致动器组合在系统中。特别地，致动器可以包括SMA线材。系统可以包括上述控制器。控制器可以被配置成控制流动通过SMA线材的电流，以便控制SMA线材的长度以用于致动。测量电路被配置成向控制器输出测量结果，并且控制器被配置成至少部分基于测量结果来控制电流。
光学设备可以包括透镜和上述系统。致动器用于致动光学系统的透镜。光学设备可以是微型相机，例如移动电话中的微型相机。
本文描述的电路仅仅是作为本技术的示例，而不是限制性的。不同附图中所示的特征可以组合在同一装置中。例如，将测量电路连接到SMA线材和驱动开关(如图4和5中所示)之间的端子的特征可以应用于图2中所示的装置或图3中所示的装置。作为另一示例，图5中所示的放电开关可以在图3所示的装置中实现。
本领域技术人员将认识到，虽然前文已经描述了被认为是最佳模式的内容和在适当的情况下的执行本技术的其他模式，但是本技术不应该局限于在优选实施例的本描述中公开的特定配置和方法。本领域中的技术人员将认识到，本技术具有宽的应用范围，并且在不偏离如在所附权利要求中所定义的任何创造性概念的情况下，实施例可以采用宽范围的修改。

Claims (55)

1.一种用于测量形状记忆合金(SMA)线材的电阻的装置，所述装置包括：
SMA线材；
感测电阻器，其与所述SMA线材串联连接；
测量电路，其被配置成执行指示至少所述SMA线材两端的电势差的测量；以及
测量开关，其连接到所述SMA线材和所述感测电阻器之间的端子；
其中，所述测量开关被配置成：i)在第一开关状态下，将所述SMA线材和所述感测电阻器之间的所述端子连接到所述测量电路，使得所述测量电路能够执行所述测量，ii)在第二开关状态下，将所述SMA线材和所述感测电阻器之间的所述端子连接到绕过所述感测电阻器的电路，并且将所述SMA线材和所述感测电阻器之间的所述端子与所述测量电路断开。
2.根据权利要求1所述的装置，其中：
所述测量电路被配置成相对于参考电势执行所述测量；并且
所述参考电势在所述感测电阻器与所述SMA线材相反的一侧连接到电源电势，使得所述参考电势等于所述电源电势。
3.根据权利要求1所述的装置，包括：
另一个测量电路，其被配置成执行指示所述感测电阻器两端的电势差的测量。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述另一个测量电路包括放大器。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述另一个测量电路的所述放大器被配置成放大所述感测电阻器两端的电势差与偏移电势之间的差值。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的装置，还包括：
至少一个采样保持电路。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述采样保持电路被配置成对输入到所述测量电路的电压进行采样。
8.根据权利要求6所述的装置，其中，所述采样保持电路包括用于在所述测量电路的稳定时间期间存储电荷的电容器。
9.根据权利要求8所述的装置，包括与所述电容器并联布置的至少一个放电开关。
10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述至少一个放电开关被配置成选择性地将所述电容器连接到用于至少部分地对所述电容器放电的端子。
11.根据权利要求1-5和7-10中任一项所述的装置，其中，所述测量电路包括放大器。
12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述放大器被配置成放大至少所述SMA线材两端的电势差与偏移电势之间的差值。
13.根据权利要求12所述的装置，包括：
数模转换器。
14.根据权利要求13所述的装置，其中，所述数模转换器被配置成生成所述偏移电势并将所述偏移电势提供给所述放大器。
15.根据权利要求1-5、7-10和12-14中任一项所述的装置，包括驱动开关，所述驱动开关被配置成当闭合时允许电流流动通过所述SMA线材。
16.根据权利要求15所述的装置，其中，所述测量电路连接到所述驱动开关和所述SMA线材之间的端子，使得所述测量电路被配置成执行指示所述SMA线材两端但不是所述驱动开关两端的电势差的测量。
17.一种用于测量形状记忆合金(SMA)线材的电阻的装置，所述装置包括：
SMA线材；
感测电阻器，其与所述SMA线材串联连接；以及
测量电路，所述测量电路包括放大器和模数转换器，所述测量电路被配置成执行指示至少所述SMA线材两端相对于参考电势成比例的电势差的测量；其中，所述模数转换器被配置成相对于所述参考电势来缩放所述放大器的输出；
其中，所述参考电势在所述感测电阻器的与所述SMA线材相反的一侧连接到电源电势，使得所述参考电势等于电源电势。
18.根据权利要求17所述的装置，还包括：
至少一个采样保持电路。
19.根据权利要求18所述的装置，其中，所述采样保持电路被配置成对输入到所述测量电路的电压进行采样。
20.根据权利要求18或19所述的装置，其中，所述采样保持电路包括用于在所述测量电路的稳定时间期间存储电荷的电容器。
21.根据权利要求20所述的装置，包括与所述电容器并联布置的至少一个放电开关。
22.根据权利要求21所述的装置，其中，所述至少一个放电开关被配置成选择性地将所述电容器连接到用于至少部分地对所述电容器放电的端子。
23.根据权利要求17-19和21-22中任一项所述的装置，其中，所述测量电路包括放大器。
24.根据权利要求23所述的装置，其中，所述放大器被配置成放大至少所述SMA线材两端的电势差与偏移电势之间的差值。
25.根据权利要求24所述的装置，包括：
数模转换器。
26.根据权利要求25所述的装置，其中，所述数模转换器被配置成生成所述偏移电势并将所述偏移电势提供给所述放大器。
27.根据权利要求17-19、21-22和24-26中任一项所述的装置，包括驱动开关，所述驱动开关被配置成当闭合时允许电流流动通过所述SMA线材。
28.根据权利要求27所述的装置，其中，所述测量电路连接到所述驱动开关和所述SMA线材之间的端子，使得所述测量电路被配置成执行指示所述SMA线材两端但不是所述驱动开关两端的电势差的测量。
29.一种用于测量形状记忆合金SMA线材的电阻的装置，所述装置包括：
SMA线材；
感测电阻器，其与所述SMA线材串联连接；
测量电路，其被配置成执行指示至少所述SMA线材两端的电势差的测量；以及
另一个测量电路，其被配置成执行指示所述感测电阻器两端的电势差的测量；
其中，所述测量电路和所述另一个测量电路能够同时执行测量。
30.根据权利要求29所述的装置，其中，所述另一个测量电路包括放大器。
31.根据权利要求30所述的装置，其中，所述另一个测量电路的所述放大器被配置成放大所述感测电阻器两端的电势差与偏移电势之间的差值。
32.根据权利要求29-31中任一项所述的装置，还包括：
至少一个采样保持电路。
33.根据权利要求32所述的装置，其中，所述采样保持电路被配置成对输入到所述测量电路的电压进行采样。
34.根据权利要求32所述的装置，其中，所述采样保持电路包括用于在所述测量电路的稳定时间期间存储电荷的电容器。
35.根据权利要求34所述的装置，包括与所述电容器并联布置的至少一个放电开关。
36.根据权利要求35所述的装置，其中，所述至少一个放电开关被配置成选择性地将所述电容器连接到用于至少部分地对所述电容器放电的端子。
37.根据权利要求29-31和33-36中任一项所述的装置，其中，所述测量电路包括放大器。
38.根据权利要求37所述的装置，其中，所述放大器被配置成放大至少所述SMA线材两端的电势差与偏移电势之间的差值。
39.根据权利要求38所述的装置，包括：
数模转换器。
40.根据权利要求39所述的装置，其中，所述数模转换器被配置成生成所述偏移电势并将所述偏移电势提供给所述放大器。
41.根据权利要求29-31、33-36和38-40中任一项所述的装置，包括驱动开关，所述驱动开关被配置成当闭合时允许电流流动通过所述SMA线材。
42.根据权利要求41所述的装置，其中，所述测量电路连接到所述驱动开关和所述SMA线材之间的端子，使得所述测量电路被配置成执行指示所述SMA线材两端但不是所述驱动开关两端的电势差的测量。
43.一种系统，包括：
致动器；以及
根据任一前述权利要求所述的装置；
其中，所述致动器包括所述SMA线材。
44.根据权利要求43所述的系统，包括：
控制器，其被配置成控制流动通过所述SMA线材的电流，以便控制所述SMA线材的长度以用于致动；
其中，所述测量电路被配置成向所述控制器输出测量结果，并且所述控制器被配置成至少部分基于所述测量结果来控制电流。
45.一种光学设备，包括：
透镜；以及
根据权利要求43或44所述的系统；
其中，所述致动器用于致动所述透镜。
46.一种测量形状记忆合金(SMA)线材的电阻的方法，所述方法包括：
允许电流流动通过SMA线材和与所述SMA线材串联连接的感测电阻器；
通过经由测量开关将所述SMA线材和所述感测电阻器之间的端子连接到测量电路来执行指示至少所述SMA线材两端的电势差的测量；以及
切换所述测量开关，以便将所述SMA线材和所述感测电阻器之间的所述端子连接到绕过所述感测电阻器的电路，并且将所述SMA线材和所述感测电阻器之间的所述端子与所述测量电路断开。
47.一种测量形状记忆合金(SMA)线材的电阻的方法，所述方法包括：
允许电流流动通过SMA线材和与所述SMA线材串联连接的感测电阻器；以及
执行指示至少所述SMA线材两端相对于参考电势成比例的电势差的测量，使用模数转换器相对于所述参考电势来缩放放大器的输出；
其中，所述参考电势在所述感测电阻器与所述SMA线材相反的一侧连接到电源电势，使得所述参考电势等于所述电源电势。
48.一种测量形状记忆合金(SMA)线材的电阻的方法，所述方法包括：
允许电流流动通过SMA线材和与所述SMA线材串联连接的感测电阻器；
执行指示至少所述SMA线材两端的电势差的测量；以及
执行指示所述感测电阻器两端的电势差的另一测量，其中，所述测量和所述另一测量能够被同时执行。
49.根据权利要求48所述的方法，其中，所述测量和所述另一测量同时进行。
50.一种驱动形状记忆合金SMA线材的方法，所述方法包括：
提供加热脉冲，使得电流流动通过SMA线材以便加热所述SMA线材，从而控制所述SMA线材的长度；
间歇地提供测量脉冲，使得电流流动通过所述SMA线材和与所述SMA线材串联连接的感测电阻器；以及
提供测量激活信号，以便激活测量电路来执行指示所述SMA线材的电阻的测量；
其中，所述测量脉冲与所述测量激活信号同步，其中在提供相应的测量脉冲之后的一段时间内提供所述测量激活信号，其中，所述一段时间允许所述测量电路稳定下来。
51.根据权利要求50所述的方法，包括：
提供至少一个切换信号，以用于在第一配置和第二配置之间切换测量开关，在所述第一配置中所述测量电路能够执行所述测量，在所述第二配置中所述感测电阻器被绕过。
52.根据权利要求50或权利要求51所述的方法，其中，所述测量脉冲比所述加热脉冲短。
53.根据权利要求50或权利要求51所述的方法，其中，所述加热脉冲和所述测量脉冲具有不同的函数形式。
54.根据权利要求53所述的方法，其中，所述测量脉冲的转换速率大于所述加热脉冲的转换速率。
55.一种非暂态数据载体，其携带用于实施权利要求46至54中任一项所述方法的处理器控制代码。
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