CN111458049A - 一种阵列式柔性温度传感器无线采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阵列式柔性温度传感器无线采集系统，柔性温度传感器阵列用于采集温度场信号，模拟开关模块用于切换温度传感器阵列中的列引线接地或接参考电压，通道选择模块用于选择温度传感器阵列中的行引线接地，A/D转换模块用于将温度传感器阵列输出的电压信号放大并转化为数字信号，MCU模块用于控制模拟开关模块、通道选择模块、A/D转换模块采集传感器信号，将采集到的数据进行解析运算，线传输模块用于将计算所得结果通过信号天线无线传输到终端设备中。本发明采用模拟电子开关和通道选择开关，通过解析计算，解决了传感器之间串扰问题，实现了n*m路驱动模块输出信号的选通，实现了温度阵列传感单元的采集。

Description

一种阵列式柔性温度传感器无线采集系统

技术领域

本发明涉及温度检测领域，特别涉及一种阵列式柔性温度传感器无线采集系统。

背景技术

温度是影响我们生产生活的重要环境参数，同时温度也对物体的特性产生影响，特别是在热传导过程中，热量通过物体与周围环境进行热交换，从而在物体中产生温度的渐变，即温度梯度。此外由于物体组成材料的不同，物体在温度传导过程中表现出各向异性，即同一温度的分布并不是按直线分布，因此在物体的表面上不同的区域温度不同，为了深入了解温度对物体的影响，需要知道温度在物体表面的分布情况。

温度测量基本上可以分为接触式测量和非接触式测量，接触式测量主要是通过热电阻或热电偶与被测物体直接接触测量物体的温度，非接触式测量主要是通过红外测温仪或红外热像仪。接触式测量和红外测温仪能检测物体表面一点的温度，红外热像仪可以检测物体表面整体的温度分布情况。通常我们应用的最多的就是接触式温度测量，但是如果想检测物体表面的温度分布和梯度，单点是的测量有很大的局限性。第一，安装比较麻烦，需要把温度探头一个一个安装到物体表面，工作量大。第二，布线较多，因为每个温度传感器至少需要两根导线，如果所测物体表面积大并且需要的分辨率高，则布线工作非常繁重。红外热像仪虽然可以一次性检测物体表面的温度分布和梯度，但是红外热像仪检测温度的时候，需要靠近被检物体，且中间不能有遮挡物，对于一些极端环境下的温度测量，如狭窄空间、高温、低温、有毒等环境，红外热像仪就不适用。

然而目前接触式温度采集设备由于温度阵列传感器普遍存在的阵列电阻交叉耦合现象，随着阵列体量的增大，导致外接引线过大，致使外围元器件结构复杂，信号多为有线传输，测量不方便，只能用于简单的平面测量，无法应付复杂多变的曲面温度场测试。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种阵列式柔性温度传感器无线采集系统，用于解决温度传感器阵列外接引线多、传感器之间互相串扰、数据采集设备复杂繁琐、应用面狭窄等问题。

为此，本发明采用的技术方案是这样的：一种阵列式柔性温度传感器无线采集系统，包括柔性温度传感器阵列、模拟开关模块、通道选择模块、A/D转换模块、电源管理模块、MCU模块、无线传输模块、锂电池、稳压模块、充电接口；

所述柔性温度传感器阵列用于采集温度场信号；

所述模拟开关模块用于切换温度传感器阵列中的列引线接地或接参考电压；

所述通道选择模块用于选择温度传感器阵列中的行引线接地；

所述A/D转换模块用于将温度传感器阵列输出的电压信号放大并转化为数字信号；

所述MCU模块用于控制模拟开关模块、通道选择模块、A/D转换模块采集传感器信号，将采集到的数据进行解析运算；

所述无线传输模块用于将MCU模块计算所得结果通过信号天线无线传输到终端设备中。

进一步地，所述模拟开关模块为多通道的单刀双掷模拟开关，每个通道都支持二选一单独控制。

进一步地，所述采集系统的工作过程包括以下步骤：

1)列通道选择：MCU模块控制模拟开关模块选通第一列引线接参考电压，选通其它列引线直接接地；

2)行通道选择：MCU模块控制通道选择模块选通第一行引线接反馈电阻R_f接地；

3)开始采集：MCU模块控制A/D转换模块采集反馈电阻R_f两端电压，记为V₁₁；

4)轮询采集：MCU模块控制通道选择模块依次选通第二至n行引线接反馈电阻R_f接地，然后控制A/D转换模块依次采集反馈电阻R_f两端电压，记为V₂₁ V₃₁ V₄₁……V_n1；

5)循环采集：MCU模块控制模拟开关模块依次选通第二列引线接参考电压，选通其它列引线直接接地，按照上述方法测得R_f两端电压，记为V₁₂ V₂₂……V_n2，V₁₃ V₂₃……V_n3，……，V_1m V_2m……V_nm，至此一次采集结束；

6)解析计算：对于n*m传感器阵列，通过公式(1)，得出任一传感器电阻值R_ij；

其中，V_ref为参考电压，V_ij为扫描第i行第j列时的反馈电阻R_f两端电压，R_ij为第i行第j列的传感器电阻值。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、采用模拟电子开关和通道选择开关，通过解析计算，解决了传感器之间串扰问题，实现了n*m路驱动模块输出信号的选通，实现了温度阵列传感单元的采集。

2、外围元器件结构简单，数量少，蓝牙无线传输方式，为设备可穿戴提供可能；

3、采用柔性温度传感器，增加测量维度，可用于复杂曲面温度场测量。

附图说明

以下结合附图和本发明的实施方式来作进一步详细说明

图1为温度阵列采集电路结构框图；

图2为模拟开关电路图；

图3为电压测量等效电路图；

图4为温度传感器温度与阻值特性曲线图。

图中标记为：柔性温度传感器1、列引线11、行引线12、4通道单刀双掷模拟开关2、4选1模拟开关3。

具体实施方式

以下是本发明所述的一种阵列式柔性温度传感器无线采集系统的最佳实例，并不因此限定本发明的保护范围。

图1示出了一种基于温度传感器阵列的温度场检测装置，包括柔性温度传感器阵列、通道选择模块、模拟开关模块、A/D转换模块、电源管理模块、MCU模块、无线模块、锂电池、稳压模块、充电接口；

所述柔性温度传感器阵列用于采集温度场信号；

所述模拟开关模块用于切换温度传感器阵列列通道；

所述通道选择模块用于选通温度传感器阵列行通道；

所述A/D转换模块用于将温度传感器组输入的模拟电压信号放大并转化为数字信号；

所述MCU模块用于控制模拟开关模块、通道选择模块、A/D转换模块采集传感器信号，将采集到的数据进行解析运算，并将计算所得结果通过无线模块传输到移动设备中；

所述柔性温度传感器阵列与通道选择模块和模拟开关模块相连；

所述通道选择模块与A/D转换模块和MCU模块连接；

所述模拟开关模块与稳压模块和MCU模块连接；

所述稳压模块分别与MCU模块、A/D转换模块、模拟开关模块相连，用以对装置供电并提供稳定的电压，以便获取更为精准的信号；

所述锂电池与电源管理模块和稳压模块连接，用以储存电能；

所述电源管理模块与锂电池和充电接口连接，用以连接外部功能进行充电。

图2为4*4温度传感器阵列模拟开关电路原理图；

本实施例提供的温度传感器阵列采集电路的工作原理如下：

图2中，柔性温度传感器1是一种薄膜式传感器，具有纸一样薄的结构，具备ntc效应，其阻值随温度升高而降低。图4为所选柔性温度传感器温度与阻值的特性曲线图。从特性曲线图中可以看出温度与阻值呈非线性关系，可通过S-H model计算方法计算得出温度与阻值的函数关系。

其函数关系式为：1/T＝A+B*ln(R)+C*[ln(R)]³。 公式(2)

其中A＝0.8744102777*e-3；

B＝2.537694912*e-4；

C＝1.821320203*e-7。

所述柔性温度传感器1通过行列串并联的方式连接组成阵列，对于4*4的传感器阵列仅需引出4+4＝8条引线与外围元器件相连。其中，列引线11与4通道单刀双掷模拟开关2相连，行引线12与4选1模拟开关3相连。

所述4通道单刀双掷模拟开关2一端分别与列引线11相连，另一端8路分别连接基准电压和接地，如图2所示。

所述4选1模拟开关3一端与行引线12相连，另一端与反馈电阻相连接地。其反馈电阻R_f阻值根据温度传感器阻值特性选取，本例中反馈电阻R_f为12KΩ高精准、低温漂电阻。

所述A/D转换模块与4选1模拟开关公共端相连，采集反馈电阻R_f两侧电阻电压V；

具体采集流程如下所示：

首先MCU模块控制模拟开关模块选通第一列引线接参考电压，其它列引线直接接地；4选1模拟开关选通第一行引线，通过A/D转换模块采集反馈电阻R_f两侧电压，计为V₁₁；4选一模拟开关通过顺序轮询选通第二行、第三行、第四行引线，通过A/D转换模块采集反馈电阻R_f两侧电压分别记为V₂₁,V₃₁,V₄₁；

然后选通第二列引线接参考电压，其它列引线直接接地，重复上述动作，测得反馈电阻R_f两侧电压V₁₂，V₂₂,V₃₂,V₄₂；

重复上述动作，测得反馈电阻R_f两侧电压V₁₃，V₂₃,V₃₃,V₄₃，V₁₄，V₂₄,V₃₄,V₄₄；

至此一次测量结束。

所述反馈电阻R_f两端电压V仅与选通行温度传感器阻值有关，与未选通行温度传感器阻值无关；

如图3所示，当选通第一列引线，第一行引线时，所测反馈电阻R_f两端电压V₁₁为R₁₁和R_f∥R₁₁∥R₁₂∥R₁₃分压所得电压。具体为：

V₁₂,V₁₃,V₁₄同理亦可得；

联立方程组，最终可得：

对于n*m阵列传感器，亦可以采用此方法，计算得出任意一传感器阻值：

所述温度传感器阵列，其电阻分布通过公式(1)一一算出，计算得出温度传感器阻值分布，再利用公式(2)，计算得出其温度分布；

所述蓝牙处理芯片利用公式(1)将电压分布转化为电阻阻值分布，再利用公式(2)将阻值分布最终转化为温度分布；

所述蓝牙处理芯片将所得出的温度分布通过蓝牙信号无线传输至终端设备；

所述终端设备，如具有蓝牙功能的手机，通过蓝牙信号，无线接收来自蓝牙处理芯片发出的温度分布数据，再通过定制app程序，最终将温度分布可视化展示，可实时反映出温度分布变化状况。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种阵列式柔性温度传感器无线采集系统，其特征在于：包括柔性温度传感器阵列、模拟开关模块、通道选择模块、A/D转换模块、电源管理模块、MCU模块、无线传输模块、锂电池、稳压模块、充电接口；

所述柔性温度传感器阵列用于采集温度场信号；

所述模拟开关模块用于切换温度传感器阵列中的列引线接地或接参考电压；

所述通道选择模块用于选择温度传感器阵列中的行引线接地；

所述A/D转换模块用于将温度传感器阵列输出的电压信号放大并转化为数字信号；

所述MCU模块用于控制模拟开关模块、通道选择模块、A/D转换模块采集传感器信号，将采集到的数据进行解析运算；

所述无线传输模块用于将MCU模块计算所得结果通过信号天线无线传输到终端设备中。

2.如权利要求1所述的一种阵列式柔性温度传感器无线采集系统，其特征在于：所述模拟开关模块为多通道的单刀双掷模拟开关，每个通道都支持二选一单独控制。

3.如权利要求1所述的一种阵列式柔性温度传感器无线采集系统，其特征在于：所述采集系统的工作过程包括以下步骤：

1)列通道选择：MCU模块控制模拟开关模块选通第一列引线接参考电压，选通其它列引线直接接地；

2)行通道选择：MCU模块控制通道选择模块选通第一行引线接反馈电阻R_f接地；

3)开始采集：MCU模块控制A/D转换模块采集反馈电阻R_f两端电压，记为V₁₁；

4)轮询采集：MCU模块控制通道选择模块依次选通第二至n行引线接反馈电阻R_f接地，然后控制A/D转换模块依次采集反馈电阻R_f两端电压，记为V₂₁ V₃₁ V₄₁……V_n1；

5)循环采集：MCU模块控制模拟开关模块依次选通第二列引线接参考电压，选通其它列引线直接接地，按照上述方法测得R_f两端电压,记为V₁₂V₂₂……V_n2，V₁₃ V₂₃……V_n3，……，V_1mV_2m……V_nm，至此一次采集结束；

6)解析计算：对于n*m传感器阵列，通过公式(1)，得出任一传感器电阻值R_ij；

其中，V_ref为参考电压，V_ij为扫描第i行第j列时的反馈电阻R_f两端电压，R_ij为第i行第j列的传感器电阻值。

Images