CN207832242U - 一种用于面参数探测的传感器装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于面参数探测的传感器装置，包括控制模块、数据采集器、电流源驱动模块、电压测量模块、恒流源和传感器阵列，电流源驱动模块、电压测量模块均包括输出电位管脚并联连接的两片多路复用器，多路复用器的输出电位管脚并联后连接至传感器阵列的多个电极，使电流源驱动模块与电压测量模块组成多通道模拟开关；在对面电阻进行检测时，控制模块对多通道模拟开关与传感器阵列多个电极之间的连接进行选通切换，实现激励电流的输送与电压信号的采集，并根据接收到的电压数据获得电阻抗成像，将面电阻转化为相应的面参数。本实用新型采用电阻抗成像技术来测量压力分布、应力等参数，导通电阻低、漏电流小、采集精度高。

Description

一种用于面参数探测的传感器装置

技术领域

本实用新型涉及传感技术，具体为一种用于面参数探测的传感器装置。

背景技术

智能制造日益成为未来制造业发展的重大趋势和核心内容。随着智能制造的发展，特别是在机器人技术方面，对传感技术的灵敏度、精度、可靠性和环境适应性均有较高的要求，诸如量子测量、纳米聚合物传感、光纤传感等采用新原理、新材料、新工艺的传感技术，在微弱传感信号提取与处理方面显得尤为关键，这些参数的获取方式确实重中之重。一个精确、快速的参数测量、读取方式有利于我们后期的信息处理与分析。

电阻抗成像(EIT)技术是一种用于研究和检测不透明体(包括生物物种)的组成和功能的非侵入性成像技术。其基本原理是由于不同的生物组织具有不同的电阻抗，当生物体发生疾病或者进行生理活动都会引起其电阻抗的变化。由于EIT技术具有无损害、无辐射和非侵入性特征，在地球物理学、环境监测、无损探伤和医学检测等领域引起了广泛的研究。它通过相应的电极系统对生物体注入激励电流信号，从电极上获得电压信号，采用特定的算法重建出反应生物体内部电特性的图形，从而获得生物体内部组织器官的结构和功能等相关信息。

现有用于检测生物体的传感器，大多通过触摸产生压力的方式来检测生物体(如人类)行为的发生，但是对于面积较大的二维平面和曲面，单纯地排列大量的压敏点传感器来遍布整个面，将导致资源的浪费与能源的损耗。这类传感器一般采用易于形变的传感材料，比如薄膜形状的PVDF压电材料或者其他柔性压电材料，通过变换电路转换为电压变化从而得到相关的压力信息，用其中一个点所测量的压力值来代替周围的压力值，或者用多点测量的压力值来表征整个面的压力分布状况；一方面会导致压力分布检测情况不准确，另一方面由于传感器排布位置的特殊性，长时间的操作会导致阵列式传感器的电极断裂。因此，单纯地排列大量的压敏点传感器来遍布整个面以测量压力的大小，已经不太现实。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的技术问题，本实用新型提供一种用于面参数探测的传感器装置，采用电阻抗成像技术来测量压力分布、应力等参数，具有导通电阻低、漏电流小、采集精度高等优点。

本实用新型传感器装置的技术方案如下：一种用于面参数探测的传感器装置，包括控制模块、数据采集器、电流源驱动模块、电压测量模块、恒流源和传感器阵列，控制模块分别与电流源驱动模块、电压采集电路连接，电流源驱动模块、电压采集电路与传感器阵列连接，恒流源与电流源驱动模块连接，数据采集器与电压测量模块连接；

电流源驱动模块包括输出电位管脚并联连接的第一片多路复用器与第二片多路复用器，第一片多路复用器的COM端口与恒流源连接，第二片多路复用器的COM端口接地；电压测量模块包括输出电位管脚并联连接的第三片多路复用器与第四片多路复用器，第三片多路复用器的COM端口、第四片多路复用器的COM端口分别与数据采集器连接；第一片多路复用器与第二片多路复用器的输出电位管脚并联后，复用第三片多路复用器与第四片多路复用器的输出电位管脚并联后的连接线，并连接至传感器阵列的多个电极，从而使电流源驱动模块与电压测量模块组成多通道模拟开关；传感器阵列的电极数量与多通道模拟开关的通道数量一致；

控制模块通过IO口连接控制电流源驱动模块和电压测量模块的多路复用器的地址输入端，并控制地址输入端的高低电位进行通道选择；在对面电阻进行检测时，控制模块对多通道模拟开关与传感器阵列多个电极之间的连接进行选通切换；通过恒流源和数据采集器来分别实现激励电流的输送与电压信号的采集，并根据接收到的电压数据获得电阻抗成像，然后将面电阻转化为相应的面参数。

优选地，所述控制模块采用相邻驱动模式或相对驱动模式对多通道模拟开关进行控制，以实现多通道模拟开关与传感器阵列多个电极之间连接的选通切换。

优选地，所述相邻驱动模式中，控制模块首先选通电流源驱动模块的第一片、第二片多路复用器的相邻通道作为电流激励通道，对应于传感器阵列的相邻电极作为激励信号驱动电极，然后依次选通电压测量模块的第三片、第四片多路复用器其余的相邻通道，对应于传感器阵列的相邻电极并采集其电压值，直到选通完电流源驱动模块选择后所剩余的相邻通道，形成一个电压扫描周期；接着，选通电流驱动模块的下一组第一片、第二片多路复用器的相邻通道作为下一个电流激励通道，重复上述电压扫描周期，直到电流源驱动模块扫描完全部电流激励通道，形成一个电流扫描周期。

优选地，所述相对驱动模式中，控制模块选通电流源驱动模块的第一片、第二片多路复用器的相对通道作为电流激励通道，对应于传感器阵列的相对电极并采集其电压值，然后依次选通电压测量模块的第三片、第四片多路复用器其余的相邻通道，直到选通完电流源驱动模块选择后所剩余的相邻通道，形成一个电压扫描周期；接着，选通电流驱动模块的下一组第一片、第二片多路复用器的相对通道作为下一个电流激励通道，重复上述电压扫描周期，直到电流源驱动模块扫描完全部电流激励通道，形成一个电流扫描周期。

与现有技术相比，本实用新型具有如下技术效果：

1、选用多路复用器组成多路模拟开关，通过多路模拟开关实现选通端口的连通与切换，以实现对于不同形状的二维面的多路电流注入通道与电压测量通道的切换，独立地控制电流注入的方式和电压读出的方式，减少其他模块电路对其产生的干扰，可以灵活地实现不同通道(8通道、16通道、32通道等)的面参数的读取，可读取的面参数包括应变、压力、温度等。

2、能够实现快速的切换，具有扫描速率快、即时性强的优点，通道之间干扰很少，开关切换时间短；多路复用器具有导通电阻小、抗干扰能力强、采集数据精准度高、通道的匹配度与一致性高等优点。

3、本实用新型提供的16通道模拟开关组件电路，导通电阻低，漏电流小，提高了系统的采集精度，其不需要事先寻址和昂贵的电子零件；并且针对控制模块，采用STC12LE5A60S2处理器，具有较强的控制能力，提高了系统的采集速度和实时性。

附图说明

图1是本实用新型用于面参数探测的传感器装置的结构示意图；

图2是电流源驱动模块与电压测量模块的扫描流程图；

图3是电流源驱动模块与电压测量模块的扫描状态图；

图4是被测面的形状与电极分布示意图，其中a为圆形传感器阵列，b为方形传感器阵列，c为长方形传感器阵列。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本实用新型进行详细说明。应当理解，描述这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本实用新型的技术方案，本实用新型的实施方式和保护范围并不限于此。

实施例

如图1所示，本实用新型所设计的用于面参数探测的传感器装置，包括控制模块、数据采集器、电流源驱动模块、电压测量模块、恒流源、电极排插和传感器阵列，控制模块分别与电流源驱动模块、电压采集电路连接，电流源驱动模块、电压采集电路通过电极排插与传感器阵列连接，恒流源与电流源驱动模块连接，数据采集器与电压测量模块连接。

电流源驱动模块包括2片多路复用器，每片多路复用器分别与控制模块、电极排插连接；电压测量模块也是包括2片多路复用器，每片多路复用器分别与控制模块、电极排插连接。电流源驱动模块中，第一片多路复用器1与第二片多路复用器2的输出电位管脚并联连接，组成驱动电路，将第一片多路复用器的COM端口与恒流源连接，第二片多路复用器的COM端口接地，形成电流源驱动回路。电压测量模块中，将第三片多路复用器3与第四片多路复用器4的输出电位管脚并联连接，组成测量电路，将第三片多路复用器的COM端口、第四片多路复用器的COM端口分别与数据采集器连接，形成数据采集电路。多路复用器选择MAX306，其供电电源为可产生正负5V的恒压源，所需的电阻均为10KΩ，电容均为10nF。

本实施例中，第一片多路复用器1与第二片多路复用器2的16位输出电位管脚并联后，复用第三片多路复用器3与第四片多路复用器4的16位输出电位管脚并联后的连接线，通过电极排插连接至传感器阵列的16个电极，从而使电流源驱动模块与电压测量模块组成16通道模拟开关。控制模块通过IO口连接控制电流源驱动模块和电压测量模块的4片多路复用器的地址输入端，并控制地址输入端的高低电位进行通道选择。

控制模块为单片机或其他微处理器。本实施例中，控制模块采用51单片机，单片机编程软件和数据接收终端为PC终端。通过单片机编程软件来编码程序控制51单片机，进而在单片机的P10‐P17与P20‐P27共16个IO口的形成多路复用器MAX306地址码。将51单片控制处理器的P1_0‐P1_7共8个IO端口接入电流源驱动电路的两片MAX306的A0‐A3和A0‐A3共8个输入端口。将51单片控制处理器的P2_0‐P2_7共8个IO端口接入电压采集电路的两片MAX306的A0‐A3和A0‐A3共8个输入端口。恒流源是4‐20mA的恒流源模块。数据采集器为12位的多功能的USB模块。

本实用新型用于面参数探测的传感器装置，在对面电阻进行检测时，控制模块对16通道模拟开关与传感器阵列16个电极之间的连接进行选通切换，以完成对16通道模拟开关的驱动控制；通过恒流源和数据采集器来分别实现激励电流的输送与电压信号的采集；所接收到的电压数据，采用电阻抗成像算法获得电阻抗成像，然后利用基于面电阻‐面参数关联特性的标定方法，将面电阻转化为相应的面参数。

控制模块选通电流源驱动模块的多路复用器的相邻或相对通道作为激励信号驱动电极，将恒定的电流源接入电流源驱动模块的双向输入端，在一个电流扫描周期中，电流会依次按照电流源驱动模块的切换通道流入及流出传感器阵列中被选的两个电极，对传感器阵列提供激励电流；控制模块还选通电压测量模块的多路复用器的相邻电极作为采集通道，将数据采集器接入电压测量模块的双向输入端，在一个电压扫描周期过程中，采集一组电压数据。根据数据采集器采集得到的电压数据，利用有限元法将传感器阵列的形状划分为一定量的三角形或其他形状单元和对应的节点，通过正则化Gauss‐Newton算法、模拟退火算法等相关算法对电压数据进行计算，得到对应节点的电阻值，然后将对应节点的电阻值代替相应的三角形单元值，得出新型传感器面电阻的分布。

具体来说，在面电阻的参数测量过程中，控制模块可采用相邻驱动模式对16通道模拟开关进行控制，如图2所示，首先选通电流源驱动模块的第一片、第二片多路复用器的相邻通道作为电流激励通道，对应于传感器阵列的相邻电极作为激励信号驱动电极，然后依次选通电压测量模块的第三片、第四片多路复用器其余的相邻通道，对应于传感器阵列的相邻电极并采集其电压值，直到选通完电流源驱动模块选择后所剩余的相邻电极通道，形成一个电压扫描周期；接着，选通电流驱动模块的下一组第一片、第二片多路复用器的相邻通道作为下一个电流激励通道，重复上述电压扫描周期，直到电流源驱动模块扫描完全部电流激励通道，形成一个电流扫描周期。需要说明的是，电流源驱动模块与电压测量模块的扫描方式，还有相对驱动模式，即选通电流源驱动模块的第一片、第二片多路复用器的相对通道作为电流激励通道，对应于传感器阵列的相对电极并采集其电压值，然后依次选通电压测量模块的第三片、第四片多路复用器其余的相邻通道，直到选通完电流源驱动模块选择后所剩余的相邻通道，形成一个电压扫描周期；接着，选通电流驱动模块的下一组第一片、第二片多路复用器的相对通道作为下一个电流激励通道，重复上述电压扫描周期，直到电流源驱动模块扫描完全部电流激励通道，形成一个电流扫描周期。相对驱动模式是对应的电流源驱动模块来说的，只将电流源驱动模块改为选择相对通道，电压测量模块还是选择相邻的电极采集其电压值。

也就是说，电流源驱动模块与电压测量模块组成的16通道模拟开关，与16电极的传感器阵列(也叫被测模型)，通过控制模块进行双向通信的连接，由控制模块进行选通切换。以相邻驱动方式为例，如果测量一个周期，分别将电流源驱动模块的两片MAX306的引脚NO1‐NO16接到传感器阵列的电极1‐16，当第一片多路复用器1的地址码为(A3A2A1A0)1＝0000，第二片多路复用器2的地址码为(A3A2A1A0)2＝0001时，就选通了电极1与电极2作为一对激励信号驱动电极，同时电压测量模块的两片多路复用器分别是：

选通被测模型电极3与电极4的地址码是(A3A2A1A0)3＝0010、(A3A2A1A0)4＝0011；

选通被测模型电极4与电极5的地址码是(A3A2A1A0)4＝0100、(A3A2A1A0)5＝0101；

………

选通被测模型电极14与电极15的地址码是(A3A2A1A0)14＝1101、(A3A2A1A0)15＝1110；

选通被测模型电极15与电极16的地址码是(A3A2A1A0)15＝1110、(A3A2A1A0)16＝1111；

这样总共测量13次完成一个电压扫描周期的测量，然后将电流源驱动模块的两片多路复用器分别再选通电极2与电极3，完成下一个周期的13次测量，直至完成整个测量的过程，即完成整个电流扫描周期，总共测得13*16＝256次电压数据。

如图3所示，本实例中我们选取相邻驱动模式，电流源驱动模块先选通电极1、2，然后电压测量模块选通电极3、4，读取此时其余电极的电压差V1，然后电压测量模块选通电极4、5，读取此时其余电极的电压差V2，依次类推，测量到电极15、16的电压差V13，将结束电压测量模块的测量过程，为扫描周期1。依次类推得到16个扫描周期为止。

新型柔性传感器阵列采用对压力、应变、温度或其他参数的变化会造成电阻变化的材料，包括导电压敏橡胶、导电应变敏感布料等；可以为任意形状，阵列为单一材料一体成型，阵列内无需电联接件，其边缘等间隔设置有多路电极，并带有连线连接电极排插。如图4所示，传感器阵列的形状可以是圆形、方形或者长方形等多种形状，周围的16个电极分别按顺序一一连接多路模拟开关的16个通道。被测传感器的被测电极个数也可以不限于16个，可以采用8个、16个、32个等多个电极分布排列。但是被测传感器的被测电极数量应该与多路模拟开关的通道数量一致。

本实用新型的优势在于可以灵活地编程实现不同通道(8通道、16通道、32通道等)的面参数的读取，可以读取二维面的多种参数(应变、压力、温度等)。可以独立地控制电流注入的方式和电压读出的方式，提供一种用于电极的组装电路，其不需要事先寻址和昂贵的电子零件。单片机能够实现快速切换，具有扫描速率快、即时性强的优点。多路复用器芯片具有导通电阻小，抗干扰能力强，采集数据精准度高，通道的匹配度与一致性高的特点；通道之间干扰很少；开关切换时间短。在经过成像后，创造性地运用一些标定参数，来衡量成像后压力分布的效果，具有很好的可信度。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于面参数探测的传感器装置，其特征在于，包括控制模块、数据采集器、电流源驱动模块、电压测量模块、恒流源和传感器阵列，控制模块分别与电流源驱动模块、电压采集电路连接，电流源驱动模块、电压采集电路与传感器阵列连接，恒流源与电流源驱动模块连接，数据采集器与电压测量模块连接；

电流源驱动模块包括输出电位管脚并联连接的第一片多路复用器与第二片多路复用器，第一片多路复用器的COM端口与恒流源连接，第二片多路复用器的COM端口接地；电压测量模块包括输出电位管脚并联连接的第三片多路复用器与第四片多路复用器，第三片多路复用器的COM端口、第四片多路复用器的COM端口分别与数据采集器连接；第一片多路复用器与第二片多路复用器的输出电位管脚并联后，复用第三片多路复用器与第四片多路复用器的输出电位管脚并联后的连接线，并连接至传感器阵列的多个电极，从而使电流源驱动模块与电压测量模块组成多通道模拟开关；传感器阵列的电极数量与多通道模拟开关的通道数量一致；

控制模块通过IO口连接控制电流源驱动模块和电压测量模块的多路复用器的地址输入端，并控制地址输入端的高低电位进行通道选择；在对面电阻进行检测时，控制模块对多通道模拟开关与传感器阵列多个电极之间的连接进行选通切换；通过恒流源和数据采集器来分别实现激励电流的输送与电压信号的采集，并根据接收到的电压数据获得电阻抗成像，然后将面电阻转化为相应的面参数。

2.根据权利要求1所述的用于面参数探测的传感器装置，其特征在于，所述控制模块采用相邻驱动模式或相对驱动模式对多通道模拟开关进行控制，以实现多通道模拟开关与传感器阵列多个电极之间连接的选通切换。

3.根据权利要求2所述的用于面参数探测的传感器装置，其特征在于，所述相邻驱动模式中，控制模块首先选通电流源驱动模块的第一片、第二片多路复用器的相邻通道作为电流激励通道，对应于传感器阵列的相邻电极作为激励信号驱动电极，然后依次选通电压测量模块的第三片、第四片多路复用器其余的相邻通道，对应于传感器阵列的相邻电极并采集其电压值，直到选通完电流源驱动模块选择后所剩余的相邻通道，形成一个电压扫描周期；接着，选通电流驱动模块的下一组第一片、第二片多路复用器的相邻通道作为下一个电流激励通道，重复上述电压扫描周期，直到电流源驱动模块扫描完全部电流激励通道，形成一个电流扫描周期。

4.根据权利要求2所述的用于面参数探测的传感器装置，其特征在于，所述相对驱动模式中，控制模块选通电流源驱动模块的第一片、第二片多路复用器的相对通道作为电流激励通道，对应于传感器阵列的相对电极并采集其电压值，然后依次选通电压测量模块的第三片、第四片多路复用器其余的相邻通道，直到选通完电流源驱动模块选择后所剩余的相邻通道，形成一个电压扫描周期；接着，选通电流驱动模块的下一组第一片、第二片多路复用器的相对通道作为下一个电流激励通道，重复上述电压扫描周期，直到电流源驱动模块扫描完全部电流激励通道，形成一个电流扫描周期。

5.根据权利要求1所述的用于面参数探测的传感器装置，其特征在于，所述传感器阵列的形状为圆形、方形或者长方形。

6.根据权利要求1所述的用于面参数探测的传感器装置，其特征在于，所述传感器阵列的电极数量为8个、16个或32个。

7.根据权利要求1所述的用于面参数探测的传感器装置，其特征在于，所述控制模块为单片机；所述多路复用器选择MAX306芯片。

8.根据权利要求1所述的用于面参数探测的传感器装置，其特征在于，所述用于面参数探测的传感器装置还包括电极排插，电流源驱动模块、电压测量模块通过电极排插与传感器阵列连接。

9.根据权利要求1所述的用于面参数探测的传感器装置，其特征在于，所述传感器阵列的制作材料为导电压敏橡胶或导电应变敏感布料。