CN209910605U - 电流式双向弯曲传感器驱动装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了涉及传感器驱动装置的电流式双向弯曲传感器驱动装置，解决了不方便使用的问题。其技术方案要点是包括中央控制器电路、驱动电压整形电路、V‑I转换与滤波电路和I‑V转换与滤波电路，中央控制器电路包括核心控制器件、非易失存储器件、电压调节器件、电压采集器件和通信单元，非易失存储器件内储存有初始化期望输出值Vexpect、调整步长△U、电压调节默认值Udefault、电压调节设定值记录Urec和误差值ε。计算△V＝Vexpect–Vout，若|△V|<ε则将当前驱动电压信息Ud替换原电压调节设定值记录Urec，达到了提高测量效率和生产效率的效果。

Description

电流式双向弯曲传感器驱动装置

技术领域

本实用新型涉及传感器驱动装置，特别涉及电流式双向弯曲传感器驱动装置。

背景技术

传感器是一种检测装置，能采集到被测量的信息，并能按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。市场上用于所使用的传感器多为电阻式传感器，这类传感器是被动式元件，电路抽象中等效于变阻器，驱动装置一般设计成电桥电路或者电阻分压电路。由于存在传感器个体差异，即每一个传感器的电阻值是不同的，这就意味着在开发驱动装置时假如采用固定的电路参数，那么在传感器伸直状态时得到的测量输出初始值是不同的。这就使得传感器连接驱动装置时，需要对驱动装置进行电路参数上的调节，而下一次更换驱动装置上的传感器时，则又需要对驱动装置进行电路参数上的调节，极不方便使用，降低了测量效率和生产效率。故现有技术中存在生产效率与测量效率较低的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供电流式双向弯曲传感器驱动装置，能够自动调节电路参数，达到了提高测量效率和生产效率的效果。

本实用新型的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

电流式双向弯曲传感器驱动装置，包括中央控制器电路、驱动电压整形电路、V-I转换与滤波电路和I-V转换与滤波电路，所述中央控制器电路包括核心控制器件、非易失存储器件、电压调节器件、电压采集器件和通信单元，所述非易失存储器件内储存有初始化期望输出值Vexpect、调整步长△U、电压调节默认值Udefault、电压调节设定值记录Urec和误差值ε，所述核心控制器件与非易失存储器件、电压调节器件和电压采集器件电性连接，所述核心控制器件与通信单元通信连接，所述驱动电压整形电路两端分别与电压调节器件和V-I转换与滤波电路电性连接，所述V-I转换与滤波电路设有驱动电流输出端，所述I-V转换与滤波电路和中央控制器电路的电压采集器件电性连接，所述I-V转换与滤波电路设有传感器输出电流接收端。

综上所述，本实用新型具有以下有益效果：

上述中的电流式双向弯曲传感器驱动装置，能在上电启动后，根据预设的初始化期望输出值Vexpect，通过调节驱动电流的手段，调节电流式双向弯曲传感器的输出，使实际输出值等于期望输出值。即通过该驱动装置，可以在电流式双向弯曲传感器处于自然伸直的状态实现自动归零初始化的功能，使得每一个电流式双向弯曲传感器在自然伸直状态时的输出值是一致的，在驱动电流式双向弯曲传感器时直接达到消弭传感器个体差异的目的。

上述中的电流式双向弯曲传感器驱动装置在开发完成后，在使用过程中无需再调整电路参数，就可以适配不同型号的电流式双向弯曲传感器，极大地提高了生产效率、测量效率。

上述中的电流式双向弯曲传感器驱动装置还可以为外部测量应用装置提供信息，便于外部测量应用装置更好地进行测量。

上述中的电流式双向弯曲传感器驱动装置，作为外部测量应用装置与电流式双向弯曲传感器的中间层，将二者连接起来，形成了整体闭环的结构。实质上是对电流式双向弯曲传感器与外部测量应用装置二者之间的解耦，对外部测量应用装置来说，不论怎么更换电流式双向弯曲传感器，电流式双向弯曲传感器的初始值都是统一的，这种闭环解耦的思想可以应用在更多的应用场景当中。

因为在被测物体双向弯曲时，数据是连续单调变化的，因此对于测量双向弯曲来说进行自动归零初始化是必不可少的(所述自动归零初始化是指在固定的测量应用场景下，使得电流式双向弯曲传感器在自然伸直状态时的输出电压Vout-初始化期望输出值Vexpect<误差值ε)。从而在测试之前，使电流式双向弯曲传感器处于自然伸直状态，这就意味着经过自动归零初始化后电流式双向弯曲传感器的初始值不是最小值，而是中位值，这在本质上别于市场上现有的驱动装置。

附图说明

图1是本实施例中驱动装置的连接结构示意图；

图2是本实施例中电流式双向弯曲传感器驱动装置的工作流程示意图；

图3是本实施例中中央控制器电路的电路连接示意图；

图4是本实施例中驱动电压整形电路、V-I转换与滤波电路和I-V转换与滤波电路的电路连接示意图；

图5是本实施例中光线逸散槽和回音壁阻断槽的剖视图；

图6是本实施例中光导元件自然伸直状态时的光路示意图；

图7是本实施例中光导元件向靠近回音壁阻断槽一侧弯曲时的光路示意图；

图8是本实施例中光导元件向靠近光线逸散槽一侧弯曲时的光路示意图。

附图标记：11、导光件本体；12、光线逸散槽；13、回音壁阻断槽；14、包层；15、第一连接件；16、第二连接件；21、光发射组件；22、光接收组件。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

实施例：

电流式双向弯曲传感器驱动装置，如图1至图8所示，包括中央控制器电路、驱动电压整形电路、V-I转换与滤波电路和I-V转换与滤波电路。中央控制器电路包括核心控制器件、非易失存储器件、电压调节器件、电压采集器件和通信单元，在本实施例中通信单元为USB通信单元，通过外部接口与外部测量应用装置连接，用于接收与驱动、测量相关的信息。中央控制器电路所使用的芯片型号为STM32F103C8T6，该芯片内部集成了ARM内核中央计算器件、FLASH存储器件、PWM发生器件、ADC模数转换器件、USB通信控制器件，分别对应了核心控制器件、非易失存储器件、电压调节器件、电压采集器件、USB通信单元。

其中，电压调节器件被配置到了STM32F103C8T6芯片的42脚，即通过 42脚输出电压调节信息Ud，在本实施例中，电压调节信息Ud为PWM信息；电压采集器件被配置到了STM32F103C8T6芯片的10脚，即通过10脚采集传感器输出电压Uout，同样通过10脚也可以把Uout送入外部测量应用装置； USB通信控制器件被配置到了STM32F103C8T6芯片的31脚与32脚，通过这两个管脚可以与外部测量应用装置进行USB通信。

非易失存储器件内储存有初始化期望输出值Vexpect、调整步长△U、电压调节默认值Udefault、电压调节设定值记录Urec和误差值ε，换算方法与驱动电压整形电路、V-I转换与滤波电路的拓扑参数有关，默认值Udefault 不低于驱动电流式双向传感器的最小电流值的换算值。

核心控制器件与非易失存储器件、电压调节器件和电压采集器件电性连接，核心控制器件与通信单元通信连接，驱动电压整形电路两端分别与电压调节器件和V-I转换与滤波电路电性连接，V-I转换与滤波电路设有驱动电流输出端，电压采集器件与I-V转换与滤波电路电性连接。

驱动电压整形电路包括电阻R7和电容C7，电阻R7串联于驱动电压整形电路，电容C7一端与驱动电压整形电路电性连接且另一端接地。

电压调节信息Ud通过电阻R7和电容C7形成的RC滤波网络之后，PWM 方波被整形为直流电压Udrive，该直流电压Udrive的大小与PWM方波的占空比成正比。

V-I转换与滤波电路包括电阻R8和电容C8，电阻R8串联于V-I转换与滤波电路，电容C8一端与V-I转换与滤波电路电性连接且另一端接地，驱动电流输出端与电容C8并联。

电容C8与传感器输入端的发光元件并联，能起到滤除高频杂波的作用；电阻R8与传感器输入端的发光元件串联，从而通过电阻R8将直流电压 Udrive转换为传感器的驱动电流Id。

I-V转换与滤波电路包括VCC连接端、电阻R9和电容C9，电阻R9两端分别与VCC连接端和I-V转换与滤波电路电性连接，电容C9一端与I-V转换与滤波电路电性连接且另一端接地。

通过R9一端被VCC上拉，电阻R9另一端与传感器输出端串联，从而能为传感器输出端的光敏三极管提供电源。光敏三极管被光激发的电流流过电阻R9，在电阻R9两端形成压降，因此传感器输出电流被转换成了传感器输出电压Uout。电容C9起到滤除传感器输出电压Uout的高频杂波的作用。

I-V转换与滤波电路电性连接有外部测量应用装置连接端。

通过外部测量应用装置连接端将传感器输出电压传输到外部测量应用装置上，起到方便接收传感器采集的信息的效果。

电流式双向弯曲传感器包括光发射组件21、光接收组件22和具有柔性的光导元件，光导元件折射率大于1，在本实施例中光导元件为光纤。光发射组件21与驱动电流输出端电性连接，光接收组件22与传感器输出电流接收端电性连接。光导元件向单一方向弯曲过程中光导元件的光通量的变化具有单调性，光发射组件21和光接收组件22分别固定的安装于光导元件的两端，光发射组件21包括发光元件，光接收组件22包括光接收元件，发光元件和光接收元件分别位于光导元件的两端处。

发光元件为发光量与驱动电流成正比关系的有源发光器件。

发光元件为发光二极管。

光接收元件为在电源电压不变的情况下传感器输出电流与光接收元件表面接收到的光通量成正比关系的有源光通量探测器件。

光接收元件为光敏三极管。

光导元件包括导光件本体11，导光件本体11为折射率大于1且具有柔性的材料，导光件本体11包括至少1个单位长度段；

在单位长度段内：导光件本体11设有光线逸散槽12和回音壁阻断槽，光线逸散槽12和回音壁阻断槽均沿导光件本体11的长度方向延伸，光线逸散槽12深度小于导光件本体11宽度的1/20，回音壁阻断槽的深度不超过光线逸散槽12的深度，光线逸散槽12内表面积不小于回音壁阻断槽内表面积的4倍，导光件本体11的至少1处横截面中心位于光线逸散槽12表面几何中心与回音壁阻断槽表面几何中心的连线上。

如图5、图6和图7中所示的箭头指向为预期的光线射入方向。通过光线逸散槽12和回音壁阻断槽13的设置，使得导光件本体11无论是沿光线逸散槽12到回音壁阻断槽13的方向还是沿回音壁阻断槽13到光线逸散槽12 的方向弯曲时，都能通过光线逸散槽12或回音壁阻断槽13影响光路的几何模型，使得光路的几何模型与弯曲损耗振荡现象的几何模型不匹配，从而消除向两个方向弯曲时的弯曲损耗振荡现象。因此，导光件本体11向两个不同的方向弯曲光通量都因为消除弯曲损耗振荡现象而使得光通量呈单调变化。并且，导光件本体11从伸直状态向单一方向弯曲的过程中，或是从弯曲的状态沿单一方向伸展至伸直状态的过程中，光通量也都是呈单调变化。

当导光件本体11处于伸直状态时，由于存在光线逸散槽12与回音壁阻断槽13，导致部分特定入射角的光线从光线逸散槽12与回音壁阻断槽13逸出皮层而耗散，使得导光件本体11在处于伸直状态时有一部分的光通量被损耗。

当导光件本体11向光线逸散槽12的一侧弯曲时，光线逸散槽12内表面逐渐被压缩且逐渐趋向于与入射光路平行，此时从光线逸散槽12耗散的光量是减少的；而回音壁阻断槽13表面被拉伸且逐渐趋向于与入射光路垂直，此时从回音壁阻断槽13耗散的光量反而增加。由于光线逸散槽12内表面积总和大于回音壁阻断槽13内表面积总和，因此引起光通量变化的主要因素是光线逸散槽12，所以，光通量是随导光件本体11向光线逸散槽12的一侧弯曲而单调增加的。

当导光件本体11向回音壁阻断槽13的一侧弯曲时，光线逸散槽12的表面被拉伸且逐渐趋向于光线逸散槽12与入射光路垂直，有更多的光线从光线逸散槽12逸出皮层而耗散，使光通量减少；此时回音壁阻断槽13表面被压缩且逐渐趋向于回音壁阻断槽13与入射光路平行，原来从回音壁阻断槽13 逸出皮层的光线现在得以保留，使光通量增加。由于光线逸散槽12内表面积总和大于回音壁阻断槽13内表面积总和，因此引起光通量变化的主要因素是光线逸散槽12，所以，光通量是随导光件本体11向回音壁阻断槽13的一侧弯曲而单调减少的。

从而使得导光件本体11无论是沿回音壁阻断槽13向光线逸散槽12的方向弯曲还是沿光线逸散槽12向回音壁阻断槽13的方向弯曲时，导光件本体11的光通量变化是呈单调变化的，并且这种变化是连续变化的。

通过光发射组件21的发光元件给光导元件提供光源，光从发光元件经过光导元件并照射到光接收组件22的光接收元件上。当发光元件发出的光量恒定时，通过向单一方向弯曲过程中光导元件的光通量的变化具有单调性的光导元件，使得光导元件的光通量与弯曲程度一一对应。通过发光元件给稳定的光源，并使光导元件随被测物的弯曲而弯曲，从而使光导元件的光通量发生变化，经过光通量变化后的光再被光接收元件接收，利用光接收元件转化为信号，从而实现检测被测物弯曲程度的功能。并且因为光导元件向单一方向弯曲过程中光导元件的光通量的变化具有单调性，使得被测物的弯曲方向和弯曲的角度也跟光导元件的弯曲程度一一对应，进而可通过光接收元件通过接收到的光转化的信号获取到被测物的弯曲方向和角度，从而实现双向弯曲检测的效果，从而有效提高了检测效果和应用场合范围，在角度测量上十分方便，同时还具有较高的测量精度。

在本实施例中传感器的驱动输入是电流值，发光元件的发光量与驱动电流成正比关系；光接收元件接收到光后输出电流值。在电源电压不变的情况下，光接收组件22的输出电流与表面接收到的光通量成正比关系，即传感器输出电流与弯曲程度一一对应，从而能通过电流的大小，判断被测物的弯曲方向和角度。

光发射组件21与光导元件之间设有第一连接件15，第一连接件15为固体，第一连接件15设有容纳光发射组件21的第一开口，第一连接件15设有容纳光导元件的一端且贯通至第一开口的第一连接孔，第一连接件15分别与光发射组件21和光导元件通过透明的粘接剂刚性粘接。

光接收组件22与光导元件之间设有第二连接件16，第二连接件16为固体，第二连接件16设有容纳光接收组件22的第二开口，第二连接件16设有容纳光导元件的一端且贯通至第二开口的第二连接孔，第二连接件16分别与光接收组件22和光导元件通过透明的粘接剂刚性粘接。

导光件本体11外部设有包层14，导光件本体11、光线逸散槽12和回音壁阻断槽13表面均与包层14内表面贴合，包层14外表面为平整且连续的表面，包层14的折射率小于导光件本体11的折射率。

电流式双向弯曲传感器驱动装置自动归零初始化方法，包括以下步骤：

S1、传感器自然伸直：使电流式双向弯曲传感器处于自然伸直的状态；

S2、初始设置：通过编程预设或通过USB接口使用外部测量应用装置与驱动装置信息交换的方法设置初始化期望输出值Vexpect，在本实施例中采用编程预设的方法设置初始化期望输出值Vexpect；

S3、输出驱动电压信息Ud：核心控制器件检查是否存在电压调节设定值记录Urec；若电压调节设定值记录Urec存在则根据电压调节设定值记录Urec 向电压调节器件传输驱动电压指令数据；若电压调节设定值记录Urec不存在则根据电压调节默认值Udefault向电压调节器件传输驱动电压指令数据；

S4、输出驱动电流：电压调节器件接收电压指令数据并输出驱动电压信息Ud，驱动电压整形电路接收驱动电压信息Ud，将驱动电压信息Ud转化为驱动电流并将驱动电流传输至电流式双向弯曲传感器，该步骤包括：

S4.1、电压整形：所述驱动电压整形电路接收驱动电压信息Ud，对驱动电压信息Ud整形并输出至V-I转换与滤波电路；

S4.2、V-I转换滤波：所述V-I转换与滤波电路接收驱动电压，将驱动电压转换为驱动电流并滤波，将驱动电流传输至所述驱动电流输出端；

S5、转换传感器输出电流：I-V转换与滤波电路接收电流式双向弯曲传感器发出的传感器输出电流，将传感器输出电流转化为输出电压Vout并将输出电压Vout传输至电压采集器件，该步骤包括：

S5.1、I-V转换：所述I-V转换与滤波电路接收经过传感器输出电流接收端的传感器输出电流，将传感器输出电流转换为输出电压Vout并将所述输出电压Vout滤波后传输至电压采集器件；

S6、误差值比较：核心控制器件读取初始化期望输出值Vexpect、误差值ε和输出电压Vout，并计算△V＝Vexpect–Vout，对|△V|和ε进行对比，若|△V|<ε则进入更新电压调节设定值记录Urec的步骤；

S7、若|△V|大于等于ε且△V<0则核心控制器件读取调整步长△U并计算Ud＝Ud-△U，向电压调节器件输出计算后的驱动电压信息Ud，然后进入输出驱动电流的步骤；

S8、若|△V|大于等于ε且△V>0则核心控制器件读取调整步长△U并计算Ud＝Ud+△U，并向电压调节器件输出计算后的驱动电压信息Ud，然后进入输出驱动电流的步骤；

S9、更新电压调节设定值记录Urec：核心控制器件将当前驱动电压信息 Ud保存到非易失存储器件并替换原有的电压调节设定值记录Urec。

综上所述，本实用新型具有以下有益效果：

驱动装置上电启动后，核心控制器件读取非易失存储器件内的电压调节设定值记录Urec，并根据电压调节设定值记录Urec向电压调节器件传输驱动电压指令数据，电压调节器件接收电压指令数据后，向驱动电压整形电路传输驱动电压信息Ud，并根据电压调节设定值记录Urec向驱动电压整形电路输出驱动电压信息Ud，驱动电压整形电路对驱动电压信息Ud整形后，将驱动电压信息Ud输出至V-I转换与滤波电路，V-I转换与滤波电路将驱动电压转换为驱动电流并滤波后，将驱动电流传输至驱动电流输出端，通过驱动电流输出端将驱动电流传输至电流式双向弯曲传感器，从而利用驱动电流驱动电流式双向弯曲传感器工作。

电流式双向弯曲传感器采集信息后通过传感器输出电流接收端将包含所采集信息的传感器输出电流输送至I-V转换与滤波电路，I-V转换与滤波电路将传感器输出电流转换为输出电压Vout并将输出电压Vout滤波后传输至中央控制器电路的电压采集器件。

然后，核心控制器件读取存储器内的初始化期望输出值Vexpect、误差值ε以及电压采集器件接收到的输出电压Vout，计算△V＝Vexpect–Vout，对比|△V|和ε，若|△V|<ε则将当前驱动电压信息Ud保存到非易失存储器件并替换原有的电压调节设定值记录Urec，从而完成电压调节设定值记录 Urec的更新。通过调节驱动电流的手段，实现自动调节电路参数的功能，达到了提高测量效率和生产效率的效果。调节电流式双向弯曲传感器的输出，使实际输出值等于期望输出值。即通过该驱动装置，可以在电流式双向弯曲传感器处于自然伸直的状态实现自动归零初始化的功能，使得每一个电流式双向弯曲传感器在自然伸直状态时的输出值是一致的，在驱动电流式双向弯曲传感器时直接达到消弭传感器个体差异的目的。

在使用过程中无需再调整电路参数，就可以适配不同型号的电流式双向弯曲传感器，极大地提高了生产效率、测量效率。

还可以为外部测量应用装置提供信息，便于外部测量应用装置更好地进行测量。

该驱动装置作为外部测量应用装置与电流式双向弯曲传感器的中间层，将二者连接起来，形成了整体闭环的结构。实质上是对电流式双向弯曲传感器与外部测量应用装置二者之间的解耦，对外部测量应用装置来说，不论怎么更换电流式双向弯曲传感器，电流式双向弯曲传感器的初始值都是统一的，这种闭环～解耦的思想可以应用在更多的应用场景当中。

电流式双向弯曲传感器向回音壁阻断槽一侧弯曲时，传感器输出电流减少；往光线逸散槽一侧弯曲时，传感器输出电流增加。而在测试之前，使电流式双向弯曲传感器处于自然伸直状态，这就意味着经过自动归零初始化后电流式双向弯曲传感器的初始值不是最小值，而是中位值，即在使用不同的电流式双向弯曲传感器自然伸直状态下，每一个电流式双向弯曲传感器都能够输出近似相等的输出电压Vout，这在本质上别于市场上现有的驱动装置。因为在被测物体双向弯曲时，数据是连续单调变化的，因此对于测量双向弯曲来说，对双向弯曲传感器在自然伸直状态下的输出值进行自动归零初始化是必要的(这里提出的“归零”不是指电流值或电压值等于零，而是指在固定的测量应用场景下，使得：双向弯曲传感器在自然伸直状态时的输出值 Vout-初始化期望输出值Vexpect<误差ε)，即自然伸直状态下，每一个双向弯曲传感器都能够输出近似相等的Vout。电流式双向弯曲传感器处于自然伸直的状态即为初始状态，能起到方便测量的效果。

电压调节设定值记录Urec存储于非易失存储器件，在下次测量时，能再次利用该电压调节设定值记录Urec，起到方便测量和减小测量误差的效果。

通过编程预设初始化期望输出值Vexpect、调整步长△U、电压调节设定值记录Urec、误差值ε，可针对不同的传感器和外部测量应用装置进行适应性的调节，能起到提高适用性的效果。

本具体实施例仅仅是对本实用新型的解释，其并不是对本实用新型的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本实用新型的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (1)

1.电流式双向弯曲传感器驱动装置，其特征在于：包括中央控制器电路、驱动电压整形电路、V-I转换与滤波电路和I-V转换与滤波电路，所述中央控制器电路包括核心控制器件、非易失存储器件、电压调节器件、电压采集器件和通信单元，所述非易失存储器件内储存有初始化期望输出值Vexpect、调整步长△U、电压调节默认值Udefault、电压调节设定值记录Urec和误差值ε，所述核心控制器件与非易失存储器件、电压调节器件和电压采集器件电性连接，所述核心控制器件与通信单元通信连接，所述驱动电压整形电路两端分别与电压调节器件和V-I转换与滤波电路电性连接，所述V-I转换与滤波电路设有驱动电流输出端，所述I-V转换与滤波电路和中央控制器电路的电压采集器件电性连接，所述I-V转换与滤波电路设有传感器输出电流接收端。

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