阻性復(fù)合傳感器陣列的讀出電路及其讀出方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及傳感器技術(shù)領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種阻性復(fù)合傳感器陣列的讀出電路及其 讀出方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 陣列式傳感裝置就是將具有相同性能的多個(gè)傳感元件，按照二維陣列的結(jié)構(gòu)組合 在一起，它可W通過(guò)檢測(cè)聚焦在陣列上的參數(shù)變化，改變或生成相應(yīng)的形態(tài)與特征。運(yùn)個(gè)特 性被廣泛應(yīng)用于生物傳感、溫度觸覺(jué)和基于紅外傳感器等的熱成像等方面。
[0003] 阻性傳感陣列被廣泛應(yīng)用于紅外成像仿真系統(tǒng)、力觸覺(jué)感知與溫度觸覺(jué)感知。W 溫度觸覺(jué)為例，由于溫度覺(jué)感知裝置中設(shè)及熱量的傳遞和溫度的感知，為得到物體的熱屬 性，裝置對(duì)溫度測(cè)量精度和分辨率提出了較高的要求，而為了進(jìn)一步得到物體不同位置材 質(zhì)所表現(xiàn)出的熱屬性，則對(duì)溫度覺(jué)感知裝置提出了較高的空間分辨能力要求。
[0004] 阻性傳感陣列的質(zhì)量或分辨率是需要通過(guò)增加陣列中的傳感器的數(shù)量來(lái)增加的。 然而，當(dāng)傳感器陣列的規(guī)模加大，對(duì)所有元器件的信息采集和信號(hào)處理就變得困難。一般情 況下，要對(duì)一個(gè)MXN陣列的所有的阻性傳感器的進(jìn)行逐個(gè)訪(fǎng)問(wèn)，而每個(gè)阻性傳感器具有兩 個(gè)端口，共需要2XΜXN根連接線(xiàn)。運(yùn)種連接方式不僅連線(xiàn)復(fù)雜，而且每次只能選定單個(gè)待 測(cè)電阻，掃描速度慢，周期長(zhǎng)，效率低。為降低器件互連的復(fù)雜性，可W引入共用行線(xiàn)與列線(xiàn) 的二維陣列，將掃描控制器與單個(gè)運(yùn)算放大電路和多路選擇器結(jié)合，盡管如此，還是只能實(shí) 現(xiàn)單個(gè)待測(cè)電阻的測(cè)量，因此如何在每次掃描中同時(shí)選取多個(gè)待測(cè)電阻就成了一道需要攻 克的難題。
[0005] 關(guān)于電阻式傳感陣列的檢測(cè)研究，2006年R.S.Saxena等人提出了基于紅外熱成像 的陣列檢測(cè)技術(shù)，測(cè)試結(jié)構(gòu)是基于電阻傳感網(wǎng)絡(luò)配置，基于電阻的線(xiàn)性與齊次性使用補(bǔ)償 網(wǎng)絡(luò)定理和疊加網(wǎng)絡(luò)定理開(kāi)發(fā)了該電阻網(wǎng)絡(luò)的理論模型。使用16X16陣列網(wǎng)絡(luò)熱福射計(jì)陣 列驗(yàn)證，僅使用32個(gè)引腳，已經(jīng)證實(shí)，該模型針對(duì)器件損壞或器件值的微小變化都可W有效 分辨，它具有一定精度，但是在檢測(cè)速度上依然存在技術(shù)缺陷。2009年Y.J.化ng等人提出了 一個(gè)32X32陣列的溫度和觸覺(jué)傳感陣列，用于機(jī)械手臂的人造皮膚，在陣列網(wǎng)絡(luò)中加入多 路選擇器，行選擇與列選擇速度大大加快，最大檢測(cè)速率能夠達(dá)到每秒3000個(gè)傳感單元，但 該陣列的檢測(cè)每次也只能檢測(cè)單個(gè)待測(cè)單元，檢測(cè)效率成為最大的技術(shù)瓶頸。
[0006] -篇中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利(CN201110148963.2)公開(kāi)了一種陣列式溫度觸覺(jué)傳感裝置，采 用電阻傳感陣列實(shí)現(xiàn)溫度觸覺(jué)的傳感，其反饋驅(qū)動(dòng)隔離電路將待測(cè)電阻所在行的電壓經(jīng)行 選擇器后的端電壓VSG反饋回非選定行線(xiàn)與列線(xiàn)，雖然對(duì)精度有一定程度改善，但并未在檢 測(cè)速度上有所突破。另有中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利CN201410183065《一種增強(qiáng)電壓反饋的阻性傳感陣 列的檢測(cè)電路》，它在專(zhuān)利CN201110148963.2的基礎(chǔ)上將掃描控制器、反饋電路、行多路選 擇器及列多路選擇器結(jié)合，其中反饋電路由單個(gè)運(yùn)算放大器及分壓電路組成，分壓電路中 電阻R1與電阻R2選用特定阻值的電阻，將電阻R1與電阻R2的比值限定為R1:R2 =化:Rs，其 中，化表示行多路選擇器的通道內(nèi)阻，I?s表示采樣電阻。該方法雖然可W有效減小待測(cè)電阻 的相鄰列電阻和列多路選擇器的內(nèi)阻對(duì)被測(cè)電阻測(cè)量的干擾，顯著提高其測(cè)量精度，但依 然每次只能選定單個(gè)待測(cè)電阻，所W在檢測(cè)速度上，還需要更進(jìn)一步的改進(jìn)提高。
[0007] 隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，目前出現(xiàn)了一類(lèi)阻性復(fù)合傳感器，每一個(gè)傳感器由多個(gè) 二端阻性敏感單元構(gòu)成，可同時(shí)對(duì)多個(gè)相同或不同的物理量進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)于由此類(lèi)阻性復(fù) 合傳感器所組成的傳感器陣列，如采用傳統(tǒng)的電壓反饋法進(jìn)行掃描測(cè)量，同樣單次測(cè)量只 能獲得單個(gè)阻性敏感單元的電阻，檢測(cè)速度較低。此外，由于傳感器陣列中的阻性敏感單元 數(shù)量更大，由此也帶來(lái)了組陣所需的連線(xiàn)數(shù)量過(guò)多，復(fù)雜度過(guò)高的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種阻性復(fù)合傳感器陣 列的讀出電路及其讀出方法，針對(duì)由阻性復(fù)合傳感器所構(gòu)成的二維陣列，基于雙電壓反饋 法，提高單次檢測(cè)所能讀取的阻性敏感單元的數(shù)量，從而提高檢測(cè)速度，同時(shí)有效降低傳感 系統(tǒng)的復(fù)雜度。
[0009] -種阻性復(fù)合傳感器陣列的讀出電路，所述阻性復(fù)合傳感器陣列為MXN個(gè)阻性復(fù) 合傳感器所構(gòu)成的二維陣列；每個(gè)阻性復(fù)合傳感器包括2K+1個(gè)二端阻性敏感單元，每個(gè)阻 性敏感單元的一端接入該阻性復(fù)合傳感器的公共端點(diǎn)，另一端為一個(gè)獨(dú)立端點(diǎn)，每個(gè)阻性 復(fù)合傳感器共有2K+2個(gè)端點(diǎn)；同一列阻性復(fù)合傳感器的公共端點(diǎn)相互連接，構(gòu)成該列阻性 復(fù)合傳感器的共用列線(xiàn)，同一行阻性復(fù)合傳感器中第i個(gè)阻性敏感單元的另一端相互連接， 構(gòu)成該行阻性復(fù)合傳感器的第i條共用行線(xiàn)，i= 1，2，…，2K+1;K為非零自然數(shù);所述讀出電 路包括:行多路選擇器、列多路選擇器、掃描控制器、第一電壓反饋驅(qū)動(dòng)電路、第二電壓反饋 驅(qū)動(dòng)電路、采樣電阻、測(cè)試電壓輸入端;采樣電阻一端接地，另一端連接第一電壓反饋驅(qū)動(dòng) 電路的輸入端;每一行阻性復(fù)合傳感器的2K+1條共用行線(xiàn)預(yù)先按照相同的分組方式被分為 兩組;對(duì)于屬于第一組的共用行線(xiàn)，行多路選擇器可在掃描控制器控制下使得其中任一共 用行線(xiàn)與測(cè)試電壓輸入端接通而與第二電壓反饋驅(qū)動(dòng)電路的輸出端斷開(kāi)，或者與第二電壓 反饋驅(qū)動(dòng)電路的輸出端接通而與測(cè)試電壓輸入端斷開(kāi);對(duì)于屬于第二組的共用行線(xiàn)，行多 路選擇器可在掃描控制器控制下使得其中任一共用行線(xiàn)與第一電壓反饋驅(qū)動(dòng)電路的輸入 端接通而與第二電壓反饋驅(qū)動(dòng)電路的輸出端斷開(kāi)，或者與第二電壓反饋驅(qū)動(dòng)電路的輸出端 接通而與第一電壓反饋驅(qū)動(dòng)電路的輸入端斷開(kāi);列多路選擇器可在掃描控制器控制下使得 任一共用列線(xiàn)與第二電壓反饋驅(qū)動(dòng)電路的輸入端接通而與第一電壓反饋驅(qū)動(dòng)電路的輸出 端斷開(kāi)，或者與第一電壓反饋驅(qū)動(dòng)電路的輸出端接通而與第二電壓反饋驅(qū)動(dòng)電路的輸入端 斷開(kāi)。
[0010] 優(yōu)選地，所述第一電壓反饋驅(qū)動(dòng)電路包括第一運(yùn)算放大器和第一驅(qū)動(dòng)電路，第一 運(yùn)算放大器的反相輸入端與第一運(yùn)算放大器的輸出端及第一驅(qū)動(dòng)電路的輸入端連接，第一 運(yùn)算放大器的同相輸入端、第一驅(qū)動(dòng)電路的輸出端分別作為第一電壓反饋驅(qū)動(dòng)電路的輸入 端、第一電壓反饋驅(qū)動(dòng)電路的輸出端;所述第二電壓反饋驅(qū)動(dòng)電路包括第二運(yùn)算放大器和 第二驅(qū)動(dòng)電路，第二運(yùn)算放大器的反相輸入端與第二運(yùn)算放大器的輸出端及第二驅(qū)動(dòng)電路 的輸入端連接，第二運(yùn)算放大器的同相輸入端、第二驅(qū)動(dòng)電路的輸出端分別作為第二電壓 反饋驅(qū)動(dòng)電路的輸入端、第二電壓反饋驅(qū)動(dòng)電路的輸出端。
[0011] 優(yōu)選地，每一行阻性復(fù)合傳感器的2K+1條共用行線(xiàn)被分為數(shù)量分別為Κ、Κ+1的兩 組。
[0012] 優(yōu)選地，所述行多路選擇器包括與阻性復(fù)合傳感器陣列的M(2K+1)條共用行線(xiàn)一 一對(duì)應(yīng)的M(2K+1)個(gè)二選一雙向模擬開(kāi)關(guān);根據(jù)共用行線(xiàn)的分組情況，運(yùn)M(2K+1)個(gè)二選一 雙向模擬開(kāi)關(guān)被分為相應(yīng)的兩組;對(duì)于第一組中的每一個(gè)二選一雙向模擬開(kāi)關(guān)，其公共輸 入/輸出端與其所對(duì)應(yīng)的共用行線(xiàn)連接，其兩個(gè)獨(dú)立輸入/輸出端分別與測(cè)試電壓輸入端、 第二電壓反饋驅(qū)動(dòng)電路的輸出端連接，其控制信號(hào)輸入端與掃描控制器連接;對(duì)于第二組 中的每一個(gè)二選一雙向模擬開(kāi)關(guān)，其公共輸入/輸出端與其所對(duì)應(yīng)的共用行線(xiàn)連接，其兩個(gè) 獨(dú)立輸入/輸出端分別與第一電壓反饋驅(qū)動(dòng)電路的輸入端、第二電壓反饋驅(qū)動(dòng)電路的輸出 端連接，其控制信號(hào)輸入端與掃描控制器連接。
[0013] 優(yōu)選地，所述列多路選擇器包括與阻性復(fù)合傳感器陣列的N條共用列線(xiàn)一一對(duì)應(yīng) 的N個(gè)二選一雙向模擬開(kāi)關(guān);對(duì)于每一個(gè)二選一雙向模擬開(kāi)關(guān)，其公共輸入/輸出端與其所 對(duì)應(yīng)的共用列線(xiàn)連接，其兩個(gè)獨(dú)立輸入/輸出端分別與第一電壓反饋驅(qū)動(dòng)電路的輸出端、第 二電壓反饋驅(qū)動(dòng)電路的輸入端連接，其控制信號(hào)輸入端與掃描控制器連接。
[0014] 如上任一技術(shù)方案所述讀出電路的讀出方法，掃描控制器控制列多路選擇器，使 得當(dāng)前掃描列阻性復(fù)合傳感器的共用列線(xiàn)與第二電壓反饋驅(qū)動(dòng)電路的輸入端接通而與第 一電壓反饋驅(qū)動(dòng)電路的輸出端斷開(kāi)，其余共用列線(xiàn)與第一電壓反饋驅(qū)動(dòng)電路的