一種陣列式溫度觸覺傳感裝置的製作方法

2023-10-11 23:57:44

專利名稱：一種陣列式溫度觸覺傳感裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及虛擬實境技術中的觸覺感知，尤其是陣列式的溫度覺感知裝置，該裝置可實現溫度覺的機器人感知，屬於機器人測控領域。
背景技術：
隨著電子信息技術的飛速發展，虛擬實境技術作為當前信息技術領域研究的前沿和熱點，成為二十一世紀最令人鼓舞的信息應用技術之一。「多感知、交互性和臨場感」是理想的虛擬實境系統所追求的目標。技術的重要性已經被廣泛認識並得到深入研究，不斷優化和完善的力觸覺算法及柔性、紋理觸覺復現裝置已能夠較好地模擬虛擬場景物體柔性、 紋理力觸覺特性，而形狀觸覺、溫度觸覺等觸覺可以感知物體的形狀特性、熱量屬性等，在該領域的人機互動技術研究尚少。觸覺是人類感知外部世界的重要手段。溫度覺作為觸覺的一種在人的整個感知系統中發揮著重要作用，人手觸摸不同熱屬性的物體時有著不同的溫度感覺，據此人可以判斷出物體的熱屬性。到目前為止，國內外對觸覺的研究都集中於力觸覺，力觸覺再現裝置的研究已比較透徹。而溫度覺作為力觸覺的主要輔助手段，在觸覺建立過程中發揮了重要的作用，在虛擬實境技術中加入溫度覺可以增強人的臨場感和沉浸感。溫度觸覺感知技術是一項新興的研究方向，所涉及的學科眾多，跨越的學科有機械、材料、電子學等多個方面。溫度觸覺感知技術的深入研究，將會進一步加強其在醫學、軍事、機器人仿真、工業製造、教育及其娛樂各領域的廣泛應用。由於溫度覺感知裝置中涉及熱量的傳遞和溫度的感知，為得到物體的熱屬性，裝置對溫度測量精度和解析度提出了較高的要求，而為了進一步得到物體不同位置材質所表現出的熱屬性，則對溫度覺感知裝置提出了較高的空間分辨能力要求，陣列式溫度觸覺傳感裝置能夠同時提供一定空間範圍內的溫度信息，為實現材料熱傳導特性和多材質物體熱屬性識別提供了手段。為實現對一定區域內的參數進行測量，通常採用集總參數傳感器陣列式分布測量和分布參數平面式傳感器直接測量實現，其中分布式通常採用電阻抗成像(EIT)來實現測量，其具有空間解析連續的優點，但其單點測量易受相鄰位置參數的影響，因而很難實現高精度測量。集總參數傳感器陣列式分布測量對各個單獨位置上的參數進行測量，空間解析不連續，但傳感器所處位置的測量結果受附件參數交叉幹擾小，可實現精確測量，而沒有分布傳感器的位置可採用擬合的方法推導得到。目前國內外在陣列式傳感器方面主要用於觸點位置定位以及該點壓力大小的研究，其傳感方式常用光電式、觸點式、電容式、電感式、壓阻式和微機械式等。就陣列式溫度覺傳感器而言，1995年Franco Castelli設計了一種8 X 8陣列尺寸為18mmX 18mm觸覺傳感器，其中包括的溫度覺感知元件採用銅熱敏電阻，可應用於被接觸物體的材質熱屬性識別。1996年Li Ping採用非掃描方式設計了一種具有快速響應的非掃描方式的觸覺傳感器陣列，將力、壓力、溫度和生化傳感功能集成在一起，採用壓電諧振器作為感知元件。2005年Hidekimi Takao設計了矽基多功能智能觸覺圖像陣列傳感器，其具有應力和溫度感知功能，在3. 04mmX 3. 04mm範圍內實現了 6 X 6個傳感器的集成，在力、 壓力測量以及力和溫度觸點定位取得較好結果。2009年Chia Hsien Lin設計了一種具有熱、力和微振動傳感功能的仿生觸覺傳感器陣列，同時採集溫度信號的交直流部分，主要通過交流部分材質進行識別，對銅、鋁、鋼和塑料取得了較好的識別效果。採用(FTI溫度*傳感*陣列)+ (FTI溫度觸覺傳感)檢索，國內基於溫度的觸覺感知方面專利有CN200910034949和CN201010i;34052，CN200910034949基於單個點的溫度感知，其尺寸較大而不是陣列式。CN201010134052採用陣列波導光柵進行溫度傳感，與本裝置採用的方法不同。目前國內還沒有基於溫度敏感電阻器件的陣列式溫度觸覺傳感裝置。

發明內容
針對溫度觸覺感知的需要，本發明提出了一種陣列式溫度觸覺傳感裝置。該裝置可快速對一定空間範圍內的溫度分布及其變化進行動態測量，具有溫度測量精度高、速度快、空間解析度好、抗幹擾性能優良的特點。本發明採用如下技術方案
一種陣列式溫度觸覺傳感裝置，包括溫度敏感陣列、行多路選擇器及列多路選擇器、 反饋驅動隔離電路，所述的溫度敏感陣列由按照陣列分布的作為溫度敏感單元的溫度敏感電阻Rij構成，其中，I為行數，#為列數，i=l、2、…、見j=l、2、…、見溫度敏感電阻 Rij的一端與行多路選擇器的yu端連接，另一端與列多路選擇器的Yiu端連接，行多路選擇器的iiu、A2、…、％^埠和列多路選擇器的l3H1、bH2、…、bHN埠都與反饋驅動隔離電路的輸出電壓Vf相連，列多路選擇器的％1、aH2、…、埠都與測試電壓V1相連，行多路選擇器的bu、bL2,…、埠相連並與反饋驅動隔離電路的輸入端以及採樣電阻&的一端相連，採樣電阻&的另一端接地，行多路選擇器及列多路選擇器分別由行控制信號和列控制信號控制，所述反饋驅動隔離電路的輸入端作為測量電壓Vu的輸出埠。本發明採用溫度傳感陣列分布式結構，陣列可大於5X5，陣列中每一個測溫電阻一端與所在的列線相連，另一端與所在的行線相連，其陣列分布的形狀可為矩形、圓形、橢圓形、三角形等形狀。溫度傳感器採用微小尺寸NTC溫度敏感電阻，單個NTC電阻的平面尺寸不大於2mmX2mm。為消除相鄰溫度點的測量幹擾，設計了多路選擇器、反饋驅動隔離電路實現反饋驅動隔離技術對每一個溫度敏感電阻進行隔離測量，每秒鐘可掃描測量100個以上的溫度點。本發明以溫度觸覺傳感器陣列作為溫度感知的核心，溫度敏感單元採用微小尺寸測溫型高精度NTC電阻，其平面尺寸不大於2mmX 2mm ；具有陣列交叉分布式結構，共同組成一個NXM矩陣，陣列大於5X5，陣列中每一個測溫電阻一端與所在的列線相連，另一端與所在的行線相連，其陣列分布的形狀可為矩形、圓形、橢圓形、三角形等形狀；測量控制電路包括多路選擇器和反饋驅動隔離電路，多路選擇器、反饋驅動電路採用逐一掃描方式從陣列式傳感器中隔離出所要測量的溫度傳感單元，並將該傳感單元的溫度信號轉換的電壓信號，並把該電壓信號作為本裝置的輸出量。採用反饋驅動隔離測量技術，對陣列中的每一個溫度傳感單元採用電路自動先分壓驅動，而後反饋，再分壓，再反饋的方式將溫度傳感單元從陣列中虛擬隔離出來測量，並將最終穩定電壓輸出給後繼測量電路，單個溫度傳感器的隔離驅動掃描測量時間小於10ms(l U s)。本發明裝置的工作原理行控制信號和列控制信號分別控制行多路選擇器1、列多路選擇器2的每個選擇單元的選擇情況。陣列中溫度傳感器檢測各自所處位置的溫度， 並將溫度變化轉換為相應電阻變化。根據所要測量的電阻在陣列中所處的位置，列控制信號控制列多路選擇器選擇被測電阻相應列與所要加載測試電壓VI相連，忽略列多路選擇器的導通電阻，此時該列電壓與所加載測試電壓相等，而其它列j與反饋電壓VF相連，這些列上的電壓值與VF相等，而後行控制信號控制行多路選擇器選擇被測電阻相應行i與分壓電阻RS相連，其它行也與反饋電壓線相連通，忽略行多路選擇器的導通電阻，這些行上的電壓值也與VF相等，測試電壓VI通過被測電阻Rij連接到分壓採樣電阻RS到信號地，在被測電阻和分壓採樣電阻連接處的電壓Vij=RSVI/(RS+Rij)，將該電壓通過運放跟隨並進行電流放大後輸出為反饋電壓VF，VF與Vij數值相等，但相互隔離，VF通過反饋電壓線傳輸給列多路選擇器和行多路選擇器進行反饋，通過電路自動反饋最後將被測電阻Rij從陣列中隔離出來，其溫度所對應的Vij與陣列上的其他溫敏電阻阻值無關，並把Vij作為本裝置的輸出量。而後再通過控制信號選擇下一個熱敏電阻進行逐一掃描測量，最終完成陣列中所有熱敏電阻的測量。該裝置的行多路選擇器和列多路選擇器可互換，此時兩個多路選擇器與外圍測試電壓源，採樣電阻和反饋驅動隔離電路的連接方式相應進行互換。該隔離驅動反饋技術要求，列多路選擇器和行多路選擇器的導通電阻阻值與被測電阻阻值和測量精度要求相比可忽略，反饋驅動電路的驅動能力足夠驅動陣列中除被測電阻以外的電阻以實現虛擬隔離，同時反饋驅動電流導致的溫敏電阻溫升影響可忽略。與現有技術相比，本發明的有益效果在於
1、採用陣列式溫度傳感結構，可對一定空間範圍內的溫度分布及其變化進行傳感；
2、採用交叉式陣列結構，與NXM個溫度傳感器的連線數目為N+M根，可大大減少溫度傳感器陣列檢測所需連線數目。3、陣列式溫度觸覺傳感裝置的溫度場空間解析度高，相鄰點間距可優於2mm ；
4、採用反饋隔離驅動測量技術，可快速對陣列中的所有溫度點的溫度及其變化進行測量，每秒鐘可掃描測量陣列中100個以上的溫度點，相鄰溫度點交叉幹擾小，測量精度高， 抗噪聲幹擾能力強。


下面結合附圖和具體實施方式
對本發明做進一步的闡述。圖1是本發明單一個溫敏電阻測量電路示意圖； 圖2是本發明的多路選擇器的示意圖3是本發明的多路選擇器的控制時序圖； 圖4是本發明反饋隔離驅動測量電路示意圖； 圖5是傳感器陣列的矩形排列方式示意圖； 圖6是傳感器陣列的三角形排列方式示意圖； 圖7是傳感器陣列的圓形排列方式示意圖；圖8是傳感器陣列的橢圓形排列方式示意圖； 圖9為單個手指側按在溫度傳感器陣列表面的溫度傳感結果圖； 圖10為四個手指按溫度傳感器陣列四個角的溫度傳感結果圖； 圖11為單個手指按溫度傳感器陣列中心的溫度傳感結果圖。
具體實施例方式一種陣列式溫度觸覺傳感裝置，包括溫度敏感陣列、行多路選擇器1及列多路選擇器2、反饋驅動隔離電路3，所述的溫度敏感陣列由按照陣列分布的作為溫度敏感單元的溫度敏感電阻Rij構成，其中，I為行數，#為列數，i=l、2、…、見j=l、2、…、見溫度敏感電阻Rij的一端與行多路選擇器的yu端連接，另一端與列多路選擇器2的端連接， 行多路選擇器1的 ^知、…、埠和列多路選擇器2的bH1、bH2、…、bra埠都與反饋驅動隔離電路3的輸出電壓Vf相連，列多路選擇器2的％1、aH2、…、aHN埠都與測試電壓 V1相連，行多路選擇器1的bu、bL2,…、埠相連並與反饋驅動隔離電路3的輸入端以及採樣電阻&的一端相連，採樣電阻&的另一端接地，行多路選擇器1及列多路選擇器2 分別由行控制信號和列控制信號控制，所述反饋驅動隔離電路3的輸入端作為測量電壓Vij 的輸出埠，
在本實施例中，
反饋驅動隔離電路3是由跟隨器和驅動放大電路共同構成，跟隨器的輸出端和驅動放大電路輸入端連接，跟隨器的輸入端作為反饋驅動隔離電路3的輸入端，驅動放大電路的輸出端作為反饋驅動隔離電路3的輸出端；
所採用溫度傳感陣列分布式結構，陣列大於5X5，其陣列分布的形狀可為矩形、圓形、 橢圓形、三角形等形狀。溫度傳感器陣列採用交叉結構，陣列中每一個測溫電阻一端與所在的列線相連，另一端與所在的行線相連，NXM個溫度傳感器檢測所需的連線數目為N+M根， 可減少所有溫度點檢測所需的連線數。陣列中的單個溫度傳感器採用微小尺寸NTC溫度敏感電阻，其平面尺寸不大於 2mm X 2mm,其熱容量小，對被測對象的影響小。本發明的行多路選擇器能夠按照設定程序控制某一行的連通狀態，列多路選擇器也能夠按照設定程序控制某一列的連通狀態，選擇器切換速度快，靈敏度高，如此便能夠迅速定位到想要測量的溫度傳感單元。下面參照附圖，對本發明的具體實施方案做出更為詳細的說明
圖1是本發明所採用的電阻測量電路原理圖，採樣分壓法測量。對採樣電阻Ru和分壓電阻&加一精密恆定電壓V1到地，該電壓V1在兩電阻上產生分壓，在採樣電阻上取得的電壓值Vij與兩電阻的比值相關聯，最終值為Vij=RsV1ARJRij)，通過已知電壓％、已知電阻& 和測量所得電壓Vij，可求解出1^_。通過對該電阻值查表可得該電阻所處位置對應的溫度值。圖2為本發明所採用的多路選擇器的示意圖，如圖，多路選擇器的三根控制線S」 S2、&作為控制信號的輸入端，ai、I^a2A2、a3、b3端為多路選擇器的輸入擇端，yi、y2、端為多路選擇器的輸出端，S1控制選擇ai、Id1兩個輸入的其中一個作為yi的輸出，&控制選擇％、b2兩個輸入的其中一個作為y2的輸出，&控制選擇a3、b3兩個輸入的其中一個作為 Y3的輸出。圖3為本發明所採用的多路選擇器的控制，如圖，Si為多路選擇器輸入的控制信號線，Bi, bi為多路選擇器的輸入信號線，Yi為多路選擇器的輸出信號線，由Si輸入的控制信號來控來制選擇^、h兩個輸入信號的其中一個作為Yi的信號輸出。如時序圖所示，當 Si=O W Yi=Bi，當Si=I時yi=bi，即當Si輸入為0時，多路選擇器選擇 端與yi端相連，當 Si輸入為1時，多路選擇器選擇bi端與71端相連。由此可以得出邏輯方程71 = Si &
Si & b」 於是便可得出圖 2 中 yi = ^S1 & EI1 I S1 & b1; y2 = & & a2 | & & b2，y3 = S3 & a3 I S3 & b3。圖4為本發明所採用的反饋隔離驅動測量電路原理圖。如果對單個或陣列中所有的測溫電阻都用兩根線單獨連接則可採用分壓法進行測量(如圖1所示)，則所有的測溫電阻共需要2NXM根連接線才能完成測量。當採用交叉式陣列結構，即陣列中每一個測溫電阻一端與所在的列線相連，另一端與所在的行線相連，則NXM個溫度傳感器的連接線數目為N+M根，可大大減少電阻陣列測量所需連線數目。但該接線方式同時也給陣列中所有電阻的測量帶來了問題，陣列中相鄰電阻對被測電阻的測量產生影響，使得該電阻測量難以準確。為消除相鄰電阻對被測電阻的影響，通常需採用運放放大器虛地隔離電流電壓轉換法進行測量，該類方法需要在每根測試輸出線加上運放放大器以實現虛地隔離，所需的運放數將大大增加。在此採用了反饋隔離驅動技術進行虛擬隔離被測電阻，具體如下根據所要測量的電阻在陣列中所處的位置，列控制信號控制列多路選擇器選擇被測電阻相應列與所要加載測試電壓V1相連，忽略列多路選擇器的導通電阻，此時該列電壓與所加載測試電壓相等，而其它列j與反饋電壓Vf相連，這些列上的電壓值與Vf相等，而後行控制信號控制行多路選擇器選擇被測電阻相應行i與分壓電阻相連，其它行也與反饋電壓線相連通， 忽略行多路選擇器的導通電阻，這些行上的電壓值也與Vf相等，測試電壓V1通過被測電阻 Rij連接到分壓採樣電阻&到信號地，在被測電阻和分壓採樣電阻連接處的電壓Vu=IisV1/ (Rs+Rij)，將該電壓通過運放跟隨並進行電流放大後輸出為反饋電壓VF，Vf與Vij數值相等， 但相互隔離，Vf通過反饋電壓線傳輸給列多路選擇器和行多路選擇器進行反饋，通過電路自動反饋最後將被測電阻Rij從陣列中隔離出來，其溫度所對應的Vij與陣列上的其他溫敏電阻阻值無關，並把Vij作為本裝置的輸出量。而後通過控制信號選擇下一個熱敏電阻進行測量，如此逐一掃描測量，最終完成陣列中所有熱敏電阻的測量。圖5為本發明所採用的矩形陣列分布形狀示意圖，熱敏電阻傳感器可按照需要排列成矩形陣列。圖6為本發明所採用的三角形陣列分布形狀示意圖，熱敏電阻傳感器可按照需要排列成三角形陣列。圖7為本發明所採用的圓形陣列分布形狀示意圖，熱敏電阻傳感器可按照需要排列成圓形陣列。圖8為本發明所採用的橢圓形陣列分布形狀示意圖，熱敏電阻傳感器可按照需要排列成橢圓形陣列。圖9為單個手指側按在溫度傳感器陣列表面的溫度傳感結果圖，圖中的平面坐標為熱敏電阻傳感器所對在的位置，縱坐標為AD的轉換值減去基數後的值。手指與溫度傳感器間存在熱傳導，因此溫度傳感器能夠感知其所處位置手指的溫度。同時陣列中相鄰溫度傳感器之間有熱傳導，在手指的邊界處溫度較低，而手指中心處溫度較高。圖10為四個手指按溫度傳感器陣列四個角的溫度傳感結果，圖中的平面坐標為熱敏電阻傳感器所對在的位置，縱坐標為AD的轉換值減去基數後的值。可見該溫度觸覺傳感裝置能夠感受多個熱源的溫度分布。圖11為單個手指按溫度傳感器陣列中心的溫度傳感結果，圖中的平面坐標為熱敏電阻傳感器所對在的位置，縱坐標為AD的轉換值減去基數後的值。圖 Γ圖11的結果表明，陣列式溫度感知裝置能較好的溫度傳感能力，溫度場空間解析度較高。
權利要求
1.一種陣列式溫度觸覺傳感裝置，其特徵在於，包括溫度敏感陣列、行多路選擇器 (1)及列多路選擇器(2)、反饋驅動隔離電路(3)，所述的溫度敏感陣列由按照陣列分布的作為溫度敏感單元的溫度敏感電阻Rij構成，其中，I為行數，#為列數，i=l、2、…、Μ, j=l、2、…、見溫度敏感電阻Rij的一端與行多路選擇器的yu端連接，另一端與列多路選擇器(2)的yHj端連接，行多路選擇器(1)的iiu、aL2,…、埠和列多路選擇器(2)的bH1、 bH2、…、bra埠都與反饋驅動隔離電路(3)的輸出電壓Vf相連，列多路選擇器(2)的知、 aH2>…、 %埠都與測試電壓V1相連，行多路選擇器(1)的bu、bL2、…、1 埠相連並與反饋驅動隔離電路(3)的輸入端以及採樣電阻&的一端相連，採樣電阻&的另一端接地， 行多路選擇器(1)及列多路選擇器(2)分別由行控制信號和列控制信號控制，所述反饋驅動隔離電路(3)的輸入端作為測量電壓Vu的輸出埠。
2.根據權利要求1所述的陣列式溫度觸覺傳感裝置，其特徵在於反饋驅動隔離電路 (3)是由跟隨器和驅動放大電路共同構成，跟隨器的輸出端和驅動放大電路輸入端連接，跟隨器的輸入端作為反饋驅動隔離電路(3)的輸入端，驅動放大電路的輸出端作為反饋驅動隔離電路(3)的輸出端。
3.根據權利要求1所述的陣列式溫度觸覺傳感裝置的陣列交叉分布式結構，其特徵在於採用溫度傳感陣列分布式結構，陣列大於5X5，其陣列分布的形狀可為矩形、圓形、橢圓形、三角形等形狀；溫度傳感器陣列採用交叉結構，陣列中每一個測溫電阻一端與所在的列線相連，另一端與所在的行線相連，NXM個溫度傳感器檢測所需的連線數目為N+M根，可減少所有溫度點檢測所需的連線數。
全文摘要
本發明公開了一種陣列式溫度觸覺傳感裝置，採用微小尺寸NTC溫度敏感器件(如測溫型高精度NTC電阻)作為溫度敏感單元。採用溫度傳感器陣列分布式交叉結構，陣列分布的形狀可為矩形、圓形、橢圓形、三角形等形狀，陣列中每一個測溫電阻一端與所在的列線相連，另一端與所在的行線相連，N×M個溫度傳感器檢測所需的連接線數目為N+M根，可大大減少溫度傳感器陣列檢測連線數。採用多路電子模擬開關、反饋驅動隔離電路從陣列中虛擬隔離出每一個溫度敏感電阻器件，並通過該溫度敏感電阻實現該點溫度的精確測量，通過逐一高速掃描測量陣列中的每個器件實現陣列上所有溫度點的快速測量。該陣列式溫度觸覺傳感裝置可同時動態測量一定空間範圍內的溫度信號，具有溫度測量精度高、速度快，空間解析度好，抗噪聲幹擾性能優良的特點。
文檔編號G01K7/24GK102322974SQ20111014896
公開日2012年1月18日 申請日期2011年6月3日 優先權日2011年6月3日
發明者於忠洲, 吳劍鋒, 李建清 申請人:東南大學