一種陣列式小尺寸溫度傳感裝置*

吳劍鋒，王 蕾，李建清，于忠洲

(1.東南大學儀器與科學工程學院，南京 210096;2.南京電子技術研究所，南京 210039)

視覺、聽覺、觸覺、嗅覺和味覺是人類感知世界的重要方式，人類利用視覺和聽覺所具有的快速響應特性識別快速活動物體，通過主動方式的視覺、觸覺、嗅覺和味覺實現靜態或慢速運動物體或物質的識別。在機器探測未知世界過程中，視聽覺、觸覺成為主要的在線感知方式，通過視聽覺可以快速確定物體的外形、顏色和障礙物的存在，通過力觸覺可以感知物體力學特性，通過溫度觸覺可以感知物體的熱學特性。

用于外形識別、接觸點分布與定位、聲源定位、光源定位的陣列傳感器是當今研究的熱點［1－8］。從尺寸而言，現有的傳感器陣列向著小型化甚至微型化和集成化方向發展，現有的微型陣列傳感器可在19.2 mm×19.2 mm范圍內實現4096個傳感器及其檢測電路［9］。由于受到傳感器特性限制，溫度觸覺陣列傳感器還比較少見［10－17］，應用于溫度觸覺的陣列式傳感器有待于進一步研究，其中傳感器的動態響應速度、尺寸以及快速檢測方法是溫度觸覺陣列傳感器研究的關鍵。就溫度觸覺陣列傳感器而言，Franco Castelli［10］設計了一種 8×8 陣列尺寸為 18 mm×18 mm觸覺傳感器，其中包括的溫度觸覺感知元件采用銅熱敏電阻，可應用于被接觸物體的材質熱屬性識別。Li Ping［11］采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，采用壓電諧振器作為感知元件。Hidekuni Takao［12－13］設計了硅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3.04 mm×3.04 mm范圍內實現了6×6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。Chia Hsien Lin［14］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，同時采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。Akihiko Nagakubo［15］采用電阻抗成像方法檢測壓力變形問題，有效的解決了大變形物體觸點定位和接觸力的分布問題。Y.J.Yang［16］采用集成式溫度傳感器在160 mm×160 mm實現了32×32溫度觸覺傳感器陣列，較好實現了大尺寸溫度物體外形識別。

本文在對現有陣列式傳感裝置研究的基礎上，研制了一種8×16陣列式微小尺寸溫度傳感裝置，提出了一種溫度傳感器陣列檢測方法，減少了微小空間內溫度傳感器陣列中相鄰傳感器的相互耦合和干擾，可用于檢測空間微小尺寸溫度場分布，并可對具有一定溫度的被測物體外形進行識別。

1 陣列式小尺寸溫度傳感裝置組成

所設計的陣列式溫度感知裝置設有主控制器、溫度傳感器陣列及其測控電路，以溫度傳感器陣列作為溫度感知的核心，其中:溫度敏感單元采用微小尺寸測溫型高精度NTC電阻，單個元件的平面尺寸不大于2 mm×2 mm;具有陣列交叉分布式結構，共同組成一個8×16矩陣，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，其陣列分布的形狀根據需要設定;測量控制電路包括主控制器、多路開關、反饋驅動隔離電路，控制處理器采用含有模擬數字轉換器轉換模塊的控制器。圖1為設計所采用的反饋隔離驅動測量電路原理圖。

圖1 陣列式電阻反饋隔離驅動測量電路原理

2 陣列式電阻反饋隔離驅動測量方法

圖2是本設計所采用的電阻測量電路基本原理圖，采樣分壓法測量。對測溫電阻RXY和采樣電阻RS加一精密恒定電壓VI到地，該電壓VI在兩電阻上產生分壓，在采樣電阻上取得的電壓值VXY與兩電阻的比值相關聯，其電壓值符合

通過已知電壓VI、已知電阻RS和測量所得電壓VXY，可求解出RXY。通過對該電阻值查表可得該電阻所處位置對應的溫度值。對單個或陣列中每個測溫電阻都用兩根線單獨連接則可采用分壓法進行測量(如圖2所示)，則所有的測溫電阻共需要2N×M根連接線才能完成測量。

圖2 單個熱敏電阻的分壓法檢測原理圖

當采用交叉式陣列結構，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N×M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，通常需采用運算放大器虛地隔離電流電壓轉換法進行測量［9］，該類方法需要在每根測試輸出線加上運算放大器以實現虛地隔離，對運放數將大大增加。

反饋隔離驅動測量電路采用了反饋隔離驅動技術進行虛擬隔離被測電阻，具體如下:主控制器控制陣列溫度觸覺傳感裝置的工作方式，控制行列多路開關中每一個的斷開與閉合，對陣列中每一個溫敏電阻掃描測量，控制自身的A/D進行模擬數字轉換。陣列中溫度傳感器檢測各自所處位置的溫度，將溫度變化轉換為相應電阻變化。

如圖1所示，根據當前被測電阻在陣列中所處的位置，主控制控制列多路開關選擇被測電阻相應列與所要加載測試電壓VI相連，忽略列多路開關的導通電阻，此時該列電壓與所加載測試電壓相等，而其它列X與反饋電壓VF相連，這些列上的電壓值與VF相等。而后主控制控制行多路開關選擇被測電阻相應行Y與分壓電阻相連，其它行也與反饋電壓VF相連通，忽略行多路開關的導通電阻，這些行上的電壓值也與VF相等。因此除被測電阻所處的行線、列線以外的行線和列線的電壓都為VF。而測試電壓VI通過被測電阻RXY連接到分壓采樣電阻RS到信號地，在被測電阻和分壓采樣電阻連接處的電壓符合式(1)。將該電壓通過運放跟隨并進行電流放大后輸出為反饋電壓VF，VF與在VXY數值相等，但相互隔離，VF通過反饋電壓線傳輸給列多路開關和行多路開關進行反饋。

所有行線上電壓都為VF，所有非當前電阻所在列線上的電壓也為VF，因此這些列的電阻上都沒有電流通過，被虛擬隔離。我們僅需要考察當前被測電阻所在列的M個電阻。這M個電阻中的當前被測電阻上通過的電流為

如前所描述，其他剩余電阻上通過的電流都與當前行上的電阻無關，VI，RS是常數，VXY僅與RXY相關。電路自動反饋最后將被測電阻RXY從陣列中隔離出來，其溫度所對應的VXY與陣列上的其他溫敏電阻阻值無關。VXY經過跟隨放大輸出到主控制器的高速模擬數字轉換端口轉換為數字信號，完成RXY的測量，而后通過主控制器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。對該掃描驅動電路的進行了讀出速度測試，可達1 ksps，結果基本能保證準確，受硬件條件限制，更高的掃描速度對性能影響有待進一步改進電路驗證。

需要注意的是:該隔離驅動反饋技術要求列多路開關和行多路開關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，文中所采用的多路開關器件導通電阻為8 Ω，而采用的溫度傳感器為10 kΩ的NTC溫敏電阻，在相應溫度點電阻值溫敏系數至少為264 Ω/℃，因此該導通電阻可忽略。溫度其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，該隔離驅動反饋技術的特點在于:①采用陣列式溫度傳感結構，可對一定空間范圍內溫度分布及其變化進行傳感;②陣列式溫度觸覺傳感裝置的溫度場空間分辨率高，相鄰點間距可優于2 mm;③采用交叉式陣列結構，與N×M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;④采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，相鄰溫度點交叉干擾小，測量精度高，抗噪聲干擾能力強。

3 裝置實現和實驗結果

為驗證所設計的陣列式溫度感知裝置的測溫精度，將溫度傳感陣列和同型號單獨的參比電阻置于恒溫箱中，在從27℃到37℃多個溫度點進行對比實驗，結果如表1所示。由恒溫對比實驗結果可知，反饋隔離驅動測量方法具有較好的性能。

表1 恒溫對比實驗 單位:kΩ

為驗證所設計的陣列式溫度感知裝置(如圖3所示)功能，進行了溫度觸覺形狀識別測試實驗，結果如圖4～圖6所示。實驗中人手為柔性，對溫度傳感陣列施加一定的接觸力以確保兩者間保持有較好的接觸特性，若被測對象為剛性物體則需要將傳感器陣列設計為柔性陣列，以確保溫度傳感器陣列與被測量點的良好接觸。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的轉換值減去基數后的值。圖4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5為四個手指按溫度傳感器陣列四個角的溫度傳感結果。圖6為單個手指按溫度傳感器陣列中心的溫度傳感結果。

圖3 陣列式微小尺寸溫度傳感裝置實物照片

圖4 單個手指側按表面溫度傳感結果

圖5 四個手指按四個角的溫度傳感結果

圖6 單個手指按中心的溫度傳感結果

由于手與溫度傳感器間存在熱傳導，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，而中心處溫度較高。圖4～圖6的結果表明，陣列式溫度感知裝置能較好的溫度傳感能力，溫度場空間分辨率較高。

4 結束語

陣列式溫度傳感裝置可用于檢測一定空間內分布的溫度，然而小型化和相鄰傳感點的相互干擾消除是需要解決的難題，本文研制了一種陣列式小尺寸溫度傳感裝置，采用陣列式微小熱敏電阻進行溫度傳感，提出了反饋隔離驅動測量方法進行陣列電阻檢測，并進行了溫度觸覺形狀識別測試實驗，實驗結果表明，陣列式小尺寸溫度傳感裝置性能良好，可減少陣列中相鄰傳感器的相互耦合和干擾。

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