阅读说明：本技术 一种基于二线制等电势法的阻性传感器阵列测试电路 (Resistive sensor array test circuit based on two-wire system equipotential method ) 是由 赵莉民 于 2018-06-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于二线制等电势法的阻性传感器阵列测试电路,属于传感器技术领域。所述测试电路针对共用行线和列线的<I>M</I>×N二维阻性传感器阵列,包括：一个等电流驱动运放、<I>N</I>个列线驱动运放、一个等电流<I>M</I>选一多路开关、一个等电势<I>M</I>选一多路开关、<I>N</I>个列线二选一多路开关、测试电流采样电阻、基准电压源,以及为所述阻性传感器阵列的每一条行线和列线分别设置的两根连接线。本发明还公开了上述测试电路的测试方法及一种传感系统。相比现有技术,本发明以二线制等电势法为关键技术,可有效消除连接电缆引线电阻、线缆接头触点电阻以及多路开关通道导通电阻所产生的测量误差,大幅提高阻性传感器阵列的测量精度。(The invention discloses a resistive sensor array test circuit based on a two-wire system equipotential method, and belongs to the technical field of sensors. The test circuit being for common row and column lines M A xn two-dimensional resistive sensor array, comprising: an equal current drive operational amplifier, N A row line driving operational amplifier, an equal current M Selecting one multi-way switch and one equal potential M A multi-way switch is selected, N The device comprises a multi-way switch for selecting one from the row lines, a test current sampling resistor, a reference voltage source and two connecting wires which are respectively arranged for each row line and each column line of the resistive sensor array. The invention also discloses a test method of the test circuit and a sensing system. Compared with the prior art, the invention takes the two-wire system equipotential method as the key technology, can effectively eliminate the measurement errors generated by the lead resistance of the connecting cable, the contact resistance of the cable joint and the conduction resistance of the multi-way switch channel, and greatly improves the resistanceMeasurement accuracy of the linear sensor array.)

一种基于二线制等电势法的阻性传感器阵列测试电路

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种阻性传感器阵列测试电路。

背景技术

阵列式传感装置就是将具有相同性能的多个传感元件，按照二维阵列的结构组合在一起，它可以通过检测聚焦在阵列上的参数变化，改变或生成相应的形态与特征。这个特性被广泛应用于生物传感、温度触觉和基于红外传感器等的热成像等方面。

阻性传感器阵列被广泛应用于红外成像仿真系统、力触觉感知与温度触觉感知。以温度触觉为例，由于温度觉感知装置中涉及热量的传递和温度的感知，为得到物体的热属性，装置对温度测量精度和分辨率提出了较高的要求，而为了进一步得到物体不同位置材质所表现出的热属性，则对温度觉感知装置提出了较高的空间分辨能力要求。

阻性传感器阵列的质量或分辨率是需要通过增加阵列中的传感器的数量来增加的。然而，当传感器阵列的规模加大，对所有元器件的信息采集和信号处理就变得困难。一般情况下，要对一个M×N阵列的所有的阻性传感器的进行逐个访问，而每个阻性传感器具有两个端口，共需要2×M×N根连接线。这种连接方式不仅连线复杂，而且每次只能选定单个待测电阻，扫描速度慢，周期长，效率低。为降低器件互连的复杂性，有研究者提出了共用行线与列线的二维阵列结构。图1显示了共用行线和列线的二维阻性传感器阵列的结构。如图1所示，该传感器阵列包括分别作为共用行线和共用列线的两组正交线路及按照M×N的二维结构分布的物理量敏感电阻（即阻性传感器）阵列，阵列中的各个物理量敏感电阻一端连接相应的行线，另一端连接相应的列线，阵列中的每个电阻都有唯一的行线与列线的组合，处于第i行第j列的电阻用R _ij 表示，其中，M为行数，N为列数。采用该种结构可使得按照M×N的二维结构分布的阵列，只需要M+N根连线数目即可保证任何一个特定的电阻元件可以通过控制行线和列线的相应组合被访问，因此所需连线数大幅减少。

共用行列线的阻性传感器阵列通常需要通过较长线缆连接测试电路，而较长连接线缆的多根引线上存在引线电阻，其阻值在多根等长等材质的引线间基本相同，且随线缆长度增加而增大；同时连接线缆的插头与插座间的触点存在接触电阻，对于每对触点，其接触电阻阻值随其接触状态（触点的接触状态随时间、机械振动等都会发生变化）不同而在一定范围内变化（约0~3Ω）。阻值基本相同的引线电阻和阻值不同的接触电阻对阻性传感器阵列的测试精度存在明显影响。就基于等电势法的共用行列线阻性传感器阵列而言，引线电阻和接触电阻导致了测试电路驱动端与阻性传感器阵列模块驱动端之间的电势差，同时也导致了测试电路采样端与阻性传感器阵列模块采样端之间的电势差，因而破坏了测试电路的理想隔离反馈条件，使被测单元的阻值测量误差变大。因此基本相同的连接电缆引线电阻和不同的线缆接头触点电阻对基于等电势法的共用行列线阻性传感器阵列测试结果的影响显著，同时传统方法还存在多路开关的通道导通电阻会影响待测单元的测量误差，如何消除这些因素的影响是一个有待深入研究的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种基于二线制等电势法的阻性传感器阵列测试电路及其测试方法，可有效消除连接电缆引线电阻、线缆接头触点电阻以及多路开关通道导通电阻所产生的测量误差，大幅提高阻性传感器阵列的测量精度。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题:

一种基于二线制等电势法的阻性传感器阵列测试电路，所述阻性传感器阵列为共用行线和列线的M×N二维阻性传感器阵列；所述测试电路包括：一个等电流驱动运放、N个列线驱动运放、一个等电流M选一多路开关、一个等电势M选一多路开关、N个列线二选一多路开关、测试电流采样电阻、基准电压源，以及为所述阻性传感器阵列的每一条行线和列线分别设置的两根连接线；N个列线驱动运放、N个列线二选一多路开关以及阻性传感器阵列的N条列线之间一一对应，每条列线通过一根连接线与其相对应列线驱动运放的输出端相连，同时该列线通过另一根连接线与其相对应列线驱动运放的反相输入端相连，每个列线驱动运放的同相输入端通过与其相对应列线二选一多路开关的公共端与零电位或者与基准电压源连接；等电势M选一多路开关的M个独立端、等电流M选一多路开关的M个独立端与M条行线一一对应，每条行线通过一根连接线与等电势M选一多路开关的对应独立端连接，并通过另一根连接线与等电流M选一多路开关的对应独立端连接；等电势M选一多路开关的公共端与等电流驱动运放的反相输入端连接，等电流驱动运放的同相输入端连接零电位；等电流M选一多路开关的公共端与测试电流采样电阻一端连接，测试电流采样电阻另一端与等电流驱动运放的输出端连接。

如上所述测试电路的测试方法，对于所述阻性传感器阵列中的任意一个待测阻性传感器，首先选通该待测阻性传感器，具体如下：通过所述N个列线二选一多路开关使得该待测阻性传感器所在列线相对应列线驱动运放的同相输入端连接基准电压源，而其它列线相对应列线驱动运放的同相输入端均连接零电位，并且通过等电流M选一多路开关及等电势M选一多路开关使得该待测阻性传感器所在行线与等电流驱动运放的反相输入端、测试电流采样电阻同时连通，而其它行线悬空；然后利用下式计算出该待测阻性传感器的电阻：

其中，为基准电压源提供的基准电压， 为测试电流采样电阻与等电流M选一多路开关的公共端相连接一端的电势， 为等电流驱动运放输出端的电势，为测试电流采样电阻的电阻值。

根据相同的发明思路还可以得到以下技术方案：

一种基于二线制等电势法的阻性传感器阵列测试电路，所述阻性传感器阵列为共用行线和列线的M×N二维阻性传感器阵列；所述测试电路包括：一个等电流驱动运放、N个列线驱动运放、一个等电流M选一多路开关、一个等电势M选一多路开关、N个列线二选一多路开关、测试电流采样电阻、基准电压源，以及为所述阻性传感器阵列的每一条行线和列线分别设置的两根连接线；N个列线驱动运放、N个列线二选一多路开关以及阻性传感器阵列的N条列线之间一一对应，每条列线通过一根连接线与其相对应列线驱动运放的输出端相连，同时该列线通过另一根连接线与其相对应列线驱动运放的反相输入端相连，每个列线驱动运放的同相输入端通过与其相对应列线二选一多路开关的公共端与零电位或者与基准电压源连接；等电势M选一多路开关的M个独立端、等电流M选一多路开关的M个独立端与M条行线一一对应，每条行线通过一根连接线与等电势M选一多路开关的对应独立端连接，并通过另一根连接线与等电流M选一多路开关的对应独立端连接；等电势M选一多路开关的公共端与等电流驱动运放的反相输入端连接，等电流驱动运放的同相输入端连接基准电压源；等电流M选一多路开关的公共端与测试电流采样电阻一端连接，测试电流采样电阻另一端与等电流驱动运放的输出端连接。

如上所述测试电路的测试方法，对于所述阻性传感器阵列中的任意一个待测阻性传感器，首先选通该待测阻性传感器，具体如下：通过所述N个列线二选一多路开关使得该待测阻性传感器所在列线相对应列线驱动运放的同相输入端连接零电位，而其它列线相对应列线驱动运放的同相输入端均连接基准电压源，并且通过等电流M选一多路开关及等电势M选一多路开关使得该待测阻性传感器所在行线与等电流驱动运放的反相输入端、测试电流采样电阻同时连通，而其它行线悬空；然后利用下式计算出该待测阻性传感器的电阻：

其中，为基准电压源提供的基准电压， 为测试电流采样电阻与等电流M选一多路开关的公共端相连接一端的电势， 为等电流驱动运放输出端的电势，为测试电流采样电阻的电阻值。

一种传感系统，包括阻性传感器阵列及相应的测试电路，所述阻性传感器阵列为共用行线和列线的M×N二维阻性传感器阵列，所述测试电路为如上任一技术方案所述基于二线制等电势法的阻性传感器阵列测试电路。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

1.本发明是针对阻性传感器阵列的检测需要，在不提高阵列互连复杂性的基础上，以二线制电压反馈法为关键技术，有效消除了多路选择器的通道导通电阻、测试线缆接头的触点电阻、长测试线缆所导致的串扰误差，提高了测量精度，同时扩大了阻性传感器阵列中物理量敏感电阻的阻值范围；而且本发明还可有效消除空间电磁噪声的干扰；

2.使得低成本的、通道导通电阻较大的多路选择器可以被应用于阻性传感器阵列，降低了测试电路的成本；

3.消除了阻值随时间和触点接触状态而变化的线缆接头触点对阻性传感器阵列测量精度的影响，使得应用系统可以通过方便插拔的插头、插座更换阻性传感器阵列或其测试电路，同时能保证应用系统的测量精度。

4.消除了长测试线缆所导致的串扰误差，使得长测试线缆能被应用于阻性传感器阵列，特别适用于对测试电路空间尺寸有要求的柔软阻性传感阵列测量。

附图说明

图1为共用行线和列线的M×N二维阻性传感器阵列结构示意图；

图2为现有共用行列线阻性传感器阵列的等电势法测试电路原理图；

图3为图2测试电路的测试原理等效图；

图4为本发明测试电路一个具体实施例的原理图；

图5为图4测试电路的测试原理等效图；

图6为本发明测试电路另一个具体实施例的原理图；

图7为图6测试电路的测试原理等效图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

共用行列线阻性传感器阵列的等电势法测试电路原理如图2所示，图3为其测试原理等效图，图中的当前被测单元R _xy 为M×N共用行列线阻性传感器阵列中的R ₁₁ 。在该电路中，阵列的每根行线或列线和测试电路之间都只有一根连接线。在该测试电路中，阵列的每根行线或列线和测试电路之间都只有一根连接线。该测试电路在理想工作状态下，所有列线二选一多路开关的通道导通电阻R _sc 、驱动连接线的引线电阻和接头触点电阻的累加电阻R _Lc 被忽略，这样R _xy 所在列线的电压V _cy = V _I ，其它列线的电压为0；同时等电流M选一多路开关的通道导通电阻R _sr 、等电流连接线的引线电阻和接头触点电阻的累加电阻R _Lr 被忽略，由于理想等电流驱动运放的作用，被测单元所在行线电压V _rx =0。同时由于其它列线的电压为0，因此被测单元的(N-1)个行相邻单元上的电流为0；同时由于等电流驱动运放的反相输入端阻抗很大，其漏电流被忽略，这样R _xy 上的电流I _xy 和测试电流采样电阻R _test 上的电流I _test 相等为I _test =-V _I /R _xy =V _test /R _test 。由于V _I 和R _test 已知，R _test 上的电压V _test 可以测量得到，进而可以计算出R _xy =-R _test ×V _I /V _test 。

而该测试电路在实际工作情况下，由于被测单元的列线二选一多路开关的通道导通电阻R _sc 、驱动连接线的引线电阻和接头触点电阻的累加电阻R _Lc 的存在，导致V _cy 与V _I 不相等；同时由于被测单元的行线方向上的行线二选一多路开关的通道导通电阻R _sr 、等电流连接线的引线电阻和接头触点电阻的累加电阻R _Lr 的存在，导致V _rx 与0不相等。行连接线缆、列连接线缆和多路开关的通道导通电阻所导致的这两个主要因素破坏了等电势法测试电路的理想隔离工作条件，使得R _xy 测量误差变大。

为了克服图2测试电路所存在的缺点，消除连接线缆的引线电阻、线缆接头的触点电阻和多路开关的通道导通电阻等的影响，本发明提出了一种基于二线制等电势法的阻性传感器阵列测试电路，利用双连接线的等电势法来测量共用行列线阻性传感器阵列。图4显示了本发明测试电路一个具体实施例的基本原理，图中的当前被测单元R _xy 为M×N共用行列线阻性传感器阵列中的R ₁₁ ；图5为图4测试电路的测试原理等效图。相比图2的现有测试电路，如图4所示，本发明在M×N共用行列线阻性传感器阵列的每根行线和列线都额外增加一根连接线，即每一根列线和行线都对应两根连接线（为了便于区别，从功能角度考虑，下文将同一列线的两根连接线分别称为驱动连接线、驱动采样跟随连接线，将同一行线的两根连接线分别称为等电流连接线、等电势连接线）；同时在测试电路的每一个列驱动端都增加一个运算放大器，该运算放大器用作列线驱动运放。这样在双连接线的等电势法测试电路中有一个等电流驱动运放和N个列线驱动运放，在每个列线驱动运放的同相输入端都对应连接有一个列线二选一多路开关，在等电流驱动运放的反相输入端和行线间接有一个等电势M选一多路开关，在测试电流采样电阻R _test 和行线间也接有一个等电流M选一多路开关；亦即，每条行线通过一根等电势连接线与等电势M选一多路开关的对应独立端连接，并通过另一根等电流连接线与等电流M选一多路开关的对应独立端连接；等电势M选一多路开关的公共端与等电流驱动运放的反相输入端连接，等电流驱动运放的同相输入端连接零电位；等电流M选一多路开关的公共端与测试电流采样电阻一端连接，测试电流采样电阻另一端与等电流驱动运放的输出端连接。

如图4所示，共用行列线阻性传感器阵列的每根列线通过一根驱动连接线与其相应列线驱动运放的输出端相连，同时该列线通过另一根驱动采样跟随连接线与其相应列线驱动运放的反相输入端相连；每个列线驱动运放的同相输入端通过与其相对应的一个列线二选一多路开关的公共端与零电位或基准电压V _I 连接；测试时通过列线二选一多路开关将被测单元所在的列线驱动运放的同相输入端接通基准电压V _I ，其它列线的列线驱动运放的同相输入端接通零电位。在列线驱动运放的驱动能力足够的前提下，由于列线驱动运放的虚短作用，其所在列线的电压跟随其同相输入端电压变化，从而被测单元所在的列线电压V _cy 等于V _I ，其它列线电压为0。这样就实现了驱动连接线的引线电阻及其接头触点电阻的累积电阻R _Lc 的虚拟隔离，从而消除R _Lc 对测试结果的影响。同时由于列线驱动运放的输入阻抗与列线二选一多路开关通道导通电阻的阻值R _sc 相比非常大，由于列线驱动运放的虚断作用，因此列线驱动运放的同相输入端电压与列线二选一多路开关的输入电压（零电位或基准电压V _I ）相等，可消除双连接线的等电势法电路中R _sc 对R _xy 测量结果的影响。

如图4所示，共用行列线阻性传感器阵列的每根行线通过一根等电流连接线与等电流M选一多路开关的一个对应独立端相连，同时该等电流M选一多路开关的公共端连接测试电流采样电阻R _test ，测试时仅被测单元所在行的行线被等电流M选一多路开关所选通，而其它行线悬空，从而仅被测单元所在行的行线连接R _test ；每根行线还通过另一根等电势连接线与等电势M选一多路开关的一个对应独立端相连，同时该等电势M选一多路开关的公共端连接等电流驱动运放的反相输入端，测试时仅被测单元所在行线被等电势M选一多路开关选通，其它行线悬空，从而仅被测单元所在行线连接等电流驱动运放的反相输入端。待测阻性传感器所在列线电压跟随V _I 的变化，测试电流I _xy 首先经过待测阻性单元到其行线，其次经过等电流M选一多路开关连接R _test ，而后连接到等电流驱动运放的输出端，同时待测阻性单元行线电压也连接到等电流驱动运放的反相端。由于等电流驱动运放反相输入端的输入阻抗很大，远远大于等电势M选一多路开关的开关通道导通电阻R _sr 和等电势连接线的引线电阻及其接头触点电阻R _Lr 的累加和，可以认为等电流驱动运放反相输入端的电压和被测单元所在行线电压相等，其值为0；而由于等电流驱动运放反相输入端的输入阻抗很大，远远大于R _test 、等电流M选一多路开关的开关通道导通电阻R _sr 和等电流连接线的引线电阻及其接头触点电阻R _Lr 的累计电阻R _er ，因此等电流驱动运放反相输入端的漏电流可以忽略；而同时其它列线与被测行线保持相等的零电位，被测单元的行相邻单元上的漏电流为零。因此R _test 和R _xy 上的通过电流相等，该电流也同时通过等电流M选一多路开关的开关通道导通电阻、等电流连接线的引线电阻、等电流连接线接头触点电阻等共同导致的累积电阻R _er ，而电流值不变。由于R _test 和R _xy 上的电流相等，由于R _test 已知，那么如果知道R _test 两端的精确电压，就可以确定精确的I _xy 。而V _test 可以测量得到，从而可计算出精确地R _xy 。

但由于累积电阻R _er 的存在，导致通过R _test 的电流为I _xy =V _test /(R _test +R _er )=-V _I /R _xy 与理想电流I _ideal = V _test /R _test 有区别，累积电阻R _er 导致的误差电压为V _e ，因此如果忽略R _er 的影响将导致被测单元的测试结果产生额外的误差。由于R _xy 、R _test 和R _er 上流过的电流相等，因此我们可以采用R _xy = R _test ×V _I /(V _e -V _test )求得R _xy 的阻值。可以发现在该式没有R _er 存在，R _er 的影响被彻底消除。由于R _test 和V _I 已知，而V _e 和V _test 我们可测量得到，最终实现R _xy 真值的测定。具体地，对于所述阻性传感器阵列中的任意一个待测阻性传感器，首先选通该待测阻性传感器，具体如下：通过所述N个列线二选一多路开关使得该待测阻性传感器所在列线相对应列线驱动运放的同相输入端连接基准电压源，而其它列线相对应列线驱动运放的同相输入端均连接零电位，并且通过等电流M选一多路开关及等电势M选一多路开关使得该待测阻性传感器所在行线与等电流驱动运放的反相输入端、测试电流采样电阻同时连通，而其它行线悬空；然后利用下式计算出该待测阻性传感器的电阻：

其中，为基准电压源提供的基准电压，为测试电流采样电阻与等电流M选一多路开关的公共端相连接一端的电势，为等电流驱动运放输出端的电势，为测试电流采样电阻的电阻值。

图6显示了本发明测试电路的另一个实施例，图中的当前被测单元R _xy 为M×N共用行列线阻性传感器阵列中的R ₁₁ ；图7为图6测试电路的测试原理等效图。如图6所示，本实施例的测试电路相当于将图4测试电路中的基准电压源与零电位的接入位置互换，即将图4测试电路中原来的零电位位置处换为基准电压源，而将原来的基准电压源位置处换为零电位。该测试电路的测试方法具体如下：

对于所述阻性传感器阵列中的任意一个待测阻性传感器，首先选通该待测阻性传感器，具体如下：通过所述N个列线二选一多路开关使得该待测阻性传感器所在列线相对应列线驱动运放的同相输入端连接零电位，而其它列线相对应列线驱动运放的同相输入端均连接基准电压源，并且通过等电流M选一多路开关及等电势M选一多路开关使得该待测阻性传感器所在行线与等电流驱动运放的反相输入端、测试电流采样电阻同时连通，而其它行线悬空；然后利用下式计算出该待测阻性传感器的电阻：

其中，为基准电压源提供的基准电压， 为测试电流采样电阻与等电流M选一多路开关的公共端相连接一端的电势， 为等电流驱动运放输出端的电势，为测试电流采样电阻的电阻值。

图6测试电路消除多路选择器的通道导通电阻、测试线缆接头的触点电阻、长测试线缆所导致的串扰误差的基本原理与图4相同，本领域技术人员根据上文描述以及图6、图7可清楚地了解；为节省篇幅起见，此处不再赘述。相比图4的测试电路，采用图6的测试电路，所有运放可以采用轨到轨的单极性运放，此时仅需要提供单极性基准电压源，从而降低电源成本。

综上所述，利用本发明测试电路，共用行列线阻性传感器阵列中的任一被测单元的真实阻值可被准确测量出来，而阻性传感器阵列的列线、行线的引线电阻及其接头的触点电阻和多路开关通道导通电阻导致的影响被完全消除。

此外需要强调的是：上述行、列为相对概念，本领域技术人员完全可以将之互换，因此，基于本发明思路的类似此种简单变形仍为本发明技术方案所涵盖。