CN101467015B - 在电容性矩阵压力传感器中的电容性节点测量 - Google Patents

Abstract

一种用于测量所选区域上的压力分布的方法和***，包括具有通过交叉行和列形成的压力传感电容节点的阵列的传感器，这里将节点的测量电容与放置在每行上能够好像其是另一节点而测量的基准电容的固定值相比较。

Description

在电容性矩阵压力传感器中的电容性节点测量

技术领域

本发明涉及用于有效测量触点和支撑面之间的压力分布的方法和设备。

背景技术

当前，存在测量两个接触面的压力的多种技术。然而，当想要建立低成本的压力测量元件阵列以确定压力分布时几乎没有可用的选择。在这些情况中，最普遍的选择是基于建立电容性的、电阻性的或者压电元件的阵列。现有的电容性测量衬垫由横向传导条构造，该横向传导条由可压缩的绝缘体隔开以形成压敏电容性节点的矩阵。由微计算机顺序地反复扫描节点以测量它们各自的电容值，然后根据该测量值导出压力映射图。可以在彩色图形监视器上显示产生的压力映射图，以不同颜色表示不同压力。

从将电信号注入到阵列且在来自阵列的随后的输出信号上执行测量的角度来看，这些技术中的每一个都在类似地工作。同时，在每个方法中，考虑的特定节点必须和矩阵中的其他节点分开或者隔开。这通常被称为多路复用，且能够在阵列的输入或输出或者输入和输出上执行。因为存在解决该问题的可选择的解决方案，将该节点和其他节点隔开的实际处理可改变。

通过测量节点对已知电压的驱动信号的响应来查找节点电容。通过将节点的横向传导条(列)之一连接到驱动源并将节点的其他传导条(行)连接到感应放大器，从而完成该测量。为了将感兴趣的节点和环绕的节点的影响隔开，将除了与选择的节点相交的两个之外的全部列和行连接到地。然后将激励信号注入到期望的不接地的列上，且从期望的不接地的行测量收到的信号。对于行上的每个节点重复该测量步骤。一旦测量了沿着一行的每个节点，则改变期望的行且重复测量过程直到已经测量全部节点。这获得了被称为帧的测量数据的矩阵，其中测量元素的数目等于最大的[列]乘以最大的[行]。

通过在之前经由被称为校准的处理来确定压力和传感器的接收信号幅度之间的关系，从而能够对每个帧估计每个电容性节点或者传感器单元处的压力，由此获得在它们之间的与传感器接触的任意物体的压力图像。

然而，除非采用比如电流-感应放大器的零阻抗结构来测量矩阵的输出，未测量的列和行的接地不能完美地将所感兴趣的节点与其他节点的影响隔离开，如在美国专利No.5,010,772中的情况(将其内容完全包括于此并作为参考)。使得到感应放大器的地的输入阻抗相对于其他***阻抗小到可以忽略。以这种方法，仅连接到驱动源的列具有施加在其上的电压，且***中所有其他节点的其他行都维持在地电位，因此允许精确测量一个电容值。然而，即使将感应放大器接地，当其他节点具有改变的压力且由此改变电容值时，除非信号感应电路的输入阻抗等于零，否则所选择的节点测量仍然存在误差。匹配非零输入阻抗误差是这样的事实，即，误差的幅值根据将怎样的压力施加于其他不用的节点而动态可变。

因此，在现有技术中需要在压力映射***中测量单独的节点电容的可选方法。

发明内容

本发明提供通过在每个行上设置固定值的基准电容来测量单个节点电容的新方法，能够好像其是另一个节点一样地测量该固定值的基准电容，并由此确定可变***中固定电容的基本测量值。由此，能够将沿着该行的所有随后的节点电容的测量值与该基本测量值相比较。该比较处理包括确定当前传感器单元的测量值(在特定行和列处的节点，且其它线接地)与固定节点的测量值的比。一旦对于每个节点确定该比，则这些值能够用于估算电容且因此估算在每个单个节点处的压力。

因此，在一个方面中，本发明可以包括在所选区域之上测量压力分布的方法，包括步骤：

(a)在所选区域上设置传感器，该传感器具有多个线性导体列和多个线性导体行，其中，所述列不平行于所述行，且具有传感器单元的阵列，其中每一个传感器单元形成在列和行的交叉处，且其中，该列和行被分别配置在可压缩的电介质片的相反侧上，且其中，每个传感器单元具有根据在所述交叉处的绝缘材料的压缩而变化的电容；

(b)选择一列并向所选的列施加电压；

(c)选择一行；

(d)测量所选的行的电流以由此测量所选的列和行的交叉处的传感器单元的电容，同时将每个未选择的列和每个未选择的行接地以将感测的传感器单元与未感测的传感器单元的电容变化的影响分离；

(e)为所选行提供固定的基准电容；和

(f)通过将所感测的传感器单元的测量电容与固定基准电容进行比较，从而确定所感测的传感器单元的压力测量值。

在另一方面中，本发明可以包括用于监控表面上力的分布的***，包括：

(a)具有多个线性导体列和多个线性导体行的传感器，其中，所述列和行不平行，且具有传感器单元的阵列，其中每个传感器单元形成在列和行的交叉处，且其中，所述列和行被分别配置在可压缩的电介质片的相反侧上，且其中，每个传感器单元具有根据在所述交叉处的绝缘材料的压缩而变化的电容；

(b)用于选择一列并向所选的列施加电压的装置；

(c)用于选择一行的装置；

(d)用于测量所选行的电流以由此测量在所选的列和行的交叉处的传感器单元的电容的装置；

(e)用于将每个未选择的列和每个未选择的行接地以将感测的传感器单元与未感测的传感器单元的电容变化的影响分隔开的装置；

(f)用于为每一行提供固定的基准电容的装置；和

(g)用于通过将所感测的传感器单元的测量电容与固定基准电容进行比较，从而确定所感测的传感器单元的压力测量的装置。

附图说明

现在将通过参考附图的示例性实施例描述本发明，该附图是简化的、概略的、不按比例的。在所述图中，图1示出了本发明的一个实施例的视图。图2是本发明的传感器和传感器单元的示意性示图。图3是用于测量一个传感器单元的电容的电气模型的示意性示图。

具体实施方式

本发明提供了一种新颖的方法和压力传感设备，用于有效测量两个表面之间的压力分布。当描述本发明时，在这里未定义的全部术语具有公知含义。从而以下描述是本发明的特定实施例或者具体的使用，其意在仅为说明性的，而不限于本发明所请求的范围。以下描述意在覆盖包括在本发明的精神和范围中、如所付权利要求所定义的全部替换、修改和等效。

如图1所示，本发明的压力测量***的一个实施例包括三个主要元件：压敏衬垫(10)，其能够被放置于两个物体表面(12)之间以测量一个物体相对另一物体的压力分布；接口单元(14)，其提供电气驱动信号给衬垫(10)并从衬垫(10)接收压敏输出信号；以及信号处理设备，例如微处理器(16)，其可以是桌面型、膝上型或者手持式计算机，具有相关的图形显示监视器(18)，该信号处理设备用于控制接口单元和处理来自衬垫的输出信号。

在工作中，衬垫(10)产生如下输出信号，该输出信号表示在其表面区域上的多个点的每个点处感应的压力。计算机(16)通过接口单元(14)接收这些信号，且使得产生了示出在衬垫的区域上耐受的重量分布的显示。

衬垫(10)的基本结构如图2所示。其包括具有可压缩电介质层的传感器，该可压缩电介质层具有分别设置在其相反侧上的两个导体线性阵列。电介质层可以是可压缩的弹性材料。“列”指的是从信号处理器携带激励信号到传感器单元的导体。“行”指的是从传感器单元携带激励信号到测量电子设备的导体。列是以一个方向定向的一系列基本上平行的线性导体。行是以一个方向定向的基本上平行的线性导体，该方向优选地，但不是必须地垂直于列的定向。列和行的每个交叉定义了测量节点或者传感器单元。因此，传感器是包括多个单独的传感器单元的装置，该传感器单元在压力下变形，且因此带来能够由外部设备测量的单元的内部电容性耦合的变化。每个传感器单元的电容耦合在压力下改变。

如此处使用的，“电容”指的是导体和电介质的***当在导体之间存在电位差时允许存储电荷的特性。将它的值表示为电荷量和电位差的比。电容值总是正的。必须传递到主体以增加其一个单元的电位的电荷由C＝Q/V表示，其中C是电容值，Q是电荷量，且V是电位。

如图2所示，以矩阵结构来配置测量节点且每个节点代表电容器。矩阵的一行中的所有电容器公共地连接到第一阵列的其中一列，且矩阵的一列中的所有电容器公共地连接到另一阵列的其中一行。当希望测量特定的节点的电容时，将具有已知电压V_l的驱动信号施加于节点位于其中的列。

通过解多路复用器将输入电压施加于每个列，且经由常规的多路复用器和模拟数字转换器(ADC)测量每行上的输出电压，如图2所示。

公式(1)是用于图3示出的传感器模型的标准电压传递函数。

$\frac{V_{O_i}}{V_{l_j}}=\frac{s{C}_{\mathrm{ij}}\·R_L}{s{C}_{{\mathrm{RX}}_i}\·R_L+1}---\left(1\right)$

其中

V_lj是第j列上的输入电压

Vo_i是第i行上的输出电压

Vo_ij是给定第j列上的输入电压时的第i行的输出电压

Vo_i0是给定第零列上的输入电压时的第i行的输出电压

C_E是测量***的输入电容

C_ij是在第i行和第j列的节点电容

R_L是测量***的输入电阻

取决于选择哪个行和列，出现由ij下标表示的不同传递函数。(1)的简单运算允许求解作为其它参数的函数的C_ij：

$C_{\mathrm{ij}}=(C_{{\mathrm{RX}}_l}+\frac{1}{s{R}_L})\·\frac{V_{O_i}}{V_{l_j}}---\left(2\right)$

$C_{{\mathrm{RX}}_i}=C_S+C_E+\underset{j=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{\mathrm{ij}}---\left(3\right)$

其中C_S是杂散电容或者未考虑传感器单元电容(C_ij)和测量***的输入电容(C_E)的其他电容。

然而，C_ij的计算基于C_RXi，C_RXi是其它变化的节点电容加上也可能随时间变化的外部电容的和。在现有方法中，R_L&ω(弧度或者角频率)的减小会导致传感器内在相互关连的方面的影响的最小化，但是这是麻烦的解决方案。

在本发明中，通过在每行上设置固定值的基准电容从而可以测量单个节点电容，由此能够测量该单个节点的电容，就如同其是另一个节点(“固定节点”)一样，并由此确定可变***中固定电容的基本测量值。因此，如图2所示，对比标准传感元件的可变电容，T_X0是由固定电容构成的列。固定电容的列可以被放在***中的任何地方，只要其被放置为平行于其他元件即可。还可以在以行测量其它元件之前，之中或之后对其进行测量。存储T_X0测量值并在适当的时候与其他行相比较，以恰好分离感兴趣的节点的电容。由此，能够将沿着该行的所有随后的节点电容的测量值与该基本测量值相比较。该比较步骤简单地确定了当前传感器单元测量值(在特定行和列(C_ij)处的节点且其它行和列接地)与固定节点的测量值的比。一旦对于每个节点确定了该比，则这些值能够用于估算在每个单独的节点处的电容或压力。

图3中示意性地示出了图2的结构形成的等效电路。通过引入沿着行的固定电容，可以随后计算该公式以利用固定节点电容测量值并去除由其他节点引入的误差。因此，

$\left|\frac{V_{O_i}}{V_{l_j}}\right|=\frac{w\·C_{\mathrm{ij}}\·R_L}{\sqrt{1+{(w\·C_{{\mathrm{RX}}_i}\·R_L)}^2}}---\left(4\right)$

根据公式(4)，通过确定感兴趣的节点的传递函数与基准(固定电容器)节点传递函数的比而得到公式(5)的结果：

$C_{\mathrm{ij}}^{\′}=\frac{C_{\mathrm{ij}}}{C_{i0}}=\frac{\left|V_{O_{\mathrm{ij}}}\right|}{\left|V_{O_{i0}}\right|}---\left(5\right)$

其中C_i0是第i行上固定基准电容器的电容

输入电压V_lj是恒定的或者已知但是是变化的，且因此如公式(5)所列的被消去或者如果已知的话则变为恒定的比例因数。本领域技术人员将理解公式(5)的运算除去了在公式(2)中强调的不利效果。

从这点上，能够使用标准化的C′_ij，或者如果已知C_i0的精确值，则能够计算和使用C_ij。由于校准处理能够有效地将两个值都转换为在感兴趣的单元处的期望的读数，因此在校准***中使用上述任何一个都是可接受的。

Claims (9)

1.一种测量所选区域之上的压力分布的方法，包括如下步骤：

(a)在所选区域上设置传感器，该传感器具有多个线性导体列和多个线性导体行，其中，所述列不平行于所述行，且该传感器具有传感器单元的阵列，其中每一个传感器单元形成在列和行的交叉处，且其中，该列和行被分别设置在可压缩的电介质片的相对侧上，且其中，每个传感器单元具有根据在所述交叉处的绝缘材料的压缩而变化的电容；

(b)选择一列并向所选的列施加电压；

(c)选择一行；

(d)测量所选的行的电流以由此测量所选的列和行的交叉处的传感器单元的电容，同时将每个未选择的列和每个未选择的行接地以将被感测的传感器单元与未感测的传感器单元的电容变化的影响分隔开；

(e)为所选行提供固定的基准电容；和

(f)通过将所感测的传感器单元的测量电容与固定基准电容进行比较，从而确定所感测的传感器单元的压力测量结果。

2.如权利要求1的方法，其中，对于传感器单元的整个阵列重复步骤(b)到(f)。

3.如权利要求1或者2的方法，其中，该所选行的固定基准电容是由与每个行交叉的固定电容列提供的。

4.如权利要求1或者2的方法，其中，所感测的传感器单元的测量电容与固定基准电容的比较包括所测量的电容与固定基准电容的比。

5.一种用于监控表面上的力的分布的***，包括：

(a)传感器，其具有多个线性导体列和多个线性导体行，其中，该列和行不平行，且该传感器具有传感器单元的阵列，其中每个传感器单元形成在列和行的交叉处，且其中，所述列和行被分别设置在可压缩的电介质片的相反侧上，且其中，每个传感器单元具有根据在所述交叉处的绝缘材料的压缩而变化的电容；

(b)用于选择一列并向所选的列施加电压的装置；

(c)用于选择一行的装置；

(d)用于测量所选行的电流以由此测量在所选的列和行的交叉处的传感器单元的电容的装置；

(e)用于将每个未选择的列和每个未选择的行接地以将被感测的传感器单元与未感测的传感器单元的电容变化的影响分隔开的装置；

(f)用于为每一行提供固定的基准电容的装置；和

(g)用于通过将所感测的传感器单元的测量电容与固定基准电容进行比较，而确定所感测的传感器单元的压力测量结果的装置。

6.如权利要求5的***，其中，所述用于选择一列并向所选的列施加电压的装置包括解多路复用器。

7.如权利要求5或者6的***，其中，用于选择一行和测量所选行的电流的装置包括多路复用器。

8.如权利要求5的***，其中，用于通过将所感测的传感器单元的测量电容与固定基准电容进行比较，而确定所感测的传感器单元的压力测量结果的装置包括用于计算所感测的传感器单元的测量电容与固定基准电容的比的装置。

9.如权利要求5的***，进一步包括计算机处理器，其用于对传感器单元的整个阵列进行测量电容的处理，并图形地显示表面上的力分布。

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