压敏电阻矩阵的压力测量方法
技术领域
本发明涉及压敏电阻压力测量领域,尤其涉及一种压敏电阻矩阵的压力测量方法。
背景技术
我们经常用压敏电阻作为压力传感器来测量压力大小,在一定压力范围内,压敏电阻的阻值与其受压力大小呈比例关系。
为了测量在单位面积上压力的分布情况,常使用多个压敏电阻布放在需要测量压力的各个部位,然后将各个压敏电阻分别经导线连接至测量电路。当***需要很多数量的压力传感器时,为了减少压敏电阻与测量电路之间连接的导线数量,现有技术通常是将压敏电阻排列为行列矩阵,将同一行的压敏电阻的一端相互连接后为行线,将同一列的压敏电阻的另一端相互连接后为列线,然后在行线与列线上分别设置开关,即可对指定某行某列压敏电阻的电阻值进行测量,如此连接的压敏电阻矩阵与测量电路之间只需要行线+列线的数量引线。上述结构即为传统的压敏电阻测量矩阵,传统的压敏电阻矩阵测量基础电路图如附图1中所示。
附图1中,R1~R16为待测量的压敏电阻,H1~H4为行线,HK1~HK4为行开关,L1~L4为列线,LK1~LK4为列开关,I为电流传感器,BATT为输出电压等于V的稳压电源。
压敏电阻矩阵测量基础电路的原意是闭合某一行开关HKx和某一列开关LKx,在已知稳压电源输出电压值V时,根据欧姆定律R=U/I公式求解得到行列开关交叉闭合点的压敏电阻值。
由于矩阵连接的压敏电阻之间存在较为复杂的串联及并联关系,且每个压敏电阻根据所受压力不同其阻值也是在变化的,因此简单的通过行、列开关对指定行列的压敏电阻直接进行测量,是无法得到压敏电阻准确电阻值的。结合附图2中所示进一步无法准确测量电阻值的原因,图2的本意是闭合HK1和LK1后得到电流I,由欧姆定律R=U/I公式希望计算出R1的电阻值。由于矩阵测量基本电路存在复杂的串并联关系,此时电流传感器I检测到的电流不仅是流经电阻R1的电流IR1,还包括电流IR2、IR3、IR4,而IR2还与R2、R6、R5、R10、R9、R14、R13当时的电阻值有关联,IR3还与R3、R7、R5、R11、R9、R15、R13当时的电阻值有关联,IR4还与R4、R8、R5、R12、R9、R16、R13当时的电阻值有关联。正因为如此复杂的串并联关系且不确定的电流IR2、IR3、IR4,我们无法从图2中仅凭电流传感器I的电流大小计算出R1的电阻值。
为了准确测量压敏电阻矩阵的电阻值,公告号为CN111248914B的发明专利公开了一种方法,分时先测量行及列各个节点的电压,利用基尔霍夫电压定律和电流定律,然后用行列公式求解计算出矩阵中各个压敏电阻的阻值。利用基尔霍夫电压定律和电流定律+行列公式计算矩阵中的各个压敏电阻的阻值方法虽然可行,但是测量的电路较为复杂,测量步骤较多,又因为需要多次使用行列公式求解矩阵中各个压敏电阻的阻值,再将电阻值换算成压力值,整个测量过程计算机的运算量较大。
发明内容
本发明针对上述问题,提出了一种压敏电阻矩阵的压力测量方法。
本发明采取的技术方案如下:
一种压敏电阻矩阵的压力测量方法,包括若干压敏电阻、若干行导线以及若干列导线,每个所述的压敏电阻均与所述行导线以及列导线电连接,且压敏电阻呈矩阵分布,还包括若干电流采集器、稳压电源、若干开关组件以及处理器,所述行导线经电流采集器与稳压电源正极相接,所述列导线经开关组件与稳压电源负极相接,所述电流采集器均与所述处理器电连接;
当每一根行导线上均设置有电流采集器时,每一根列导线上均设置有一个开关组件;或者当每一根列导线上均设置有电流采集器时,每一根行导线上均设置有一个开关组件,电流采集器与开关组件的个数之和等于行导线与列导线的个数之和;
依次闭合每一个开关组件,且每次闭合某一个开关组件时,其余开关组件均处于打开状态,而后电流采集器将检测到的电流值传递给处理器,处理器根据欧姆定律计算得到电阻值,再根据电阻值换算成压敏电阻所承受的压力值,在压敏电阻的电阻值比例于压力时,电流采集器的输出值即为该压敏电阻的受力值。
本测量方案中,开关组件可以设置在列导线上也可以设置在行导线上,以开关组件设置于列导线上为例进行说明,本测量方法中,因为电流采集器I的内阻很小,所以各个行导线的电动势相同且等于稳压电源的输出电压V;测量闭合某列导线上的开关时,该列导线被测试的压敏电阻两端施加的是稳压电源的输出电压V,又因为各个行导线线的电动势相同,即各行导线之间的电位差等于零,此时虽然各行导线之间混接有非测试的压敏电阻,由欧姆定律I=U/R公式可知,流经非测试压敏电阻的电流I=U/R=0/R=0,即各行导线之间虽然接有非测试的压敏电阻但是不会有电流串扰,所以各个电流采集器采集到的即是开关组件闭合列导线的流经本行压敏电阻的电流值。
另外,本方案测量压敏电阻阻值的目的是想知道压敏电阻所受的压力值,在压敏电阻两端施加恒定电压时,流经压敏电阻R的电流I=U/R,当压敏电阻的电阻值R比例于压力N时,可以根据电流采集器I的输出值即可得知该压敏电阻的受力值N。
综上所述,将压敏电阻矩阵的全部行线或者全部列线施加等电动势电源的技术方案,巧妙利用了各行线之间或者各列线之间没有电位差,连接在等电势导线之间的电阻上没有电流流动的特性,有效地消除了非测量行列之间串并联的压敏电阻对被测量压敏电阻的影响,减少了测量步骤,避免了求解压敏电阻矩阵复杂的公式,具有检测电路简单、压力计算方法快捷方便等特点。
可选的,所述开关组件均与所述处理器电连接。
可选的,所述处理器上设置有若干模数转换端口,所述电流采集器与所述模数转换端口相接。
可选的,所述模数转换端口的数量与电流采集器的数量相等。
可选的,所述处理器为单片微处理器。
可选的,所有的开关组件的规格一致。
可选的,所有的电流采集器的规格一致。
可选的,所有的压敏电阻的规格一致。
附图说明:
图1是压敏电阻矩阵测量基础电路图;
图2是基础电路测量R1的等效电路图;
图3是本发明实施例1的电路图;
图4是本发明实施例2的电路图。
具体实施方式:
下面结合各实施例,对本发明做详细描述。
实施例1:
以16个压敏电阻组成的4*4的矩阵为例,结合附图3,对本发明进一步作详细说明。
附图3中,R1~R16为压敏电阻,K1~K4为受单片微处理器CPU控制闭合的开关组件,开关组件K1~K4由继电器或者电子开关构成,I1~I4为电流采集器,BATT为电压值=V的稳压电源,H1~H4为行导线,L1~L4为列导线,单片微处理器的输出IO1~IO4为开关组件K1~K4的闭合控制线(每个开关组件各自通过一条控制线与单片微处理器CPU相接),电流采集器的输出分别接单片微处理器的ADC1~ADC4的四个模数转换端口。
按照附图3的连接,在对压敏电阻矩阵进行测量时,单片微处理器经IO1~IO4控制K1闭合、K2~K4断开,因为电流采集器I1~I4的内阻很小,所以H1~H4行导线上的电动势相同且等于稳压电源的输出电压V。
此时行导线H1~H4之间虽然连接了阻值不定的R5~R16且存在复杂的串并联关系,但是因为H1~H4四根行导线之间的电位差等于零,由欧姆定律I=U/R可知流经R5~R16电阻的电流I=0/R=0,即H1~H4之间虽然接有电阻R5~R16但是没有电流串扰,同时因为I=0,由欧姆定律R=U/I=U/0=∞,所以也可以视为R5~R16处于开路状态,即电流采集器I1~I4的输出反映的是稳压电源分别流经R1~R4的电流。
在已知稳压电源输出电压V和流经R1~R4的电流I1~I4的情况下,由欧姆定律R=U/I公式可直接求出R1~R4的阻值,即R1=V/I1、R2=V/I2、R3=V/I3、R4=V/I4。
又因为本测量方法的目的是想知道某个压敏电阻受力的大小,在压敏电阻R的阻值比例于压力大小,稳定电压V流经压敏电阻的电流I也比例于受力大小,因此只需要根据I1~I4的电流值即可得知压敏电阻R1~R4的受力大小。
单片微处理器按照上述步骤循环控制闭合开关组件的K2~K4和采集各行的电流数据,逐步得到压敏电阻R5~R16的受力大小。
本发明单片微处理器CPU只需要8个步骤即可取得4*4矩阵16个压敏电阻的受力值,具体过程如下所示:
1、闭合开关组件K1,其余开关组件分断;
2、获取H1~H4行导线上的电流,获得R1~R4受力值;
3、闭合开关组件K2,其余开关组件分断;
4、再获取H1~H4行导线上的电流,获得R5~R8受力值;
5、闭合开关组件K3,其余开关组件分断;
6、再获取H1~H4行导线上的电流,获得R9~R12受力值;
7、闭合开关组件K4,其余开关组件分断;
8、再获取H1~H4行导线上的电流,获得R13~R16受力值;
上述8个步骤完成获取压敏电阻R1~R16的受力值且不需要数学运算。
本实施例所提供的测量方法中,将压敏电阻矩阵的全部行线或者全部列线施加等电动势电源的技术方案,巧妙利用了各行线之间或者各列线之间没有电位差,连接在等电势导线之间的电阻上没有电流流动的特性,有效地消除了非测量行列之间串并联的压敏电阻对被测量压敏电阻的影响,电流传感器的输出直接比例于压敏电阻所受压力值,与现有技术相比较减少了单片微处理器输出控制行列开关的IO口、减少了测量步骤,避免了求解压敏电阻矩阵复杂的公式,具有检测电路简单、压力计算方法快捷方便等的优点。
需要说明的是为了便于控制,各个压敏电阻的规格是一致的,各个电流采集器的规格是一致的,各个开关组件是一致的。
实施例2
参看附图4中所示,实施例2与实施例1的区别是电流采集器与开关模块掉换了位置,电流采集器从高端电流采集变更为低端电流采集,将高端等电动势变为低端等电动势,全电路等效于实施例1的稳压电源的输出变更了±极性,其工作原理、测量步骤及压敏电阻受力大小的计算方法与实施例1相同,各个具体操作过程可以参看如下所示。
1、闭合开关组件K1,其余开关组件分断;
2、获取L1~L4列导线上的电流,获得R1~R4受力值;
3、闭合开关组件K2,其余开关组件分断;
4、再获取L1~L4列导线上的电流,获得R5~R8受力值;
5、闭合开关组件K3,其余开关组件分断;
6、再获取L1~L4列导线上的电流,获得R9~R12受力值;
7、闭合开关组件K4,其余开关组件分断;
8、再获取L1~L4列导线上的电流,获得R13~R16受力值;
上述8个步骤完成获取压敏电阻R1~R16的受力值且不需要数学运算。
以上所述仅为本发明的优选实施例,并非因此即限制本发明的专利保护范围,凡是运用本发明说明书内容所作的等效变换,直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本发明的保护范围内。