Электронная схема для анализа информации от датчиков переменного электрического сопротивления - RU2538038C2

Описание

Область техники

Настоящее изобретение представляет собой электронную схему для высокоскоростного анализа информации, поступающей от датчиков переменного электрического сопротивления, например, от тактильных сенсоров на основе проводящего эластомера.

Уровень техники

В настоящее время с развитием робототехники, автоматизации и неинвазивной диагностики в медицине все более необходимым становится получение информации о взаимодействии робота с окружающей средой, а также информации о производимых им технических операциях. Сканирование контактных давлений относится к важным характеристикам взаимодействия между системами или их частями. Например, распределение давления в автомобильной покрышке в месте ее контакта с дорожной поверхностью или равномерность натяжения конвейерных лент. В области биомеханики чрезвычайно важно выяснить распределение давления между живым организмом и окружающей средой, так как патологическое распределение давления может привести к серьезным проблемам со здоровьем. Аналогичным образом данные о распределении давления могут быть использованы для неинвазивной диагностики различных заболеваний или дефектов костно-мышечной системы у человека.

Существующие системы чаще всего используют тактильные сенсоры на основе пьезорезистивных материалов, пьезорезистивной фольги или проводящих эластомеров, функционирующие как преобразователи давления в электрический сигнал. Современные датчики на основе проводящих эластомеров используют сканирование напряжения или тока, поступающего от соответствующего тактильного элемента, для измерения поверхностного распределения давления.

Затем сигнал поступает на мультиплексор и аналого-цифровой преобразователь, оцифровывается и подвергается дальнейшей обработке. Недостатками такого решения являются необходимость использования мультиплексора для переключения измеряемых каналов, малая скорость получения информации от большого числа датчиков контактного давления, обусловленная использованием одного или, возможно, лишь нескольких аналого-цифровых преобразователей, большое энергопотребление, зависимость энергопотребления устройства от величины давления в отдельных точках тактильного датчика или же высокая стоимость электронного оборудования, определяемая высокой стоимостью высокоскоростного аналого-цифрового преобразователя.

Сущность изобретения

Вышеуказанные недостатки устраняются с помощью электронной схемы для высокоскоростного анализа информации, поступающей от датчиков переменного электрического сопротивления, в которой такой датчик представляет собой матрицу из столбцов и строк в соответствии с настоящим техническим решением. Его принцип заключается в том, что, по крайней мере, к одной строке и одному столбцу матрицы подключается электрическая цепь, состоящая из параллельно соединенных конденсатора и резистора, к которой последовательно подключен коммутатор строки. К этому параллельному соединению элементов подключаются датчик переменного электрического сопротивления и коммутатор столбца, соединенные последовательно. Образованное таким образом соединение элементов подключается к источнику питания. Общая точка параллельно соединенных конденсатора и резистора соединяется через цепь формирователя импульсов со счетчиком. Коммутатор строки подключается к одному выходу блока синхронизации, коммутатор столбца подключается к другому выходу блока синхронизации.

В одной из возможных реализаций блок защиты включается в разрыв последовательного соединения датчика переменного электрического сопротивления и коммутатора столбца, а именно между контактом для подключения датчика переменного электрического сопротивления и общей точкой параллельно соединенных конденсатора и резистора.

В преимущественном варианте реализации коммутатор строки может быть реализован на транзисторе проводимости р-типа, а переключатель столбца - на транзисторе проводимости n-типа. Цепь формирователя импульсов может быть реализована на интегральной микросхеме триггера Шмитта.

Кроме того, схема выгодной реализации может быть усовершенствована при помощи диода для защиты части схемы от внешних воздействий, производимых датчиками переменного электрического сопротивления. Диод устанавливается анодом к резистору и катодом к датчику.

Настоящая электронная схема позволяет устранить из измерительной системы аналого-цифровой преобразователь, тем самым устраняя его высокую стоимость. Кроме того, простота конструкции позволяет сформировать систему параллельного сканирования, создавая, таким образом, высокоскоростную систему, энергопотребление которой благодаря временным параметрам схемы не зависит от величины давления на отдельные тактильные датчики.

Краткое описание чертежей

Изобретение и его преимущества более подробно объясняются в описании примеров его реализации в соответствии с прилагаемым чертежом, который представляет блок-схему настоящей электронной схемы для высокоскоростного анализа информации, поступающей от датчиков переменного электрического сопротивления, например от тактильных сенсоров на основе проводящего эластомера.

Подробное описание предпочтительных воплощений

Электронная схема для высокоскоростного анализа информации от датчиков переменного электрического сопротивления, где такой датчик образован матрицей, состоящей из столбцов и строк, состоит из источника питания 1, коммутатора строки 2, конденсатора 3, резистора 4, формирователя импульсов 8, коммутатора столбца 7, счетчика 9, блока синхронизации 10.

Коммутатор строки подключен последовательно к соединенным параллельно конденсатору 3 и резистору 4. К параллельно образованному соединению элементов подключаются последовательно соединенные коммутатор столбца 7 и датчик переменного электрического сопротивления 6, который подключается к контактам схемы. Образованная таким образом цепь элементов подключается к источнику питания 1. Параллельно соединенные конденсатор 3 и резистор 4 подключены ко входу цепи формирователя импульсов 8, а его выход соединен с входом счетчика 9. Коммутатор строки 2 подключен к одному выходу блока синхронизации 10, ко второму выходу которого подключен коммутатор столбца 7.

В выгодной реализации, которая является самой простой, коммутатор строки 2 может быть собран на транзисторе с проводимостью р-типа, а коммутатор столбца 7 - на транзисторе с проводимостью n-типа. Цепь формирователя импульсов 8 может быть реализована с помощью интегральной микросхемы триггера Шмитта. Для реализации коммутатора строки 2 и коммутатора столбца 7 можно использовать любую другую комбинацию из транзисторов n-типа или р-типа, однако при этом схема усложнится и, соответственно, станет дороже.

Кроме того, выгодная реализация схемы может быть дополнена блоком 5, защищающим цепи от внешних помех, поступающих от датчика переменного электрического сопротивления 6. Простейшим способом защиты является включение диода, анод которого подключается к резистору 4, а катод к датчику 6.

Рабочий цикл настоящей схемы разделен на две фазы, которые контролируются блоком синхронизации 10.

В первой фазе коммутатор строки 2 включен, коммутатор столбца 7 отключен. Конденсатор 3, параллельно которому подключен резистор 4, заряжается от источника питания 1. Параллельное соединение конденсатора 3 с резистором 4 обеспечивает разряд конденсатора 3 даже в случае работы с отключенным или неисправным датчиком переменного электрического сопротивления 6.

Во второй фазе коммутатор строки 2 отключен, коммутатор столбца 7 включен. Через сопротивление датчика переменного электрического сопротивления 6 конденсатор 3 разряжается, при этом скорость разряда зависит от текущего сопротивления датчика переменного электрического сопротивления 6. Величина текущего сопротивления датчика переменного электрического сопротивления 6 таким образом определяет время разряда конденсатора 3. С параллельно соединенных конденсатора 3 и резистора 4 сигнал поступает на цепь формирователя импульсов 8, который обеспечивает преобразование аналогового сигнала в логические уровни L или Н и повышает помехозащищенность. Временной период сигнала, полученного таким образом, измеряется счетчиком 9 и направляется для дальнейшей обработки. Формируя большое число описанных выше схем для каждой строки или, возможно, столбца можно значительно увеличить скорость сканирования и в то же время уменьшить расходы на электронику для анализа по сравнению с использованием большего количества параллельных аналого-цифровых преобразователей. Результатом работы построенной таким образом схемы является информация о параметре, считанном с датчика переменного электрического сопротивления 6, изначально аналоговой величине, преобразованной в цифровой вид. Например, в случае использования тактильного сенсора в качестве датчика переменного электрического сопротивления 6 число на выходе счетчика 9 будет пропорционально силе, действующей на данный датчик переменного электрического сопротивления 6. Полученные цифровые данные могут быть, например, отображены на мониторе компьютера, сохранены на носителе или обработаны иным способом.

Промышленная применимость

Описанная электронная схема для высокоскоростного анализа информации, получаемой от датчиков переменного электрического сопротивления, позволяет увеличить скорость сканирования информации от датчиков в сочетании с устранением необходимости применения высокоскоростного аналого-цифрового преобразователя и, следовательно, снижением стоимости устройства. В то же время она позволяет снизить потребление энергии, устранить зависимость потребляемой мощности от величины измеряемой силы, а также делает возможным параллельный анализ для большого числа параллельных строк и столбцов датчика.

В сочетании, например, с пропорциональным датчиком распределения давления она применима в области медицинской ортопедии и биомеханики для изучения распределения давления на подошвах ног и его динамическое изменение во время шага. Анализ распределения давления на подошвах ног и динамики его изменения дает ценную информацию, способствующую неинвазивной диагностике дефектов опорно-двигательного аппарата, ортопедических дефектов и ряда других нарушений, а также способствующую предотвращению патологического воздействия давления, вызывающего пролежни, на организм человека, например, для создания интеллектуальной кровати. В стабилометрии упомянутые датчики могут быть использованы для измерения устойчивости, они могут быть использованы в физиотерапии, при разработке терапевтических аппаратов, протезов, а также устройств биологической обратной связи. Кроме того, схему можно применять и для проектирования анатомической формы сиденья и спинки, особенно в автомобильной и авиационной промышленности. Практическое применение данное техническое решение может найти и в спортивных медицине и методологии, в робототехнике для достижения устойчивости и баланса роботов, для определения неподвижной точки сцепления, измерения силы и так далее, а также в других промышленных применениях, где требуется информация о распределении давления, например в системе покрышка - дорожное покрытие.

Реферат

Изобретение относится к средствам для высокоскоростного анализа информации, поступающей от датчиков переменного электрического сопротивления, образованных матрицей, составленной из строк и столбцов. Электронная схема для анализа информации, поступающей от датчиков переменного электрического сопротивления, образованных матрицей, составленной из строк и столбцов. Причем, по крайней мере, одна строка и один столбец матрицы подключены к цепи, состоящей из параллельно соединенных конденсатора и резистора, последовательно к которым подключен коммутатор строки, и параллельно этой цепи подключена электрическая цепь, состоящая из последовательно соединенных контактов для подключения датчика переменного электрического сопротивления и коммутатора строки. При этом образованная таким образом комбинация элементов подключена к источнику питания, а общая точка параллельно соединенных конденсатора и резистора соединена через цепь формирователя импульсов со счетчиком, тогда как коммутатор строки подключен к одному выходу блока синхронизации, ко второму выходу которого подключен коммутатор столбца. Технический результат заключается в упрощении устройства, а также увеличении его быстродействия. 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

Формула