压力测量电路、测量系统以及测量方法与流程

1.本技术涉及传感器测量电路技术领域，尤其涉及一种压力测量电路、测量系统以及测量方法。


背景技术：

2.薄膜压力传感器是利用现代薄膜制备技术，在金属弹性基体上沉积薄膜应变电阻而成，因其具有精度高、蠕变性好、抗干扰力强等性能，目前已被广泛的运用于航空航天、机械制造、土木采矿等相关领域的压力测量。薄膜压力传感器厚度低至几百纳米到几十微米，可直接在被测零件表面制膜而不影响设备内部环境，且制备简单，有利于实现结构/感知一体化制造。由于具备这些优点，薄膜压力传感器应用越来越广泛。但是薄膜压力传感器目前的应用上仍存在以下问题：
3.问题1，薄膜压力传感器的压力-阻值曲线如图1所示，其特点在于压力从大到小的变化过程中并不成线性，而是一个指数关系，且整个阻值的范围较大(从几欧姆至兆欧姆级别)，这对于压力测量电路的适配是一个很大的挑战。常见的压力测量电路有两种，一种是通过可调电阻器达到适配一定量程的薄膜压力传感器测量的目的；另一种是通过电阻分压，适配不同量程不同压力的传感器时，需要手动更换分压电阻。这两种方式实现的适配的量程有限，且需要手动调节。尤其对于压力薄膜阵列的应用，其在实际使用中各个受力点的大小不一且是在变化的，对于测试电路不可能手动去切换每个点对应的电路以达到比较精准的测量。
4.问题2，薄膜压力传感器可以与被测件共形，但是其测量设备没有做到共形，需要引线出去且普遍采用硬件电路板，重量较大。


技术实现要素：

5.本技术提供了一种压力测量电路及系统，以实现宽范围高精度的测量。本技术的技术方案如下：
6.第一方面，本技术实施例提供了一种压力测量电路，包括：
7.传感器接口，用于连接薄膜压力传感器；
8.多通道adc单元，其具有多个通道和输出端；
9.与所述多个通道对应的多个分压通道，每个所述分压通道包括开关管和分压电阻，所述开关管的第一端连接供电电压，所述开关管的第二端通过所述分压电阻电连接所述传感器接口；所述分压电阻的两端还电连接该分压电阻所在分压通道对应的所述通道；其中，所述多个分压通道的多个分压电阻的阻值均不相同；
10.主控单元，包括输入端和多个控制接口，所述主控单元的输入端电连接所述多通道adc单元的输出端，所述多个控制接口分别电连接所述多个分压通道的开关管的控制端；其中，所述多通道adc单元用于测量任一分压通道的开关管导通时，该任一分压通道的分压电阻两端的电压值，所述主控单元用于根据该电压值控制另一个分压通道的开关管通断。
11.在一些实施例中，所述压力测量电路设置于柔性电路板上。
12.在一些实施例中，所述多个分压通道的多个分压电阻的阻值依次相差一个数量级。
13.在一些实施例中，所述开关管为n沟道开关管。
14.在一些实施例中，所述分压电阻的精度为0.01％。
15.第二方面，本技术实施例提供了一种压力测量系统，包括薄膜压力传感器上述第一方面所述的压力测量电路。
16.第三方面，本技术实施例提供了上述第一方面任一项所述的压力测量电路的测量方法，包括：
17.响应于外部触发信号，所述主控单元根据预设顺序控制所述多个分压通道中的第一个分压通道的开关管导通；
18.通过所述多通道adc单元获取所述导通的分压通道的分压电阻的电压值；并将所述电压值与预设电压参数进行对比；
19.在所述电压值小于等于预设电压参数时，所述主控单元根据预设顺序切换控制多个分压通道中的下一个分压通道的开关管导通，直到所述电压值大于预设电压参数时，控制停止切换分压通道，并基于停止切换时的分压通道的分压电阻的电阻值与电压值，获取薄膜压力传感器在当前压力下的目标电阻值；
20.在所述电压值大于预设电压参数时，基于当前导通的分压通道的分压电阻的电阻值与电压值，获取薄膜压力传感器在当前压力下的目标电阻值。
21.在一些实施例中，所述基于当前导通的分压通道的分压电阻的电阻值与电压值，获取薄膜压力传感器在当前压力下的目标电阻值，包括：
22.基于所述当前导通的分压通道的分压电阻的电阻值与电压值，得到电流值；
23.获取当前压力下所述薄膜压力传感器的采样电压值；
24.基于所述电流值和所述采样电压值，获取所述薄膜压力传感器在当前压力下的目标电阻值。
25.在一些实施例中，所述获取所述薄膜压力传感器的采样电压值，包括：通过所述多通道adc单元获取所述薄膜压力传感器的采样电压值。
26.在一些实施例中，所述预设电压参数为所述供电电压的百分之十。
27.本技术实施例提供的技术方案至少带来以下有益效果：
28.通过多个分压通道提供多种分压电阻，通过主控单元以及多通道adc单元能够实现自行切换适配分压电阻，即选择多个分压通道之中的合适的分压通道的分压电阻进行分压，多个不同的分压电阻提高了与薄膜压力传感器不同压力下的阻值的适配范围，从而实现宽范围高精度的压力测量；同时，测量电路所在柔性电路板可以与被测件共形，不需要引线出去，且重量较小。
29.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本技术。
附图说明
30.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本技术的实施
例，并与说明书一起用于解释本技术的原理，并不构成对本技术的不当限定。
31.图1是薄膜压力传感器的压力-阻值曲线图。
32.图2是根据一示例性实施例示出的一种压力测量电路的电路图。
33.图3是根据图2示出的压力测量电路的测量方法的流程图。
34.图中：
35.1-主控单元，2-多通道adc单元，3-传感器接口。
具体实施方式
36.为了使本领域普通人员更好地理解本技术的技术方案，下面将结合附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
37.需要说明的是，本技术中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本技术相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本技术的一些方面相一致的装置和方法的例子。
38.图2是根据本技术一个实施例的压力测量电路的电路图。如图2所示，该压力测量电路包括：多个分压通道、主控单元1、多通道adc(analog-to-digital converter，模数转换器)单元2和传感器接口3。
39.其中，传感器接口3用于连接薄膜压力传感器(图中未示出)，进行压力测量时，便于连接。
40.该多通道adc单元2具有多个通道和输出端，该多个通道对应多个分压通道，该输出端电连接主控单元1的输入端。
41.多个分压通道中的每个分压通道包括开关管和分压电阻，开关管的第一端连接供电电压(volt current condenser，vcc)，开关管的第二端通过分压电阻电连接传感器接口3，该传感器接口3的另一端接地(gnd)；分压电阻的两端还电连接该分压电阻所在分压通道对应的多通道adc单元2的通道。
42.其中，多个分压通道的多个分压电阻的阻值均不相同。
43.可以理解，每个分压通道的分压电阻在与薄膜压力传感器连接时，均可以实现分压。通过不同的分压通道提供不同的分压电阻进行分压。
44.主控单元1包括输入端和多个控制接口，主控单元1的输入端电连接多通道adc单元2的输出端，多个控制接口分别电连接多个分压通道的开关管的控制端；其中，多通道adc单元2用于测量任一分压通道的开关管导通时，该任一分压通道的分压电阻两端的电压值，主控单元1用于根据该电压值控制另一个分压通道的开关管通断。主控单元1通过控制输出高电平以实现控制开关管的导通，从而实现切换到不同的分压通道，实现该分压通道对应的分压电阻与薄膜压力传感器进行适配。
45.多个控制接口为2个或者更多个，作为一个示例，主控单元包括6个控制接口，相应地，压力测量电路包括6个分压通道，每个分压通道均包括开关管和分压电阻，如图2所示，6个开关管的使用端为en1-en6，如此主控单元1控制多个分压通道的开关管的使能端(en1-en6)，从而控制对应的分压通道的分压电阻是否与薄膜压力传感器导通连接，进行分压。即
通过主控单元1实现切换到不同的分压通道的分压电阻与薄膜压力传感器进行适配。
46.多通道adc单元2的输出端电连接主控单元1，多通道adc单元2用于测量主控单元1当前控制导通的分压通道对应的分压电阻两端的电压值，并将该电压值传输到主控单元1。
47.在本技术实施例中，通过多通道adc单元2测量多个分压通道中当前适配的分压通道的分压电阻两端的电压，再结合各个分压通道的分压电阻的阻值，用于最终得到薄膜压力传感器的阻值，而薄膜压力传感器的阻值与压力曲线是已知的，则可以最终得到薄膜压力传感器的测量的压力值。
48.本技术实施例的测量电路，通过多个分压通道提供多种分压电阻，通过主控单元以及多通道adc单元能够实现自行切换适配分压电阻，即选择多个分压通道之中的合适的分压通道的分压电阻进行分压，多个不同的分压电阻提高了与薄膜压力传感器不同压力下的阻值的适配范围，从而实现宽范围高精度的压力测量。针对压力薄膜的压力与电阻之间的关系特性，本技术实施例的压力测量电路可以满足其量程的宽动态高精度的测量。
49.为了实现测量电路与被测件共形，在本技术的一些实施例中，该压力测量电路设置于柔性电路板上。也就是说，设计测量电路时可以设计在柔性电路板(flexible printed circuit，fpc)上，实现一定的弯曲与共形，可以不需要引线到被测件以外的区域，且重量较硬件电路板较小。相比硬件电路板，采用柔性电路实现共形，可以应用于更多场景。
50.可选的，多个分压通道的多个分压电阻的阻值依次相差一个数量级。
51.可以理解，通过分压原理测量薄膜压力传感器在某个压力下的电阻值时，精确测量需要与薄膜压力传感器所在的电阻阻值相当的阻值的分压电阻进行分压，如果匹配的分压电阻相差较大，薄膜压力传感器的阻值的细微变化在电压上的变化并不明显，会造成精度的降低。可见，多个分压电阻之间的阻值差距越大，与薄膜压力传感器不同压力下的阻值的适配范围就越大。
52.作为一个示例，如图2所示，n个分压通道中的n个分压电阻的阻值依次乘10(如n＝6时，r1为10ω、r2为100ω，r3为1kω，r4为10kω，r5为100kω，r6为1mω)，即实现n个分压通道对应可以提供n个数量级的分压电阻。可见，本示例的多个分压电阻的适配范围较大，其中，n为大于1的正整数。
53.还需要说明的是，为了提高精度，可以选择设置更多的分压通道，即提供更多的分压电阻的可能选择，实现更详细的细分。
54.同时，可选的，分压电阻的精度为0.01％，分压电阻使用0.01％的高精度电阻，提高测量电路的测量精度。
55.可选的，开关管为n沟道mos管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,场效晶体管)，开关管的第一端为漏极(d极)、第二端为源极(s极)、控制端为栅极(g极)，主控单元1通过控制输出高电平来实现mos开关管的导通，从而实现切换到不同的分压电阻与压力薄膜传感器进行适配。
56.可选的，多通道adc单元2选择24bit高精度多通道adc芯片，adc芯片的通道数越多，对应读取模拟电压的引脚越多，24bit指的是每个引脚可以读取24位分辨率的电压，精度较高。
57.还需要说明的是，针对薄膜压力传感器阵列的应用，也可使用如上述压力测量电路，实现高速大量程高精度的压力测量。
58.在上述任一实施例的测量电路的基础上，本技术还提供一种该测量电路的测量方法。需要说明的是，本技术实施例的测量方法可应用于本技术实施例的测量装置。该测量装置可被配置于该主控单元上。如图3所示，该测量方法，可以包括如下步骤。
59.步骤301，响应于外部触发信号，主控单元根据预设顺序控制多个分压通道中的第一个分压通道的开关管导通。
60.在使用薄膜压力传感器测量时，主控单元响应于外部触发信息，控制分压通道导通。其中，外部触发信号可以为按键触发信号，或者为其他单元发送的一个外部信号，在此不做限制。
61.在本实施例中，预设顺序可以基于多分压通道的分压电阻的阻值的大小进行设置。作为一个示例，多分压通道的分压电阻的阻值按照电路上的布局顺序依次增大，主控单元的多个控制接口同样基于该阻值大小依次连接多分压通道的开关管。从而主控单元可以按照分压电阻的阻值大小顺序依次切换分压通道。例如，预设顺序为从分压电阻最小的分压通道依次到分压电阻最大的分压通道，则主控单元第一个控制导通的则为分压电阻最小的分压通道。
62.步骤302，通过多通道adc单元获取导通的分压通道的分压电阻的电压值；并将电压值与预设电压参数进行对比。
63.多通道adc单元可以读取切换的分压通道对应的分压电阻的模拟电压，并将该电压传输到主控单元。
64.主控单元根据多通道adc单元读取到的当前分压通道的分压电阻的电压值进行判断，判断电压值是否大于预设电压参数。
65.为了提高测量精度，需确保薄膜压力传感器的阻值与匹配的分压通道的分压电阻的阻值在同一数量级，可选的，预设电压参数为供电电压的百分之十。
66.也就是说，判断读取的电压值与vcc的满量程之间的差距是否在vcc的满量程的10％以上。
67.步骤303，在电压值小于等于预设电压参数时，主控单元根据预设顺序切换控制多个分压通道中的下一个分压通道的开关管导通，直到电压值大于预设电压参数时，控制停止切换分压通道，并基于停止切换时的分压通道的分压电阻的电阻值与电压值，获取薄膜压力传感器在当前压力下的目标电阻值。
68.本实施例中，如果当前读取的电压值为接近vcc的满量程，则按照预设顺序切换到下一级的分压通道的分压电阻进行分压；然后读取切换后的分压通道的分压电阻的电阻值，判断切换后的分压通道的分压电阻的电阻值是否继续接近vcc的满量程，如果是的话，继续切换分压通道，直至读取的电压值与vcc的满量程在一个数量级上，停止切换分压通道，并基于当前的分压通道的分压电阻的电阻值与电压值，获取薄膜压力传感器在当前压力下的目标电阻值。
69.作为一个示例，当读取的电压值与vcc的满量程之间的差距在10％以上时，停止切换分压通道。
70.步骤304，在电压值大于预设电压参数时，基于当前导通的分压通道的分压电阻的电阻值与电压值，获取薄膜压力传感器在当前压力下的目标电阻值。
71.可选的，获取薄膜压力传感器在当前压力下的目标电阻值的方法，包括：
72.基于导通的分压通道的分压电阻的电阻值与电压值，得到电流值；
73.获取当前压力下薄膜压力传感器的采样电压值；
74.基于电流值和采样电压值，获取薄膜压力传感器在当前压力下的目标电阻值。
75.作为一个示例，在电压值大于预设电压参数时，多通道adc单元对此分压通道测得的分压电阻的电压值为v0，通过事先在程序中预存的对应分压通道的分压电阻的阻值r0计算出电流值i0＝v0/r0；同步启动多通道adc单元对薄膜压力传感器进行电压采样，得到电压值v1，则可以计算出薄膜压力传感器在目前压力下对应的目标电阻值r＝v1/i0，即r＝v1*r0/v0。
76.再根据薄膜压力传感器的阻值与压力的关系曲线，能够得到薄膜压力传感器所受到的压力值，且分压电阻的适配范围大，测量精度高。
77.本技术实施例的测量方法，通过多通道adc单元测量多个分压通道中当前适配的分压通道的分压电阻两端的电压值，如果该电压值为接近vcc的满量程，则按照预设顺序控制切换到下一级分压通道，判断切换后的分压通道的分压电阻两端的电压值是否继续接近vcc的满量程，如果是的话，继续切换分压通道，直至该切换后的分压通道的分压电阻两端的电压值与vcc的满量程在同一数量级，则停止切换分压通道。进而基于停止切换时对应的分压通道的分压电阻两端的电压值，已知的该停止切换时的分压通道的分压电阻的电阻值，以及对薄膜压力传感器进行电压采样得到采样电压值，最终可以得到薄膜压力传感器在当前压力下的目标电阻值，并根据薄膜压力传感器的电阻值与压力的关系曲线，从而能够得到薄膜压力传感器所受到的压力值。本技术实施例在使用薄膜压力传感器测量时，可以自行切换到适配的分压电阻，实现宽范围高精度的测量。
78.本技术实施例还提供一种压力测量系统，包括薄膜压力传感器以及上述任一实施例的压力测量电路。其中，压力测量电路通过传感器接口电连接薄膜压力传感器，用于测量薄膜压力传感器受到的压力。
79.本技术实施例的压力测量系统，在使用薄膜压力传感器测量时，压力测量电路可以自行切换到适配的分压电阻，实现宽范围高精度的测量。
80.还需要说明的是，本发明中提及的示例性实施例，基于一系列的步骤或者装置描述一些方法或系统。但是，本发明不局限于上述步骤的顺序，也就是说，可以按照实施例中提及的顺序执行步骤，也可以不同于实施例中的顺序，或者若干步骤同时执行。
81.本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本技术的其它实施方案。本技术旨在涵盖本技术的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本技术的一般性原理并包括本技术未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的。
82.应当理解的是，本技术并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本技术的范围仅由所附的权利要求来限制。