CN205102964U - 多通道便携式软组织界面测力系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多通道便携式软组织界面测力系统，包括薄膜传感器，其中：所述薄膜传感器依次连接有数字转换单元、信号调理单元、数据采集单元；所述信号调理单元包括依次连接的电源电路、电桥电路、放大电路、滤波电路。该系统减少了电源对电压信号的干扰性，其电压信号传输稳定、计算准确、精度高、实时性好，且结构简单、操作方便。

Description

多通道便携式软组织界面测力系统

技术领域

本实用新型涉及一种测力系统，尤其涉及一种多通道的薄膜测力系统。

背景技术

软组织界面测力系统是基于其特殊的受力情况，在软组织受到一定的外界压力后，其变形往往是非线性的，这就对我们研究软组织各个点的受力和变形情况带来了很大的难度。现在的许多研究中，研究人员通常为了方便，计算简单，往往把软组织界面简化为刚体，线性变形，这样不仅会引起很大的误差，导致实验数据的不准确性，同时也不利于我们对软组织界面的深入研究。

目前使用的软组织界面测力系统有以下缺陷：

（一）、测力系统的电源对电压信号的干扰性大；

（二）、测力系统的电压信号不稳定，不利于降低阻抗；

（三）、测力系统的电压信号的精度不高，数据不准确，未进行信号的调理。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种多通道便携式软组织界面测力系统，该系统减少了电源对电压信号的干扰性，其电压信号传输稳定、计算准确、精度高、实时性好，且结构简单、操作方便。

本实用新型实现其发明目的，所采用的技术方案是：

一种多通道便携式软组织界面测力系统，包括薄膜传感器，其中：所述薄膜传感器依次连接有数字转换单元、信号调理单元、数据采集单元；所述信号调理单元包括依次连接的电源电路、电桥电路、放大电路、滤波电路。

进一步地，上述数据采集单元包括数据采集板卡，所述数据采集板卡包括依次连接的采样缓冲器、D/A转换器、程控放大器、多路复用器；所述采样缓冲器还依次连接有D/A转换器、USB控制器、信号输出控制器，所述多路复用器与信号调理单元连接；所述采样缓冲器还与USB控制器连接，所述转换器还分别与A/D转换器、程控放大器、多路复用器连接；所述USB控制器还与USB数据总线连接。

进一步地，上述电源电路包括蓄电池，与其连接的升压转换器。

进一步地，上述电桥电路为半桥单臂电桥电路，所述半桥单臂电桥电路包括继电器，所述继电器与所述薄膜传感器连接。

进一步地，上述放大电路包括仪表放大芯片，所述仪表放大芯片的输入端与半桥单臂电桥电路的输出端连接。

进一步地，上述滤波电路为二阶压控型低通滤波电路，所述二阶压控型低通滤波电路包括二阶RC滤波器，与其连接的非斩波稳零的双极性放大器；所述二阶压控型低通滤波电路的输入端与放大电路的输出端连接。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

（一）、本实用新型将蓄电池的直流电压转换为稳定的直流电压，使其输出电压为稳定的电压，其减少了对电压信号的干扰。

（二）、本实用新型输入阻抗较高、共模抑制比较高、噪声低、线性误差低、失调漂移低、增益可以灵活设置，使用也更方便。

（三）、本实用新型的电压信号非常稳定，也非常利于降低阻抗。

（四）、本实用新型的电压信号经过调理后，其精度高，数据准确，更有利于实验数据的准确性，同时也更利于对软组织界面的深入研究分析。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。

附图说明

图1是本实用新型实施例一中信号调理单元的电源电路图。

图2是本实用新型实施例一中信号调理单元的半桥单臂电桥电路图。

图3是本实用新型实施例一中信号调理单元的仪表放大电路图。

图4是本实用新型实施例一中信号调理单元的二阶压控型低通滤波电路图。

图5是本实用新型实施例一数据采集板卡的结构框图。

具体实施方式

实施例一

本实用新型的一种具体实施方式为：一种多通道便携式软组织界面测力系统，包括薄膜传感器，其中所述薄膜传感器依次连接有数字转换单元、信号调理单元、数据采集单元；所述信号调理单元包括依次连接的电源电路、电桥电路、放大电路、滤波电路。

图5示出，本例的数据采集单元包括数据采集板卡，采用的是研华公司的数据采集板卡USB-4704来实现，数据采集板卡USB-4704包括依次连接的512BytesFIFO采样缓冲器、14位D/A转换器、PGIA程控放大器、MUX多路复用器；所述512BytesFIFO采样缓冲器还依次连接有14位A/D转换器、CPLDUSB控制器、信号输出控制器，所述MUX多路复用器与信号调理单元连接；所述512BytesFIFO采样缓冲器还CPLDUSB控制器连接，所述14位D/A转换器还分别与14位A/D转换器、PGIA程控放大器、MUX多路复用器连接；所述CPLDUSB控制器还与USB数据总线连接，USB数据总线再与上位机（如电脑等）连接。

数据采集单元从薄膜传感器自动采集电量或者非电量信号，通过信号调理单元加以处理，传输至上位机中；数据采集单元为测力系统的后续工作提供数据来源，保证了有数据可处理。

图1示出，本例的电源电路包括蓄电池，与其连接的升压转换器。本例的电源使用了升压转换器（LM27313），将蓄电池的5V直流电压转换为稳定的12V直流电压，设计了一些电容与二极管元件，对信号进行了简单的处理。芯片LM27313是一种电流模式的升压转换器与稳压器，其工作频率固定为1.6兆赫，该芯片采用SOP-23封装，开关电流减小的最低损失800mA，其中的小电感与电容器造成功率密度极高；芯片中30V的内部开关可以使解决方案所需的电压为5-28V；芯片包含有一个逻辑开关引脚，可以减少芯片的静态电流，延长芯片的寿命；芯片采用限制周期电流和热关机功能可以实现对自身的保护；芯片的内部补偿电路也简化了设计，减少了元器件的数量。针对该升压转换器芯片的特征，本模块设计了相应的电路，配置相适应的电阻、电容元件，使的其输出电压为稳定的直流12V，如图1所示输出电压：Ut=－V1(R1/Rs)。

图2示出，本例的电桥电路为半桥单臂电桥电路，所述半桥单臂电桥电路包括继电器，所述继电器J1与所述薄膜传感器连接。

当薄膜压力传感器将被测夹持力信号转化为自身电阻变化，电桥可以把这种电阻微小变化转化为电桥输出电压的变化。该课题根据传感器感应区加载时电阻变化特征，设计了半桥单臂电桥电路，可以对传感器输出的电压进行初级放大处理，电路图如图2所示，其主要调理作用是将阻值的变化转化为电压输出，方便后续的信号处理。

图3示出，本例的放大电路包括仪表放大芯片，所述仪表放大芯片的输入端VIN1+与半桥单臂电桥电路的输出端VIN1+连接。

薄膜压力传感器连接在半桥单臂电桥电路中，电桥将薄膜压力传感器阻值的变化转化为电压输出，电桥电路的输出电压即为放大电路的输入信号。仪表放大电路源于运算放大器，但优于运算放大器，是一种比较精密的差分放大电路；仪表放大电路拥有较好的直流共模抑制比，交流共模抑制比较差。通过将关键元器件集成在放大器的内部，独特的仪表放大器结构使其拥有诸多优良特征，例如：输入阻抗较高、共模抑制比较高、噪声低、线性误差低、失调漂移低、增益可以灵活设置、使用比较方便等。仪表放大电路在传感器的信号放大、数据采集、医疗仪器、高速信号调节以及高档的音响设备应用比较广泛。运算放大器是通过在反相输入端与输出端之间连接外部电阻来调整放大器的闭环增益，与运算放大器不同，仪表放大电路调整其闭环增益是通过使用与输入端隔离的内部反馈电阻网络。在仪表放大电路输入端施加两个差分输入信号时，使用者可以使用内部引脚设置增益或者使用与输入信号隔离的外部电阻设置增益，也可使用内部反馈电阻网络。

本例采用集成运算放大芯片（INA128）来设计仪表放大电路。集成运算放大芯片（INA128）是一种通用的仪表放大芯片，具有低功耗、高精度的优点。INA128芯片体积小巧采用三运放（3-opamp）设计，使其适用于很多方面。即使在高的增益设置条件下(G=100时，200kHz)，反馈电流的输入电路也可提供较宽的带宽。INA128芯片通过设置单个外部电阻的阻值可以实现1-1000的任一增益选择。采用激光进行微调修正的INA128芯片具有很多优点，例如偏置电压非常低（50mV）、共模抑制比较高（在G=100时，120dB）、温度漂移为0.5uV/℃。INA128芯片在电源电压低至±2.25V，其静态的电流只有700uA，芯片的内部具有输入保护可以承受±40V电压无损坏。INA128芯片的封装形式通常为SO-8表面衬底或者8引脚塑料DIP，规定的工作温度范围为-40℃至+85℃。仪表放大电路的电路图如图3所示。

图4示出，本例的滤波电路为二阶压控型低通滤波电路，所述二阶压控型低通滤波电路包括二阶RC滤波器，与其连接的非斩波稳零的双极性放大器；所述二阶压控型低通滤波电路的输入端与放大电路的输出端连接。

滤波电路的通常功能是顺利通过某一部分频率的信号，而抑制另外一部分频率的信号，从而对输入信号进行有效的处理。二阶压控型低通滤波电路是由二阶RC滤波电路和同相比例放大器构成，是一种有源滤波电路，适合作为多级放大器的级联。上级仪表放大电路传输的信号为低频电压信号，为使输出电压在高频段以更快的速率下降，本例的滤波电路采用典型的二阶压控低通滤波电路，设计选用集成运算放大芯片OP07CP。

集成运算放大芯片OP07CP是一种非斩波稳零的双极性放大器，具有低噪声、输入失调电压小（最大为25uA）、开环增益高（300V/mV）、输入偏置电流低（±2nA）等优点，同时该芯片不需要添加额外的调零措施，OP07芯片具有的低失调、高开环增益的特性使其在测量设备的高增益设置和传感器微弱信号的放大方面特别适用。本测力系统利用该芯片的优良特性，设计了比较适用的二阶压控型低通滤波电路，如图4所示。

本实施例的工作原理和过程是：

当薄膜传感器的薄膜区域受到压力，薄膜传感器将被测夹持力信号转化为自身电阻值的变化；薄膜压力传感器连接在半桥单臂电路中，半桥单臂电桥将薄膜传感器阻值的变化转化为电压输出，半桥单臂电桥电路的输出电压即为放大电路的输入信号；再通过调理电路中的放大、滤波、降低阻抗的的作用转化成电压信号，然后利用数据采集单元，实时准确的把电压信号采集处理后导入计算机，再通过计算机的计算、选择和反馈，实时的把软组织界面的受力情况曲线在计算机上反映出来，实时观察、采集处理所需要的数据，为实验提供更准确的数据依据。

本实用新型的薄膜传感器是一种重量轻，体积小，感测精度高，超薄型的压力传感器，是专门针对软组织界面的压力测定所设计。本实用新型的数据采集板卡是实现数据采集功能的计算机扩展卡，还可以通过PXI、PCI、PCIExpress、火线(1394)、PCMCIA、ISA、CompactFlash、485、232、以太网、各种无线网络等总线接入个人计算机。

Claims (6)

1.一种多通道便携式软组织界面测力系统，包括薄膜传感器，其特征在于：所述薄膜传感器依次连接有数字转换单元、信号调理单元、数据采集单元；所述信号调理单元包括依次连接的电源电路、电桥电路、放大电路、滤波电路。

2.根据权利要求1所述的一种多通道便携式软组织界面测力系统，其特征在于：所述数据采集单元包括数据采集板卡，所述数据采集板卡包括依次连接的采样缓冲器、A/D转换器、程控放大器、多路复用器；所述采样缓冲器还依次连接有D/A转换器、USB控制器、信号输出控制器，所述多路复用器与信号调理单元连接；所述采样缓冲器还与USB控制器连接，所述A/D转换器还分别与D/A转换器、程控放大器、多路复用器连接；所述USB控制器还与USB数据总线连接。

3.根据权利要求1所述的一种多通道便携式软组织界面测力系统，其特征在于：所述电源电路包括蓄电池，与其连接的升压转换器。

4.根据权利要求3所述的一种多通道便携式软组织界面测力系统，其特征在于：所述电桥电路为半桥单臂电桥电路，所述半桥单臂电桥电路包括继电器，所述继电器与所述薄膜传感器连接。

5.根据权利要求4所述的一种多通道便携式软组织界面测力系统，其特征在于：所述放大电路包括仪表放大芯片，所述仪表放大芯片的输入端与半桥单臂电桥电路的输出端连接。

6.根据权利要求5所述的一种多通道便携式软组织界面测力系统，其特征在于：所述滤波电路为二阶压控型低通滤波电路，所述二阶压控型低通滤波电路包括二阶RC滤波器，与其连接的非斩波稳零的双极性放大器；所述二阶压控型低通滤波电路的输入端与放大电路的输出端连接。