六维力传感器的PICOSTRAIN应变测量电路设计

2013-08-26李亚娟樊绍巍

机械与电子 2013年10期

李亚娟，姜力，樊绍巍

（哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室，黑龙江哈尔滨 150001）

0 引言

多维力传感器测量原理主要有压电式［1］、电容式［2］、光电式［3］和电阻应变式［4］。虽然压电式、电容式和光电式多维力传感器近些年发展迅速，但是电阻应变式多维力传感器仍然占据主导地位，具有最广泛的应用。电阻应变式传感器的信号检测广泛采用基于Wheatstone（惠斯通）电桥的信号检测方式。在Wheatstone电桥检测方法中，应变电阻的变化转换为电桥的输出电压。由于电桥的输出电压很小，恒压源（或恒流源）的不稳定和噪声将对传感器信号的测量精度产生很大的影响。同时，低功耗是传感器发展的一个必然趋势，当采用较低电压或电流供电时，Wheatstone电桥的应变信号检测精度将会进一步降低。PICOSTRAIN是近几年出现的一种新的数字化应变测量方法。采用PICOSTRAIN方法进行微弱应变信号的数字化检测，在低电压供电的情况下可以达到较高的分辨率和测量精度。

1 PICOSTRAIN应变测量原理

测量电阻应变是传感器技术的一个非常大的挑战。由于在满度时仅0.2%的微小变化和16位的高精度要求或更高，电阻值必须要被非常精确的在ppb范围内测量。这一点只能通过测量电阻的比值来实现。PICOSTRAIN测量原理引入了全新的方法，电阻的比值通过时间间隔的测量来求出，而不是像惠斯通电桥通过电压变化来求得。

应变测量本身是通过测量放电时间来间接体现的。放电时间是测量应变电阻通过一个放电电容Cload放电来获得。正向变化和反向变化的应变电阻的放电时间都会被进行测量。那么2个放电时间的比值则会反映电阻的变化信息。时间的测量是通过内部时间单元完成，有15ps的测量精度。

在PICOSTRAIN测量中，每路信号的采集由RC网络实现，简化如图1所示。传感器弹性体形变转化为电阻应变片的阻值变化，电阻应变片的阻值变化最终由RC网络的充放电时间即信号波形的周期时间决定。

图1 RC网络

由二阶RC网络，可得：

最后根据TDC上时间间隔测量出应变电阻改变：

时间的采集是由ACAM公司生产的PS09芯片完成的。每片芯片能采集4路电信号供电电压范围为2.1～3.6V，功耗超低。根据配置不同，电流消耗从0.005mA到0.4mA不等。芯片输出频率可以灵活调整，从小于1Hz最高到1000Hz。转换内码可高达1百万分度（28位ENOB RMS）。它适用于基于金属应变测量的力及力矩测量或者其他力学测量应用。每个芯片最多能4通道采集应变信息，有8个I／O口完成数据信息的传递，测量结果可以通过数字方式传输到外界。

2 微型六维力传感器信号检测电路

所设计的六维力传感器的电路能实现6路应变信号的同时采集，单片组合式应变片构成6组应变半桥，6组应变半桥直接与德国ACAM公司生产的PS09芯片连接，每片芯片能采集4路电信号，需要用2片芯片完成电路设计。其中，一个芯片为四驱桥连接模式，如图2所示，另一个芯片为2个单独的半桥连接方式，如图3所示。

为了获得较好的测量结果，必须要将传感器的壳体与电路板的地相连接。这2种连接方式都既可以读出每一个半桥的测量结果，也可以读出总的测量结果。两芯片间通过SPI总线通信，构成主从设备，将从设备测得的应变信息通过主设备与主设备信息一起发出。2个芯片的供电电压（2.1～3.3V）都是由一可调稳压电源提供，主从芯片都是由外部8kB的EEPROM写入，通过UART串行通信将应变信息输出。

图2 PICOSTRAIN四驱桥模式

图3 PICOSTRAIN两单独半桥模式

3 实验设置及验证

3.1 基于PICOSTRAIN测量的电子称试验台

电子称试验台由能负重10kg的负载平台、PS09信号采集板、PS09烧写器、串口线和PC机组成。负重梁上应变片是2个半桥的粘贴方式。PS09芯片的编程是基于汇编语言的，汇编语言的调试和下载通过ACAM公司的PS09Assembler软件实现。PS09Assembler软件与PS09信号采集板通过芯片SPI数据总线连接，芯片采集到的应变信息通过UART串口传给PC机处理。

PS09芯片能通过汇编语言编程实现芯片参数控制，并且可以分析电气参数（如电容值，供电电压等）与传感器信号静态和动态品质之间的关系。

在负载平台上依次施加不同的载荷，记载通过PS09采集的应变信息。整个系统构成一维力传感器的应变信息采集系统。基于PICOSTRAIN原理的应变检测精度，便可以通过由计算出的一维力传感器的性能参数体现。应用PICOSTRAIN原理测量电阻应变的实验装置如图4所示。

图4 PICOSTRAIN应变采集系统

实验中，对承重平台分别施加大小不同的10组标准砝码负载力，对应记录PS09输出信息，对输出的信息处理后，得PICOSTRAIN法用于应变测量的测量结果：线性度为0.0405，重复性为0.0079。

从实验结果看出，PICOSTRAIN应变检测法有如下特点：无需对应变电阻精确要求；具有较低的功耗；在低供电电压的情况下，可达到较高测量精度。

3.2 微型六维力传感器的机电一体化结构

微型六维力传感器的信号检测电路的设计原理，同样是PICOSTRAIN应变检测原理。实验板尺寸为4cm×6cm，该信号采集板应用了2块PS09芯片，能完成6路应变信号的检测。通过SPI通信口，将汇编语言程序烧入芯片外部的8kB空间的EEPROM中，最终用于应变测量的程序会存入芯片的一次可编程存储空间OTP中，在每次上电复位后，程序会自动运行，这样的特点便于信号检测电路的微型化设计。芯片采集的应变信号以16进制的字节通过UART通信口输出，两芯片间的通信是通过SPI完成的，构成主从设备，主设备将从设备的应变信息提取，并与主设备内应变信息组合打包，一起通过UART口输出。

六维力传感器的机械本体采用的是薄壁圆筒状弹性体，在其上粘贴集成式应变计［5］，便构成了传感器的应变系统。薄壁圆筒状弹性体材料为铝合金。微型传感器制作的重要指标是灵敏度和刚度，在保证较好灵敏度的前提下必须有较高的刚度。这就要求弹性体有较小的弹性模量-密度积。铝合金材料的弹性模量密度积是合金钢的九分之一，并且铝合金具有较好的低温性能和机械加工性能，是制造形状复杂的小量程传感器的理想弹性体材料。

薄壁圆筒提供的空间用来放弹性体和集成化电路，外壳基座与弹性体之间采用螺钉连接，弹性体与外壳基座间保证0.2mm的圆周间隙，在Z方向上保留约0.1mm的间隙，这样的间隙既为弹性体变形提供足够的空间，也为弹性体提供机械上的过载保护，剩下的空间用于放置集成化电路。传感器保留有必要的机械接口和电气接口。

利用表面封装元件（SMD）和柔性刚性相结合的PCB板技术，将设计的六维力传感器的电路微型化，集成于外径为16.5mm，高为17.5mm的圆柱型机械本体内。

计算传感器在载荷作用下的应变输出，结合弹性体的尺寸参数，并通过有限元的方法对弹性体尺寸进行了优化。在满度时应变阻值变化仅0.2%的情况下，设计出的微型六维力传感器的量程为：Fx，Fy为30N，Fz为30N，Mx，My为300N·mm，Mz为200N·mm。