六維力傳感器的PICOSTRAIN應變測量電路設計

李亞娟，姜 力，樊紹巍

（哈爾濱工業(yè)大學機器人技術與系統(tǒng)國家重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001）

0 引言

多維力傳感器測量原理主要有壓電式［1］、電容式［2］、光電式［3］和電阻應變式［4］。雖然壓電式、電容式和光電式多維力傳感器近些年發(fā)展迅速，但是電阻應變式多維力傳感器仍然占據主導地位，具有最廣泛的應用。電阻應變式傳感器的信號檢測廣泛采用基于Wheatstone（惠斯通）電橋的信號檢測方式。在Wheatstone電橋檢測方法中，應變電阻的變化轉換為電橋的輸出電壓。由于電橋的輸出電壓很小，恒壓源（或恒流源）的不穩(wěn)定和噪聲將對傳感器信號的測量精度產生很大的影響。同時，低功耗是傳感器發(fā)展的一個必然趨勢，當采用較低電壓或電流供電時，Wheatstone電橋的應變信號檢測精度將會進一步降低。PICOSTRAIN是近幾年出現(xiàn)的一種新的數字化應變測量方法。采用PICOSTRAIN方法進行微弱應變信號的數字化檢測，在低電壓供電的情況下可以達到較高的分辨率和測量精度。

1 PICOSTRAIN應變測量原理

測量電阻應變是傳感器技術的一個非常大的挑戰(zhàn)。由于在滿度時僅0.2%的微小變化和16位的高精度要求或更高，電阻值必須要被非常精確的在ppb范圍內測量。這一點只能通過測量電阻的比值來實現(xiàn)。PICOSTRAIN測量原理引入了全新的方法，電阻的比值通過時間間隔的測量來求出，而不是像惠斯通電橋通過電壓變化來求得。

應變測量本身是通過測量放電時間來間接體現(xiàn)的。放電時間是測量應變電阻通過一個放電電容Cload放電來獲得。正向變化和反向變化的應變電阻的放電時間都會被進行測量。那么2個放電時間的比值則會反映電阻的變化信息。時間的測量是通過內部時間單元完成，有15ps的測量精度。

在PICOSTRAIN測量中，每路信號的采集由RC網絡實現(xiàn)，簡化如圖1所示。傳感器彈性體形變轉化為電阻應變片的阻值變化，電阻應變片的阻值變化最終由RC網絡的充放電時間即信號波形的周期時間決定。

圖1 RC網絡

由二階RC網絡，可得：

最后根據TDC上時間間隔測量出應變電阻改變：

時間的采集是由ACAM公司生產的PS09芯片完成的。每片芯片能采集4路電信號供電電壓范圍為2.1～3.6V，功耗超低。根據配置不同，電流消耗從0.005mA到0.4mA不等。芯片輸出頻率可以靈活調整，從小于1Hz最高到1000Hz。轉換內碼可高達1百萬分度（28位ENOB RMS）。它適用于基于金屬應變測量的力及力矩測量或者其他力學測量應用。每個芯片最多能4通道采集應變信息，有8個I／O口完成數據信息的傳遞，測量結果可以通過數字方式傳輸到外界。

2 微型六維力傳感器信號檢測電路

所設計的六維力傳感器的電路能實現(xiàn)6路應變信號的同時采集，單片組合式應變片構成6組應變半橋，6組應變半橋直接與德國ACAM公司生產的PS09芯片連接，每片芯片能采集4路電信號，需要用2片芯片完成電路設計。其中，一個芯片為四驅橋連接模式，如圖2所示，另一個芯片為2個單獨的半橋連接方式，如圖3所示。

為了獲得較好的測量結果，必須要將傳感器的殼體與電路板的地相連接。這2種連接方式都既可以讀出每一個半橋的測量結果，也可以讀出總的測量結果。兩芯片間通過SPI總線通信，構成主從設備，將從設備測得的應變信息通過主設備與主設備信息一起發(fā)出。2個芯片的供電電壓（2.1～3.3V）都是由一可調穩(wěn)壓電源提供，主從芯片都是由外部8kB的EEPROM寫入，通過UART串行通信將應變信息輸出。

圖2 PICOSTRAIN四驅橋模式

圖3 PICOSTRAIN兩單獨半橋模式

3 實驗設置及驗證

3.1 基于PICOSTRAIN測量的電子稱試驗臺

電子稱試驗臺由能負重10kg的負載平臺、PS09信號采集板、PS09燒寫器、串口線和PC機組成。負重梁上應變片是2個半橋的粘貼方式。PS09芯片的編程是基于匯編語言的，匯編語言的調試和下載通過ACAM公司的PS09Assembler軟件實現(xiàn)。PS09Assembler軟件與PS09信號采集板通過芯片SPI數據總線連接，芯片采集到的應變信息通過UART串口傳給PC機處理。

PS09芯片能通過匯編語言編程實現(xiàn)芯片參數控制，并且可以分析電氣參數（如電容值，供電電壓等）與傳感器信號靜態(tài)和動態(tài)品質之間的關系。

在負載平臺上依次施加不同的載荷，記載通過PS09采集的應變信息。整個系統(tǒng)構成一維力傳感器的應變信息采集系統(tǒng)?；赑ICOSTRAIN原理的應變檢測精度，便可以通過由計算出的一維力傳感器的性能參數體現(xiàn)。應用PICOSTRAIN原理測量電阻應變的實驗裝置如圖4所示。

圖4 PICOSTRAIN應變采集系統(tǒng)

實驗中，對承重平臺分別施加大小不同的10組標準砝碼負載力，對應記錄PS09輸出信息，對輸出的信息處理后，得PICOSTRAIN法用于應變測量的測量結果：線性度為0.0405，重復性為0.0079。

從實驗結果看出，PICOSTRAIN應變檢測法有如下特點：無需對應變電阻精確要求；具有較低的功耗；在低供電電壓的情況下，可達到較高測量精度。

3.2 微型六維力傳感器的機電一體化結構

微型六維力傳感器的信號檢測電路的設計原理，同樣是PICOSTRAIN應變檢測原理。實驗板尺寸為4cm×6cm，該信號采集板應用了2塊PS09芯片，能完成6路應變信號的檢測。通過SPI通信口，將匯編語言程序燒入芯片外部的8kB空間的EEPROM中，最終用于應變測量的程序會存入芯片的一次可編程存儲空間OTP中，在每次上電復位后，程序會自動運行，這樣的特點便于信號檢測電路的微型化設計。芯片采集的應變信號以16進制的字節(jié)通過UART通信口輸出，兩芯片間的通信是通過SPI完成的，構成主從設備，主設備將從設備的應變信息提取，并與主設備內應變信息組合打包，一起通過UART口輸出。

六維力傳感器的機械本體采用的是薄壁圓筒狀彈性體，在其上粘貼集成式應變計［5］，便構成了傳感器的應變系統(tǒng)。薄壁圓筒狀彈性體材料為鋁合金。微型傳感器制作的重要指標是靈敏度和剛度，在保證較好靈敏度的前提下必須有較高的剛度。這就要求彈性體有較小的彈性模量-密度積。鋁合金材料的彈性模量密度積是合金鋼的九分之一，并且鋁合金具有較好的低溫性能和機械加工性能，是制造形狀復雜的小量程傳感器的理想彈性體材料。

薄壁圓筒提供的空間用來放彈性體和集成化電路，外殼基座與彈性體之間采用螺釘連接，彈性體與外殼基座間保證0.2mm的圓周間隙，在Z方向上保留約0.1mm的間隙，這樣的間隙既為彈性體變形提供足夠的空間，也為彈性體提供機械上的過載保護，剩下的空間用于放置集成化電路。傳感器保留有必要的機械接口和電氣接口。

利用表面封裝元件（SMD）和柔性剛性相結合的PCB板技術，將設計的六維力傳感器的電路微型化，集成于外徑為16.5mm，高為17.5mm的圓柱型機械本體內。

計算傳感器在載荷作用下的應變輸出，結合彈性體的尺寸參數，并通過有限元的方法對彈性體尺寸進行了優(yōu)化。在滿度時應變阻值變化僅0.2%的情況下，設計出的微型六維力傳感器的量程為：Fx，F(xiàn)y為30N，F(xiàn)z為30N，Mx，My為300N·mm，Mz為200N·mm。

4 結束語

PICOSTRAIN原理能實現(xiàn)在低功耗的情況下，對微弱應變信號的檢測，是一種高精度的應變檢測方法，基于該原理設計的電路易于微型化，滿足研究在微小空間中機電一體化集成的需要。將電路微型化并集成于傳感器機械本體中，下一步的工作是采集微型六維力傳感器的應變信息，進行傳感器的解耦和標定。

［1］張 軍，李寒光，李映君，等.壓電式軸上六維力傳感器的研制［J］.儀器儀表學報，2010，31（1）：73-77.

［2］蔣家云，富寶龍.電容式傳感器電容檢測電路的研究［J］.傳感器世界，2008，14（3）：46-49.

［3］張 燕，曾光宇.光電式傳感器的應用與發(fā)展［J］.科研情報開發(fā)與經濟，2006，16（13）：254-255.

［4］郭懷天，李寶華，趙玉俠，等.基于電阻應變式傳感器的電子天平的研制［J］.微計算機信息，2007，23（16）：147-149.

［5］王嘉力，姜 力，劉 宏.一種用于微型六維力傳感器的集成式應變計設計［J］.機器人，2007，29（4）：101-104.