電容式觸覺傳感器微電容檢測電路設計

易 藝，宋愛國,李會軍，冷明鑫

(1.東南大學儀器科學與工程學院，江蘇南京 210096；2.桂林電子科技大學信息科技學院，廣西桂林 541004)

0 引言

觸覺傳感器是非常重要的機器人傳感器。電容式柔性觸覺傳感器是觸覺傳感器的一種，它類似于人類的皮膚，是機器人感知自身與外界環(huán)境的接觸狀態(tài)和目標的形狀、軟硬度、表面紋理等物理屬性，實現(xiàn)目標識別與定位的重要保障[1-2]。

機器人指端電容式柔性觸覺傳感器由敏感單元和電容檢測單元電路組成。機器人在進行指端觸覺壓力感知時，電容式柔性觸覺傳感器的敏感單元可以將指端觸覺壓力的變化轉(zhuǎn)換為電容的變化，然后送給電容檢測單元電路進行測量，通過測量電容式傳感器的電容變化量來實現(xiàn)對觸覺壓力的檢測。但是由于電容式柔性觸覺傳感器的初始電容值和電容變化值通常很小，分別為pF數(shù)量級和fF數(shù)量級，且變化較快，被淹沒在電路的雜散電容和外界干擾中，如何將電容傳感器的初始電容值和電容變化值準確地轉(zhuǎn)換為易于讀取的電信號，進而實現(xiàn)對觸覺壓力的檢測，成為科研人員研究的熱點課題[3-6]。

為了實現(xiàn)對微電容的準確測量，本文分別采用電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片AD7746和運算放大電路設計了2種電容式柔性觸覺傳感器微電容檢測電路。本文首先介紹了電容式柔性觸覺傳感器的工作原理，然后分別以運算放大器和電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片AD7746為核心器件設計兩種微電容檢測電路，并對這兩種電路的主要性能指標進行實驗測試和對比研究，為電容式柔性觸覺傳感器微電容的檢測提供參考。

1 電容式柔性觸覺傳感器的工作原理

電容式柔性觸覺傳感器由上、下兩個電極和柔性絕緣介質(zhì)組成，其結構如圖1所示。

圖1 電容式柔性觸覺傳感器結構圖

在圖1中，設上、下電極間的距離為d，2個電極的有效面積為A，真空介電常數(shù)為ε0，柔性絕緣介質(zhì)的相對介電常數(shù)為εr，根據(jù)平板電容的原理[7]，可以得到該電容式柔性觸覺傳感器的電容量公式為

(1)

設εr和A為常數(shù)，柔性絕緣介質(zhì)為線彈性體，滿足胡克定律的要求，當電容式柔性觸覺傳感器未受到外力作用時，2個電極之間的距離為d0，此時電容式觸覺傳感器的初始電容值為C0；當有外力作用于電容式柔性觸覺傳感器時，柔性絕緣介質(zhì)因受到外加壓力作用而被壓縮，假設2個電極之間的距離減小了Δd，電容增量為ΔC，由式(1)可得此時的電容值為

(2)

當Δd/d0<<1時，由式(2)可以得到電容的變化量近似為

ΔC=C0·(Δd/d0)

(3)

由式(2)和式(3)可知，電容的變化量ΔC和距離的變化量Δd近似為線性關系。當作用的外力釋放后，因柔性絕緣介質(zhì)自身具有彈性，可以回彈到起始位置，電容式柔性觸覺傳感器的電容值也會恢復到初始值C0，因此可以通過檢測傳感器的電容變化量來實現(xiàn)觸覺壓力的檢測。

2 傳感器信號采集電路設計

2.1 脈沖激勵式電容檢測電路

脈沖激勵式電容檢測電路由脈沖信號發(fā)生器、電容轉(zhuǎn)換單元電路、濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路和微控制器組成，其電路組成框圖如圖2所示。

圖2 脈沖激勵式微弱電容檢測電路框圖

2.1.1 電容轉(zhuǎn)換單元電路

圖2中的虛線部分為電容轉(zhuǎn)換單元電路，它以運算放大器為核心器件，其中Cx和C1分別為電容式觸覺傳感器被測電容和參考電容，S1為單刀雙擲開關芯片，U1和U2為低溫漂、低噪聲、低輸入偏置電流和電壓的運算放大器。脈沖信號發(fā)生器產(chǎn)生幅度為ue，頻率為f，相位相差180°的脈沖信號A和B分別送給傳感器被測電容Cx和電容C1，單刀雙擲開關芯片S1的控制端IN與脈沖信號A相連接，受到脈沖信號A的控制。由于采用運算放大器和差動的電路結構，可以有效地抑制雜散電容和共模信號的干擾[8]。

電容轉(zhuǎn)換單元電路的工作過程為：當脈沖信號A和B的幅度分別為ue和0 V時，脈沖信號A控制單刀雙擲開關芯片S1向上連接，即傳感器被測電容Cx、電容C1都與運算放大器U1相連。此時，脈沖信號A和B分別對電容Cx和C1的一個電極進行激勵，電容Cx和C1的另外一個電極將產(chǎn)生感應電荷，感應電荷轉(zhuǎn)移至運算放大器U1和反饋電阻Rf1構成的跨阻放大器而產(chǎn)生電流，即可得到含有電容Cx和C1信息的電壓信號，被測電容Cx和電容C1將按脈沖信號頻率f重復進行充放電，實現(xiàn)C/V轉(zhuǎn)換[9]，得到此時的電壓信號uo1的公式為

uo1=Rf1f[(ue-uref)Cx+(0-uref)C1]+uref

(4)

當脈沖信號B和A的幅度分別為ue和0 V時，脈沖信號A控制單刀雙擲開關芯片S1向下連接，即傳感器被測電容Cx、電容C1都與運算放大器U2相連。同理可得到此時的電壓信號uo2的公式為

uo2=Rf2f[(0-uref)Cx+(ue-uref)C1]+uref

(5)

取uref=ue/2，則式(4)和式(5)可化簡為：

uo1=ueRf1f(Cx-C1)/2+ue/2

(6)

uo2=-ueRf2f(Cx-C1)/2+ue/2

(7)

取反饋電阻Rf1=Rf2，由式(6)和式(7)可得：

uo1-uo2=ueRf1f(Cx-C1)

(8)

由式(8)可得：

Cx-C1=(uo1-uo2)/(ueRf1f)

(9)

由式(9)可知：電容Cx-C1的值與電容轉(zhuǎn)換單元電路輸出電壓差uo1-uo2的值成線性關系。脈沖信號頻率f的穩(wěn)定性、反饋電阻Rf1和Rf2阻值的穩(wěn)定性都會對傳感器被測電容Cx造成影響。

為了提高電容檢測電路的靈敏度，電容轉(zhuǎn)換單元電路中的反饋電阻Rf1和Rf2要求為MΩ數(shù)量級。根據(jù)熱動力學理論可知，電阻的阻值越大，由其引入的噪聲就越大，將會影響電路的測量精度[10]。為了解決這個問題，可以采用T型電阻網(wǎng)絡組成的電路來代替反饋電阻Rf1和Rf2，其電路原理圖如圖3所示。

圖3 T型電阻網(wǎng)絡電路原理圖

在圖3中，反饋電阻Rf可以由R1、R2和R3組成的T型電阻網(wǎng)絡構成，反饋電阻Rf的計算公式為：

Rf=R1+R2+R1·R2/R3

(10)

由式(10)可知，可以利用3個較小的電阻組成阻值大的反饋電阻，以減小反饋電路的熱噪聲，從而提高電容檢測單元電路的信噪比。

為了驗證電路的可行性，取0.01～12 pF的電容進行仿真實驗。信號發(fā)生器產(chǎn)生頻率為50 kHz，幅度為5 V，相位差為180°的兩路脈沖信號加載給電容轉(zhuǎn)換單元電路，取反饋電阻Rf1和Rf2阻值為1 MΩ，當被測電容值發(fā)生變化時，uo1和uo2的電壓差將發(fā)生變化。用multisim軟件對電容轉(zhuǎn)換單元電路進行仿真實驗，其實驗結果如圖4所示。

圖4 被測電容與輸出電壓差關系圖

在現(xiàn)有實驗室條件下，取0.1～12 pF、誤差<5%的電容，對電容轉(zhuǎn)換單元電路進行實測實驗，其實驗結果如圖4所示。從圖4可知：在仿真實驗和實測實驗中，電容轉(zhuǎn)換單元電路的輸出電壓差與被測電容都呈線性關系，符合前面的理論分析。由于電阻和電容等器件的標稱參數(shù)存在誤差、電路存在寄生電容和環(huán)境干擾等原因，實測結果和仿真結果之間存在誤差，最大相對誤差為8.42%。對實測結果進行線性擬合，得到實測結果的線性擬合直線如圖4所示，線性度為1.82%，實測結果和擬合結果之間的最大相對誤差為3.17%。因此，在誤差允許范圍內(nèi)，該電容轉(zhuǎn)換單元電路可以用于測量電容式傳感器的微弱電容。

2.1.2 脈沖信號發(fā)生器電路

由公式(9)可知，脈沖信號頻率f的穩(wěn)定性，對被測電容的測量結果至關重要，因此選用DDS芯片AD9834和SN7414芯片來產(chǎn)生脈沖信號，其電路原理框圖如圖5所示[11]。通過微控制器ATxmega128A1給AD9834輸送頻率控制字來改變脈沖的頻率值。

圖5 脈沖信號發(fā)生器電路原理框圖

2.1.3 數(shù)據(jù)采集處理電路

數(shù)據(jù)采集處理電路由微控制器ATxmega128A1及16位A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7606組成。兩路A/D對電容轉(zhuǎn)換單元電路輸出的電壓值進行采集，為了減小采集數(shù)據(jù)頻繁跳變而帶來的測量誤差，采用算術均值濾波算法。微控制器在完成10次采集測量后，將10次采集數(shù)據(jù)的平均值作為最終的測量值，通過USB轉(zhuǎn)串口模塊送給上位機，上位機將接收到數(shù)據(jù)進行記錄、分析、處理和顯示。

2.2 電容轉(zhuǎn)換芯片AD7746檢測電路

電容轉(zhuǎn)換芯片AD7746檢測電路由AD7746芯片電路、微控制器和上位機組成，其電路組成框圖如圖6所示。

圖6 電容轉(zhuǎn)換芯片AD7746電路框圖

AD7746是24位電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片[12]，該芯片的電容檢測范圍為-4～+4 pF，線性度為0.01%，精度為4 fF，分辨率為4 aF，具有雙線式I2C接口，方便與微控制器進行數(shù)據(jù)通信。在圖6中，Cx為電容式觸覺傳感器的被測電容，Cp1和Cp2為等效的寄生電容。AD7746在接收到微控制器的指令后，通過CDC(capacitance-to-digital converter)架構測量連接在激勵信號EXCA端和容性輸入CIN1端之間的傳感器被測電容Cx。通過查閱AD7746芯片數(shù)據(jù)手冊可知，在一定范圍內(nèi)，AD7746芯片內(nèi)部的CDC可以有效地消除寄生電容Cp1和Cp2對測量結果的影響，極大地提高了傳感器被測電容的測量精度。

選用STM32F103C8T6作為微控制器，微控器將采集到的傳感器電容值進行分析和處理后，通過USB轉(zhuǎn)串口模塊發(fā)送給上位機進行顯示。

3 實驗測試及結果分析

在現(xiàn)有的實驗室條件下，選用電容值為0.1～12 pF，精度為0.1%、0.25%和1%的電容作為被測電容進行實驗。

3.1 微電容值對比測試

采用手持LCR測試儀TH2822E作為標準儀器，對2種微電容檢測電路進行比對測試，得到標準儀器和2種微電容檢測電路的部分參數(shù)測量結果如表1所示。

表1 微電容檢測電路部分參數(shù)測量結果

從表1可知，在0.1～7.5 pF范圍內(nèi)，AD7746微電容檢測電路和脈沖激勵式微電容檢測電路測量電容值的最大相對誤差分別為14.3%和37.00%，它們與標準儀器TH2822E測量結果的最大偏差分別為0.084 pF和0.305 pF。因此，AD7746微電容檢測電路的測量準確度優(yōu)于脈沖激勵式微電容檢測電路。

為了測試AD7746微電容檢測電路和脈沖激勵式微電容檢測電路的量程，逐漸增大電容值，得到AD7746微電容檢測電路和脈沖激勵式微電容檢測電路的量程分別為8 pF和12 pF，脈沖激勵式檢測電路的量程比AD7746檢測電路的大。

3.2 電容示值穩(wěn)定性測試

為了測試AD7746檢測電路和脈沖激勵式檢測電路的示值穩(wěn)定性，選擇3.0 pF的電容進行30 min的實驗測試，每間隔1 min記錄1個測量值，測量結束后分別對測量的實驗數(shù)據(jù)進行分析，得到兩個微電容檢測電路的電容示值穩(wěn)定性如圖7所示。

圖7 電容值為3.0 pF的示值穩(wěn)定性圖

從圖7可知，在30 min內(nèi)，AD7746微電容檢測電路和脈沖激勵式微電容檢測電路的電容示值可以分別穩(wěn)定在0.006 pF和0.026 pF以內(nèi)，AD7746微電容檢測電路的電容示值穩(wěn)定性優(yōu)于脈沖激勵式微電容檢測電路。

3.3 電容式柔性觸覺傳感器的測試

由于AD7746微電容檢測電路的性能指標優(yōu)于脈沖激勵式微電容檢測電路，且電路簡單，便于集成化，因此將AD7746微電容檢測電路與電容式柔性觸覺傳感器相連接，并進行實驗測試，如圖8所示。當用手指對電容式柔性觸覺傳感器施加或釋放壓力時，AD7746微電容檢測電路可以檢測出手指作用力引起的傳感器微弱電容變化值。

4 結束語

本文以AD7746芯片和運算放大器作為核心器件，分別設計了AD7746微電容檢測電路和脈沖激勵式微電容檢測電路，并對它們進行實驗測試和對比分析。實驗結果表明，AD7746微電容檢測電路的線性度、測量準確度、電容示值穩(wěn)定性等性能指標優(yōu)于脈沖激勵式微電容檢測電路，且電路簡單、體積小、便于集成化。因此，為了提高觸覺壓力的檢測精度，在量程范圍內(nèi)，選擇AD7746微電容檢測電路對電容式柔性觸覺傳感器進行信號的采集，為電容式柔性觸覺傳感器信號的讀取提供參考。

(a)微電容檢測電路與傳感器連接圖

(b)上位機測量顯示界面