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CN107884100B - 一种基于电容感知的集成微型六维力传感器 - Google Patents

一种基于电容感知的集成微型六维力传感器 Download PDF

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CN107884100B CN201711178735.3A CN201711178735A CN107884100B CN 107884100 B CN107884100 B CN 107884100B CN 201711178735 A CN201711178735 A CN 201711178735A CN 107884100 B CN107884100 B CN 107884100B
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    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/14—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators
    • G01L1/142—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators using capacitors

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Abstract

一种集成电容微型六维力传感器，其包括力加载平台、弹性体、基座、保护罩、平行板电容PCB以及相应的电容值数据采集电路，其中力加载平台与弹性体固连，两块平行板电容PCB分别固定在弹性体和基座上，弹性体与基座之间通过定位槽进行定位，弹性体与基座之间设有调整垫片，保护罩与基座固连，电容值数据采集电路板固定在保护罩底部，并通过数据采集引线与平行板电容PCB对应的电容极板连接；加载力通过力加载平台作用到弹性体上，弹性体受力变形致使两块平行板电容PCB发生相对位移，对应电容值发生变化，电容值数据采集电路采集各个通道的电容值，进行解耦，得到加载六维力。本发明灵敏度高、成本低、能够实现低功耗测量。

Description

一种基于电容感知的集成微型六维力传感器
技术领域
本发明属于传感器技术领域，特别涉及一种六维力传感器。
背景技术
多维力与力矩传感器在机器人领域扮演着十分重要的角色。相比于大量程的重载多维力传感器，微型多维力传感器在机器人的感知方面应用的更加广泛。
当前微型多维力/力矩传感器的研究主要集中在敏感元件(弹性体)的设计和优化、应变检测电路的设计和传感器的标定等方面。许多多维力与力矩传感器弹性体复杂，如Stewart平台机构，结构复杂，难于加工，加工精度不容易保证，因此MEMS工艺是常用的加工方法。但是MEMS工艺价格昂贵，大大提高了传感器的制造成本。应用最广泛的转换元件是应变片，然而微型多维力与力矩传感器的尺寸小，应变片粘贴困难。应变片灵敏度低，造成传感器的灵敏度不高。传统应变片式的多维力/力矩传感器的采用的是惠更斯电桥进行应变测量，这种方法功耗大，测量精度容易受到噪声干扰，不适合用于低功耗微型多维力与力矩传感器的测量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、易于加工、灵敏度和测量精度高的基于电容感知的集成微型六维力传感器。本发明主要是将平行板电容感知位移的原理应用于微型六维力传感器领域，以充分利用电容感知的分辨率高、抗干扰能力强、功耗小等优点，实现对空间六维微力的测量。
本发明包括力加载平台、弹性体、基座、保护罩、平行板电容PCB以及相应的电容值数据采集电路，其中力加载平台与弹性体通过金属胶固结，两块平行板电容PCB分别固定在弹性体和基座上，弹性体与基座通过两者之间的定位槽进行定位，弹性体与基座之间通过0.05mm的调整垫片调整间距，改变两块平行板电容PCB之间的间距，调整传感器的分辨率；保护罩与基座固连，电容值数据采集电路板固定在保护罩底部，并通过数据采集引线与平行板电容PCB对应的电容极板连接；加载力通过力加载平台作用到弹性体上，弹性体受力变形致使两块平行板电容PCB发生相对位移，对应电容值发生变化，电容值数据采集电路采集各个通道的电容值，进行解耦，得到加载六维力。
所述平行板电容PCB上分布有8个平行板电容器，每两个平行板电容器为一组圆周均布，形成8通道电容检测装置，检测FX、FY、FZ、MX、MY、MZ六个方向的空间力，为保证平行板电容之间相对分布与系统集成，电容极板的制作采用PCB打印方式，即在PCB板上相应电容极板位置打印铜皮并开窗以裸露铜皮；平行板电容PCB分为上下两部分：上平行板电容PCB和下平行板电容PCB,对应平行板电容的上下电极；
在下平行板电容PCB的背面设计安装AD7746数据采集芯片，以减少模拟电路寄生电容的影响，该采集芯片为高精度24位分辨率电容检测芯片，直接以数字量输出，抗干扰能力强；上平行电容PCB上的电容极板通过极板引线与AD7746数据采集芯片连接，组成双电极检测，电容变化灵敏度高，实现电容值采集功能与AD转换功能。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
结构简单，感知多维力的灵敏度和测量精度高，对传感器弹性体设计制作要求低，传感器本体与数据采集系统集成一体，直接数字量输出，集成度高，使用方便。
附图说明
图1为本发明主视示意简图；
图2为本发明的剖视示意图；
图3为本发明十字上平行板电容PCB电极分布示意图；
图4为本发明十字下平行板电容PCB电极分布示意图；
图5为本发明十字下平行板电容PCB背面示意图；
图6为本发明多路电容采集系统电路结构图。
图中：1：保护罩、2：基座、3：调整垫片、4：弹性体、5：力加载平台、6：固定螺钉、7：上平行板电容PCB、8：电极引线、9：下平行板电容PCB、10：数据采集线、11：电容值数据采集电路板、12：数据采集引线、13：平板电容上电极、14：平板电容下电极、15：AD7746数据采集芯片。
具体实施方式
在图1和图2所示的基于电容感知的集成微型六维力传感器示意图中，力加载平台5与弹性体4通过金属胶固结，上平行板电容PCB7固定在弹性体上，下平行板电容PCB9固定在基座上，弹性体与基座通过两者之间的定位槽进行定位，弹性体与基座之间通过0.05mm的调整垫片调整间距，改变两块平行板电容PCB之间的间距，调整传感器的分辨率；保护罩1与基座固连，电容值数据采集电路板11固定在保护罩底部，并通过数据采集引线12与平行板电容PCB对应的电容极板连接，电容值数据采集电路板与数据采集线10连接；加载力通过力加载平台作用到弹性体上，弹性体受力变形致使两块平行板电容PCB发生相对位移，对应电容值发生变化，电容值数据采集电路采集各个通道的电容值，进行解耦，得到加载六维力。
如图3、图4和图5所示，所述平行板电容PCB的分布有8个平行板电容器，每两个平行板电容为一组圆周均布，形成8通道电容检测装置，检测FX、FY、FZ、MX、MY、MZ六个方向的空间力，为保证平行板电容之间相对分布与系统集成，电容极板的制作采用PCB打印方式，即在PCB板上相应电容极板位置打印铜皮并开窗以裸露铜皮；平行板电容PCB分为上下两部分：上平行板电容PCB对应平行板电容上电极13和下平行板电容PCB对应平行板电容下电极14；在下平行板电容PCB的背面设计安装有AD7746数据采集芯片15，以减少模拟电路寄生电容的影响，该采集芯片为高精度24位分辨率电容检测芯片，直接以数字量输出，抗干扰能力强；上平行电容PCB上的电容极板通过极板引线8与AD7746数据采集芯片连接，组成双电极检测，电容变化灵敏度高，实现电容值采集功能与AD转换功能。
多个电容采集单元通过多路开关与MCU(主控单元)相连，实现单个MCU对多路电容值的分时采集，如图6所示。

Claims (2)

1.一种基于电容感知的集成微型六维力传感器，其包括力加载平台、弹性体、基座、保护罩、平行板电容PCB以及相应的电容值数据采集电路，其中力加载平台与弹性体通过金属胶固结，两块平行板电容PCB分别固定在弹性体和基座上，保护罩与基座固连，电容值数据采集电路板固定在保护罩底部，并通过数据采集引线与平行板电容PCB对应的电容极板连接，其特征在于：所述弹性体与基座通过两者之间的定位槽进行定位，加载力通过力加载平台作用到弹性体上，弹性体受力变形致使两块平行板电容PCB发生相对位移，对应电容值发生变化，电容值数据采集电路采集各个通道的电容值，进行解耦，得到加载六维力；
所述平行板电容PCB分布有8个平行板电容，每两个平行板电容为一组圆周均布，形成8通道电容极板，电容极板的制作采用PCB打印方式，即在PCB板上相应电容极板位置打印铜皮并开窗以裸露铜皮；平行板电容PCB分为上下两部分：上平行板电容PCB和下平行板电容PCB,对应平行板电容的上下电极；
在下平行板电容PCB的背面设计安装AD7746数据采集芯片，该采集芯片为高精度24位分辨率电容检测芯片，直接以数字量输出；上平行电容PCB上的电容极板通过极板引线与AD7746数据采集芯片连接，组成双电极检测，实现电容值采集功能与AD转换功能。
2.根据权利要求1所述的基于电容感知的集成微型六维力传感器，其特征在于：弹性体与基座之间通过0.05mm的调整垫片调整间距，改变两块平行板电容PCB之间的间距，调整传感器的分辨率。
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