力傳感器調(diào)理電路

1、手指康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4.1硬件電路總體結(jié)構(gòu)手指康復(fù)系統(tǒng)的硬件電路采用模塊化設(shè)計(jì)。采用模塊化設(shè)計(jì)，可以大大簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的過(guò)程，化整為零，將復(fù)雜的電路分解為可重復(fù)利用的模塊，對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行獨(dú)立的測(cè)試，提高設(shè)計(jì)電路的質(zhì)量。除此之外，我們不僅可以對(duì)模塊直接進(jìn)行利用，也可以方便的對(duì)各個(gè)模塊部分進(jìn)行修改。電路的模塊化設(shè)計(jì)，如今已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于我們的硬件電路的設(shè)計(jì)中去了，同時(shí)模塊化設(shè)計(jì)也在復(fù)雜的 PCB的并行設(shè)計(jì)領(lǐng)域發(fā)揮著良好的作用。根據(jù)各個(gè)模塊的功能作用的不同，手指康復(fù)機(jī)器人硬件電路可分為傳感器數(shù)據(jù)采集模 塊。驅(qū)動(dòng)控制電路模塊，電源管理模塊，主控制器模塊，通信及調(diào)試接口模塊，AD轉(zhuǎn)換模塊，總體的

2、結(jié)構(gòu)圖如下。驅(qū)動(dòng)控制模塊直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)塊磁流變液阻尼器驅(qū)動(dòng)塊其由彈性元件、粘貼在彈性元件上 敏感元件發(fā)生形變，形變傳遞給粘 這導(dǎo)致應(yīng)變片的電阻阻值大小發(fā)生 電量的大小相應(yīng)的反映出被測(cè)量（1）傳感器數(shù)據(jù)采集模塊傳感器數(shù)據(jù)采集模塊主要有力矩傳感器調(diào)理電路和光電編碼器辨向電路組成。 這兩個(gè)電 路的主要功能就是將機(jī)械結(jié)構(gòu)中輸出軸上的模擬力矩信號(hào)和位置信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)， 便于 微處理器進(jìn)行相應(yīng)處理。為了保證驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以向手指施加大小合適的反饋力，需要通過(guò)力矩傳感器來(lái)測(cè)出與手指相連接的輸出桿上的力矩，從而計(jì)算手指的拉壓力。已有的機(jī)械結(jié)構(gòu)中，采用的電阻 應(yīng)變式力矩傳感器， 這種傳感器主要基于電阻應(yīng)變效應(yīng)

3、， 的應(yīng)變片及外殼組成，當(dāng)彈性敏感元件受到外力作用后， 貼在彈性敏感元件上的應(yīng)變片， 應(yīng)變片相應(yīng)的發(fā)生形變， 變化，在電橋電路中，電橋失去平衡從而輸出相應(yīng)的電量，的大小。電阻應(yīng)變式傳感器的靈敏度高，穩(wěn)定性好，在自動(dòng)檢測(cè)和控制技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在手指康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)中， 力矩傳感器輸出的電量信號(hào)比較微弱，易衰減且容易受到外界環(huán)境的干擾，因此為了保證采集數(shù)據(jù)的有效性，需要將電阻應(yīng)變式傳感器采集的數(shù)據(jù)輸送到調(diào)理電路里進(jìn)行信號(hào)的濾波放大，之后才能將信號(hào)傳輸個(gè) AD采樣電路。下面介紹力矩傳感器的調(diào)理電路，包括放大電路和低通濾波電路。對(duì)于放大電路，采用了儀用放大器 AD620。AD620是在傳統(tǒng)的三運(yùn)

4、放組合方式改進(jìn)的 基礎(chǔ)上研制的單片儀用放大器。 它作為一種價(jià)格低，功耗低， 精度高的儀器儀表放大器，它 采用8管腳的SOIC或DIP封裝，由于其尺寸小， 公號(hào)低，因而適合于電池供電以及一些便 攜式應(yīng)用場(chǎng)合。A 1)620AD620只需要一個(gè)外部的電阻 Rx就可以設(shè)置放大倍數(shù)，放大范圍是 11000。供電電 源范圍土 2.3V ± 18V，最大供電電流1.3mA。AD620具有很好的直流特性和交流特性，它的最大輸入失調(diào)電壓為 50 uF,最大輸入失調(diào)電壓漂移為 1uF/C, 最大輸入偏置電流為20nA。G=10時(shí)， 其共模抑制比大于93dB。 在1kHz處輸入電壓噪聲為 90nA /

5、-. Hz ,在 0.1Hz10Hz 范圍內(nèi)輸入電壓噪聲的峰-峰值為 0.28uF , 輸入電流噪聲為0.1pA / . Hz o g=1時(shí)它的增益帶寬為 120kHz ,建立時(shí)間為15us。（儀用放大器 AD620,及其應(yīng)用 曹茂永， 王 霞，孫農(nóng)亮（山東科技大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，濟(jì)南250031）因此，由AD620的特性可知，AD620能夠確保放大電路的精度，降低失調(diào)電壓，低噪聲， 增大共模抑制比等性能指標(biāo)。AD620增益公式如下：G1Rx其中，R1跟R2是內(nèi)部增益電阻，其阻值被精確為24.7K Q,使得運(yùn)放增益精確地由外接電阻Rx確定：49.4K,1RxRx的阻值:如若已經(jīng)知道放大倍數(shù)

6、，也可以根據(jù)下式求出相應(yīng)的外接電阻49.4KG 1Rx如上圖，即為力矩傳感器的放大電路。1、8腳之間跨接阻值為 100 Q的外接電阻來(lái)調(diào)整放大倍率，手指康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的電阻應(yīng)變式力矩傳感器的信號(hào)輸入Vf經(jīng)過(guò)AD620后信號(hào)放大了 495倍；2、3外接力矩傳感器輸入信號(hào)的兩極（2接信號(hào)的負(fù)極，3接信號(hào)的正極）；4、7是接外部電源的兩極（4接電源的負(fù)極，7接電源的正極）；5是參考端，一般情況下 與地連接，此處將一個(gè)外圍的電壓輸入到5號(hào)管腳REF端作為電壓偏置，Vout= （Vf+- Vf-）x G+Vref ,確保輸出結(jié)果不失真；6是放大后信號(hào)的輸出端。而在AD620的前一段采用LM358D構(gòu)成的一

7、個(gè)電壓跟隨器來(lái)提供偏置電壓，電壓跟隨器的輸入電壓與輸出電壓大小相位一致，但是它的輸入阻抗很大，輸出阻抗很小。當(dāng)輸入阻抗很高時(shí)，相當(dāng)于對(duì)前級(jí)開(kāi)路；當(dāng)輸出阻抗很小的時(shí)候，對(duì)于后級(jí)的電路就相當(dāng)于是個(gè)恒壓源，那么它的輸出電壓受到后級(jí)電路的影響就很小。對(duì)于前級(jí)開(kāi)路，輸出電壓又不受后級(jí)阻抗影響的電路具備一定的隔離作用，使得前后的電路之間不相互影響。下為AD620儀用放大器的仿真情況：E用表XMM2PnWEQS®R1 icon|-AA/r-| '00041： |設(shè)&*VEE-0.0V4 958 V+R374vcc 980Q1A Ma釦i設(shè)蠱1)由于輸出桿上上輸出的力矩信號(hào)處于低頻段

8、，因此需要對(duì)高頻干擾信號(hào)進(jìn)行濾波處理。濾波器是對(duì)信號(hào)的頻率具有選擇性的電路，它的功能是使得特定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)通過(guò)，并阻止其他頻率的信號(hào)通過(guò)。濾波器分為有源濾波器和無(wú)源濾波器這兩種，其中有源濾波器具有模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、易于制造等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于信息處理、數(shù)據(jù)傳送和抑制干擾等等電 路中。理想的濾波器電路的頻響在通帶內(nèi)具有最大幅值和線性相移，而在阻帶中它的幅值應(yīng)該是零。實(shí)際的濾波器電路往往難以達(dá)到這樣的理想效果，如要同時(shí)在幅頻和相頻響應(yīng)兩方面都要滿足要求就更難了，因此，只能根據(jù)實(shí)際的需求，尋找最佳的近似理想特性。常見(jiàn)的有源低通濾波器有三種，分別是巴特沃斯(Butterworth )、切比雪夫(Ch

9、ebyshev)和貝塞爾又叫最平幅度濾波電路。這種濾波電路對(duì)幅頻響應(yīng)的要求(Bessel)濾波電路。這里力矩傳感器信號(hào)的濾波電路采用四階巴特沃斯低通濾波器。它是 一種簡(jiǎn)單也是最常用的濾波電路，是:在小于截止頻率 c的范圍內(nèi),具有最平幅的響應(yīng)，而在c后，upin響應(yīng)迅速下降。設(shè)計(jì)要求的截止頻率為 20kHz，采用四階有源巴特沃斯低器是由兩個(gè)二階源巴特沃斯低通濾波器級(jí)聯(lián)組成。首G4(s )2 G01sG021s 1(1)2S因?yàn)橄拗浦懈哳l信號(hào)的干擾，通濾波器。四階有源巴特沃斯低通濾波 先先設(shè)計(jì)四階有源巴特沃斯低通濾波器的傳遞函數(shù):為了方便計(jì)算，令參數(shù)滿足如下條件:12 RC(2)G C2 C, R

10、 R2選取C=0.01卩F,根據(jù)(2)式計(jì)算得 R=788 Q。查表的四階有源巴特沃斯低通濾波器 的兩個(gè)阻尼系數(shù)分別為Ei =0.765 ,E 2 =1.848。計(jì)算得兩個(gè)零頻增益分別為：G013G0231 32 30.7651.8482.2351.152（3）此時(shí)，傳遞函數(shù)為：2.2351.152G4(s)2（4）s0.765s1 s1.848s1第一級(jí)增益為：G011Rf12.2351 1.235Ri1取 Rfi=24.7K Q, Ri=20KQ;第二級(jí)增益為：G0211.1521 0.152Ri2取 Rf2=61KQ, Fb=9.3K Q。針對(duì)參數(shù)的設(shè)計(jì)，用 Multisim 進(jìn)行仿真，

11、仿真電路如下:R2-WV7&BQ . . 7&0Q.:C1.Q.Q1ILVCC O.»1pF12 &V:U1A -3畑1kHtO' .'R3VA-:6i ka-12.0VKBE1FHH24.7KO*0-G-R6R5 f5*_、2_ 7B&Q , 7SBPIl'4VCC -L 12.0VMpF . U2ALM3 闘 H VEE '' -120V瞬態(tài)分析：分別輸入幅值一定，但是頻率不斷增加的三個(gè)信號(hào)，分別觀察分析其仿真結(jié)果。當(dāng)輸入信號(hào)為3V，10kHz時(shí)，輸入輸出波形如下圖所示，輸出信號(hào)幅值衰減，相位發(fā) 生偏移4通ii示遙器風(fēng)門(mén)' 頻率特性分析:波迢汕蔵皎-XE町IlS U4711HZ&