一种用于六维力传感器的内置转换电路

技术领域

本发明涉及一种用于六维力传感器的内置转换电路，属于六维力传感器内置转换电路设计领域。

背景技术

六维力传感器是指能够同时检测出空间六维力信息的传感器，即可以实现三个力和三个力矩的同时测量。六维力传感通常与高柔性屏蔽电缆、数据采集系统、控制器等组成测控系统应用于多个行业领域。在工业自动化领域，可应用于精密装配机器人、机械加工机器人、协作机器人等的末端力反馈控制。在科学研究领域，可用于飞行器风洞试验、发动机试车、外科手术机器人等其它不同应用中。

不同应用场合对应用的六维力传感器有着不同的使用要求，以飞行器的风洞试验为例，业内将应用的六维力传感器称为风洞天平，风洞天平作为试验的核心测量单元，通常以杆式结构为主，出于对数据的高精度需求，一般风洞天平均单独配套外置的高精度数据采集系统，实现对信号的调理与模数转换，最终通过线缆将数字信号传输至计算机上，并通过计算机实现对六维载荷的换算。而在工业自动化领域，六维力传感器一般应用于机器人力反馈系统中，力反馈系统再集成于整个机器人的控制系统内。此时应用的六维力传感器一般以轮毂式结构为主，出于模块化的装配需求，一般不允许六维力传感器附带单独的采集系统，这就要求六维力传感器需要实现信号采集和载荷测量的一体化，按照指定的接口直接输出载荷分量。

现有产品无法兼顾内置转换电路高精度与小体积的技术指标，无法满足小体积要求下的内置电路数据采集、载荷计算、数据传输等功能需求。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，六维力传感器无法实现信号采集与载荷测量一体化的问题，提出了一种用于六维力传感器的内置转换电路。

本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

一种用于六维力传感器的内置转换电路，包括电源转换模块、调理转换模块、数据处理模块、通信接口模块，其中：

电源转换模块：将外部供给电源电压进行稳压、滤波，为调理转换模块、数据处理模块、通信接口模块供电；

调理转换模块：为六维力传感器提供所需桥压，接收六维力传感器发送的模拟信号，并转换为数字信号发送至数据处理模块；

数据处理模块：接收数字信号，进行信号数据至六维力载荷数据转换，同时接收通信接口模块发送的控制指令进行零点校准、参数设定及状态查询，生成反馈数据并返送至通信接口模块；

通信接口模块：通过RS422总线进行上位机与数据处理模块通信，并接收六维力载荷数据向上位机发送，并接收上位机发送的控制指令转发至数据处理模块，将数据处理模块的返送数据发送至上位机。

所述电源转换模块将外部供给电源电压转换为数字电源及模拟电源，分别为通信接口模块、调理转换模块供电。

所述调理转换模块包括24bits单通道采集芯片，通过时钟信号进行同步控制，各单通道采集芯片内均集成有放大器，接收模拟信号并进行过采样、抗混滤波、数字滤波、桥压补偿、内部校准处理。

所述六维力传感器供电电压与调理转换模块供电电压相同。

所述数据处理模块通过电源模块转换后的数字电源进行供电。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明提供的一种用于六维力传感器的内置转换电路，能够在有限空间条件下实现数据采集转换，采用传感器激励电压补偿AD参考电压、电压负反馈调节的方式，减少电压波动对数据采集精度的影响，精度更高，内置转换电路支持RS422协议，可以实现参数的下载、上传，并能够设定电压输出、解耦数据输出、参数设定等多种工作模式，同时可以按照静态校准的参数，对电压数值进行实时解算，输出六分量的力和力矩参数，实现较高的数据传输速率。

附图说明

图1为发明提供的电路总体功能框图；

图2为发明提供的电源模块功能框图；

图3为发明提供的调理转换模块功能框图；

图4为发明提供的数据处理模块功能框图；

图5为发明提供的通信接口模块功能框图；

图6为发明提供的通信接口模块电路示意图；

具体实施方式

一种用于六维力传感器的内置转换电路，能够在有限空间条件下实现数据采集转换，采用传感器激励电压补偿AD参考电压、电压负反馈调节的方式，减少电压波动对数据采集精度的影响，内置转换电路支持RS422协议，可以实现参数的下载、上传，电路结构主要包括电源转换模块、调理转换模块、数据处理模块、通信接口模块，调理转换模块输入端与六维力传感器信号采集端口相连，输出端与数据处理模块输入端相连，所述数据处理模块输出端与通信接口模块输入端相连，通信接口模块输入端同时通过RS422总线与外部上位机连接，调理转换模块、数据处理模块、通信接口模块均通过电源转换模块进行供电，各电路模块具体功能如下：

电源转换模块将外部供给电源电压进行稳压、滤波，为调理转换模块、数据处理模块、通信接口模块供电；

其中，电源转换模块将外部供给电源电压转换为数字电源及模拟电源，分别为通信接口模块、调理转换模块供电；数据处理模块通过电源模块转换后的数字电源进行供电；

六维力传感器供电电压与调理转换模块供电电压相同；

调理转换模块为六维力传感器提供所需桥压，接收六维力传感器发送的模拟信号，并转换为数字信号发送至数据处理模块；

其中，调理转换模块包括24bits单通道采集芯片，通过时钟信号进行同步控制，各单通道采集芯片内均集成有放大器，接收模拟信号并进行过采样、抗混滤波、数字滤波、桥压补偿、内部校准处理；

数据处理模块接收数字信号，进行信号数据至六维力载荷数据转换，同时接收通信接口模块发送的控制指令进行零点校准、参数设定及状态查询，生成反馈数据并返送至通信接口模块；数据处理模块通过电源模块转换后的数字电源进行供电；

通信接口模块通过RS422总线进行上位机与数据处理模块通信，并接收六维力载荷数据向上位机发送，并接收上位机发送的控制指令转发至数据处理模块，将数据处理模块的返送数据发送至上位机。

下面结合具体实施例进行进一步说明：

为了在传感器内部完成高精度的软件解算，需在直径50mm，高7mm的传感器内部空间实现高精度的6通道微小电压采集，主要包括以下困难：

狭小空间内不但需要高精度采集6通道电压信号，还需要实现6路高精度供电。这要求电路具有很高的集成度，同时为了保证分辨率和精度，需要采用低噪声的24位模数转换器；

采集到的6通道电压信号必须经过参数可变的迭代解耦运算才能得到力学结果，行业内普通处理器的运算能力无法达到要求，必须通过软硬件多种方式，提高处理器的运算效率；

应变桥路的高精度供电和采集要求整个电路供电非常稳定，但稳定的供电需要对电源进行多次稳压处理，这增加了电路体积和散热，还需研究高稳定性低散热的供电方法；

由于后端使用设备千差万别，采用不同的通信模式，这要求电路设计中单独留出空间并设计不同通信芯片，还需要考虑处理器与通信芯片之间的数据交换问题，保证不同的通信芯片可以与处理器完美对接。

高精度嵌入式6通道采集卡具有精度高、集成度高、运算速度快、宽电压供电、可变参数等多种特点，设计难度较大。

在本实施例中，如图1所示，电路分为电源转换模块、调理转换模块、数据处理模块、通信接口模块，通过与上位机的信息交互及电路模块设计，实现数据的稳定转换和通信，具体为：

电源模块：主要功能为将外部供给的18—30V的宽压输入进行稳压、滤波，转换为本电路所需的电源，如图2所示，稳压后的电源分为数字电源和模拟电源两部分，数字电源为通信接口模块、数据处理模块提供3.3V工作电压；模拟电源由低温漂基准电源产生，并经过滤波扩流，通过引入负反馈，进一步提高电源稳定性和温漂特性，然后供给调理转换模块。

调理转换模块：其主要功能为向传感器提供工作所需巧压，并将传感器输出的模拟信号转换为数字信号，如图3所示，模块采用六片完全相同的24bits单通道采集芯片，并通过时钟信号进行同步控制。每片AD采集芯片内部集成了放大器，可减少外围器件，并有利于电磁兼容性设计。数据转换部分采用过采样、抗混滤波、数字滤波、桥压补偿、内部校准等功能实现一次模拟量到数字量的转换。将传感器供电电压与AD转换器的参考电压使用统一的模拟3.3V供电，输出结果转换为mV/V的电源电压无关量。这样，可以抵消由于传感器供电电压波动导致的采样误差，提升系统的抗干扰能力，提高采集板卡的信号精度。

数据处理模块：其主要功能为完成原始数字信号到实际受力的公式转换，并按照设定的工况进行数据转发、零点校准、参数设定等工作，如图4所示，该模块通过主控芯片读取AD转换后的信号，经由运算单元完成由信号数据向六维力载荷的转换，通过静态标定载入的204个参数实现数据转换，单个转换周期小于0.2ms,可以实现数据的快速处理。此外，该数据处理模块还可以接收经通信接口模块转发来的上位机指令，进行零点校准、参数设定、状态查询等操作。

数据转换公式如下：

ΔU

F′

其中，A

A

B

C

U

U

F

F’

通信接口模块：其主要功能为完成上位机与数据处理模块之间的RS422通信，如图5所示，RS422协议中下行指令为上位机向数据处理模块下达，包含零点校准、传输速率设定、校准参数设定等；上行数据为数据处理模块向上位机反馈，主要包括实时解析的受力数据、当前参数、当前工作状态等。如图6所示，为该部分的电路原理图。

根完成设计后的电路，对该电路采用标准应变仪进行数据对比测试，结果如下：

如上表所示，对测试结果进行处理后可知，偏差最大为0.00048mV/V，满量程±1mV/V，精度满足0.5％F.S.。

本发明中设计的内置转换电路，尺寸小、功耗低、精度高，采用传感器激励电压补偿AD参考电压、电压负反馈调节的方式，减少电压波动对数据采集精度的影响，量程±1mV/V，精度达到0.05％F.S.以上，同时支持RS422协议，可以实现参数的下载、上传，并能够设定电压输出、解耦数据输出、参数设定等多种工作模式，并可以按照静态校准的参数，对电压数值进行实时解算，输出六分量的力和力矩参数，实现1KHz的数据传输速率。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。