力的测量电路和力的测量电路系统的制作方法

本实用新型涉及力的测量技术领域，尤其是涉及一种力的测量电路和力的测量电路系统。

背景技术：

力是引起物质运动变化的直接原因，力的测量电路可以检测张力、拉力、压力、重量、扭矩、内应力和应变等力学量；力的测量电路是动力设备、工程机械、各类工作母机和工业自动化系统中，不可缺少的核心部件。

然而，现有的力的测量电路由于灵敏性较差，信号传输的滞后时间较长，导致难以测量连续变化的力的信号；对于上肢助力骨骼系统等需要感应连续变化的力的相关应用场景中，低灵敏度的测量电路会大大降低用户的体验度。

针对上述现有的力的测量电路灵敏性较差，难以测量连续变化的力的信号的问题，尚未提出有效的解决方案。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种力的测量电路和力的测量电路系统，以提高力的测量电路的灵敏度，进而可以测量连续变化的力的信号。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种力的测量电路，包括依次电连接的感应元件、信号放大单元、AD转换器、信号处理器、DA转换器、信号输出单元；感应元件设置于受力对象上；

感应元件用于采集连续变化力的感应信号；信号放大单元用于对感应信号进行放大；

AD转换器用于对放大后的感应信号进行模数转换，生成数字信号；信号处理器用于对数字信号进行滤波处理；DA转换器用于对处理后的数字信号进行数模转换，生成模拟信号；

信号输出单元用于将模拟信号输出至外部的中控电路，以使中控电路根据模拟信号获得连续变化力的测量值。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，上述感应元件包括金属应变片，或者，半导体应变片。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，上述信号处理器包括滤波电路和平滑电路；

滤波电路用于对数字信号进行高频滤波；平滑电路用于对高频滤波后的数字信号进行平滑滤波。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，上述信号输出单元包括差分电路和输出接口电路；

差分电路用于对模拟信号进行差分处理，生成差分电压信号；输出接口电路用于将差分电压信号输出至外部的中控电路。

结合第一方面的第三种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，上述差分电压信号的电压范围为-10伏至+10伏。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，上述AD转换器和DA转换器的分辨率为16位。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，上述力的测量电路还包括封装壳体；

信号放大单元、AD转换器、信号处理器、DA转换器和信号输出单元设置于封装壳体内；

封装壳体上设置有感应窗口，感应元件设置于感应窗口上。

第二方面，本实用新型实施例提供了一种力的测量电路系统，该系统包括上述力的测量电路，还包括受力对象；

受力对象包括助力外骨骼装置或操作装置的受力结构。

结合第二方面，本实用新型实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，上述系统还包括中控模块；

中控模块与力的测量电路电连接；

中控模块用于根据力的测量电路输出的模拟信号获得连续变化力的测量值。

结合第二方面的第一种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第二方面的第二种可能的实施方式，其中，上述系统还包括存储模块；

存储模块用于保存连续变化力的测量值。

本实用新型实施例带来了以下有益效果：

本实用新型实施例提供的一种力的测量电路和力的测量电路系统，感应元件采集到受力对象上的连续变化力的感应信号后，经信号放大单元、AD转换器、信号处理器、DA转换器对信号分别进行放大、模数转换、滤波处理和数模转换后，再通过信号输出单元输出至外部的中控电路，中控电路根据模拟信号获得连续变化力的测量值；通过该方式，力的测量滞后时间短，反应灵敏，可以测得连续变化力的测量值，进而获得较为真实的动态的力的变化情况。

本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的第一种力的测量电路的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的第二种力的测量电路的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的第一种力的测量电路系统的结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的第二种力的测量电路系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

考虑到现有的力的测量电路灵敏性较差，难以测量连续变化的力的信号的问题，本实用新型实施例提供了一种力的测量电路和力的测量电路系统；该技术可以应用于感应连续变化的力的相关应用场景中；尤其可以应用于上肢助力骨骼系统中，感应用户握力的装置中。

为便于对本实施例进行理解，首先对本实用新型实施例所公开的一种力的测量电路进行详细介绍。

实施例一：

参见图1所示的第一种力的测量电路的结构示意图；该力的测量电路包括依次电连接的感应元件10、信号放大单元11、AD转换器12、信号处理器13、DA转换器14、信号输出单元15；上述感应元件10设置于受力对象上；

感应元件10用于采集连续变化力的感应信号；信号放大单元13用于对感应信号进行放大；

AD转换器12用于对放大后的感应信号进行模数转换，生成数字信号；信号处理器13用于对数字信号进行滤波处理；DA转换器14用于对处理后的数字信号进行数模转换，生成模拟信号；

信号输出单元15用于将模拟信号输出至外部的中控电路，以使中控电路根据模拟信号获得连续变化力的测量值。

其中，上述信号放大单元，也称为放大电路，可以将微弱的感应信号通过三极管、场效应管等器件处理，输出与感应信号波形相似，但幅值却大很多的信号；在实际实现时，上述信号放大单元通常包括信号源、晶体三极管构成的放大器及负载组成。根据组成元件的不同，放大电路可以分为晶体管放大电路和场效应管放大电路；其中，晶体管放大电路包括共射放大电路，共基放大电路和共集放大电路；场效应管放大电路包括共源放大电路，共漏放大电路。在需要构成多级放大时，上述放大电路中可以将上述几种电路相互组合。

本实用新型实施例提供的一种力的测量电路，感应元件采集到受力对象上的连续变化力的感应信号后，经信号放大单元、AD转换器、信号处理器、DA转换器对信号分别进行放大、模数转换、滤波处理和数模转换后，再通过信号输出单元输出至外部的中控电路，中控电路根据模拟信号获得连续变化力的测量值；通过该方式，力的测量滞后时间短，反应灵敏，可以测得连续变化力的测量值，进而获得较为真实的动态的力的变化情况。

同时，上述力的测量电路抗干扰能力强，可以高效、精确、稳定地测量连续变化力。

实施例二：

参见图2所示的第二种力的测量电路的结构示意图；该电路在上述实施例一中提供的力的测量电路的基础上实现，该力的测量电路包括依次电连接的感应元件10、信号放大单元11、AD转换器12、信号处理器13、DA转换器14、信号输出单元15。

进一步地，上述感应元件包括金属应变片，或者，半导体应变片。

上述金属应变片，或者半导体应变片是基于应变效应制作，即金属或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应的发生变化。具体地，上述半导体应变片是用半导体材料制成的，其工作原理是基于半导体材料的压阻效应，该压阻效应是当半导体材料某一轴向受外力作用时，其电阻率发生变化的现象。

上述金属应变片，或者半导体应变片是由敏感栅等构成用于测量应变的元件，使用时将其牢固地粘贴在构件的测点上，构件受力后由于测点发生应变，敏感栅也随之变形而使其电阻发生变化，再由专用仪器测得其电阻变化大小，并转换为测点的应变值。

上述信号处理器包括滤波电路20和平滑电路21；该滤波电路20用于对数字信号进行高频滤波；平滑电路21用于对高频滤波后的数字信号进行平滑滤波。

在实际实现时，上述信号处理器还可以采用数字滤波的方式；即信号处理器包括滤波模块和平滑模块；该滤波模块和平滑模块用于对数字信号分别进行高频滤波和平滑滤波。

在实际实现时，上述滤波电路和平滑电路都可以用滤波电路实现；通常，二者的滤波频段不同；滤波电路20主要用于将分立的数字信号滤波成模拟信号；平滑电路21用于对模拟信号进行进一步的杂波滤除处理，使信号更为平滑，易于后续处理。

上述滤波电路可以为无源滤波电路，也可以为有源滤波电路；其中，无源滤波电路仅由无源元件组成，例如电阻、电容、电感等；无源滤波电路主要包括电容滤波电路、电感滤波电路和复式滤波电路；其中，复式滤波电路包括倒L型电路、LC滤波电路、LCπ型滤波电路和RCπ型滤波电路等。上述有源滤波电路包括无源元件，还包括有源元件，例如，双极型管、单极型管、集成运放等；有源滤波电路主要包括有源RC滤波。

进一步地，上述信号输出单元包括差分电路22和输出接口电路23；该差分电路22用于对模拟信号进行差分处理，生成差分电压信号；输出接口电路23用于将差分电压信号输出至外部的中控电路。

区别于一根信号线一根地线的信号传输方式，上述差分电路将信号差分传输在这两根线上都传输信号。

采用差分电路22和输出接口电路23具有如下优点：

(1)容易识别小信号；在一个地做基准，单端信号传输的系统中，测量信号的精确值依赖系统内“地”的一致性；信号源和信号接收器距离越远，局部地的电压值之间有差异越大；而差分信号与“地”的精确值无关，在某一范围内。

(2)抗干扰能力强；由于两个输出端之间的电压差决定信号值，因而当个输出端上出现的任何同样干扰可以忽视。进一步地，差分信号比单端信号生成的电磁干扰要少。

(3)在单电源系统中，可以精确地处理“双极”信号。处理单端中，单电源系统的双极信号，必须在地和电源干线之间某任意电压处(通常是中点)建立一个虚地，用高于虚地的电压表示正极信号，低于虚地的电压表示负极信号；进而，须把虚地正确地分布到整个系统里。而对于差分信号，不需要上述虚地，可以使处理和传播双极信号具有较高的保真度，而无须依赖虚地的稳定性。

具体地，上述差分电压信号的电压范围为-10伏至+10伏。在实际实现时，差分电压信号的具体电压范围通过与后续的中控模块相匹配，可以根据实际需求做具体调整。

进一步地，上述AD转换器和DA转换器的分辨率为16位。16位的AD转换器和DA转换器在保证数据精确度的同时，保证数据的处理速度。

上述力的测量电路还包括封装壳体；上述信号放大单元、AD转换器、信号处理器、DA转换器和信号输出单元设置于封装壳体内；该封装壳体上设置有感应窗口，感应元件设置于感应窗口上。

通过设置封装壳体，可以避免相关电路结构被污染，进而造成测量误差大的情况；还可以使上述力的测量电路适应多种测量环境，提高了力的测量电路的环境适应性。

实施例三：

对应于上述实施例中提供的力的测量电路；参见图3所示的第一种力的测量电路系统的结构示意图；该系统包括上述力的测量电路30，还包括受力对象31；

具体地，该受力对象31包括助力外骨骼装置或操作装置的受力结构。

参见图4所示的第二种力的测量电路系统的结构示意图；该测量电路系统在图3所示的力的测量电路系统的基础上实现；该系统还包括中控模块40；

中控模块40与力的测量电路30电连接；中控模块40用于根据力的测量电路输出的模拟信号获得连续变化力的测量值。

上述系统还包括存储模块41；该存储模块用于保存连续变化力的测量值。

本实用新型实施例提供的力的测量电路系统，感应元件采集到受力对象上的连续变化力的感应信号后，经信号放大单元、AD转换器、信号处理器、DA转换器对信号分别进行放大、模数转换、滤波处理和数模转换后，再通过信号输出单元输出至外部的中控电路，中控电路根据模拟信号获得连续变化力的测量值；通过该方式，力的测量滞后时间短，反应灵敏，可以测得连续变化力的测量值，进而获得较为真实的动态的力的变化情况。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的力的测量电路系统具体工作过程，可以参考前述力的测量电路实施例中的对应过程，在此不再赘述。

另外，在本实用新型实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本实用新型的具体实施方式，用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，本实用新型的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。