带温度补偿和光纤输出的三维力传感器测量电路及方法与流程

本发明涉及信号检测技术领域，特别是一种带温度补偿和光纤输出的三维力传感器测量电路及方法。

背景技术：

力传感器是当今智能机器人的重要传感器之一。将力传感器安装在机器人的各个关节处,可检测机器人与外部环境相互接触或抓放工件时所承受力的大小和方向,为机器人控制提供力感信息，新型、高性能的三维力传感器具有广泛的应用前景，但环境温度实时变化，会对力传感器的测量精度产生影响。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种带温度补偿和光纤输出的三维力传感器测量电路及方法，采用温度补偿来降低因温度差异导致的测量误差，同时通过光纤传输，避免了电磁干扰，大大提高了数据传输的可靠性。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种带温度补偿和光纤输出的三维力传感器测量电路，包括三路电桥电路、仪用放大器、温度测量模块、微控制器、da输出模块和ttl转光纤模块，其中，

三路电桥电路，用于将三维力传感器的应变片的电阻变化率转换成电压，输出三路电压至仪用放大器；

仪用放大器，用于对三路电压进行放大，输出放大后的三路电压至微控制器进行测量；

温度测量模块，用于实时检测环境温度并将其输出至微控制器；

微控制器，用于首先进行标定，标定时先不加力和补偿电压，通过测量环境温度和进入微控制器的放大后的三路电压确定两者的关系，然后根据标定时确定的温度和进入微控制器的放大后的三路电压的关系，根据实时温度输出一个反向的补偿电压补偿到da输出模块；微控制器并对接收到的放大后的三路电压进行测量，得到压力信号输出至ttl转光纤模块；

da输出模块，用于将反向的补偿电压反馈至仪用放大器；

ttl转光纤模块，用于将微控制器输出的压力信号转换为光信号，通过光纤进行传输。

作为本发明所述的一种带温度补偿和光纤输出的三维力传感器测量电路进一步优化方案，微控制器为stm32f103微控制器。

作为本发明所述的一种带温度补偿和光纤输出的三维力传感器测量电路进一步优化方案，仪用放大器为ad8221仪用放大器。

作为本发明所述的一种带温度补偿和光纤输出的三维力传感器测量电路进一步优化方案，温度测量模块为ad7794温度测量模块。

作为本发明所述的一种带温度补偿和光纤输出的三维力传感器测量电路进一步优化方案，da输出模块是ad5754da输出模块。

基于一种带温度补偿和光纤输出的三维力传感器测量电路的测量方法，当三维力传感器没有压力时，改变使用环境的温度值，并测量电桥两端输出的电压，该电压为电桥的漂移电压vdrift，每改变一个温度值就测量出一个漂移电压，基于不同的温度值和该温度对应的漂移电压，通过数值插值的方法建立温度t和漂移电压vdrift的函数关系f(t),即：

vdrift＝f(t)

补偿电压voffset和漂移电压的关系为：

voffset+vdrift＝0

所以补偿电压和与环境温度的关系为：

voffset＝-vdrift＝-f(t)

当三维力传感器检测到压力时，测量电桥两端输出测量电压vout,该电压由两部分组成，一部分是三维力传感器的应变片受到压力的作用产生形变而产生的电压vpresure,另一部分是三维力传感器的应变片随温度的变化而产生的漂移电压vdrift，所以电桥两端输出的测量电压vout为：

vout＝vpresure+vdrift

在电桥的测量电压进入仪用放大器之前进行补偿，抵消掉温度的变化而产生的漂移电压，根据上述的补偿电压和温度的关系式得到vpresure的计算公式：

vpresure＝vout-vdrift＝vout+voffset＝vout-f(t)

由此得到经过温度补偿的电压值，即为真实的压力加载在三维力传感器上所造成的电压输出vpresure，该电压为仪用放大器的输入电压，经过放大倍数为ad的仪用放大器放大后，仪用放大器输出的电压为v；

v＝ad*vpresure＝ad*(vout-f(t))

采用微控制器的adc模块对仪用放大器的输出电压v进行采集，将模拟信号转化为数字信号，并对数字信号进行量化；经微控制器的adc模块采集后，仪用放大器的输出电压被离散化为时间t的函数为v(t),vb为微控制器的adc模块的基准电压，由微控制器的供电电压决定且v(t)<vb，其量化关系为：

q(t)为三维力传感器经补偿、放大、adc采集之后的量化值，q(t)与压力f(t)之间的关系式如下：

f(t)＝k*q(t)+b

其中，k和b为常数，k和b的值由标准砝码对三维力传感器进行标定得出。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明采用温度补偿来降低因温度差异导致的测量误差，同时通过光纤传输，避免了电磁干扰，大大提高了数据传输的可靠性，提高了三维力传感器的测量精度。

附图说明

图1为本发明的系统结构框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。

一种带温度补偿和光纤输出的三维力传感器测量电路，如图1所示，包括三路电桥电路、仪用放大器、温度测量模块、stm32f103微控制器、da输出模块、ttl转光纤模块构成。

三路电桥电路把三维力传感器的应变片的电阻变化率转换成电压输出，然后提供给放大器进行放大。

仪用放大器接收来自三路电桥电路的电压信号，进行放大后输出到stm32f103微控制器进行测量。

温度测量模块用于测量环境温度实时输出到stm32f103微控制器。

stm32f103微控制器用于测量经过仪用放大器放大后的三路电压信号，并接收温度测量模块输出的温度信息，stm32f103微控制器首先进行标定，标定时先不加力和补偿电压，通过测量环境温度和电压确定两者的关系，然后根据标定时确定的温度和电压的关系，根据实时温度信息输出一个反向的电压补偿到da输出模块。

da输出模块用于将stm32f103微控制器根据温度信息计算的反向补偿电压反馈到三个仪用放大器。

ttl转光纤模块用于将stm32f103微控制器输出的电压信号转换为光信号，通过光纤进行传输。

当三维力传感器没有压力时，改变使用环境的温度值，并测量电桥两端输出的电压，该电压为电桥的漂移电压vdrift，每改变一个温度值就测量出一个漂移电压，基于不同的温度值和该温度对应的漂移电压，通过数值插值的方法建立温度t和漂移电压vdrift的函数关系f(t),即：

vdrift＝f(t)

补偿电压的作用是用来抵消电桥随温度变化而出现的电压偏移，所以补偿电压和漂移电压的关系为：

voffset+vdrift＝0

所以补偿电压和与环境温度的关系为：

voffset＝-vdrift＝-f(t)

当三维力传感器检测到压力时，测量电桥两端会输出测量电压vout,该电压由两部分组成，一部分是三维力传感器的应变片受到压力的作用产生形变而产生的电压vpresure,另一部分是三维力传感器的应变片随温度的变化而产生的漂移电压vdrift，所以电桥两端输出的电压vout为：

vout＝vpresure+vdrift

为了精确的测量压力的值，也就是vpresure的值，需要抵消掉温度的变化而产生的漂移电压。在电桥的测量电压进入放大器之前进行补偿，抵消掉温度漂移电压，根据上述的补偿电压和温度的关系式可得vpresure的计算公式：

vpresure＝vout-vdrift＝vout+voffset＝vout-f(t)

由此可得到经过温度补偿的电压值，即为真实的压力加载在三维力传感器上所造成的电压输出vpresure，该电压为仪用放大器的输入电压。则经过放大倍数为ad的放大器放大后，放大器输出的电压为v。如下：

v＝ad*vpresure＝ad*(vout-f(t))

采用微控制器的adc模块对放大器的输出电压v进行采集，将模拟信号转化为数字信号，并对数字信号进行量化。经微控制器的adc模块采集后，放大器的输出电压被离散化为时间t的函数为v(t),vb为微控制器adc模块的基准电压，由微控制器的供电电压决定且v(t)<vb。其量化关系为：

q(t)为三维力传感器经补偿、放大、adc采集之后的量化值，q(t)与压力之间的关系式如下：

f(t)＝k*q(t)+b

其中k和b为常数，k和b的值可由标准砝码对三维力传感器进行实验标定得出。确定了k和b，就可以计算真实压力f(t)的值。真实压力f(t)值的计算由微控制器完成。微控制器控制ttl转光纤输出模块将压力信号(三个测量力的数据)经光纤输出至其他设备。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。