[发明专利]一种用于六维力传感器的信号处理系统

说明书

本发明公开了一种用于六维力传感器的信号处理系统，信号放大模块用于对六维力传感器的六组惠斯通电桥的差分输出信号进行放大，并输出放大后的六路模拟信号；信号采集模块对信号放大模块输出的六路模拟信号进行采集，并转化为数字信号，送入数据处理模块；数据处理模块对信号采集模块采集的数据进行处理，并送入信号传输模块；信号传输模块将六维力传感器解耦后的力/力矩值或者未解耦的模拟电压值发送到对应的上位机；供电模块为所有模块供电。本发明对六维力传感器的模拟输出信号在六维力传感器内进行了处理，使其直接输出数字信号，避免了传输过程对六维力传感器的输出的干扰，同时省去了上位机与传感器间的采集卡采集环节。

技术领域

本发明涉及六维力传感器技术领域，具体为一种用于六维力传感器的信号处理系统。

背景技术

力传感器根据测力的维度分，可以分为单维力传感器和多维力传感器。其中，多维力传感器是能够同时测得2个或2个以上力及力矩信息的力传感器，其中应用最广泛的是六维力传感器。

在众多基于不同原理设计的六维力传感器中，电阻应变型六维力传感器的使用最为普遍，其力敏感原理是电阻应变效应，即当力施加在传感器的弹性梁上时，会引起弹性梁的微小形变，因此贴在弹性体上的电阻应变片也会发生一定的变形，从而引起应变片的电阻发生变化。通过测得弹性梁上各应变片的电阻变化，即可求得三维空间上的六维力/力矩。

一般来说，弹性梁上的电阻应变片都会以惠斯通电桥的形式存在，每个力/力矩维度对应一组惠斯通电桥，因此六维力传感器共有6组惠斯通电桥。然而即使在传感器满量程力/力矩的作用下，每组惠斯通电桥的输出电压为毫伏级，不便于后续数据的处理，且模拟信号易受环境干扰，同时，随着六维力传感器的使用环境逐渐复杂，操作繁琐，接线困难也是制约其使用的一个重要问题。

发明内容

本发明的目的在于解决现有六维力传感器的模拟信号易受环境干扰、数据处理不便、接线困难的技术问题，而提出一种六维力传感器的信号处理系统，将信号处理系统安装在六维力传感器内，对六维力传感器受力后产生的模拟信号输出进行放大、采集、软件自解耦和无线传输，实现多个六维力传感器在没有数据采集卡的情况下，同时与上位机进行通信。、

本发明通过以下技术方案实现：

一种用于六维力传感器的信号处理系统，包括信号放大模块、信号采集模块、数据处理模块、信号传输模块以及供电模块，其中，信号放大模块用于对六维力传感器的六组惠斯通电桥的差分输出信号进行放大，并输出放大后的六路模拟信号；信号采集模块对信号放大模块输出的六路模拟信号进行采集，并转化为数字信号，送入数据处理模块；数据处理模块对信号采集模块采集的数据进行处理，并送入信号传输模块；信号传输模块将六维力传感器解耦后的力/力矩值或者未解耦的模拟电压值发送到对应的上位机；供电模块为信号放大模块、信号采集模块、数据处理模块和信号传输模块供电。

本发明所述信号处理系统的主控芯片为STM32F103ZET6单片机平台。

本发明中，信号放大模块采用两级放大方式，第一级放大采用六块单片放大器放大，分别放大对应于F_x,F_y,F_z,M_x,M_y,M_z方向惠斯通电桥的电压信号，第一级放大使用仪用放大器AD620；第二级放大采用程控放大器AD603，程控放大器增益调节原则是送入信号采集模块的六路电压信号的满量程值保持在9V左右，调节方法为根据信号采集模块采集的实时满量程电压值，与期望值即±9V进行比较，使用STM32F103ZET6自带的DAC产生-0.5～0.5V的控制电压，实现对AD603程控放大器放大倍数的调节。

第一级放大使用高输入阻抗、高共模抑制比、高精度的仪用放大器，第二级放大采用程控放大器，仪用放大器和程控放大器的放大倍数可以由系统中主控芯片的单片机自由调节，以满足后续信号采集模块采集的要求。