• 专利附录
  • 专利说明
  • 权利要求
  • 类似技术
  • 同族专利
  • 引用文献
  • 法律状态
  • 优先权
    • 专利摘要:
    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，电源转换模块为调理转换模块、数据处理模块、通信接口模块进行供电，调理转换模块对模拟信号进行转换，数据处理模块对转换后的数字信号进行处理，通信接口模块通过RS422总线与外部上位机进行信息交互，内置转换电路尺寸小、功耗低、精度高，能够实现数据转换及实时解算。
    公开号:CN214334103U
    申请号:CN202022967053.4U
    申请日:2020-12-10
    公开日:2021-10-01
    发明作者:孙日明；刘修廷
    申请人:China Academy of Aerospace Aerodynamics CAAA；
    IPC主号:G01L5-16
    专利说明:
    [n0001] 本实用新型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。
    [n0002] 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。
    [n0003] 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。
    [n0004] 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。
    [n0005] 本实用新型解决的技术问题是：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。
    [n0006] 本实用新型解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：
    [n0007] 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：
    [n0008] 所述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。
    [n0009] 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，所述数字电源电压为3.3V，所述模拟电源电压为3.3V。
    [n0010] 所述调理转换模块包括六片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。
    [n0011] 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。
    [n0012] 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。
    [n0013] 本实用新型与现有技术相比的优点在于：
    [n0014] 本实用新型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。
    [n0015] 图1为实用新型提供的电路总体功能框图；
    [n0016] 图2为实用新型提供的电源模块功能框图；
    [n0017] 图3为实用新型提供的调理转换模块功能框图；
    [n0018] 图4为实用新型提供的数据处理模块功能框图；
    [n0019] 图5为实用新型提供的通信接口模块功能框图；
    [n0020] 图6为实用新型提供的通信接口模块电路示意图；
    [n0021] 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：
    [n0022] 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；
    [n0023] 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；
    [n0024] 六维力传感器供电电压与调理转换模块供电电压相同；
    [n0025] 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；
    [n0026] 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；
    [n0027] 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；
    [n0028] 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。
    [n0029] 下面结合具体实施例进行进一步说明：
    [n0030] 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：
    [n0031] 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；
    [n0032] 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；
    [n0033] 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；
    [n0034] 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。
    [n0035] 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。
    [n0036] 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：
    [n0037] 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。
    [n0038] 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。
    [n0039] 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。
    [n0040] 数据转换公式如下：
    [n0041] ΔUj＝Uj-Uj0 j＝1～6
    [n0042]
    [n0043] F′i＝Ci1F1+Ci2F2+Ci3F3+Ci4F4+Ci5F5+Ci6F6+Ci7F1F2+Ci8F1F3+Ci9F1F4+Ci10F1F5+Ci11F1F6+Ci12F2F3+Ci13F2F4+Ci14F2F5+Ci15F2F6+Ci16F3F4+Ci17F3F5+Ci18F3F6+Ci19F4F5+Ci20F4F6+Ci21F5F6+Ci22F1F1+Ci23F2F2+Ci24F3F3+Ci25F4F4+Ci26F5F5+Ci27F6F6 i＝1～6
    [n0044] 其中，Aij、Bi、Cij为公式系数，共6＊6+6+27＊6＝204个；
    [n0045] Ai1～Ai6的取值范围为-2、-1、0、1、2中的一个；
    [n0046] B1～B6的取值范围为1、2、3、4、5、6中的一个；
    [n0047] Cij为公式系数，共162个；
    [n0048] Uj为j通道采集的数据(单位mV/V)；
    [n0049] Uj0为该通道保存的初始值(上位机发送零值采集指令后采集并保存该值至板上存储器)。
    [n0050] Fi为中间过程计算量
    [n0051] F′i为最终计算结果。
    [n0052] 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。
    [n0053] 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：
    [n0054]
    [n0055]
    [n0056] 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.。
    [n0057] 本实用新型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。
    [n0058] 本实用新型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。
    权利要求:
    Claims (5)
    [0001] 1.一种用于六维力传感器的内置转换电路，其特征在于：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：
    所述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。
    [0002] 2.根据权利要求1所述的一种用于六维力传感器的内置转换电路，其特征在于：
    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，所述数字电源电压为3.3V，所述模拟电源电压为3.3V。
    [0003] 3.根据权利要求1所述的一种用于六维力传感器的内置转换电路，其特征在于：所述调理转换模块包括六片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。
    [0004] 4.根据权利要求1所述的一种用于六维力传感器的内置转换电路，其特征在于：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。
    [0005] 5.根据权利要求2所述的一种用于六维力传感器的内置转换电路，其特征在于：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。
    类似技术:
    公开号 | 公开日 | 专利标题
    CN100383491C|2008-04-23|一种适用于微重力流体试验的多通道温度采集系统
    CN101256417B|2010-06-16|比例阀门对精密气压控制装置
    CN214334103U|2021-10-01|一种用于六维力传感器的内置转换电路
    CN201063193Y|2008-05-21|风洞试验无线测压装置
    CN112556913A|2021-03-26|一种用于六维力传感器的内置转换电路
    CN203772910U|2014-08-13|一种温度变化幅度值不变的示波器
    CN105065452A|2015-11-18|一种集成化磁悬浮惯性稳定平台磁轴承数字控制系统
    CN204694295U|2015-10-07|多参数传感器
    CN102052991A|2011-05-11|一种压力传感器温度补偿系数的设置方法
    CN201765049U|2011-03-16|多通道称重模块
    EP2239717B1|2012-07-11|Measurement instrument
    Chuan et al.2010|The intelligent pressure sensor system based on DSP
    CN102901845B|2013-12-11|一种压阻式加速度传感器零位补偿测试装置
    CN203100945U|2013-07-31|一种智能型压力传感器的非线性校正装置
    CN205246130U|2016-05-18|一种基于温度互补的温湿度采集终端
    CN203349854U|2013-12-18|基于pc机的高精度数字传感器校准测试系统
    CN207501859U|2018-06-15|高精度应变测量系统
    CN205102964U|2016-03-23|多通道便携式软组织界面测力系统
    CN107677200A|2018-02-09|高精度应变测量系统
    CN205193649U|2016-04-27|多通道直流电源的补偿电路
    CN209623892U|2019-11-12|一种工业环境参数采集装置
    CN203522709U|2014-04-02|一种具有温度自校正功能的高精度模拟信号采集电路
    CN204594614U|2015-08-26|一种基于单片机的液压机上的数字式压力测量装置
    CN106054996A|2016-10-26|一种可调控小信号电压源板
    HadiHosseinabadi et al.2020|Ultra Low-Noise FPGA-Based 6-Axis Optical Force-Torque Sensor: Hardware and Software
    同族专利:
    公开号 | 公开日
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2021-10-01| GR01| Patent grant|
    2021-10-01| GR01| Patent grant|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    CN202022967053.4U|CN214334103U|2020-12-10|2020-12-10|一种用于六维力传感器的内置转换电路|CN202022967053.4U| CN214334103U|2020-12-10|2020-12-10|一种用于六维力传感器的内置转换电路|
    [返回顶部]