[发明专利]一种电容式触觉传感器信号检测系统

说明书

所属技术领域

本发明涉及一种检测系统，尤其涉及一种电容式触觉传感器信号检测系统。

背景技术

触觉可以获得物体表面的一些几何特征和物理特性，包括硬度、形貌、粗糙度、弹性、材质等。随着仿生学的发展，触觉传感器在机器人仿生、医疗器械、体育训练、人体工程学等领域获得了广泛的应用。触觉传感器主要有电容式、电阻式、压电式、光纤式等多种形式，其中电容式触觉传感器因为温漂小、灵敏度高等优点，一直是这一领域的研究热点。从实用性角度出发，触觉传感器应具有分辨力高、量程大、稳定性好、噪声小等优点，除了传感器本身的材料和结构，信号检测系统也是传感器性能的重要保证。

国内外学者对电容式触觉传感器的信号检测方法做了大量研究。 Cheng等使用正弦激励和峰值检波的方法检测电容式触觉传感器的信号，采样速率可以达到15帧/秒，但是整个电路全部由分立元件构成，体积较大。 Le等、Sergio等、Surapaneni等采用专门设计的芯片进行电容式触觉传感器的信号检测，实验证明这种方案采样速率快、精度较高、易于实现传感器的小型化，但是生产成本较高且不具有良好的可拓展性。Boie提出了一种利用相敏解调原理检测电容式触觉传感器信号的方法，分析了电路的噪声和杂散电容的来源，并通过实验采集了触觉传感器的压力图像。Peng等利用商业电容转换芯片AD7147和AD7746设计了电容式触觉传感器的信号检测电路，但是由于这两种芯片的电容转换速率较低，分别为1.5kHz 和200Hz，使得触觉传感器动态范围较窄。

发明内容

本发明的目的是为了提高电容式触觉传感器的分辨力、稳定性和信噪比，设计了一种基于PCap01电容数字转换芯片的电容式触觉传感器的信号检测系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

电容式触觉传感器信号检测系统由触觉传感器、PCap01电容数字转换芯片、FPGA、EZ-USB单片机、上位机等几部分组成。

所述的电容式触觉传感器采用三明治结构，主要由4个部分构成:上电极层、下电极层、中间间隔层和触点层。上电极层和下电极层由柔性电路板( FPCB) 工艺加工而成，每层中各嵌入了8个条形电极。上电极层和下电极层的电极正交排布，在其交点处共形成了64个电容，每个电容就是一个触觉单元，简称为触元。中间间隔层由硅胶板镂空制成，镂空的地方正对着触元所在的位置，通过这种设计可以增大上层电极的形变量，增大传感器的灵敏度。最上层是触点层，由一个个硅胶制成的圆盘制成，每个触点贴于上层电极层的触元位置的正上方。触点不仅可以让外界施加的力恰好施加在触元上，增大传感器的灵敏度，而且可以保护上电极层不被外界尖锐的物体划伤，提高了传感器的耐用性。

所述的PCap01是一款带有单片机处理单元的专门进行电容测量的电容数字转换单芯片，具有精度高、转换速度快、温漂小、可补偿寄生电容等优点。PCap01芯片理论上电容测量频率可达500 kHz，但是由于测量频率越快芯片输出值的稳定性越差，系统配置PCap01的测量频率为1.04 kHz，整个系统的采样速率可达15帧/秒。

所述的EZ-USB被配置成slave-FIFO模式，可以方便地与上位机进行USB通信。

所述的上位机由LabVIEW写成，通过VISA接口读取到USB口输入的数据后，通过三维柱状图和曲面图动态显示测量结果，根据这些图像可以实时得知触觉传感器表面的受力情况。

本发明的有益效果是：

电容式触觉传感器信号检测系统的稳定性可以保证在初始电容值的3%以内，通过阵列式扫描触觉传感器触元的电容值，获得触觉传感器表面的受力情况。实验结果表明设计的信号检测系统可以满足电容式触觉传感器电容的检测需求。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是信号检测系统框图。

图2是FPGA控制流程。

图3是PCap01补偿寄生电容电路示意。

图4是传感器结构示意。

图5是传感器原理示意。

图6是电容式触觉传感器等效电路简化模型。

图7是单个触元的等效电路。

其中，1-触电层，2-上电极层，3-中间间隔层，4-下电极层，5-上电极，6-下电极。

具体实施方式