基于PCAP02的电容式力传感器高速数据采集系统设计

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作者 田陇翔 冯浩彬 +1 位作者 赵仁东 蒲明辉 《仪表技术与传感器》 北大核心 2025年第3期37-42,共6页

力传感器能测量外部的作用力分量,常被用于力反馈控制或受力状态监测。采样频率是数据采集系统的重要参数,对力传感器的动态响应能力有重要影响。与主流的应变片式力传感器相比,现有电容式力传感器数据采集系统的采样频率普遍较低,为了... 力传感器能测量外部的作用力分量,常被用于力反馈控制或受力状态监测。采样频率是数据采集系统的重要参数,对力传感器的动态响应能力有重要影响。与主流的应变片式力传感器相比,现有电容式力传感器数据采集系统的采样频率普遍较低,为了弥补这一缺陷,设计了一套基于PCAP02的电容式力传感器高速数据采集系统。该系统下位机使用STM32F103C8T6芯片控制各模块的协同工作,利用PCAP02芯片实现电容信号的模数转换,采用以太网通信与上位机传输数据。经测试,该系统采样频率最高达5 kHz。实验数据表明:在进行软件滤波处理后,采样数据的稳定性明显提升;选择传感器F z方向进行验证实验,测得Ⅰ类误差最大为0.23%,证明该采集系统方案可行并具有较高的测量精度。 展开更多

关键词 采样频率 电容式力传感器 数据采集系统 PCAP02 STM32

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电容式三维柔性触觉传感阵列系统设计

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作者 郭宇森 尹明慧 +2 位作者 苟广洋 刘春秀 薛宁 《传感器与微系统》 北大核心 2025年第10期52-55,60,共5页

为实现人机交互等领域对指尖触觉的检测,基于电容原理设计了一种柔性触觉传感阵列用于三维(3D)力测量。以聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为传感阵列中间支撑材料,以聚酰亚胺(PI)为柔性基底沉积金属电极图案,并在电极表面沉积金属金提升导电能... 为实现人机交互等领域对指尖触觉的检测,基于电容原理设计了一种柔性触觉传感阵列用于三维(3D)力测量。以聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为传感阵列中间支撑材料,以聚酰亚胺(PI)为柔性基底沉积金属电极图案,并在电极表面沉积金属金提升导电能力。该三维柔性触觉传感阵列制备工艺简单,测试结果表明:其能够检测0~30 N的法向力与0~10 N的切向力。测得传感单元最大偏差为2.8%,最大漂移为5.6%。设计的采集系统可同时采集6个传感阵列,240通道数据,响应时间为11 ms。该传感阵列具有灵活性与通用性并具有较大量程,使其可以应用于机器人触觉感知。 展开更多

关键词 柔性触觉传感器 三维力测量 触觉感知 人机交互 电容式传感器

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一种双L型梁电容式六维力传感器设计

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作者 蒲明辉 杨玉坤 薛斌 《仪表技术与传感器》 CSCD 北大核心 2024年第8期12-18,共7页

为设计一款高性能电容式六维力传感器,结合T型梁和十字型双直梁的优点,构建了一种双L型结构弹性梁,传感器转换元件采用差动结构平行极板电容器以降低传感器的测量误差,以转换矩阵的条件数为目标函数,应用粒子群算法与有限元仿真相结合... 为设计一款高性能电容式六维力传感器,结合T型梁和十字型双直梁的优点,构建了一种双L型结构弹性梁,传感器转换元件采用差动结构平行极板电容器以降低传感器的测量误差,以转换矩阵的条件数为目标函数,应用粒子群算法与有限元仿真相结合的方法对该传感器的结构参数进行优化设计,得到最优结构参数后进行仿真,结果显示该构型的电容式六维力传感器仿真精度为0.4258%。最后对该传感器进行加工与标定实验,结果显示该传感器的实验精度达到0.6376%。 展开更多

关键词 电容式六维力传感器 弹性梁结构 差动结构电容器 粒子群算法 优化设计

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小型振动电容式静电传感器的设计 被引量：8

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作者 刘志远 姜晶 +2 位作者 赵佳龙 李凤玲 韩光照 《仪表技术与传感器》 CSCD 北大核心 2011年第11期13-15,共3页

文中介绍了一种基于振动电容式静电传感器的设计原理,以S08处理器为控制核心,利用静电场对电荷产生静电场力以及振动电极在激励电压下产生虎克弹力的合力作用下建立了数学模型,在经过对原始信号的运算放大,A/D转换以及嵌入式μC/OS多任... 文中介绍了一种基于振动电容式静电传感器的设计原理,以S08处理器为控制核心,利用静电场对电荷产生静电场力以及振动电极在激励电压下产生虎克弹力的合力作用下建立了数学模型,在经过对原始信号的运算放大,A/D转换以及嵌入式μC/OS多任务操作系统的管理下,提高了单片机的工作效率。通过将被测物理量可以转化为微弱电流变化的特点,实现了以非接触式的测量方法来标定所在区域的静电场强度。 展开更多

关键词 传感器 电容式 静电 虎克弹力

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可溯源至质量的静电力复现与测量技术 被引量：8

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作者 齐永岳 刘明 +1 位作者 林玉池 付鲁华 《仪器仪表学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2011年第5期1063-1068,共6页

为实现10-5N以下微小力值的测量及溯源,提出了一种高精度、可溯源至质量的微小力值测量系统,采用受控静电力发生装置复现微小力值,其基本工作原理是基于一种精密设计的圆柱形电容器,电容器内外电极同轴,外电极固定不动作为参考电极,内... 为实现10-5N以下微小力值的测量及溯源,提出了一种高精度、可溯源至质量的微小力值测量系统,采用受控静电力发生装置复现微小力值,其基本工作原理是基于一种精密设计的圆柱形电容器,电容器内外电极同轴,外电极固定不动作为参考电极,内电极由弹性机构支撑和导向,通过改变内外电极间的电压产生静电力,从而将力学量追溯至电容及电压等电学量,利用砝码质量与静电力平衡的原理,可以实现微小力值的溯源。实验结果表明：电容变化梯度为0.82 pF/mm,完全可以复现10-6~10-9N范围内的静电力。 展开更多

关键词 微小力值 电容变化梯度 静电力 电容传感器

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电容法微力测量中轴偏对电容梯度的影响 被引量：6

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作者 张国强 赵美蓉 蔡雪 《电子测量与仪器学报》 CSCD 北大核心 2015年第1期14-20,共7页

电容法微小力值测量中电容传感器会存在轴偏现象,影响测量精度。基于理论模型,分析计算了电容传感器在轴偏情况下的电容梯度。设计了合理的测量方案,通过高精度图像传感器及机器视觉算法,实现了轴偏及电容梯度测量,对轴偏与电容梯度之... 电容法微小力值测量中电容传感器会存在轴偏现象,影响测量精度。基于理论模型,分析计算了电容传感器在轴偏情况下的电容梯度。设计了合理的测量方案,通过高精度图像传感器及机器视觉算法,实现了轴偏及电容梯度测量,对轴偏与电容梯度之间理论数值关系进行了实验验证。实验证明了理论推导的正确性及测量方案的可性行,为后续的微力精密测量提供了误差补偿依据。在当前的电容传感器条件下,轴偏不大于50μm时,可满足误差1%以内的系统整体测量目标。 展开更多

关键词 圆柱形电容传感器 微小力值 电容梯度 轴偏 机器视觉

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基于结构解耦的新型电容式力矩传感器设计 被引量：8

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作者 蒲明辉 冯向楠 +2 位作者 罗国树 梁旭斌 潘海鸿 《仪器仪表学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第2期10-17,共8页

为解决力矩传感器中由于倾覆力矩、轴向力和径向力等所造成的力耦合效应和测量误差问题,基于结构解耦原理设计了一种新型电容式力矩传感器。该新型电容式力矩传感器利用内置十字交叉滚子轴承实现结构解耦,从而消除力耦合效应对测量准确... 为解决力矩传感器中由于倾覆力矩、轴向力和径向力等所造成的力耦合效应和测量误差问题,基于结构解耦原理设计了一种新型电容式力矩传感器。该新型电容式力矩传感器利用内置十字交叉滚子轴承实现结构解耦,从而消除力耦合效应对测量准确性的影响。测量部分采用垂直极板电容效应原理,并以双差动的测量方式提高传感器的灵敏度和稳定性。以商用转矩转速传感器作为标准力矩仪对此新型电容式力矩传感器进行标定,并进行解耦验证实验。标定和实验结果表明,该新型电容式力矩传感器的线性度为1.04%、分辨率0.05 N·m、最大测量误差约为2.07%,所设计的传感器能够有效降低力耦合效应的影响,具备结构解耦、高灵敏度和高准确性等特点。 展开更多

关键词 力矩传感器 力耦合效应 解耦 垂直极板电容效应 双差动

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电容式力传感器的研制 被引量：5

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作者 高晓丁 许卫星 胥光申 《传感器技术》 CSCD 北大核心 2002年第7期21-22,共2页

介绍了一种特殊结构的电容式力传感器。从结构设计、工作原理、电路设计对该电容式力传感器进行了分析、论述。并且提供了相应的实验数据。传感器非线性误差小于 1%。

关键词 电容式力传感器 结构 频率变化量 非线性误差 铁路道岔

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陶瓷电容式力敏元件的可靠性设计与工艺 被引量：4

9

作者 汤建华 花银群 杨继昌 《传感器与微系统》 CSCD 2019年第7期73-75,共3页

相对于电阻应变式测力传感器,国内电容式力传感器的可靠性与制造工艺还有许多方面需要改进和提高。主要介绍了陶瓷电容式力传感器中一种力敏元件在产品化过程中涉及的结构设计、关键材料选择以及生产制作工艺等方面的要求。实践表明:该... 相对于电阻应变式测力传感器,国内电容式力传感器的可靠性与制造工艺还有许多方面需要改进和提高。主要介绍了陶瓷电容式力传感器中一种力敏元件在产品化过程中涉及的结构设计、关键材料选择以及生产制作工艺等方面的要求。实践表明:该陶瓷电容力敏元件的性能和可靠性都达到了大批量生产的要求,为进一步研制更多厚膜电容式测力传感器创造了基础和条件。 展开更多

关键词 力传感器 陶瓷电容式 丝网印刷 力敏元件 厚膜

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一种带孔介电层结构柔性多维力传感器研究 被引量：3

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作者 朱银龙 吴杰 +2 位作者 王旭 陈昕 王化明 《振动．测试与诊断》 EI CSCD 北大核心 2022年第4期764-770,829,共8页

针对智能机器人人机交互过程中存在的接触柔顺性和环境适应性问题,提出一种带孔结构的多维力柔性传感器的简单制备方法,采用碳纳米管/聚二甲基硅氧烷(carbon nanotubes/polydimethylsiloxane,简称CNTs/PDMS)混合制备柔性电极,以带孔结... 针对智能机器人人机交互过程中存在的接触柔顺性和环境适应性问题,提出一种带孔结构的多维力柔性传感器的简单制备方法,采用碳纳米管/聚二甲基硅氧烷(carbon nanotubes/polydimethylsiloxane,简称CNTs/PDMS)混合制备柔性电极,以带孔结构的硅胶作为介电层,组装制备电容式柔性多维力传感器。建立柔性多维力传感器的数学模型,并通过试验获取柔性传感器的性能参数。试验结果表明:传感器理论模型与试验曲线吻合性较好,带孔结构的介电层能够提高传感器的灵敏度,法向上的检测范围为0~50 N,分辨率为0.05 N;切向上的检测范围为0~10 N,分辨率为0.15 N。将其安装在机器人手爪上进行了水果抓取试验,成功检测出水果抓取过程中的夹紧力,进一步表明该传感器具有较好的实用性。 展开更多

关键词 电容式传感器 柔性传感器 多维力觉 传感器建模

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微尺寸探针测量技术 被引量：1

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作者 孙涛 阎永达 +1 位作者 王洪祥 董申 《仪器仪表学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2001年第z2期331-332,共2页

原子力微探针具有极高的垂直方向位置灵敏度 ,其针尖半径可达几十纳米量级 ,这就为微纳米尺度的三维坐标测量提供了可能性。本文基于原子力微探针瞄准原理并结合二维微位移系统和高精度电容传感器 。

关键词 原子力微探针 坐标测量 电容传感器

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基于海绵介质层的电容式三维力触觉传感器 被引量：2

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作者 赵智忠 张松 《仪表技术与传感器》 CSCD 北大核心 2021年第2期6-11,共6页

为了提高电容式触觉传感器在较大量程范围内的灵敏度,应用PDMS(聚二甲基硅氧烷)海绵微结构作为介质层,设计了电容式三维力触觉传感器。利用有限元软件对海绵介质层和普通薄膜介质层进行性能对比,同等压力作用下,海绵微结构触觉传感器拥... 为了提高电容式触觉传感器在较大量程范围内的灵敏度,应用PDMS(聚二甲基硅氧烷)海绵微结构作为介质层,设计了电容式三维力触觉传感器。利用有限元软件对海绵介质层和普通薄膜介质层进行性能对比,同等压力作用下,海绵微结构触觉传感器拥有更高的灵敏度。对传感器单元进行有限元分析,得到传感器在三维力作用下的形变情况和电容变化趋势。制备了传感器单元,并进行三维力加载实验,采集和分析实验数据,计算出了传感器的灵敏度。样机实测结果表明,该传感器可以实现在0~10 N法向力和0~4 N切向力较大的量程范围内的检测,且法向和切向的平均灵敏度都较高,分别可以达到0.065 pF/N、0.071 pF/N和0.076 pF/N。 展开更多

关键词 触觉传感器 三维力 微结构介质层 灵敏度 电容式

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基于梳齿间距MEMS工艺误差的微传感器电容与静电力分布模型 被引量：1

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作者 戴强 于奇 +2 位作者 束平 杨洪东 张国俊 《仪表技术与传感器》 CSCD 北大核心 2010年第3期12-14,18,共4页

在理论分析与模拟仿真基础上,提出了由于梳齿微细加工误差所引起的电容和静电力概率分布模型。该模型表明电容和静电力均为类高斯分布,它们在一定区段出现的可能性可根据其准期望和准方差确定,且该准期望与无加工误差情况相比均有小于5... 在理论分析与模拟仿真基础上,提出了由于梳齿微细加工误差所引起的电容和静电力概率分布模型。该模型表明电容和静电力均为类高斯分布,它们在一定区段出现的可能性可根据其准期望和准方差确定,且该准期望与无加工误差情况相比均有小于5%的微小偏移;同时,该准方差依赖于梳齿数目和梳齿加工误差程度,当梳齿数目由10增大到60时,电容与静电力分布准方差分别增大约2倍和1倍,而当梳齿加工误差程度从5%增大到20%时,则分别增大约3.5倍和2.5倍。该模型可望为一大类梳齿结构微传感器或执行器性能偏差的理论研究和工艺实现提供参考。 展开更多

关键词 微传感器 电容分布 静电力分布 概率模型 MEMS工艺误差

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电容式六维力与力矩传感器数据采集系统设计 被引量：8

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作者 蒲明辉 艾振军 +2 位作者 尹飞 赵仁东 梁权 《仪表技术与传感器》 CSCD 北大核心 2023年第1期17-21,26,共6页

为实现电容式六维力与力矩传感器测量力与力矩信息的实时采集和显示,针对实验室自主研制的电容式六维力与力矩传感器开发了一套数据采集系统。系统以STM32F103C8T6作为主控芯片,电容信号经AD7147采集并转换为数字信号,转换结果经隔离型... 为实现电容式六维力与力矩传感器测量力与力矩信息的实时采集和显示,针对实验室自主研制的电容式六维力与力矩传感器开发了一套数据采集系统。系统以STM32F103C8T6作为主控芯片,电容信号经AD7147采集并转换为数字信号,转换结果经隔离型SPI通讯传输到主控芯片后,主控芯片通过基于Modbus协议的RS485通讯发送给上位机。上位机采用WinForm界面进行设计,能对数据进行进一步标定计算处理,并最终实现所测量力与力矩值的实时显示与保存。经过实验测试,采集系统的测量值和实际加载的力与力矩值的测量误差低于3%。该系统的采样精度高、开发成本低且上位机功能完善,为电容式六维力与力矩传感器的应用研究提供了重要的信息。 展开更多

关键词 电容式六维力与力矩传感器 数据采集 STM32 WINFORM

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单片伺服加速度计及其应用 被引量：1

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作者 赵长德 徐毓娴 《仪表技术与传感器》 EI CSCD 北大核心 1998年第2期14-18,共5页

本文概述单片伺服加速度计的原理和基本结构，伺服电路的组成和特点，并介绍了ＡＤ公司生产的单片加速度计的性能指标和应用电路，以及信号调节的方法。给出了部分实验数据，最后说明了该加速度计的典型应用。

关键词 单片 伺服 加速度计 电容传感器 静电反馈力

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一种新的协作机器人人机用电容式多维力传感器设计 被引量：1

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作者 李俊勤 王进花 孙贵香 《农机使用与维修》 2023年第10期17-20,共4页

针对传统的应变式和压阻式多维力传感器存在信号需要放大调理、制作工艺难度大、成本较高等不足,设计出一种新型电容式多维力传感器。该传感器把所有的传感元件制造在单个印刷板上,无需粘贴应变片等元件,而是采用容值的变化来感知外部信... 针对传统的应变式和压阻式多维力传感器存在信号需要放大调理、制作工艺难度大、成本较高等不足,设计出一种新型电容式多维力传感器。该传感器把所有的传感元件制造在单个印刷板上,无需粘贴应变片等元件,而是采用容值的变化来感知外部信息;COMSOL多物理场仿真软件仿真分析结果显示该电容式多维力传感器具有输出信号幅值大无需放大、抗干扰能力强、无需粘贴应变片等元器件易于实现小型化、成本较低、运行稳定等优势。 展开更多

关键词 智能机器人 传感原理 仿真分析 COMSOL多物理场仿真软件 电容式多维力传感器

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电容式螺栓预紧力测量传感器研究 被引量：3

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作者 刘奔 王涛 +3 位作者 钟东阶 鲁光涛 杨丹 谭波海 《传感器与微系统》 CSCD 北大核心 2023年第2期37-40,44,共5页

针对螺栓联接结构中螺栓松动检测问题,提出了一种基于结构型的电容式螺栓预紧力传感器。采用电容式敏感元件设计了典型的螺栓预紧力传感器,通过电容敏感元件将作用在传感器上的螺栓预紧力转换为电容变化,并建立了电容变化与螺栓预紧力... 针对螺栓联接结构中螺栓松动检测问题,提出了一种基于结构型的电容式螺栓预紧力传感器。采用电容式敏感元件设计了典型的螺栓预紧力传感器,通过电容敏感元件将作用在传感器上的螺栓预紧力转换为电容变化,并建立了电容变化与螺栓预紧力之间的关系,进而确定了传感器的设计准则。搭建了实验装置并进行了实验研究,实验结果表明:所设计的电容式螺栓预紧力传感器所测电容值与螺栓所受预紧力间具有较好相关性,该传感器具有较好的稳定性,为监测螺栓联接状态提供了一种新的手段,具有良好的应用前景。 展开更多

关键词 螺栓松动 预紧力 监测 电容式传感器

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语音交互与力感知式智能牙周探针开发 被引量：3

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作者 唐忠林 杨建华 雷宏伟 《传感技术学报》 CAS CSCD 北大核心 2021年第11期1555-1562,共8页

针对当前牙周探针在探诊力控制和探诊参数自动记录方面的不足,开发并验证了一种便携无线的语音交互与力感知式智能牙周探针,建立了探针力感知计算模型,完成了探针软硬件开发和语音交互探诊实验。其中,探针力感知模型计算值与实测均值的... 针对当前牙周探针在探诊力控制和探诊参数自动记录方面的不足,开发并验证了一种便携无线的语音交互与力感知式智能牙周探针,建立了探针力感知计算模型,完成了探针软硬件开发和语音交互探诊实验。其中,探针力感知模型计算值与实测均值的偏差小于2.49%,单条语音识别的正确率大于98%。探诊实验显示,探针语音交互流畅,探诊力分段显示正常,无线蓝牙通讯准确,是一种性能先进、使用便利、体验友好的新型牙周探诊工具。 展开更多

关键词 牙周探针 牙周探诊 语音交互 力感知 差动电容式力传感器

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电容式力感知牙周探针设计建模与实验研究

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作者 唐忠林 杨建华 雷宏伟 《传感技术学报》 CAS CSCD 北大核心 2021年第1期15-20,共6页

针对当前牙周探针在探诊力控制方面的不足,提出一种基于悬臂梁挠曲效应的差动电容式力感知牙周探针解决方案,设计了探针验证结构,建立了探诊力作用下具有不规则形状的探针工作尖的挠曲模型,导出了探诊力和差动电容之间的求解方程,并通... 针对当前牙周探针在探诊力控制方面的不足,提出一种基于悬臂梁挠曲效应的差动电容式力感知牙周探针解决方案,设计了探针验证结构,建立了探诊力作用下具有不规则形状的探针工作尖的挠曲模型,导出了探诊力和差动电容之间的求解方程,并通过仿真和实验对模型与方程进行了验证。结果表明,所建立的探针工作尖挠曲模型与静应力仿真结果的最大相对误差不超过±4.5%,所设计的力感知牙周探针多次重复探诊力检测实验的标准差小于均值的0.1%,所导出的求解方程的计算值与实验数据之间趋向一致,以探诊力为拟合权重进行修正后全量程的平均偏差为2.49%,具备进一步产品开发的可行性。 展开更多

关键词 传感器 牙周探针 牙周探诊 探诊力检测 差动电容式力传感器

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