电容式触觉传感器微电容检测电路设计

易 艺，宋爱国,李会军，冷明鑫

(1.东南大学仪器科学与工程学院，江苏南京 210096；2.桂林电子科技大学信息科技学院，广西桂林 541004)

0 引言

触觉传感器是非常重要的机器人传感器。电容式柔性触觉传感器是触觉传感器的一种，它类似于人类的皮肤，是机器人感知自身与外界环境的接触状态和目标的形状、软硬度、表面纹理等物理属性，实现目标识别与定位的重要保障[1-2]。

机器人指端电容式柔性触觉传感器由敏感单元和电容检测单元电路组成。机器人在进行指端触觉压力感知时，电容式柔性触觉传感器的敏感单元可以将指端触觉压力的变化转换为电容的变化，然后送给电容检测单元电路进行测量，通过测量电容式传感器的电容变化量来实现对触觉压力的检测。但是由于电容式柔性触觉传感器的初始电容值和电容变化值通常很小，分别为pF数量级和fF数量级，且变化较快，被淹没在电路的杂散电容和外界干扰中，如何将电容传感器的初始电容值和电容变化值准确地转换为易于读取的电信号，进而实现对触觉压力的检测，成为科研人员研究的热点课题[3-6]。

为了实现对微电容的准确测量，本文分别采用电容数字转换芯片AD7746和运算放大电路设计了2种电容式柔性触觉传感器微电容检测电路。本文首先介绍了电容式柔性触觉传感器的工作原理，然后分别以运算放大器和电容数字转换芯片AD7746为核心器件设计两种微电容检测电路，并对这两种电路的主要性能指标进行实验测试和对比研究，为电容式柔性触觉传感器微电容的检测提供参考。

1 电容式柔性触觉传感器的工作原理

电容式柔性触觉传感器由上、下两个电极和柔性绝缘介质组成，其结构如图1所示。

图1 电容式柔性触觉传感器结构图

在图1中，设上、下电极间的距离为d，2个电极的有效面积为A，真空介电常数为ε0，柔性绝缘介质的相对介电常数为εr，根据平板电容的原理[7]，可以得到该电容式柔性触觉传感器的电容量公式为

(1)

设εr和A为常数，柔性绝缘介质为线弹性体，满足胡克定律的要求，当电容式柔性触觉传感器未受到外力作用时，2个电极之间的距离为d0，此时电容式触觉传感器的初始电容值为C0；当有外力作用于电容式柔性触觉传感器时，柔性绝缘介质因受到外加压力作用而被压缩，假设2个电极之间的距离减小了Δd，电容增量为ΔC，由式(1)可得此时的电容值为

(2)

当Δd/d0<<1时，由式(2)可以得到电容的变化量近似为

ΔC=C0·(Δd/d0)

(3)

由式(2)和式(3)可知，电容的变化量ΔC和距离的变化量Δd近似为线性关系。当作用的外力释放后，因柔性绝缘介质自身具有弹性，可以回弹到起始位置，电容式柔性触觉传感器的电容值也会恢复到初始值C0，因此可以通过检测传感器的电容变化量来实现触觉压力的检测。

2 传感器信号采集电路设计

2.1 脉冲激励式电容检测电路

脉冲激励式电容检测电路由脉冲信号发生器、电容转换单元电路、滤波电路、A/D转换电路和微控制器组成，其电路组成框图如图2所示。

图2 脉冲激励式微弱电容检测电路框图

2.1.1 电容转换单元电路

图2中的虚线部分为电容转换单元电路，它以运算放大器为核心器件，其中Cx和C1分别为电容式触觉传感器被测电容和参考电容，S1为单刀双掷开关芯片，U1和U2为低温漂、低噪声、低输入偏置电流和电压的运算放大器。脉冲信号发生器产生幅度为ue，频率为f，相位相差180°的脉冲信号A和B分别送给传感器被测电容Cx和电容C1，单刀双掷开关芯片S1的控制端IN与脉冲信号A相连接，受到脉冲信号A的控制。由于采用运算放大器和差动的电路结构，可以有效地抑制杂散电容和共模信号的干扰[8]。

电容转换单元电路的工作过程为：当脉冲信号A和B的幅度分别为ue和0 V时，脉冲信号A控制单刀双掷开关芯片S1向上连接，即传感器被测电容Cx、电容C1都与运算放大器U1相连。此时，脉冲信号A和B分别对电容Cx和C1的一个电极进行激励，电容Cx和C1的另外一个电极将产生感应电荷，感应电荷转移至运算放大器U1和反馈电阻Rf1构成的跨阻放大器而产生电流，即可得到含有电容Cx和C1信息的电压信号，被测电容Cx和电容C1将按脉冲信号频率f重复进行充放电，实现C/V转换[9]，得到此时的电压信号uo1的公式为

uo1=Rf1f[(ue-uref)Cx+(0-uref)C1]+uref

(4)

当脉冲信号B和A的幅度分别为ue和0 V时，脉冲信号A控制单刀双掷开关芯片S1向下连接，即传感器被测电容Cx、电容C1都与运算放大器U2相连。同理可得到此时的电压信号uo2的公式为

uo2=Rf2f[(0-uref)Cx+(ue-uref)C1]+uref

(5)

取uref=ue/2，则式(4)和式(5)可化简为：

uo1=ueRf1f(Cx-C1)/2+ue/2

(6)

uo2=-ueRf2f(Cx-C1)/2+ue/2

(7)

取反馈电阻Rf1=Rf2，由式(6)和式(7)可得：

uo1-uo2=ueRf1f(Cx-C1)

(8)

由式(8)可得：

Cx-C1=(uo1-uo2)/(ueRf1f)

(9)

由式(9)可知：电容Cx-C1的值与电容转换单元电路输出电压差uo1-uo2的值成线性关系。脉冲信号频率f的稳定性、反馈电阻Rf1和Rf2阻值的稳定性都会对传感器被测电容Cx造成影响。

为了提高电容检测电路的灵敏度，电容转换单元电路中的反馈电阻Rf1和Rf2要求为MΩ数量级。根据热动力学理论可知，电阻的阻值越大，由其引入的噪声就越大，将会影响电路的测量精度[10]。为了解决这个问题，可以采用T型电阻网络组成的电路来代替反馈电阻Rf1和Rf2，其电路原理图如图3所示。

图3 T型电阻网络电路原理图

在图3中，反馈电阻Rf可以由R1、R2和R3组成的T型电阻网络构成，反馈电阻Rf的计算公式为：

Rf=R1+R2+R1·R2/R3

(10)

由式(10)可知，可以利用3个较小的电阻组成阻值大的反馈电阻，以减小反馈电路的热噪声，从而提高电容检测单元电路的信噪比。

为了验证电路的可行性，取0.01～12 pF的电容进行仿真实验。信号发生器产生频率为50 kHz，幅度为5 V，相位差为180°的两路脉冲信号加载给电容转换单元电路，取反馈电阻Rf1和Rf2阻值为1 MΩ，当被测电容值发生变化时，uo1和uo2的电压差将发生变化。用multisim软件对电容转换单元电路进行仿真实验，其实验结果如图4所示。

图4 被测电容与输出电压差关系图

在现有实验室条件下，取0.1～12 pF、误差<5%的电容，对电容转换单元电路进行实测实验，其实验结果如图4所示。从图4可知：在仿真实验和实测实验中，电容转换单元电路的输出电压差与被测电容都呈线性关系，符合前面的理论分析。由于电阻和电容等器件的标称参数存在误差、电路存在寄生电容和环境干扰等原因，实测结果和仿真结果之间存在误差，最大相对误差为8.42%。对实测结果进行线性拟合，得到实测结果的线性拟合直线如图4所示，线性度为1.82%，实测结果和拟合结果之间的最大相对误差为3.17%。因此，在误差允许范围内，该电容转换单元电路可以用于测量电容式传感器的微弱电容。

2.1.2 脉冲信号发生器电路

由公式(9)可知，脉冲信号频率f的稳定性，对被测电容的测量结果至关重要，因此选用DDS芯片AD9834和SN7414芯片来产生脉冲信号，其电路原理框图如图5所示[11]。通过微控制器ATxmega128A1给AD9834输送频率控制字来改变脉冲的频率值。

图5 脉冲信号发生器电路原理框图

2.1.3 数据采集处理电路

数据采集处理电路由微控制器ATxmega128A1及16位A/D转换芯片AD7606组成。两路A/D对电容转换单元电路输出的电压值进行采集，为了减小采集数据频繁跳变而带来的测量误差，采用算术均值滤波算法。微控制器在完成10次采集测量后，将10次采集数据的平均值作为最终的测量值，通过USB转串口模块送给上位机，上位机将接收到数据进行记录、分析、处理和显示。

2.2 电容转换芯片AD7746检测电路

电容转换芯片AD7746检测电路由AD7746芯片电路、微控制器和上位机组成，其电路组成框图如图6所示。

图6 电容转换芯片AD7746电路框图

AD7746是24位电容数字转换芯片[12]，该芯片的电容检测范围为-4～+4 pF，线性度为0.01%，精度为4 fF，分辨率为4 aF，具有双线式I2C接口，方便与微控制器进行数据通信。在图6中，Cx为电容式触觉传感器的被测电容，Cp1和Cp2为等效的寄生电容。AD7746在接收到微控制器的指令后，通过CDC(capacitance-to-digital converter)架构测量连接在激励信号EXCA端和容性输入CIN1端之间的传感器被测电容Cx。通过查阅AD7746芯片数据手册可知，在一定范围内，AD7746芯片内部的CDC可以有效地消除寄生电容Cp1和Cp2对测量结果的影响，极大地提高了传感器被测电容的测量精度。

选用STM32F103C8T6作为微控制器，微控器将采集到的传感器电容值进行分析和处理后，通过USB转串口模块发送给上位机进行显示。

3 实验测试及结果分析

在现有的实验室条件下，选用电容值为0.1～12 pF，精度为0.1%、0.25%和1%的电容作为被测电容进行实验。

3.1 微电容值对比测试

采用手持LCR测试仪TH2822E作为标准仪器，对2种微电容检测电路进行比对测试，得到标准仪器和2种微电容检测电路的部分参数测量结果如表1所示。

表1 微电容检测电路部分参数测量结果

从表1可知，在0.1～7.5 pF范围内，AD7746微电容检测电路和脉冲激励式微电容检测电路测量电容值的最大相对误差分别为14.3%和37.00%，它们与标准仪器TH2822E测量结果的最大偏差分别为0.084 pF和0.305 pF。因此，AD7746微电容检测电路的测量准确度优于脉冲激励式微电容检测电路。

为了测试AD7746微电容检测电路和脉冲激励式微电容检测电路的量程，逐渐增大电容值，得到AD7746微电容检测电路和脉冲激励式微电容检测电路的量程分别为8 pF和12 pF，脉冲激励式检测电路的量程比AD7746检测电路的大。

3.2 电容示值稳定性测试

为了测试AD7746检测电路和脉冲激励式检测电路的示值稳定性，选择3.0 pF的电容进行30 min的实验测试，每间隔1 min记录1个测量值，测量结束后分别对测量的实验数据进行分析，得到两个微电容检测电路的电容示值稳定性如图7所示。

图7 电容值为3.0 pF的示值稳定性图

从图7可知，在30 min内，AD7746微电容检测电路和脉冲激励式微电容检测电路的电容示值可以分别稳定在0.006 pF和0.026 pF以内，AD7746微电容检测电路的电容示值稳定性优于脉冲激励式微电容检测电路。

3.3 电容式柔性触觉传感器的测试

由于AD7746微电容检测电路的性能指标优于脉冲激励式微电容检测电路，且电路简单，便于集成化，因此将AD7746微电容检测电路与电容式柔性触觉传感器相连接，并进行实验测试，如图8所示。当用手指对电容式柔性触觉传感器施加或释放压力时，AD7746微电容检测电路可以检测出手指作用力引起的传感器微弱电容变化值。

4 结束语

本文以AD7746芯片和运算放大器作为核心器件，分别设计了AD7746微电容检测电路和脉冲激励式微电容检测电路，并对它们进行实验测试和对比分析。实验结果表明，AD7746微电容检测电路的线性度、测量准确度、电容示值稳定性等性能指标优于脉冲激励式微电容检测电路，且电路简单、体积小、便于集成化。因此，为了提高触觉压力的检测精度，在量程范围内，选择AD7746微电容检测电路对电容式柔性触觉传感器进行信号的采集，为电容式柔性触觉传感器信号的读取提供参考。

(a)微电容检测电路与传感器连接图

(b)上位机测量显示界面