基于时间-数字转换器的力矩传感器

　　0　引　言

　　将时间间隔变换为数字量的时间—数字转换器( time-to-digital converter,TDC)在核物理和高能物理实验、雷达及激光测距等领域有广泛的应用。本文介绍基于TDC技术的德国CAM公司的PSΦ21芯片用于应变测量的测量原理及其在机器人力矩传感器中的应用。

　　1　基于TDC的应变测量

　　1.1　基于TDC应变测量原理与特点[1]

　　在应变测量中,通常采用电阻应变计构成电桥测量,电桥信号经过放大并通过A/D转换器转换成数字信号。测量电路通常需要由信号调理放大电路、滤波电路及A/D转换器组成。对于某些特殊应用场合的应变测量传感器设计中,通常由随机电池供电,低功耗是一个重要的指标,因此,电路设计尽量以降低功耗为目标。金属电阻应变计构成的测量电桥在3V电压时,本身就要有3mA的电流消耗或者多。这很容易地超出能够接受的电流消耗极限。

　　TDC测量原理引入了全新的方法。电阻的变化通过时间间隔的测量来求出,而不是像惠斯通电桥通过电压变化来求得。应变电阻器与电容器一起构成了一个RC低通滤波器。电容器先充电到Vcc,然后,通过应变电阻器进行放电。放电到阈值电压的时间由TDC精确地测量出来。传感器电阻的变化反映为放电时间τ的变化,放电时间为2~100μs,TDC能够以15 ps的分辨力精确测量放电时间τ。其测量精度可以达到相当于24位A/D的转换精度。同时,电流消耗可以减少到100μA,以达到降低传感器系统功耗的目的。系统测量原理如图1所示

　　根据测量原理,TDC测量并不需要全桥模式,半桥式测量就已经足够。半桥的供电直接通过TDC的电路供电,不需要额外给应变电阻器供电,且也不需要外部参考电压。一个测量周期由8次充电放电构成。通过脉冲驱动,系统可以很容易地控制通过整个系统的电流。更重要的是,相比D/A转换器而言,它极大限度地减少了整个系统的电流消耗。基于TDC技术的德国ACAM公司PSΦ21芯片被称作电阻应变的数字放大器,供电电压为1. 8~3. 6V;工作温度范围为-40~120℃;QFN48/QFP48封装(尺寸为7mm×7mm)。

　　1.2　基于TDC的机器人关节力矩传感器

　　基于TDC测量原理设计并制作了智能机器人臂关节力矩传感器。经有限元分析,在传感器的弹性敏感区粘贴应变计。4个应变敏感区各粘贴1片二轴二栅45°应变计,每只应变计为一路半桥,对称的两路半桥组成一组测量电路,两组电桥电路并互为故障备份。传感器形式与应变敏感区如图2所示。

　　测量电路由ATMEGA168单片机和实现TDC测量的PSΦ21芯片组成。

　图3所示为智能机器人关节力矩传感器系统组成。当单片机ATMEGA168工作在5Hz中断测量频率下,系统总体电流消耗为380μA,有效位精度18. 3位。TDC的动态测量范围为2Hz~50 kHz,系统可以根据传感器的静态或动态应用选择测量频率。当测量频率增加时,有效位精度下降。达到50 kHz测量频率时,有效位精度下降到10位,仍可较好地满足力矩测量的要求。