FSR传感器的标定.docx

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上肢机器人FSR传感器的标定与数据处理
一.实验原理与电路图：

图1 FSR信号调理电路原理图

图2 FSR信号调理电路实物图
由电路图可得输出电压与FSR阻抗的关系：
VOUT=VREF2(1+RGFSR) （1-1）
令1FSR=C，VREF2=V0，则
C=1RGV0×VOUT-1RG （1-2）
由电路结构可知FSR传感器的电导值与输出电压是线性关系，而由传感器性质可知FSR电导与压力值是近似的线性关系，故输出电压与力的成线性关系。
二．标定过程：
1.调节参考电压V0=0.8V，RG=2kΩ得到力与电压和FSR电导的关系式：

图3 0.8V 压力与输出电压

图4 0.8V 压力与电导
由图3图4可以发现输出电压（电导）与力的关系存在死区，这是因为当对电路进行5V供电时输出电压VOUT最高为3.7V，由（1-1）可知输出电压最低为参考电压V0，因此只对线性部分进行拟合，结果如下：

图5 0.8V线性部分压力与输出电压关系
Linear model PolY:
f(x) = p1*x + p2
Coefficients (with 95% confidence bounds):
p1 = 8.579 (8.464, 8.695)
p2 = 2.496 (2.203, 2.79)
Goodness of fit:
SSE: 113.2
R-square: 0.9902
Adjusted R-square: 0.9902
RMSE: 0.7326
即压力Y/N与输出电压X1/V关系为：
当10N<Y<35N 时，
Y=8.579×X1+2.496 (1-3)

图6 0.8V线性部分压力与FSR电导关系
Linear model PolY:
f(x) = p1*x + p2
Coefficients (with 95% confidence bounds):
p1 = 13.73 (13.54, 13.91)
p2 = 9.36 (9.151, 9.568)
Goodness of fit:
SSE: 113.2
R-square: 0.9902
Adjusted R-square: 0.9902
RMSE: 0.7326
即压力Y/N与输出电导X2/mS关系为：
当10N<Y<35N 时，
Y=13.73×X2+9.36 (1-4)

2．令 V0=1.2V，RG=2kΩ的情况，具体与上面情况相似。

图7 1.2V 压力与输出电压

图8 0.8V 压力与电导
同样只对线性区间进行拟合：

图9 1.2V线性部分压力与输出电压关系
Linear model PolY:
f(x) = p1*x + p2
Coefficients (with 95% confidence bounds):
p1 = 6.459 (6.131, 6.787)
p2 = 13.4 (12.57, 14.24)
Goodness of fit:
SSE: 30.68
R-square: 0.9703
Adjusted R-square: 0.9697
RMSE: 0.7994
即压力Y/N与输出电压X1/V关系为：
当17N<Y<35N 时，
Y=6.459×X1+13.4 (1-5)

图10 1.2V线性部分压力与FSR电导关系
Linear model PolY:
f(x) = p1*x + p2
Coefficients (with 95% confidence bounds):
p1 = 15.5 (14.71, 16.29)
p2 = 21.16 (20.69, 21.62)
Goodness of fit:
SSE: 30.68
R-square: 0.9703
Adjusted R-square: 0.9697
RMSE: 0.7994
即压力Y/N与输出电导X2/mS关系为：
当16N<Y<35N 时，
Y=15.5×X2+21.16 (1-6)
三．分析与小结：
由以上两种标定，观察图3，图4，图7，图8可知，调节不同的参考电压将产生不同的阈值力，只有当力处于一个特定区间时，我们才可以用相应的公式，如（1-3）或（1-5），根据得到的输出电压计算相应的力，也就是当5V供电时V0<VOUT<3.6V才能利用公式。观察（1-3）和（1-5）可以发现他们的斜率不同，V0和RG都将影响（1-3）或（1-5）的斜率。对于同一种传感器，RG往往固定不变，因此参考电压V0是影响斜率的主要因素。
对比（1-4）与（1-6）可以发现电导与力的关系式的斜率基本相同，这是由FSR传感器本身的性质决定的，但是受电路影响，力与电导的关系式发生平移，即线性关系的截距不同。另外，在压力较大时FSR电阻迅速减小，故此时由（1-1）式我们可以忽略参考电压VREF2（V0）对输出电压的影响，观察图4与图7也可得知当输出电压刚刚达到上限时，不论参考电压大小，传感器受到的压力大致相同，约为35N。基于以上两点，这里给出一个一般性（任意参考电压）的求力与输出电压关系式的方法：
1.FSR电导值与压力成线性关系，且斜率不变，设斜率为K，由式（1-2）可以得到力与电压线性关系式的斜率为
K’=1RGV0×K (1-7)
设此线性关系式为
F=K‘×V+F0 (1-8)
2.当电压刚刚达到上限值时传感器所受压力相同设为Ff ，设电压值上限为Vf ，带入Ff和Vf可以解出（1-8）的截距F0从而得到不同参考电压下压力与输出电压的关系式。带入V=V0得到的F即为阈值力。

以本次实验为例，当参考电压V0=0.8V时我们得到关系式（1-3）与（1-4），结合（1-6）我们取FSR力与电导关系式的斜率的平均值14.6，即取K=14.6，当V0=1.2V，RG=2KΩ时，由式（1-7），K’=6.083。取Ff=35N，Vf=3.6V，代入式（1-8）解得F0=13.101，即推出当V0=1.2V时，
F=6.083×V+13.101 (1-9)
将（1-9）与实际拟合的关系式（1-5）对比发现两者近似。

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