转自21IC电子网

    [导读]如果您使用过触觉传感器或力敏电阻(fsr)，则可能遇到过自重方法-在传感器上放置静态重物并使用万用表或Arduino记录电阻读数。乍一看，这似乎是合乎逻辑的：重量施加力，而力应该与阻力相关。

    对老式力敏电阻(FSR)测试方法的反思

    如果您使用过触觉传感器或力敏电阻(fsr)，则可能遇到过自重方法-在传感器上放置静态重物并使用万用表或Arduino记录电阻读数。乍一看，这似乎是合乎逻辑的：重量施加力，而力应该与阻力相关。

    但在现实中呢?这种方法存在严重缺陷。

    传统触觉传感器和力传感器测试存在的问题

    除了力之外，触觉传感器或FSR的性能还受到多种因素的影响。时间，接触面积，材料刚度和重量放置都会导致不一致，使简单的电阻读数不可靠。

    Interlink Electronics是一家主要的触觉传感器和FSR制造商，对这个问题提出了警告：

    “FSR响应对施加力的分布非常敏感。一般来说，这就排除了使用定重来进行表征的可能性，因为重量分布的精确复制很少能够在循环之间重复。”

    这在实践中意味着什么?如果您多次重复相同的测试，您的读数仍然会有很大的差异——仅仅是由于施加的力的微小差异。

    影响FSR测量的关键因素

    通过测试，我们发现了三个主要问题：

    1、时间依赖性-阻力随时间变化

    fsr不能产生瞬时、稳定的电阻值。相反，它们表现出蠕变，在恒定的力下阻力缓慢下降。以下是一个示例数据集，其中100g重量放在Interlink FSR 406上：

    距离放置时间(s)阻力(kΩ)

    5 7.81

    + 7.54

    30 7.03

    60 6.82

    在60秒内，阻力下降了12%——施加的力没有任何变化!

    2、重量定位-小的动作导致大的摆动

    在FSR上的重量位置的微小变化可能导致读数的变化高达27%。这种不一致使得几乎不可能准确地比较传感器，除非严格控制位置。

    3、接触形状和面积-不仅仅是重量问题

    如果你用锋利的物体和平坦的表面把重物压在FSR上，你会看到截然不同的读数——即使施加的总力是相同的。

    这是因为fsr测量的是压力(单位面积的力)，而不仅仅是力。

    例如：

    • 一个100g的重物在1cm²上施加的压力是在2cm²上施加的压力的两倍。

    • 即使是重量接触表面的微小纹理差异也会导致变化。

    我们将一枚10美分硬币和一枚直径相同的缝纫纽扣放在重物下进行测试——由于它们的重量分布不同，它们的读数也不同!

    看看相同重量的不同位置如何改变传感器上的力读数

    一个新的，更可靠的FSR或触觉传感器测试方法使用Arduino

    1、用硅胶垫片标准化接触面积

    为了消除力分布不一致，我们引入了软硅胶垫片：材料：Shore 60A硅胶;尺寸：0.5“直径，1/8”厚;用途：确保力均匀分布在传感器上

    随着隔离器的到位，电阻读数变得更加稳定。

    2、通过使用Arduino捕获随时间变化的电阻而不是单个值

    而不是采取单一的电阻快照，我们绘制电阻随着时间的推移使用Arduino来解释fsr的时间依赖性行为。

    我们还设置了一个自动的时间窗口来提取一个稳定的读数。捕捉阻力的最佳时机似乎是：

    • 在电阻变化平缓后1000-2000ms之间

    • 当曲线的斜率降到1以下时

    这确保了跨测试的可重复、可比较的结果。

    3、利用Arduino UNO实现电阻测量自动化

    我们使用Arduino UNO构建了一个定制的测试平台：✅使用模数转换器(ADC)测量FSR电阻✅记录电阻数据随时间的变化✅应用校准将ADC读数转换为实际阻抗

    关键挑战：ADC读数与电阻不是线性正比的

    由于FSR和1kΩ下拉电阻形成分压器，ADC读数与实际电阻并不完全相关。

    为了解决这个问题，我们使用已知的电阻进行校准测试，并插值adc -阻抗关系。以下是我们校准表的一个片段：

    已知电阻(Ω) ADC读数

    218, 000 1

    99, 100 7

    32, 800 27

    9, 560 90

    1, 990 340

    995 512

    497 683

    12 910

    利用这些数据，我们开发了一个自定义插值函数来准确地将ADC读数映射到电阻值。

    结果：一种可重复和稳健的触觉传感器/ FSR测试方法

    通过集成硅胶垫片、时间相关测量和基于arduino的自动化，我们创建了一种测试方法：✔减少力分布不一致;考虑阻力随时间的蠕变;提供可重复的、可比较的测量

    下一个步骤

    • 微调校准：需要进一步的测试来完善adc -电阻方程

    • 扩展测试设置：自动化多重量和多传感器测试

    • 提高传感器的可重复性：调查环境因素(如温度、湿度)

    最终的想法

    如果你正在使用触觉传感器或fsr，你必须超越简单的重量和万用表方法。通过使用Arduino实现受控测试设置，您可以提取有用的，可重复的数据并做出明智的工程决策。