电容式触觉传感器信号检测系统的设计_孙一心
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电路简化示意，行电极和列电极各只画了 3 条． 行扫描 和列扫描由 FPGA 控制多路开关的选通进行控制． 图 中较粗的线条为选中的行电极和列电极，当某一行电 极和某一列电极被选中后，所要检测的触元的位置也 被确定，选中的行电极和列电极经多路开关被连接到 电容转换芯片的输入端进行电容的检测． 其余没有被 选中的行电极和列电极被多路开关连接到地，以减小 噪声．
Fig． 3
图 3 电容式触觉传感器实物照片 Photograph of the designed capacitive tactile sensor array
·30·
纳米技术与精密工程
第 13 卷 第 1 期
1. 2 传感器的理论分析 当传感器表面触点受力时，上电极层发生形变，且
形变量与厚度相比不能忽略，所以本文使用大挠度理 论［14］建立物理模型，进行传感器电容输出值与受力输 入值的理论分析． 首先对传感器的单个触元建立如图 4 所示的坐标系．
由于传感器的触元四周都有中间间隔层支撑，所
以可以认为触元是周边固支的，同时考虑中间形变势
能和弯曲形变势能，可以得到上电极层的最大挠度与
载荷的关系为
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q
=
a4 （
E 1－
υ2 ）
（
4.
06h3 w0
+ 3.
00hw30
+
0. 57υhw30 － 0. 86υ2 hw30 ）
（ 1）
式中： q 为载荷； E 为上电极层的弹性模量； a 为电容极
第 13 卷 第 1 期 2015 年 1 月
纳米技术与精密工程 Nanotechnology and Precision Engineering
Vol． 13 No． 1 Jan． 2015
DOI 10. 13494 / j． npe． 20140059 孙一心，钟 莹，王向鸿，等． 电容式触觉传感器信号检测系统的设计［J］． 纳米技术与精密工程，2015，13（ 1） ： 28-33． Sun Yixin，Zhong Ying，Wang Xianghong，et al． Design of signal detection system of a capacitive tactile sensor array ［J］． Nanotechnology and Precision Engineering，2015，13（ 1） ： 28-33 （ in Chinese） ．
本文设计了一种电容式触觉传感器的信号检测系 统，采用 FPGA 为主控制器，以 ACAM 公司的高精度、 高采样速率的 PCap01 电容数字转换芯片为核心，配 合高性能的模拟多路开关检测触觉传感器的电容输出 信号，通过 USB 发送给上位机后可视化地将触觉信息 显示出来． 实验证明，提出的信号检测系统可以将触觉 传感器的电容值检测出来，稳定性满足设计要求，根据 测量结果可获取触觉传感器表面的受力情况．
距离．
式（ 1） 中的各项系数取值取决于所采用的近似方
系中的坐标．
板间距的总形变量为
L = Δd + w
（ 3）
式中 Δd 为中间间隔层的形变量．
可以求出单个触元的电容为
∫ ∫a
C=
a ε0 εr dxdy
－ a － a d0 － L
（ 4）
式中： C 为触元的电容值； ε0 和 εr 分别为相对介电常数和
真空介电常数； d0 为上电极层与下电极层之间的初始
信息．
关键词： 触觉传感器； PCap01； 阵列触觉； 信号检测系统
中图分类号： TH212． 1
文献标志码： A
文章编号： 1672-6030（ 2015） 01-0028-06
Design of Signal Detection System of Capacitive Tactile Sensor Array
板边长的一半； υ 为上电极层的泊松比； h 为上电极层
的厚度； w0为上电极层形变的最大挠度． 由于上电极层 由多层薄膜构成，其弹性模量和泊松比为多层薄膜的
综合值．
上电极层形变的挠度函数为
( ) ( ) w = w0 cos2
πx 2a
cos2
πy 2a
（ 2）
式中： w 为上电极层某点的挠度； x 和 y 为某点在坐标
图 2 传感器原理示意 Fig． 2 Principle of the designed sensor array
值的变化量就可以推算出触元处压力的大小． 将 64 个 触元的电容值按照一定规律分别检测出来，就可以得 知触觉传感器表面的受力情况．
上电极层和下电极层中的条状电极在 FPCB 中通 过连线引入到传感器的同一端，然后通过柔缆座分别 引入到检测电路中，这样设计可以将传感器的敏感部 分和信号检测系统分隔开，模块化的设计充分保证了 传感器的柔顺性和实用性． 加工完成的电容式触觉传 感器如图 3 所示．
Abstract： The resolution，stability，and signal noise ratio （ SNＲ） of the capacitive tactile sensor array are influenced by the corresponding signal detection system． The signal detection system of a capacitive tactile sensor array is designed based on the commercial capacitance digital convertor （ CDC） named PCap01． The system proposed is mainly composed of a field-programmable gate array （ FPGA ） ，a PCap01 and 6 multiplexers． After switching the row and column multiplexers sequentially by FPGA，the capacitance of each element of the tactile sensor is measured by PCap01． After all elements of the tactile sensor array are measured，FPGA transmits the data to host computer by frame． The result is displayed in 3D bar graph and surface graph in the host computer dynamically． The sampling frequency is up to 15 frames / s． Experiments show that the force distribution is obtained by the capacitive tactile sensor array and that the signal detection system meets the need of the tactile sensor． Keywords： tactile sensor array； PCap01； tactile array； signal detection system
收稿日期： 2014-11-27． 作者简介： 孙一心（ 1990— ） ，男，硕士生． 通讯作者： 钟 莹，副教授，yzhong@ tju． edu． cn．
2015 年 1 月
孙一心等： 电容式触觉传感器信号检测系统的设计
·29·
触觉 传 感 器 的 信 号 检 测 方 法 做 了 大 量 研 究． Cheng 等［6-7］使用正弦激励和峰值检波的方法检测电容式触 觉传感器的信号，采样速率可以达到 15 帧 / 秒，但是整 个电路全部由分立元件构成，体积较大． Lee 等［8］、Sergio 等［9］、Surapaneni 等［10］采用专门设计的芯片进行电 容式触觉传感器的信号检测，实验证明这种方案采样 速率快、精度较高、易于实现传感器的小型化，但是生 产成本较高且不具有良好的可拓展性． Boie［11］提出了 一种利用相敏解调原理检测电容式触觉传感器信号的 方法，分析了电路的噪声和杂散电容的来源，并通过实 验采集了触觉传感器的压力图像． Peng 等［12-13］利用商 业电容转换芯片 AD7147 和 AD7746 设计了电容式触 觉传感器的信号检测电路，但是由于这两种芯片的电 容转换速率较低，分别为 1. 5 kHz 和 200 Hz，使得触觉 传感器动态范围较窄．
传感器原理如图 2 所示，当触点受到外界的压力 发生变化时，上电极层触点所在的位置受力弯曲情况 不同，导致上电极层电极和下电极层电极之间的距离 改变，从而触元的电容值发生变化，通过检测触元电容
图 1 传感器结构示意 Fig． 1 Structure of the designed sensor array
触觉可以获得物体表面的一些几何特征和物理特 性，包括硬度、形貌、粗糙度、弹性、材质等． 随着仿生学 的发展，触觉传感器在机器人仿生、医疗器械、体育训 练、人体工程学等领域获得了广泛的应用［1-5］． 触觉传 感器主要有电容式、电阻式、压电式、光纤式等多种形
式，其中电容式触觉传感器因为温漂小、灵敏度高等优 点，一直是这一领域的研究热点． 从实用性角度出发， 触觉传感器应具有分辨力高、量程大、稳定性好、噪声 小等优点，除了传感器本身的材料和结构，信号检测系 统也是传感器性能的重要保证． 国内外学者对电容式
电容式触觉传感器信号检测系统的设计
孙一心，钟 莹，王向鸿，李醒飞
（ 精密测试技术及仪器国家重点实验室（ 天津大学） ，天津 300072）
摘 要： 信号检测系统对电容式触觉传感器的分辨力、稳定性和信噪比都有重要影响． 设计了一种基于 PCap01 电
容数字转换芯片的电容式触觉传感器的信号检测系统，采用 FPGA 控制多路开关选通电容式触觉传感器的触觉单
1 传感器结构设计及理论分析
1. 1 传感器结构设计 本文所设计的电容式触觉传感器结构如图 1 所
示． 本传感器采用三明治结构，主要由 4 个部分构成： 上电极层、下电极层、中间间隔层和触点层． 上电极层 和下电极层由柔性电路板（ FPCB） 工艺加工而成，每层 中各嵌入了 8 个条形电极． 上电极层和下电极层的电 极正交排布，在其交点处共形成了 64 个电容，每个电 容就是一个触觉单元，简称为触元． 中间间隔层由硅胶 板镂空制成，镂空的地方正对着触元所在的位置，通过 这种设计可以增大上层电极的形变量，增大传感器的 灵敏度． 最上层是触点层，由一个个硅胶制成的圆盘制 成，每个触点贴于上层电极层的触元位置的正上方． 触 点不仅可以让外界施加的力恰好施加在触元上，增大 传感器的灵敏度，而且可以保护上电极层不被外界尖 锐的物体划伤，提高了传感器的耐用性．
Fig． 4
图 4 传感器单个触元的坐标系 Coordinate system of single tactile element of the sensor array
中都存在较大的寄生电容，所以上述方法只能求得单 个触元电容的近似解．
2 信号检测系统的设计
2. 1 阵列触元的等效模型 图 5 所示为本文所用的电容式触觉传感器的等效
Sun Yixin，Zhong Ying，Wang Xianghong，Li Xingfei
（ State Key Laboratory of Precision Measuring Technology and Instruments （ Tianjin University） ，Tianjin 300072，China）
元并进行阵列式扫描，通过 SPI 通信读取 PCap01 的测量结果后通过 USB 通信将数据传输给上位机，在上位机中以
三维柱状图和曲面图动态显示电容式触觉传感器表面的受力情况，系统的采样速率可达 15 帧 / 秒． 实验结果表明，
设计的信号检测系统可以满足电容式触觉传感器的需求，通过采集的数据可以获取电容式触觉传感器表面的受力
Fig． 3
图 3 电容式触觉传感器实物照片 Photograph of the designed capacitive tactile sensor array
·30·
纳米技术与精密工程
第 13 卷 第 1 期
1. 2 传感器的理论分析 当传感器表面触点受力时，上电极层发生形变，且
形变量与厚度相比不能忽略，所以本文使用大挠度理 论［14］建立物理模型，进行传感器电容输出值与受力输 入值的理论分析． 首先对传感器的单个触元建立如图 4 所示的坐标系．
由于传感器的触元四周都有中间间隔层支撑，所
以可以认为触元是周边固支的，同时考虑中间形变势
能和弯曲形变势能，可以得到上电极层的最大挠度与
载荷的关系为
Leabharlann Baidu
q
=
a4 （
E 1－
υ2 ）
（
4.
06h3 w0
+ 3.
00hw30
+
0. 57υhw30 － 0. 86υ2 hw30 ）
（ 1）
式中： q 为载荷； E 为上电极层的弹性模量； a 为电容极
第 13 卷 第 1 期 2015 年 1 月
纳米技术与精密工程 Nanotechnology and Precision Engineering
Vol． 13 No． 1 Jan． 2015
DOI 10. 13494 / j． npe． 20140059 孙一心，钟 莹，王向鸿，等． 电容式触觉传感器信号检测系统的设计［J］． 纳米技术与精密工程，2015，13（ 1） ： 28-33． Sun Yixin，Zhong Ying，Wang Xianghong，et al． Design of signal detection system of a capacitive tactile sensor array ［J］． Nanotechnology and Precision Engineering，2015，13（ 1） ： 28-33 （ in Chinese） ．
本文设计了一种电容式触觉传感器的信号检测系 统，采用 FPGA 为主控制器，以 ACAM 公司的高精度、 高采样速率的 PCap01 电容数字转换芯片为核心，配 合高性能的模拟多路开关检测触觉传感器的电容输出 信号，通过 USB 发送给上位机后可视化地将触觉信息 显示出来． 实验证明，提出的信号检测系统可以将触觉 传感器的电容值检测出来，稳定性满足设计要求，根据 测量结果可获取触觉传感器表面的受力情况．
距离．
式（ 1） 中的各项系数取值取决于所采用的近似方
系中的坐标．
板间距的总形变量为
L = Δd + w
（ 3）
式中 Δd 为中间间隔层的形变量．
可以求出单个触元的电容为
∫ ∫a
C=
a ε0 εr dxdy
－ a － a d0 － L
（ 4）
式中： C 为触元的电容值； ε0 和 εr 分别为相对介电常数和
真空介电常数； d0 为上电极层与下电极层之间的初始
信息．
关键词： 触觉传感器； PCap01； 阵列触觉； 信号检测系统
中图分类号： TH212． 1
文献标志码： A
文章编号： 1672-6030（ 2015） 01-0028-06
Design of Signal Detection System of Capacitive Tactile Sensor Array
板边长的一半； υ 为上电极层的泊松比； h 为上电极层
的厚度； w0为上电极层形变的最大挠度． 由于上电极层 由多层薄膜构成，其弹性模量和泊松比为多层薄膜的
综合值．
上电极层形变的挠度函数为
( ) ( ) w = w0 cos2
πx 2a
cos2
πy 2a
（ 2）
式中： w 为上电极层某点的挠度； x 和 y 为某点在坐标
图 2 传感器原理示意 Fig． 2 Principle of the designed sensor array
值的变化量就可以推算出触元处压力的大小． 将 64 个 触元的电容值按照一定规律分别检测出来，就可以得 知触觉传感器表面的受力情况．
上电极层和下电极层中的条状电极在 FPCB 中通 过连线引入到传感器的同一端，然后通过柔缆座分别 引入到检测电路中，这样设计可以将传感器的敏感部 分和信号检测系统分隔开，模块化的设计充分保证了 传感器的柔顺性和实用性． 加工完成的电容式触觉传 感器如图 3 所示．
Abstract： The resolution，stability，and signal noise ratio （ SNＲ） of the capacitive tactile sensor array are influenced by the corresponding signal detection system． The signal detection system of a capacitive tactile sensor array is designed based on the commercial capacitance digital convertor （ CDC） named PCap01． The system proposed is mainly composed of a field-programmable gate array （ FPGA ） ，a PCap01 and 6 multiplexers． After switching the row and column multiplexers sequentially by FPGA，the capacitance of each element of the tactile sensor is measured by PCap01． After all elements of the tactile sensor array are measured，FPGA transmits the data to host computer by frame． The result is displayed in 3D bar graph and surface graph in the host computer dynamically． The sampling frequency is up to 15 frames / s． Experiments show that the force distribution is obtained by the capacitive tactile sensor array and that the signal detection system meets the need of the tactile sensor． Keywords： tactile sensor array； PCap01； tactile array； signal detection system
收稿日期： 2014-11-27． 作者简介： 孙一心（ 1990— ） ，男，硕士生． 通讯作者： 钟 莹，副教授，yzhong@ tju． edu． cn．
2015 年 1 月
孙一心等： 电容式触觉传感器信号检测系统的设计
·29·
触觉 传 感 器 的 信 号 检 测 方 法 做 了 大 量 研 究． Cheng 等［6-7］使用正弦激励和峰值检波的方法检测电容式触 觉传感器的信号，采样速率可以达到 15 帧 / 秒，但是整 个电路全部由分立元件构成，体积较大． Lee 等［8］、Sergio 等［9］、Surapaneni 等［10］采用专门设计的芯片进行电 容式触觉传感器的信号检测，实验证明这种方案采样 速率快、精度较高、易于实现传感器的小型化，但是生 产成本较高且不具有良好的可拓展性． Boie［11］提出了 一种利用相敏解调原理检测电容式触觉传感器信号的 方法，分析了电路的噪声和杂散电容的来源，并通过实 验采集了触觉传感器的压力图像． Peng 等［12-13］利用商 业电容转换芯片 AD7147 和 AD7746 设计了电容式触 觉传感器的信号检测电路，但是由于这两种芯片的电 容转换速率较低，分别为 1. 5 kHz 和 200 Hz，使得触觉 传感器动态范围较窄．
传感器原理如图 2 所示，当触点受到外界的压力 发生变化时，上电极层触点所在的位置受力弯曲情况 不同，导致上电极层电极和下电极层电极之间的距离 改变，从而触元的电容值发生变化，通过检测触元电容
图 1 传感器结构示意 Fig． 1 Structure of the designed sensor array
触觉可以获得物体表面的一些几何特征和物理特 性，包括硬度、形貌、粗糙度、弹性、材质等． 随着仿生学 的发展，触觉传感器在机器人仿生、医疗器械、体育训 练、人体工程学等领域获得了广泛的应用［1-5］． 触觉传 感器主要有电容式、电阻式、压电式、光纤式等多种形
式，其中电容式触觉传感器因为温漂小、灵敏度高等优 点，一直是这一领域的研究热点． 从实用性角度出发， 触觉传感器应具有分辨力高、量程大、稳定性好、噪声 小等优点，除了传感器本身的材料和结构，信号检测系 统也是传感器性能的重要保证． 国内外学者对电容式
电容式触觉传感器信号检测系统的设计
孙一心，钟 莹，王向鸿，李醒飞
（ 精密测试技术及仪器国家重点实验室（ 天津大学） ，天津 300072）
摘 要： 信号检测系统对电容式触觉传感器的分辨力、稳定性和信噪比都有重要影响． 设计了一种基于 PCap01 电
容数字转换芯片的电容式触觉传感器的信号检测系统，采用 FPGA 控制多路开关选通电容式触觉传感器的触觉单
1 传感器结构设计及理论分析
1. 1 传感器结构设计 本文所设计的电容式触觉传感器结构如图 1 所
示． 本传感器采用三明治结构，主要由 4 个部分构成： 上电极层、下电极层、中间间隔层和触点层． 上电极层 和下电极层由柔性电路板（ FPCB） 工艺加工而成，每层 中各嵌入了 8 个条形电极． 上电极层和下电极层的电 极正交排布，在其交点处共形成了 64 个电容，每个电 容就是一个触觉单元，简称为触元． 中间间隔层由硅胶 板镂空制成，镂空的地方正对着触元所在的位置，通过 这种设计可以增大上层电极的形变量，增大传感器的 灵敏度． 最上层是触点层，由一个个硅胶制成的圆盘制 成，每个触点贴于上层电极层的触元位置的正上方． 触 点不仅可以让外界施加的力恰好施加在触元上，增大 传感器的灵敏度，而且可以保护上电极层不被外界尖 锐的物体划伤，提高了传感器的耐用性．
Fig． 4
图 4 传感器单个触元的坐标系 Coordinate system of single tactile element of the sensor array
中都存在较大的寄生电容，所以上述方法只能求得单 个触元电容的近似解．
2 信号检测系统的设计
2. 1 阵列触元的等效模型 图 5 所示为本文所用的电容式触觉传感器的等效
Sun Yixin，Zhong Ying，Wang Xianghong，Li Xingfei
（ State Key Laboratory of Precision Measuring Technology and Instruments （ Tianjin University） ，Tianjin 300072，China）
元并进行阵列式扫描，通过 SPI 通信读取 PCap01 的测量结果后通过 USB 通信将数据传输给上位机，在上位机中以
三维柱状图和曲面图动态显示电容式触觉传感器表面的受力情况，系统的采样速率可达 15 帧 / 秒． 实验结果表明，
设计的信号检测系统可以满足电容式触觉传感器的需求，通过采集的数据可以获取电容式触觉传感器表面的受力