對(duì)老式力敏電阻(FSR)測(cè)試方法的反思

如果您使用過(guò)觸覺(jué)傳感器或力敏電阻(fsr)，則可能遇到過(guò)自重方法-在傳感器上放置靜態(tài)重物并使用萬(wàn)用表或Arduino記錄電阻讀數(shù)。乍一看，這似乎是合乎邏輯的：重量施加力，而力應(yīng)該與阻力相關(guān)。

但在現(xiàn)實(shí)中呢?這種方法存在嚴(yán)重缺陷。

傳統(tǒng)觸覺(jué)傳感器和力傳感器測(cè)試存在的問(wèn)題

除了力之外，觸覺(jué)傳感器或FSR的性能還受到多種因素的影響。時(shí)間，接觸面積，材料剛度和重量放置都會(huì)導(dǎo)致不一致，使簡(jiǎn)單的電阻讀數(shù)不可靠。

Interlink Electronics是一家主要的觸覺(jué)傳感器和FSR制造商，對(duì)這個(gè)問(wèn)題提出了警告：

“FSR響應(yīng)對(duì)施加力的分布非常敏感。一般來(lái)說(shuō)，這就排除了使用定重來(lái)進(jìn)行表征的可能性，因?yàn)橹亓糠植嫉木_復(fù)制很少能夠在循環(huán)之間重復(fù)。”

這在實(shí)踐中意味著什么?如果您多次重復(fù)相同的測(cè)試，您的讀數(shù)仍然會(huì)有很大的差異——僅僅是由于施加的力的微小差異。

影響FSR測(cè)量的關(guān)鍵因素

通過(guò)測(cè)試，我們發(fā)現(xiàn)了三個(gè)主要問(wèn)題：

1. 時(shí)間依賴性-阻力隨時(shí)間變化

fsr不能產(chǎn)生瞬時(shí)、穩(wěn)定的電阻值。相反，它們表現(xiàn)出蠕變，在恒定的力下阻力緩慢下降。以下是一個(gè)示例數(shù)據(jù)集，其中100g重量放在Interlink FSR 406上：

距離放置時(shí)間(s)阻力(kΩ)

5 7.81

十7.54

30 7.03

60 6.82

在60秒內(nèi)，阻力下降了12%——施加的力沒(méi)有任何變化!

2. 重量定位-小的動(dòng)作導(dǎo)致大的擺動(dòng)

在FSR上的重量位置的微小變化可能導(dǎo)致讀數(shù)的變化高達(dá)27%。這種不一致使得幾乎不可能準(zhǔn)確地比較傳感器，除非嚴(yán)格控制位置。

3. 接觸形狀和面積-不僅僅是重量問(wèn)題

如果你用鋒利的物體和平坦的表面把重物壓在FSR上，你會(huì)看到截然不同的讀數(shù)——即使施加的總力是相同的。

這是因?yàn)閒sr測(cè)量的是壓力(單位面積的力)，而不僅僅是力。

例如:

?一個(gè)100g的重物在1cm2上施加的壓力是在2cm2上施加的壓力的兩倍。

?即使是重量接觸表面的微小紋理差異也會(huì)導(dǎo)致變化。

我們將一枚10美分硬幣和一枚直徑相同的縫紉紐扣放在重物下進(jìn)行測(cè)試——由于它們的重量分布不同，它們的讀數(shù)也不同!

看看相同重量的不同位置如何改變傳感器上的力讀數(shù)

一個(gè)新的，更可靠的FSR或觸覺(jué)傳感器測(cè)試方法使用Arduino

1. 用硅膠墊片標(biāo)準(zhǔn)化接觸面積

為了消除力分布不一致，我們引入了軟硅膠墊片：材料：Shore 60A硅膠;尺寸：0.5“直徑，1/8”厚;用途：確保力均勻分布在傳感器上

隨著隔離器的到位，電阻讀數(shù)變得更加穩(wěn)定。

2. 通過(guò)使用Arduino捕獲隨時(shí)間變化的電阻而不是單個(gè)值

而不是采取單一的電阻快照，我們繪制電阻隨著時(shí)間的推移使用Arduino來(lái)解釋fsr的時(shí)間依賴性行為。

我們還設(shè)置了一個(gè)自動(dòng)的時(shí)間窗口來(lái)提取一個(gè)穩(wěn)定的讀數(shù)。捕捉阻力的最佳時(shí)機(jī)似乎是：

?在電阻變化平緩后1000-2000ms之間

?當(dāng)曲線的斜率降到1以下時(shí)

這確保了跨測(cè)試的可重復(fù)、可比較的結(jié)果。

3. 利用Arduino UNO實(shí)現(xiàn)電阻測(cè)量自動(dòng)化

我們使用Arduino UNO構(gòu)建了一個(gè)定制的測(cè)試平臺(tái)：?使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)測(cè)量FSR電阻?記錄電阻數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化?應(yīng)用校準(zhǔn)將ADC讀數(shù)轉(zhuǎn)換為實(shí)際阻抗

關(guān)鍵挑戰(zhàn)：ADC讀數(shù)與電阻不是線性正比的

由于FSR和1kΩ下拉電阻形成分壓器，ADC讀數(shù)與實(shí)際電阻并不完全相關(guān)。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們使用已知的電阻進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)試，并插值adc -阻抗關(guān)系。以下是我們校準(zhǔn)表的一個(gè)片段：

已知電阻(Ω) ADC讀數(shù)

218, 000 1

99, 100 7

32, 800 27

9, 560 90

1, 990 340

995 512

497 683

12 910

利用這些數(shù)據(jù)，我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)自定義插值函數(shù)來(lái)準(zhǔn)確地將ADC讀數(shù)映射到電阻值。

結(jié)果：一種可重復(fù)和穩(wěn)健的觸覺(jué)傳感器/ FSR測(cè)試方法

通過(guò)集成硅膠墊片、時(shí)間相關(guān)測(cè)量和基于arduino的自動(dòng)化，我們創(chuàng)建了一種測(cè)試方法：?減少力分布不一致;考慮阻力隨時(shí)間的蠕變;提供可重復(fù)的、可比較的測(cè)量

下一個(gè)步驟

?微調(diào)校準(zhǔn)：需要進(jìn)一步的測(cè)試來(lái)完善adc -電阻方程

?擴(kuò)展測(cè)試設(shè)置：自動(dòng)化多重量和多傳感器測(cè)試

?提高傳感器的可重復(fù)性：調(diào)查環(huán)境因素(如溫度、濕度)

最終的想法

如果你正在使用觸覺(jué)傳感器或fsr，你必須超越簡(jiǎn)單的重量和萬(wàn)用表方法。通過(guò)使用Arduino實(shí)現(xiàn)受控測(cè)試設(shè)置，您可以提取有用的，可重復(fù)的數(shù)據(jù)并做出明智的工程決策。

本文編譯自hackster.io