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3.2条。力传感器的选择
传感器种类繁多，各有优缺点。仪表
然而，雪橇有特殊要求，必须满足第2章中的规定。标准
S、 1a说明传感器需要足够大，以覆盖施加力的区域，即该区域
被选为5英镑5厘米。标准S.1f要求传感器不会妨碍运动员正常状态
行为。事实上，传感器不需要像运动员那样阻碍传感器
可能，在选择传感器时限制选项。这意味着机械负荷传感器不可行
选择，因为他们是庞大的，不能在平面尺寸，是必要的。应变计需要
某种杠杆结构来知道是什么力量作用在他们身上。电容式传感器是敏感的
价格很难被发现，因为这是一个很难理解的限制
要求G.14。这些限制条件决定了压敏薄膜的选择。这些传感器是
现成的，经济的，经其他骨骼研究证明有效的[1]，其尺寸为
需要（扁平和5 x 5厘米），具有所需的范围，并且易于读取。所以有两种
购买压敏膜。Interlink Electronics Force Sensing Resistor®型号FSR 406和
Tekscan公司的Flexiforce传感器型号A502。为了比较哪个更适合我们
应用程序。图3.1显示了两个传感器。
9
10 3。力传感器
图3.1:Tekscan生产的Flexiforce A502（左）和Interlink Electronics FSR®406（右）
3.2.1条。压敏薄膜
压敏薄膜的工作原理是电导。根据现代传感器手册
[11] 压敏膜的工作原理可以解释如下。一部典型的电影由五部组成
层。在两个导电层（电极）之间和底部捕获的压敏层
上面有一层保护层。压敏层由压阻油墨和预定义的
厚度为10到40¹m的图案。压阻油墨内部有两种氧化物，一种
它是导电的，也是绝缘的。当力作用于传感器时，它会导致导电
粒子接触并形成导电路径。除此之外，当
墨水彼此非常接近，大约在1nm，电子跳跃出现在10nm处。这个
工作原理如图3.2所示。导电路径、隧道效应和电子
跳变使传感器基本上充当一个电阻，其电导与
施加在胶片上的力。这就产生了一个电阻在兆欧量级的传感器
当未压缩时。当向传感器施加力时，电阻下降。
图3.2：薄膜传感器的工作原理[11]
当涉及到压敏膜时，我们可以进一步区分直通模式和分流模式
传感器。它们都使用上述原理工作，但是传感器的结构可能会发生偏差
从上述结构。直通模式传感器与上述几乎相同
传感器，但是存在两个墨水层，通过粘合剂层连接在一起[12][13]。Flexiforce A502
使用这种传感器结构。该结构如图3.3a所示。
并联模式传感器由一个上表面和一层空气组成，该表面上有一个叉指电极，面朝下
以及带有导电油墨的底部基板。当外力作用于传感器时，上表面
在底部基板上变形。这会导致两个叉指电极传导更多
从一个电极到另一个电极[12]。在FSR的设计中引入了并联模式的原理
406通过Interlink electronics和这一原理可以在图3.3b中看到。两种技术都可以看到
包含在图3.1中的传感器中。
3.2条。力传感器的选择11
（a） 透模压敏膜的工作原理
Tekscan的Flexiforce A502©（b）分流模式压敏膜原理
图3.3：胶片传感器
3.2.2条。特征化
介绍了Interlink Electronics FSR®406和Tekscan的Flexiforce A502，测量
可以这样做，以确定传感器的特性，并选择两个传感器中哪一个最好
适用于仪表雪橇。所进行的测量使用重量板
对传感器施加压力。测量是通过将传感器的重量增加到250来完成的
克至11公斤。在每一个质量下，用万用表测量传感器的电阻。在图3.4a中
在重量的作用下在图3.4a中
施加的重量可以看出是针对阻力而定的，此图显示了阻力的对数标度。
这些线表示使用95%测量电阻范围的点。从数字来看，一个陡峭的
前0-1500克的抗性下降。如果力可以通过测定
阻力-弹性力是动态范围最大的阻力。然而，如第3.2.1节所述，
电导是与力成线性关系的量。在图3.4b中
两个传感器都可以根据施加的重量绘制。
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000
重量[g]
102
103
104
阻力[]
互连电子FSR
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000
重量[g]
105
106
阻力[]
泰克斯弹性力
（一）
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000
重量[g]
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
电导互连电子学
10-2号
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
电导Tekscan挠曲力[S]
互连电子FSR和Tekscan Flexiforce 10-5的电导
互连电子FSR
泰克斯弹性力
（二）
图3.4：电阻（a）和电导（b）作为互连电子设备FSR®和Tekscan施加重量的函数
弹性力
从这张图可以看出，弯曲力的传导率与施加的
力大于Interlink Electronics FSR®。因此，选择弹性力作为力传感器
被利用。
12 3。力传感器
3.3条。读出电路
如图所示，力敏电阻器的电阻不随外加力的变化而线性变化
然而，在图3.4a中，力敏电阻器的电导，见图3.4b
需要一个力传感器的输出，一个读出电路。该读出电路必须与输入相关联
输出电压的电阻或电导，最好与所施加的力成线性关系。在
取决于使用微处理器的传感器电阻的传递函数的情况
使用的传递函数将电路的输出电压转换为传感器的电阻
读出电路。反过来，电阻可以转换成电导，从而得到一个线性的值
与作用力相关。如果传递函数依赖于
传感器，测量的输出电压已经与施加的力成线性关系。
3.3.1条。电流电压转换器
Interlink Electronics Force Sensing Resistor®[14]的集成指南建议使用各种读出电路，
其中三个是电流电压转换器。因为使用这些电路会产生一个输出
电压取决于传感器的电导，因此与施加的
力，其中一个电路在系统中使用。所用电路见图3.5。范围
输出电压由反馈电阻调节。为了最佳地使用0到3 V的电压范围
对于重量范围至少为0至15 kg的情况，如要求S.1c所述，在
室温选择为33.05 k。
图3.6显示了施加的重量与使用该电路测量的输出电压的关系图。这个
该电路中使用的运算放大器是MCP6024，包含4个轨对轨单电源运算放大器[15]。
MCP6024比MCP6021的选择是它的小尺寸，其中MCP6021有
8引脚，仅包含一个运算放大器，MCP6024有14个引脚，同时包含4个运算放大器。MCP6024系列
之所以被选中，是因为它是一个经济实惠的轨对轨运算放大器与DIP技术。a的选择
轨对轨放大器，这是一个放大器，能够产生一个非常接近的输出电压
第3.3.2节将进一步解释电源电压。选择DIP技术是因为它
简单的原型制作。
接收
5伏
¡
Å
射频反馈
3伏
外面的
3.3伏
图3.5：电流电压读出电路示意图
电流-电压电路的传递函数为：
最大输出量（（Vr ef vn）、射频反馈、GxÅVr ef，0）（3.1）
其中Gx是传感器的电导。
事实上，输出电压不能低于0伏是因为选择了一个单电源运算放大器
MCP6024-I/P。从3.1可以看出，该读出电路取决于传感器的电导，
假设是线性的，如前所述。
3.3条。读出电路13
图3.6显示了读出电路的输出电压与施加重量的关系图。从中可以看出
图中，可以假设输出电压与作用力成线性关系。
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000
重量[g]
0
0.5
1
1.5
2
2.5
三
电压[V]
Tekscan Flexifo公司Tekscan Flexiforce电流电压电路
图3.6：不同施力值下读出电路的输出电压。R2Æ0.999
3.3.2条。负载独立、过电压保护和噪声过滤
在系统中，图3.5所示的读出电路后面是一个电压跟随器。这个电压
跟随器就位有两个原因，第一个原因是确保电流输出到电压
转换器与负载无关。没有这个电压跟随器，读出电路的输出电压
取决于模数转换器的输入负载。
有电压跟随器的第二个原因是允许的最大输入电压
模数转换器，等于其电源电压？0.6 V[16]，在这种情况下，电源电压为
3.3V，由于电流-电压转换器的输出，最大输入电压为3.9V
通过反馈电阻和传感器连接到5 V电源，需要电压跟随器
确保机箱内的模数转换器没有高于3.9 V的最高电压
电路中某个地方短路。
电压跟随器采用单电源轨对轨运算放大器，即MCP6024-I/P
运算放大器的选择，使该运算放大器的电源电压可以选择非常接近选择的3V
为电路的最大输出电压。电源电压选择为3.3V，这是额外的
部分过电压保护为模数转换器，它确保最大
如果在
运算放大器的输出及其电源。读出电路，包括电压跟随器，如图所示
3.7条。
14 3。力传感器
最初，电路是在没有电容器的情况下测试的。连接电路输出时
在示波器上发现输出端存在大量高频噪声
信号。为了滤除这种噪声，电容器与反馈电阻并联以产生
有源低通滤波器。滤波器的截止频率由方程式3.2给出，并带有射频反馈Æ33.05
k和Cf eedbackÆ47 nF截止频率为102.46 Hz。
fcÆ
1
2¼¢射频反馈¢Cf反馈
（3.2）
接收
5伏
¡
Å
射频反馈
Cf反馈
3伏
3.3伏
¡
Å
至ADC
3.3伏
图3.7：带电压跟随器的电流-电压读出电路示意图
3.3.3条。温度独立性
由于该系统将在主跑道下降期间使用，因此它应与温度无关，如
如要求S.1g所述。系统中使用的所有部件的最低工作温度为
-但是，电路中使用的反馈电阻器的电阻以及传感器本身的电阻为
取决于温度。也就是说，不知道温度对电阻有多大的影响
特别是因为运动员身体的热量也会影响到这一点。在这一点上我们需要
没有办法检查这个。
为了测量力传感器的温度依赖性，将其与
读取电路，当温度达到-18°C时，传感器和电路被取下
从冰箱里出来，接上必要的电源和测量设备。然而，
由于传感器非常薄，读出电路中的元件也相当小，因此它们的温度
在进行有效测量之前，会上升到接近室温的温度
制造的。
为了使系统完全独立于温度，应针对每种温度对其进行特性描述，
将每个输出电压映射到相应的作用力，然后在测量力时
电流温度必须发送到微处理器以确保输出的正确映射
使用电压与作用力之比。为了尽可能有效地使用电压范围，数字电位计
应用于调整给定温度范围。现在，映射
电压对力和电压范围根据室温校准。
3.4条。模数转换器15
3.4条。模数转换器
为了使微处理器能够读取读出电路的输出电压，模拟
需要数字转换器或ADC。系统中使用的ESP32是在Adafruit上实现的
HUZZAH32羽毛板，将16个可用ADC端口[17]中的12个连接到输入引脚[18]。
当描述ESP32的ADC特性时，发现输出非常不稳定，如图3.8所示
ADC的一个通道的输出和它的输入电压的曲线图，每个ADC通道都显示了这种行为。
从图中可以看出 |
