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如何降低六維力傳感器中的信號(hào)噪聲

六軸力傳感器非常靈敏，能夠感應(yīng)力或扭矩的最小變化。然而，在大多數(shù)機(jī)器人系統(tǒng)中，噪聲是不可避免的，傳感器的讀數(shù)會(huì)受到噪聲干擾的破壞。噪音損壞對(duì)于應(yīng)用程序來說是不可接受的;特別是那些對(duì)安全至關(guān)重要的手術(shù)，如機(jī)器人輔助手術(shù)。

當(dāng)與機(jī)器人控制器一起在閉環(huán)中運(yùn)行時(shí)，損壞的信號(hào)是有害的。快速控制器在嘗試補(bǔ)償這些高頻信號(hào)時(shí)通常會(huì)做出非常激進(jìn)的反應(yīng)，并且整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)可能會(huì)變得不穩(wěn)定，從而可能導(dǎo)致材料損壞。

瑞士BOTA六軸力傳感器研發(fā)人員仔細(xì)研究了導(dǎo)致噪聲的原因，噪聲源以及如何減少因破壞力矩傳感器的讀數(shù)和機(jī)器人系統(tǒng)而產(chǎn)生的噪聲。

導(dǎo)致噪音的原因

電磁干擾 （EMI） 通常是信號(hào)中噪聲的原因。EMI損壞很常見，可能來自多個(gè)來源。附近的電動(dòng)機(jī)、電源或高頻通信可能是電噪聲的來源，會(huì)扭曲傳感器的信號(hào)。

 某些應(yīng)用不會(huì)冒著讀數(shù)或系統(tǒng)受到噪聲影響的風(fēng)險(xiǎn)。為了緩解這個(gè)問題，我們提出了以下解決方案來減少噪音干擾。

如何降低信號(hào)噪聲

  降低噪聲的第一步是識(shí)別源并將其與解決方案配對(duì)，通常是硬件或軟件修改。硬件修改被認(rèn)為是一種預(yù)防措施，通常是傳感器設(shè)計(jì)和系統(tǒng)設(shè)置（布線）的一部分，而軟件修改是響應(yīng)式的，并使用數(shù)字信號(hào)濾波技術(shù)。

布線

選擇專為測(cè)量信號(hào)的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的儀器電纜將有助于防止噪聲。這些電纜將由箔屏蔽、編織屏蔽或兩者的組合進(jìn)行 EMI 屏蔽。為系統(tǒng)選擇電纜將取決于操作環(huán)境、預(yù)算、靈活性要求和電纜強(qiáng)度。

除了EMI屏蔽電纜外，擁有適當(dāng)?shù)碾娎|長(zhǎng)度還可以減少系統(tǒng)中的干擾。就像天線一樣，天線越長(zhǎng)，信號(hào)就越強(qiáng)，因此從系統(tǒng)中消除額外的電纜長(zhǎng)度將降低整體EMI水平。

 最后，傳感器電纜在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的放置非常重要，高EMI輻射的電纜和對(duì)噪聲敏感的電纜不應(yīng)彼此相鄰放置。例如，電驅(qū)動(dòng)電源電纜（高EMI輻射）應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離非屏蔽USB電纜（EMI敏感）。

接地

 在需要特殊電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)并能有效衰減噪聲的應(yīng)用中，正確接地是一個(gè)重要因素。

模擬濾波器

 抗混疊和低通模擬電子濾波器可去除信號(hào)中的所有高頻分量，這些分量會(huì)因噪聲而損壞測(cè)量結(jié)果。這些濾波器必須放置在靠近模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入端的位置，以最大限度地提高其效果。

過采樣和濾波器

 通過硬件（電纜、接地和模擬濾波器）屏蔽和衰減噪聲幾乎是不可能的。因此，基于軟件的信號(hào)處理應(yīng)用程序用于模擬接近傳感器分辨率的清晰信號(hào)。

我司銷售的Bota Systems力矩傳感器可屏蔽噪聲源，并遵循工業(yè)環(huán)境的抗擾度標(biāo)準(zhǔn) （IEC 61000-6-2：2016）、住宅、商業(yè)和輕工業(yè)環(huán)境的排放標(biāo)準(zhǔn) （IEC 61000-6-3：2006 + A1：2010），我們的傳感器也不受 BURST 和 ESD 的影響。

BOTA六軸力傳感器的外殼充當(dāng)嵌入式電子設(shè)備的Faraday Cage，電壓信號(hào)設(shè)計(jì)為差分和比率公制。這樣，共模信號(hào)就會(huì)被高共模抑制比（CMMR）抑制。然后，信號(hào)通過模擬抗混疊和低通濾波器，它們位于ADC輸入之前，用于抑制信號(hào)中增加噪聲的其余高頻分量。除了通過傳感器的硬件降低噪聲外，我們還提供可通過我們的軟件界面訪問的易于調(diào)節(jié)的數(shù)字濾波。