适用于低噪声和可校准电路板的机器人传感器PCB组件

机器人传感器PCB组件将物理现实转换为机器人可信赖的电信号。它们读取惯性测量单元（IMU）、编码器、力矩传感器、电流传感器、位置传感器、温度传感器以及特定应用测量设备的数据，然后对这些测量数据进行处理、数字化、校准，并将其传输至控制系统。由于传感器信息驱动着机器人的运动、安全、导航和诊断，因此这些电路板上的微小错误都可能导致机器人层面的故障。

本指南着重介绍传感器PCB这一行业类别，而不仅仅是将其视为一种制造服务。它阐述了传感器前端与普通数字电路板的区别，哪些信号调理方案至关重要，为什么校准和可追溯性是生产过程中必不可少的环节，以及工程师在发布用于制造和组装的传感器PCB文件之前应该检查哪些内容。

机器人传感器PCB的实际作用

在机器人系统中的作用

机器人传感器PCB板负责处理和数字化来自机器人传感器组件（包括惯性测量单元 (IMU)、编码器、力传感器、电流传感器、位置传感器和专用测量设备）的模拟信号。传感器前端对噪声、分辨率、动态范围和校准等方面有特定的工程要求。机器人传感器板的独特之处在于：

• 低噪声模拟： 传感器信号通常在微伏到毫伏范围内。放大、滤波和模数转换器（ADC）的选择都需根据噪声预算进行调整。
• 多渠道整合： 一块传感器板通常同时读取多个通道的数据。通道间隔离和一致的通道校准至关重要。
• 传感器特定调节： 应变计需要电桥信号调理；热电偶需要冷端补偿；编码器需要线路接收器。每种传感器都有其自身的前端接口。
• 环境适应性： 传感器通常在机器人其他部分会避免的极端环境下工作。温度范围、机械振动和屏蔽措施的尺寸都需根据传感器所在位置进行调整。
• 校准： 通常在生产过程中采集的单机校准数据。用于校正传感器差异，并保持各机之间的精度。

控制设计风险

传感器板的可靠性会影响机器人整个使用寿命期间下游信号处理的质量。存在漂移的传感器板会产生缓慢变化的测量结果，这种变化可能无法被检测到；存在间歇性噪声的传感器板产生的测量结果平均而言是正确的，但偶尔会出现错误。这两种故障模式都会降低机器人的性能，而且这种性能下降难以在软件栈的更高层级进行补偿。

传感器在机器人机械结构上的放置位置，不仅限制了传感器的电气要求，也限制了传感器板的物理要求。位于机械臂深处的传感器需要紧凑的传感器板；暴露在外的传感器则需要环境防护。将传感器板设计与机械位置相匹配的程序能够生成集成系统；而将传感器板设计单独处理的程序，有时会在集成过程中发现机械方面的限制。

在系统层面，电路板的设计应基于功能、环境、使用寿命和测试覆盖率，而不仅仅是原理图。这可以避免常见的错误，即设计出技术上正确但难以装配、难以维护或安装到机器人后不够坚固的PCB。

传感器类型及其前端要求

传感器类型及其前端要求的选择标准

传感器类型决定了前端设计。主要传感器类别及其信号调理要求如下：

• IMU： 数字式 6 自由度或 9 自由度传感器，集成 ADC。接口通常为 SPI 或 I²C。位置和机械安装方式会影响测量质量。
• 编码器： 用于差分信号的线路接收器；单端接收器适用于要求不高的应用。用于高分辨率模拟编码器的插值电子器件。
• 力和力矩： 用于应变片传感器的桥式整流器。仪表放大器加模数转换器，带标量校准功能。
• 电流检测： 并联仪表放大器或带隔离功能的霍尔效应传感器。带宽和精度因应用而异。
• 位置传感： 线性或旋转电位器、磁性角度传感器或LVDT（线性可变差动变压器）。每种传感器都需要特定的信号调理。
• 温度传感： 可选择带冷端的热电偶、带激励的热电阻或数字温度传感器。具体选择取决于精度和量程要求。

传感器类型及其前端要求如何影响成本和可靠性

传感器的选择还取决于机器人软件实际能够使用哪些传感器。如果高分辨率编码器的处理能力超过控制回路的处理能力，就会造成性能浪费；同样，如果低噪声惯性测量单元（IMU）的精度超过状态估计器的能力范围，也会造成成本浪费。使传感器的性能与软件的性能相匹配，可以实现高效的设计；过度配置传感器只会浪费资源。

传感器技术不断发展。新型MEMS惯性测量单元（IMU）在成本相近的情况下，噪声性能更佳；新型磁编码器在成本更低的情况下，分辨率也高于光学编码器。定期审查传感器技术的项目会识别出可用于新设计的成本或性能改进；而那些在不同产品代际中重复使用旧传感器的项目，有时会滞后于当前的技术发展。

实际操作中，应选择满足信号、安全、散热和机械性能要求的最简单的结构。规格过高会增加成本，而规格过低则会导致测试或现场部署期间需要返工。

在模拟前端冻结之前，Highleap 会将传感板与现场总线接口设计以及更广泛的机器人电子架构进行比较，因此接地、屏蔽和回流路径不会孤立地进行审查。

信号调理：放大、滤波、隔离

信号调理的关键设计选择

信号调理技术是区分设计精良的传感器板和普通传感器板的关键所在。主要技术包括：

• 仪表放大器： 高输入阻抗和共模抑制比，适用于差分信号。是桥式和分流式传感的标准配置。
• 抗锯齿过滤： 在模数转换器 (ADC) 之前，需要滤除高于奈奎斯特频率的信号。截止频率的选择取决于具体应用。
• 参考稳定性： ADC基准电压稳定性直接影响测量精度。适用于高要求应用的低温介电常数基准电压源。
• 屏蔽： 使用屏蔽电缆和屏蔽线路，可以避免噪声拾取降低测量质量。
• 接地： 干净的模拟地与数字地和电源地完全隔离。采用星形或分离式接地拓扑结构以防止噪声耦合。
• 隔离： 某些传感器应用需要与机器人电源进行电气隔离。根据具体要求，可采用光学、磁性或电容隔离。

制造和可靠性方面的考虑

传感器板上的隔离可以防止滤波无法完全解决的多种噪声问题。将传感器前端与机器人数字电源进行电气隔离，可以抑制原本会通过共模路径耦合的噪声。虽然隔离会增加每个通道的成本，但通常会通过简化滤波和提高测量质量来弥补成本。

传感器板上的接地架构需要特别关注，而不仅仅是遵循一般的布局指南。模拟地、数字地、机箱地和屏蔽地各有不同的用途，它们的互连策略直接影响测量质量。在原理图和布局阶段精心设计接地的程序可以获得清晰的测量结果；而依赖通用布线的程序则经常会受到接地电流噪声的影响。

ADC选择：Sigma-Delta、SAR、流水线、集成式

ADC选择标准

ADC的选择决定了传感器测量链的分辨率和速度。主要的ADC类型有：

• 西格玛-德尔塔： 中等采样率下的高分辨率（16-24 位）。精密传感器应用的标准配置。
• SAR： 中等分辨率（12-16 位），采样率较高。适用于一般传感器应用。
• 管道： 高采样率，中等分辨率。适用于对带宽要求较高的场合。
• 集成： 对缓慢变化的信号具有很高的精度。常用于计量应用。
• 集成： ADC与传感器集成在同一芯片上（惯性测量单元和某些电流传感器通常采用这种方式）。这简化了设计和布线。

ADC选择如何影响成本和可靠性

设计阶段选择模数转换器 (ADC) 时，还需考虑数据速率和通信开销。一个 24 位 Σ-Δ 型 ADC 每次采样产生 24 位数据，这些数据必须传输到处理器；在高采样率下，通信带宽至关重要。选择与实际带宽需求（而非规格最大值）相匹配的 ADC，可以节省带宽用于其他数据流。

ADC输入保护有时会限制可用动态范围。输入保护电阻会增加偏移和噪声，从而降低可达到的测量精度。精心设计保护方案（使保护措施与可能出现的故障情况相匹配，而不是针对最坏情况的滥用情况）的程序，既能保证测量质量，又能提供足够的保护。

通信方式：SPI、I²C、CAN、RS-485、以太网、EtherCAT

界面和布局要求

传感器数字化数据通过通信传回主控制器。接口的选择取决于数据速率、距离和噪声环境。主要选项包括：

• SPI： 机载传感器通信。快速简便；仅限短距离通信。
• I²C： 板载多传感器通信。速度比SPI慢，但支持多设备通信。
• 能够： 通过电缆进行稳定可靠的通信。抗干扰能力强；数据传输速率适中。
• RS-485 或 RS-422： 通过电缆进行差分串行传输。抗噪性能良好；足以满足中等数据传输速率的需求。
• 以太网： 为高要求传感器应用提供高带宽。是视觉和高数据速率传感领域的标准配置。
• 以太网： 用于协同多传感器应用的确定性以太网。

电磁兼容性、时序和测试注意事项

传感器板上的通信接口选择也会影响电缆设计和连接器的选择。短距离板间通信的SPI接口通常使用简单的扁平电缆；而工业应用中，长距离的CAN接口则通常使用屏蔽双绞线。接口的选择会直接影响整个系统的设计和成本。

在安全关键型传感器板上采用冗余通信路径，可在单点故障时保持测量可用性。配备主 CAN 总线和备用模拟输出的传感器，即使主接口发生故障，也能继续工作。与安全关键型应用中可靠性的提升相比，额外的成本微不足道。

对于生产发布而言，传感器校准还取决于工厂的电路板级测试流程，尤其是在机器视觉子系统或安全控制器使用传感器数据时。

单位校准和可追溯性

单位校准和可追溯性的关键设计选择

在精密传感器板上，生产过程中进行单件校准是标准流程。校准可以捕捉制造公差造成的单件偏差，并将校正系数存储在非易失性存储器中。主要的校准步骤包括：

• 参考测量值： 在已知输入条件下进行传感器检测。施加参考传感器或参考物理输入。
• 系数计算： 根据测量结果计算偏移量、增益、线性度以及有时的温度系数。
• 存储： 存储在传感器板本身的 EEPROM、闪存或存储器中的系数。
• 验证： 校准后测量结果确认校正后的输出符合规格。
• 可追溯性： 与序列号和所用参考序列号关联的单台校准数据。

制造和可靠性方面的考虑

校准程序的设计会影响精度和生产效率。需要长时间稳定或复杂参考设置的校准程序会降低生产速度；而使用简单稳定的参考的程序则能快速完成。将校准程序与传感器板本身的设计同步进行的程序，能够生产出高效的传感器系统；而将校准视为独立环节的程序，有时会在量产爬坡阶段发现校准瓶颈。

校准数据存储架构对生产和服务都产生影响。存储在传感器板本身的EEPROM中的系数会随传感器板一起移动；而存储在主机控制器中的系数则会在控制器更换时丢失。将每个单元的校准数据存储在传感器板本身的程序可以在更换主机时保持校准数据；集中存储的程序虽然简化了传感器板的设计，但会使维护变得复杂。

有关相邻设计决策，请参阅机器人控制板 PCB 集成指南和机器人 PCB 组装和功能测试指南。

Highleap公司制造传感器PCB

生产前DFM审查

Highleap生产的传感器板符合模拟工艺要求，提供低噪声组装、校准支持和屏蔽封装。具体功能包括：

• 多层平面： 干净的模拟和数字接地层。传感器板通常有 4-8 层。
• 模拟组件： 放置和检查时需确保模拟信号完整性。必要时进行清洁以防止泄漏。
• 校准支持： 生产过程中需对每台设备进行校准。需要客户提供校准程序和参考标准。
• 使用传感器刺激进行测试： 使用参考传感器信号或模拟输入进行功能测试。
• 屏蔽组件： 板载屏蔽罩、屏蔽电缆和外壳级屏蔽罩，可满足最苛刻的应用需求。
• 文档： 支持传感器可追溯性的单件校准数据和测试记录。

测试、可追溯性和构建交接

Highleap的传感器板制造工艺遵循精密模拟电子器件所需的特定规范。例如，严格的装配清洁度可防止高阻抗输入端漏电，散热控制可确保敏感元件参数的稳定，以及能够及时发现并解决可能影响测量质量的问题的检测流程。

制造优质传感器板还需要对具体的传感器技术有足够的了解，以便在组装过程中保护它们。对机械应力敏感的MEMS传感器在贴装和回流焊过程中需要格外小心；对漏电敏感的MOSFET输入放大器需要严格的清洁控制；对热冲击敏感的精密参考元件需要可控的冷却方案。

机器人传感器PCB常见问题解答

什么是机器人传感器PCB组件？

机器人传感器PCB组件是一种用于处理、数字化、校准和传输来自机器人传感器的测量信号的电路板。它可以处理模拟输入（例如应变计和热电偶）、数字传感器（例如惯性测量单元IMU）或混合传感器通道。其目标是为控制、感知、安全和诊断提供稳定、低噪声、可重复的数据。

哪些传感器通常需要专用的传感器PCB？

专用电路板通常用于力矩传感器、精密编码器、电流传感器、远离主控制器的惯性测量单元 (IMU)、温度阵列、压力传感器和定制测量模块。当传感器位置、噪声预算、连接器布局、校准过程或环境条件与主控制板不同时，使用独立的传感器 PCB 就显得尤为重要。

如何降低机器人传感器PCB板上的噪声？

通过缩短模拟路径、正确接地、使用低噪声放大器、差分布线、滤波、屏蔽、使用纯净的参考电源以及与电机驱动开关路径进行物理隔离，可以降低噪声。具体方法取决于信号电平和带宽。微伏级桥式传感器所需的布局和滤波要求远比使用SPI的数字IMU严格。

为什么传感器板的单位校准很重要？

逐个单元的校准可以校正由传感器公差、模拟元件公差和装配差异引起的偏移、增益、非线性以及有时的温度漂移。如果没有校准，即使是采用相同设计制造的两个电路板也可能产生不同的读数。校准数据能够确保机器人控制器在不同单元和不同生产批次之间获得一致的测量结果。

哪种ADC类型最适合机器人传感器测量？

最佳模数转换器 (ADC) 的选择取决于速度、分辨率和噪声要求。Σ-Δ 型 ADC 适用于高分辨率、低带宽测量，例如力和温度测量。SAR 型 ADC 更适合快速控制回路测量。集成传感器 ADC 则适用于紧凑型数字传感器。ADC 的选择应根据实际测量带宽和精度预算来决定。

机器人传感器板上常见的通信接口有哪些？

常用接口包括用于本地数字传感器的 SPI 和 I²C，用于稳健分布式模块的 CAN 或 CAN FD，用于长距离电缆传输的 RS-485，以及用于高带宽或确定性传感器网络的以太网或 EtherCAT。接口的选择应与电缆长度、更新速率、电磁兼容性环境以及传感器数据是否安全关键等因素相匹配。

机器人传感器PCB在生产中应该如何测试？

生产测试应验证电源轨、通信、传感器通道连通性、模拟噪声水平、校准存储以及在条件允许的情况下对已知激励的功能响应。精密电路板应按序列号保存校准和测试记录。对于安全相关传感器，测试覆盖范围还应验证故障检测和已定义的故障行为。

制造校准传感器PCBA需要哪些文件？

完整的软件包通常包括 Gerber 文件或 ODB++ 文件、钻孔文件、叠层说明、包含已批准替代件的物料清单 (BOM)、取放数据、装配图、校准程序、测试限值、固件或编程说明以及连接器或夹具要求。校准参考值和可接受的公差限值应在首件生产前提供。

发送机器人传感器PCB文件以进行DFM和校准审核