1、傳感技術(shù)第六章6.1 前前 言言在機器感覺系統(tǒng)中，觸覺是僅次于視覺的重要知覺形式。在機器感覺系統(tǒng)中，觸覺是僅次于視覺的重要知覺形式。1.觸覺定義觸覺定義狹狹義觸覺是指傳感器與接觸對象接觸面上的力覺。義觸覺是指傳感器與接觸對象接觸面上的力覺。包括包括接觸覺、壓覺、滑動覺、接近覺、冷熱包括包括接觸覺、壓覺、滑動覺、接近覺、冷熱 覺和覺和力覺等與接觸有關(guān)的感覺。力覺等與接觸有關(guān)的感覺。 因此，現(xiàn)代觸覺傳感器正朝多傳感器集成、多傳感因此，現(xiàn)代觸覺傳感器正朝多傳感器集成、多傳感器信。器信。息融合的方向發(fā)展。息融合的方向發(fā)展。6.1 前前 言言2.觸覺傳感器分類觸覺傳感器分類按工作原理可分為應(yīng)變式觸覺傳感

2、器、壓阻式陣列觸覺傳按工作原理可分為應(yīng)變式觸覺傳感器、壓阻式陣列觸覺傳感器、壓電式觸覺傳感器感器、壓電式觸覺傳感器 、光學(xué)觸覺傳感器、微電子觸、光學(xué)觸覺傳感器、微電子觸覺傳感器及復(fù)合觸覺傳感器等。覺傳感器及復(fù)合觸覺傳感器等。6.2 典型觸覺傳感器典型觸覺傳感器6.2.1 PVDF觸覺傳感器觸覺傳感器6.2.1.1 PVDF材料材料PVDF 薄膜是一種壓電高聚物材料薄膜是一種壓電高聚物材料,它具有耐磨、量輕、靈敏度高、它具有耐磨、量輕、靈敏度高、阻抗低、容易固定在復(fù)雜的表面、價格便宜、頻帶寬等特點。其壓電阻抗低、容易固定在復(fù)雜的表面、價格便宜、頻帶寬等特點。其壓電性可由下式表性可由下式表3/1,

3、2,3jUdPhj其中其中:U (V ) 是兩表面間的電動勢是兩表面間的電動勢; P是作用到是作用到PVDF 薄膜薄膜的應(yīng)力的應(yīng)力; 為為PVDF 薄膜的介電常數(shù)薄膜的介電常數(shù); h為薄膜的厚度為薄膜的厚度, d3j為壓電常數(shù)。為壓電常數(shù)。d3j的下標(biāo)在的下標(biāo)在j= 3 的情況下表示厚度的方向的情況下表示厚度的方向, 在在j= 1, 2 的情況下表示垂直于厚度的方向。縱壓電效應(yīng)的情況下表示垂直于厚度的方向。縱壓電效應(yīng)用用d33表示表示, 橫壓電效應(yīng)用橫壓電效應(yīng)用d31和和d32表示。表示。6.2 典型觸覺傳感器典型觸覺傳感器觸覺傳感器觸覺傳感器6.2.1.2 PVDF觸覺傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理

4、觸覺傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理(1)傳感器結(jié)構(gòu)傳感器結(jié)構(gòu)6.2 典型觸覺傳感器典型觸覺傳感器觸覺傳感器觸覺傳感器觸覺傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理觸覺傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理(2)工作原理工作原理將四角錐體底面設(shè)計為正方形將四角錐體底面設(shè)計為正方形, 邊長為邊長為a, 錐體高為錐體高為a/2 , 很容易證明當(dāng)很容易證明當(dāng)從從O點向表面點向表面A 作垂線時作垂線時, 垂足必然為線段垂足必然為線段np的中點的中點(圖中圖中m、n 分別分別為正方形一組對邊的中點為正方形一組對邊的中點) , 從而得知從而得知FA 的方向必然如圖中所示。的方向必然如圖中所示。 cosFzFsinFhF6.2 典型觸覺傳感器典型觸覺傳

5、感器觸覺傳感器觸覺傳感器6.2.1.2 PVDF觸覺傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理觸覺傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理(2)工作原理工作原理mok平面內(nèi)受力平衡，有：平面內(nèi)受力平衡，有：arctan()ABCDFFFF2222()()ABCDFhFFFF系統(tǒng)系統(tǒng)Z方向受力平衡，有方向受力平衡，有22()zABCDFFFFF所以所以22()()arctan()ABCDABCDFFFFFFFF22FFhFzarctan()ABCDFFFF22()()arctan()ABCDABCDFFFFFFFF完全用完全用FA、FB、FC、FD對空間接觸里進行描述，實現(xiàn)了對空間接觸力對空間接觸里進行描述，實現(xiàn)了對空間接觸力大小方

6、向的感知。大小方向的感知。6.2 典型觸覺傳感器典型觸覺傳感器6.2.2.光波導(dǎo)觸覺傳感器光波導(dǎo)觸覺傳感器傳感器結(jié)構(gòu)傳感器結(jié)構(gòu) 該傳感系統(tǒng)用彈性物質(zhì)（硅橡膠）制成薄墊，在薄墊上方制作圓該傳感系統(tǒng)用彈性物質(zhì)（硅橡膠）制成薄墊，在薄墊上方制作圓柱觸頭陣列，每個圓柱形觸頭下排列柱觸頭陣列，每個圓柱形觸頭下排列22 個半圓球觸頭，形成一個半圓球觸頭，形成一個力敏感單元個力敏感單元 。 力敏單元底部置一波導(dǎo)板。力敏單元底部置一波導(dǎo)板。半圓球觸頭F圓柱觸頭硅橡膠墊反射光波導(dǎo)板泄漏光入射光6.2 典型觸覺傳感器典型觸覺傳感器6.2.2.光波導(dǎo)觸覺傳感器光波導(dǎo)觸覺傳感器工作原理工作原理未受到外力時，半圓球觸頭

7、不接觸波導(dǎo)體，波導(dǎo)板與兩側(cè)的空氣未受到外力時，半圓球觸頭不接觸波導(dǎo)體，波導(dǎo)板與兩側(cè)的空氣介質(zhì)構(gòu)成對稱波導(dǎo)介質(zhì)構(gòu)成對稱波導(dǎo)(n0-n1-n0)，在全反射條件下，光線不會泄露。，在全反射條件下，光線不會泄露。當(dāng)受到外力時當(dāng)受到外力時, 圓錐觸頭受壓產(chǎn)生形變圓錐觸頭受壓產(chǎn)生形變,在波導(dǎo)板上形成圓斑在波導(dǎo)板上形成圓斑, 則在則在該局部形成非對稱波導(dǎo)該局部形成非對稱波導(dǎo)(n2-n1-n0)，接觸部分全反射條件遭到破壞，接觸部分全反射條件遭到破壞，光線泄漏，形成所示的光斑。光線泄漏，形成所示的光斑。半圓球觸頭F圓柱觸頭硅橡膠墊反射光波導(dǎo)板泄漏光入射光6.2 典型觸覺傳感器典型觸覺傳感器6.2.2.光波導(dǎo)觸

8、覺傳感器光波導(dǎo)觸覺傳感器工作原理工作原理(續(xù)續(xù))一個力敏感單元中外力一個力敏感單元中外力F 的三個分量的三個分量Fx，F(xiàn)y 和和Fz 與光波泄漏形成與光波泄漏形成的四個光斑、面積的四個光斑、面積S1，S2，S3 和和S4 的線性組合之間存在一定的的線性組合之間存在一定的線性關(guān)系。線性關(guān)系。 ( 13)( 24)( 12)( 34) 1234xyZABFSSSSlABFSSSSlFC SSSSl 為圓柱觸頭的長度為圓柱觸頭的長度, A為圓錐觸頭為圓錐觸頭間距的一半間距的一半, B、C為力的換算系數(shù)。為力的換算系數(shù)。 思考思考圓柱觸頭的長度圓柱觸頭的長度l, 圓錐觸頭半間距圓錐觸頭半間距A與與該觸

9、覺傳感器靈敏度、空間分辨率的關(guān)該觸覺傳感器靈敏度、空間分辨率的關(guān)系？系？6.2 典型觸覺傳感器典型觸覺傳感器6.2.3.真空微電子觸覺傳感器真空微電子觸覺傳感器6.2.3.1 傳感器結(jié)構(gòu)傳感器結(jié)構(gòu)真空微電子觸覺傳感器主要由底偏壓真空微電子觸覺傳感器主要由底偏壓場致硅錐尖發(fā)射頭陣列、微真空室和場致硅錐尖發(fā)射頭陣列、微真空室和彈性陽極膜組成。彈性陽極膜組成。結(jié)構(gòu)示意圖 硅錐尖陣列SEM圖6.2 典型觸覺傳感器典型觸覺傳感器6.2.3.真空微電子觸覺傳感器真空微電子觸覺傳感器6.2.3.2 制作流程制作流程選定基體選定基體-刻蝕空腔刻蝕空腔-刻蝕陣列柱刻蝕陣列柱-腐蝕錐尖腐蝕錐尖-封裝陽極皮膚封裝陽

10、極皮膚6.2 典型觸覺傳感器典型觸覺傳感器6.2.3.3 工作原理工作原理l在陰陽及之間加偏壓至陰極開始場致發(fā)射電子在陰陽及之間加偏壓至陰極開始場致發(fā)射電子l陽極皮膚受壓，陰陽極間距發(fā)生變化陽極皮膚受壓，陰陽極間距發(fā)生變化l保持偏置電壓恒定的情況下，場致發(fā)射電流將隨陰陽極間距變化而保持偏置電壓恒定的情況下，場致發(fā)射電流將隨陰陽極間距變化而變化變化l通過檢測場置發(fā)射電流來檢測觸覺通過檢測場置發(fā)射電流來檢測觸覺6.2 典型觸覺傳感器典型觸覺傳感器光纖布拉格光柵觸覺傳感器光纖布拉格光柵觸覺傳感器2BenFBG是在光纖纖芯內(nèi)形成的空間相位光柵，能對特定是在光纖纖芯內(nèi)形成的空間相位光柵，能對特定波長的入

11、射波進行反射。其反射波中心長即布拉格波波長的入射波進行反射。其反射波中心長即布拉格波長為長為其中其中,為光柵周期為光柵周期,ne為纖芯等效折射率。為纖芯等效折射率。6.2.4.1.光纖布拉格光柵光纖布拉格光柵6.2 典型觸覺傳感器典型觸覺傳感器光纖布拉格光柵觸覺傳感器光纖布拉格光柵觸覺傳感器在溫度、拉伸等因素影響下，光柵周期將發(fā)生變化，從在溫度、拉伸等因素影響下，光柵周期將發(fā)生變化，從而導(dǎo)致反射波中心波長漂移。而導(dǎo)致反射波中心波長漂移。光纖布拉格光柵光纖布拉格光柵222BBBeeeTnnnT （- ）（）（+）彎曲引起的中心波長漂移彎曲引起的中心波長漂移6.2 典型觸覺傳感器典型觸覺傳感器光纖

12、布拉格光柵觸覺傳感器光纖布拉格光柵觸覺傳感器光纖布拉格光柵光纖布拉格光柵雙向拉伸引起的中心波長漂移雙向拉伸引起的中心波長漂移6.2 典型觸覺傳感器典型觸覺傳感器6.2.光纖布拉格光柵觸覺傳感器光纖布拉格光柵觸覺傳感器光纖布拉格光柵光纖布拉格光柵非線性拉伸引起的中心波長漂移非線性拉伸引起的中心波長漂移6.2 典型觸覺傳感器典型觸覺傳感器光纖布拉格光柵觸覺傳感器光纖布拉格光柵觸覺傳感器臺式臺式FBG觸覺傳感器觸覺傳感器6.2 典型觸覺傳感器典型觸覺傳感器光纖布拉格光柵觸覺傳感器光纖布拉格光柵觸覺傳感器臺式臺式FBG觸覺傳感器觸覺傳感器6.2 典型觸覺傳感器典型觸覺傳感器光纖布拉格光柵觸覺傳感器光纖

13、布拉格光柵觸覺傳感器橋式橋式FBG觸覺傳感器觸覺傳感器6.2 典型觸覺傳感器典型觸覺傳感器光纖布拉格光柵觸覺傳感器光纖布拉格光柵觸覺傳感器橋式橋式FBG觸覺傳感器觸覺傳感器6.2 典型觸覺傳感器典型觸覺傳感器光纖布拉格光柵觸覺傳感器光纖布拉格光柵觸覺傳感器6.2.4.4.應(yīng)用實例應(yīng)用實例(1)臺式臺式FBG觸覺傳感器觸覺傳感器6.2 典型觸覺傳感器典型觸覺傳感器光纖布拉格光柵觸覺傳感器光纖布拉格光柵觸覺傳感器6.2.4.4.應(yīng)用實例應(yīng)用實例(1)臺式臺式FBG觸覺傳感器觸覺傳感器6.2 典型觸覺傳感器典型觸覺傳感器光纖布拉格光柵觸覺傳感器光纖布拉格光柵觸覺傳感器6.2.4.4.應(yīng)用實例應(yīng)用實例(2)橋式橋式FBG觸覺傳感器觸覺傳感器6.2 典型觸覺傳感器典型觸覺傳感器光纖布拉格光柵觸覺傳感器光纖布拉格光柵觸覺傳感器6.2.4