傳感技術(shù) 第六章

1、傳感技術(shù) 第六章第1頁，共29頁，2022年，5月20日，16點48分，星期日6.1 前 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。1.觸覺定義狹義觸覺是指傳感器與接觸對象接觸面上的力覺。廣義觸覺包括包括接觸覺、壓覺、滑動覺、接近覺、冷熱 覺和力覺等與接觸有關(guān)的感覺。 因此，現(xiàn)代觸覺傳感器正朝多傳感器集成、多傳感器信。息融合的方向發(fā)展。第2頁，共29頁，2022年，5月20日，16點48分，星期日6.1 前 言2.觸覺傳感器分類按工作原理可分為應變式觸覺傳感器、壓阻式陣列觸覺傳感器、壓電式觸覺傳感器 、光學觸覺傳感器、微電子觸覺傳感器及復合觸覺傳感器等。第3頁，共29頁，2022年，

2、5月20日，16點48分，星期日6.2 典型觸覺傳感器6.2.1 PVDF觸覺傳感器6.2.1.1 PVDF材料PVDF 薄膜是一種壓電高聚物材料,它具有耐磨、量輕、靈敏度高、阻抗低、容易固定在復雜的表面、價格便宜、頻帶寬等特點。其壓電性可由下式表其中:U (V ) 是兩表面間的電動勢; P是作用到PVDF 薄膜的應力; 為PVDF 薄膜的介電常數(shù); h為薄膜的厚度, d3j為壓電常數(shù)。d3j的下標在j= 3 的情況下表示厚度的方向, 在j= 1, 2 的情況下表示垂直于厚度的方向。縱壓電效應用d33表示, 橫壓電效應用d31和d32表示。第4頁，共29頁，2022年，5月20日，16點48分

3、，星期日6.2 典型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(1)傳感器結(jié)構(gòu)第5頁，共29頁，2022年，5月20日，16點48分，星期日6.2 典型觸覺傳感器1.PVDF觸覺傳感器1.2PVDF觸覺傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理(2)工作原理將四角錐體底面設(shè)計為正方形, 邊長為a, 錐體高為a/2 , 很容易證明當從O點向表面A 作垂線時, 垂足必然為線段np的中點(圖中m、n 分別為正方形一組對邊的中點) , 從而得知FA 的方向必然如圖中所示。 第6頁，共29頁，2022年，5月20日，16點48分，星期日6.2 典型觸覺傳感器觸覺傳感器6.2.1.2 PVDF觸覺

4、傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理(2)工作原理mok平面內(nèi)受力平衡，有：系統(tǒng)Z方向受力平衡，有所以第7頁，共29頁，2022年，5月20日，16點48分，星期日完全用FA、FB、FC、FD對空間接觸里進行描述，實現(xiàn)了對空間接觸力大小方向的感知。第8頁，共29頁，2022年，5月20日，16點48分，星期日6.2 典型觸覺傳感器6.2.2.光波導觸覺傳感器傳感器結(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，形成一個力敏感單元 。 力敏單元底部置一波導板。第9頁，共29頁，2022年，5月20日，16點48分，星期日6.2 典型觸覺傳感器6

5、.2.2.光波導觸覺傳感器工作原理未受到外力時，半圓球觸頭不接觸波導體，波導板與兩側(cè)的空氣介質(zhì)構(gòu)成對稱波導(n0-n1-n0)，在全反射條件下，光線不會泄露。當受到外力時, 圓錐觸頭受壓產(chǎn)生形變,在波導板上形成圓斑, 則在該局部形成非對稱波導(n2-n1-n0)，接觸部分全反射條件遭到破壞，光線泄漏，形成所示的光斑。第10頁，共29頁，2022年，5月20日，16點48分，星期日6.2 典型觸覺傳感器6.2.2.光波導觸覺傳感器工作原理(續(xù))一個力敏感單元中外力F 的三個分量Fx，F(xiàn)y 和Fz 與光波泄漏形成的四個光斑、面積S1，S2，S3 和S4 的線性組合之間存在一定的線性關(guān)系。 l 為圓

6、柱觸頭的長度, A為圓錐觸頭間距的一半, B、C為力的換算系數(shù)。 第11頁，共29頁，2022年，5月20日，16點48分，星期日思考圓柱觸頭的長度l, 圓錐觸頭半間距A與該觸覺傳感器靈敏度、空間分辨率的關(guān)系？第12頁，共29頁，2022年，5月20日，16點48分，星期日6.2 典型觸覺傳感器6.2.3.真空微電子觸覺傳感器6.2.3.1 傳感器結(jié)構(gòu)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、微真空室和彈性陽極膜組成。結(jié)構(gòu)示意圖 硅錐尖陣列SEM圖第13頁，共29頁，2022年，5月20日，16點48分，星期日6.2 典型觸覺傳感器6.2.3.真空微電子觸覺傳感器6.2.3.2 制

7、作流程選定基體-刻蝕空腔-刻蝕陣列柱-腐蝕錐尖-封裝陽極皮膚第14頁，共29頁，2022年，5月20日，16點48分，星期日6.2 典型觸覺傳感器6.2.3.3 工作原理在陰陽及之間加偏壓至陰極開始場致發(fā)射電子陽極皮膚受壓，陰陽極間距發(fā)生變化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通過檢測場置發(fā)射電流來檢測觸覺第15頁，共29頁，2022年，5月20日，16點48分，星期日6.2 典型觸覺傳感器光纖布拉格光柵觸覺傳感器FBG是在光纖纖芯內(nèi)形成的空間相位光柵，能對特定波長的入射波進行反射。其反射波中心長即布拉格波長為其中,為光柵周期,ne為纖芯等效折射率。6.2.4.1.光

8、纖布拉格光柵第16頁，共29頁，2022年，5月20日，16點48分，星期日6.2 典型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，從而導致反射波中心波長漂移。光纖布拉格光柵彎曲引起的中心波長漂移第17頁，共29頁，2022年，5月20日，16點48分，星期日6.2 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雙向拉伸引起的中心波長漂移第18頁，共29頁，2022年，5月20日，16點48分，星期日6.2 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非線性拉伸引起的中心波長漂移第19頁，共29頁，2022年，5月20日，16點48分，

9、星期日6.2 典型觸覺傳感器光纖布拉格光柵觸覺傳感器臺式FBG觸覺傳感器第20頁，共29頁，2022年，5月20日，16點48分，星期日6.2 典型觸覺傳感器光纖布拉格光柵觸覺傳感器臺式FBG觸覺傳感器第21頁，共29頁，2022年，5月20日，16點48分，星期日6.2 典型觸覺傳感器光纖布拉格光柵觸覺傳感器橋式FBG觸覺傳感器第22頁，共29頁，2022年，5月20日，16點48分，星期日6.2 典型觸覺傳感器光纖布拉格光柵觸覺傳感器橋式FBG觸覺傳感器第23頁，共29頁，2022年，5月20日，16點48分，星期日6.2 典型觸覺傳感器光纖布拉格光柵觸覺傳感器6.2.4.4.應用實例(1)臺式FBG觸覺傳感器第24頁，共29頁，2022年，5月20日，16點48分，星期日6.2 典型觸覺傳感器光纖布拉格光柵觸覺傳感器6.2.4.4.應用實例(1)臺式FBG觸覺傳感器第25頁，共29頁，2022年，5月20日，16點48分，星期日6.2 典型觸覺傳感器光纖布拉格光柵觸覺傳感器6.2.4.4.應用實例(2)橋式FBG觸覺傳感器第26頁，共29頁，2022年，5月20日，16點48分，星期日6.2 典型觸覺傳感器光纖布拉格光柵觸覺傳感器6.2.4.4.應用實例(2)橋式FBG觸覺傳感器第27頁，共29頁，2022年，5月20日，16點48分，星期日6.2 典型觸覺