《传感技术第六章》PPT课件.ppt

第6章 触觉传感器, 前 言,介绍触觉传感器的定义与分类,6.1 前 言,在机器感觉系统中，触觉是仅次于视觉的重要知觉形式。 1.触觉定义 狭义触觉是指传感器与接触对象接触面上的力觉。 广义触觉包括包括接触觉、压觉、滑动觉、接近觉、冷热 觉和力觉等与接触有关的感觉。 因此，现代触觉传感器正朝多传感器集成、多传感器信。 息融合的方向发展。,6.1 前 言,2.触觉传感器分类 按工作原理可分为应变式触觉传感器、压阻式阵列触觉传感器、压电式触觉传感器 、光学触觉传感器、微电子触觉传感器及复合触觉传感器等。,6.2 典型触觉传感器,6.2.1 PVDF触觉传感器 6.2.1.1 PVDF材料 PVDF 薄膜是一种压电高聚物材料,它具有耐磨、量轻、灵敏度高、阻抗低、容易固定在复杂的表面、价格便宜、频带宽等特点。其压电性可由下式表,其中:U (V ) 是两表面间的电动势; P是作用到PVDF 薄膜 的应力; 为PVDF 薄膜的介电常数; h为薄膜的厚度, d3j 为压电常数。d3j的下标在j= 3 的情况下表示厚度的方向, 在j= 1, 2 的情况下表示垂直于厚度的方向。纵压电效应 用d33表示, 横压电效应用d31和d32表示。,6.2 典型触觉传感器,6.2.1.PVDF触觉传感器 6.2.1.2 PVDF触觉传感器的结构与工作原理 (1)传感器结构,6.2 典型触觉传感器,1.PVDF触觉传感器 1.2PVDF触觉传感器的结构与工作原理 (2)工作原理 将四角锥体底面设计为正方形, 边长为a, 锥体高为a/2 , 很容易证明当从O点向表面A 作垂线时, 垂足必然为线段np的中点(图中m、n 分别为正方形一组对边的中点) , 从而得知FA 的方向必然如图中所示。,6.2 典型触觉传感器,6.2.1.PVDF触觉传感器 6.2.1.2 PVDF触觉传感器的结构与工作原理 (2)工作原理 mok平面内受力平衡，有：,系统Z方向受力平衡，有,所以,完全用FA、FB、FC、FD对空间接触里进行描述，实现了对空间接触力 大小方向的感知。,6.2 典型触觉传感器,6.2.2.光波导触觉传感器 6.2.2.1传感器结构 该传感系统用弹性物质（硅橡胶）制成薄垫，在薄垫上方制作圆柱触头阵列，每个圆柱形触头下排列22 个半圆球触头，形成一个力敏感单元 。 力敏单元底部置一波导板。,6.2 典型触觉传感器,6.2.2.光波导触觉传感器 6.2.2.2工作原理 未受到外力时，半圆球触头不接触波导体，波导板与两侧的空气介质构成对称波导(n0-n1-n0)，在全反射条件下，光线不会泄露。当受到外力时, 圆锥触头受压产生形变,在波导板上形成圆斑, 则在该局部形成非对称波导(n2-n1-n0)，接触部分全反射条件遭到破坏，光线泄漏，形成所示的光斑。,6.2 典型触觉传感器,6.2.2.光波导触觉传感器 6.2.2.2工作原理(续) 一个力敏感单元中外力F 的三个分量Fx，Fy 和Fz 与光波泄漏形成的四个光斑、面积S1，S2，S3 和S4 的线性组合之间存在一定的线性关系。,l 为圆柱触头的长度, A为圆锥触头 间距的一半, B、C为力的换算系数。,思考,圆柱触头的长度l, 圆锥触头半间距A与 该触觉传感器灵敏度、空间分辨率的关系？,6.2 典型触觉传感器,6.2.3.真空微电子触觉传感器 6.2.3.1 传感器结构 真空微电子触觉传感器主要由底偏压 场致硅锥尖发射头阵列、微真空室和 弹性阳极膜组成。,结构示意图 硅锥尖阵列SEM图,6.2 典型触觉传感器,6.2.3.真空微电子触觉传感器 6.2.3.2 制作流程 选定基体-刻蚀空腔-刻蚀阵列柱-腐蚀锥尖-封装阳极皮肤,6.2 典型触觉传感器,6.2.3.3 工作原理 在阴阳及之间加偏压至阴极开始场致发射电子 阳极皮肤受压，阴阳极间距发生变化 保持偏置电压恒定的情况下，场致发射电流将随阴阳极间距变化而变化 通过检测场置发射电流来检测触觉,6.2 典型触觉传感器,6.2.4光纤布拉格光栅触觉传感器,FBG是在光纤纤芯内形成的空间相位光栅，能对特定波长的入射波进行反射。其反射波中心长即布拉格波长为 其中,为光栅周期,ne为纤芯等效折射率。,6.2.4.1.光纤布拉格光栅,6.2 典型触觉传感器,6.2.4光纤布拉格光栅触觉传感器,在温度、拉伸等因素影响下，光栅周期将发生变化，从而导致反射波中心波长漂移。,6.2.4.1光纤布拉格光栅,弯曲引起的中心波长漂移,6.2 典型触觉传感器,6.2.4光纤布拉格光栅触觉传感器,6.2.4.1光纤布拉格光栅,双向拉伸引起的中心波长漂移,6.2 典型触觉传感器,6.2.光纤布拉格光栅触觉传感器,6.2.4.1光纤布拉格光栅,非线性拉伸引起的中心波长漂移,6.2 典型触觉传感器,6.2.4光纤布拉格光栅触觉传感器,6.2.4.2台式FBG触觉传感器,6.2 典型触觉传感器,6.2.4光纤布拉格光栅触觉传感器,6.2.4.2台式FBG触觉传感器,6.2 典型触觉传感器,6.2.4光纤布拉格光栅触觉传感器,6.2.4.3桥式FBG触觉传感器,6.2 典型触觉传感器,6.2.4光纤布拉格光栅触觉传感器,6.2.4.3桥式FBG触觉传感器,6.2 典型触觉传感器,6.2.4光纤布拉格光栅触觉传感器,6.2.4.4.应用实例 (1)台式FBG触觉传感器,6.2 典型触觉传感器,6.2.4光纤布拉格光栅触觉传感器,6.2.4.4.应用实例 (1)台式FBG触觉传感器,6.2 典型触觉传感器,6.2.4光纤布拉格光栅触觉传感器,6.2.4.4.应用实例 (2)桥式FBG触觉传感器,6.2 典型触觉传感器,6.2.4光纤布拉格光栅触觉传感器,6.2.4.4.应用实例 (2)桥式FB