传感技术第六章ppt课件

1、 前前 言言介绍触觉传感器的定义与分类6.1 前前 言言在机器感觉系统中，触觉是仅次于视觉的重要知觉形式。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。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。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、多传感因此，现代触觉传感器正朝多传感器集成、多传感器信。器信。息融合的方向发展。息融合的方向发展。6.1 前前 言言2.触觉传感器分类触觉

2、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、压电式触觉传感器感器、压电式触觉传感器 、光学触觉传感器、微电子触、光学触觉传感器、微电子触觉传感器及复合触觉传感器等。觉传感器及复合触觉传感器等。6.2 典型触觉传感器典型触觉传感器6.2.1 PVDF触觉传感器触觉传感器6.2.1.1 PVDF材料材料PVDF 薄膜是一种压电高聚物材料薄膜是一种压电高聚物材料,它具有耐磨、量轻、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、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

3、频带宽等特点。其压电性可由下式表3/1,2,3jUdPhj其中其中:U (V ) 是两表面间的电动势是两表面间的电动势; P是作用到是作用到PVDF 薄膜薄膜的应力的应力; 为为PVDF 薄膜的介电常数薄膜的介电常数; h为薄膜的厚度为薄膜的厚度, d3j为压电常数。为压电常数。d3j的下标在的下标在j= 3 的情况下表示厚度的方向的情况下表示厚度的方向, 在在j= 1, 2 的情况下表示垂直于厚度的方向。纵压电效应的情况下表示垂直于厚度的方向。纵压电效应用用d33表示表示, 横压电效应用横压电效应用d31和和d32表示。表示。6.2 典型触觉传感器典型触觉传感器6.2.1.PVDF触觉传感器

4、触觉传感器6.2.1.2 PVDF触觉传感器的结构与工作原理触觉传感器的结构与工作原理(1)传感器结构传感器结构6.2 典型触觉传感器典型触觉传感器1.PVDF触觉传感器触觉传感器1.2PVDF触觉传感器的结构与工作原理触觉传感器的结构与工作原理(2)工作原理工作原理将四角锥体底面设计为正方形将四角锥体底面设计为正方形, 边长为边长为a, 锥体高为锥体高为a/2 , 很很容易证明当从容易证明当从O点向表面点向表面A 作垂线时作垂线时, 垂足必然为线段垂足必然为线段np的中点的中点(图中图中m、n 分别为正方形一组对边的中点分别为正方形一组对边的中点) , 从而从而得知得知FA 的方向必然如图中

5、所示。的方向必然如图中所示。 cosFzFsinFhF6.2 典型触觉传感器典型触觉传感器6.2.1.PVDF触觉传感器触觉传感器6.2.1.2 PVDF触觉传感器的结构与工作原理触觉传感器的结构与工作原理(2)工作原理工作原理mok平面内受力平衡，有：平面内受力平衡，有：arctan()ABCDFFFF2222()()ABCDFhFFFF系统系统Z方向受力平衡，有方向受力平衡，有22()zABCDFFFFF所以所以22()()arctan()ABCDABCDFFFFFFFF22FF hF zarctan()ABCDFFFF22()()arctan()ABCDABCDFFFFFFFF完全用完全

6、用FA、FB、FC、FD对空间接触里进行描述，实现了对空间接触力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。大小方向的感知。6.2 典型触觉传感器典型触觉传感器6.2.2.光波导触觉传感器光波导触觉传感器6.2.2.1传感器结构传感器结构 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。力敏单元底部置一波导板。6.2 典型触觉传感器典型触觉传感器6.2.2.光波导触

7、觉传感器光波导触觉传感器6.2.2.2工作原理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侧的空气介质构成对称波导(n0-n1-n0)，在全反射条件，在全反射条件下，光线不会泄露。当受到外力时下，光线不会泄露。当受到外力时, 圆锥触头受压产生圆锥触头受压产生形变形变,在波导板上形成圆斑在波导板上形成圆斑, 则在该局部形成非对称波导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，接触部分全反射条件遭到破坏，光线泄漏，形成所示的光斑。形成所示的光斑。6.2 典型触觉传感器典型触觉

8、传感器6.2.2.光波导触觉传感器光波导触觉传感器6.2.2.2工作原理工作原理(续续)一个力敏感单元中外力一个力敏感单元中外力F 的三个分量的三个分量Fx，Fy 和和Fz 与光与光波泄漏形成的四个光斑、面积波泄漏形成的四个光斑、面积S1，S2，S3 和和S4 的线的线性组合之间存在一定的线性关系。性组合之间存在一定的线性关系。 ( 13)( 24)( 12)( 34) 1234xyZABFSSSSlABFSSSSlFC SSSSl 为圆柱触头的长度为圆柱触头的长度, A为圆锥触头为圆锥触头间距的一半间距的一半, B、C为力的换算系数。为力的换算系数。 思索思索圆柱触头的长度圆柱触头的长度l,

9、 圆锥触头半间距圆锥触头半间距A与与该触觉传感器灵敏度、空间分辨率的关该触觉传感器灵敏度、空间分辨率的关系？系？6.2 典型触觉传感器典型触觉传感器6.2.3.真空微电子触觉传感器真空微电子触觉传感器6.2.3.1 传感器结构传感器结构真空微电子触觉传感器主要由底真空微电子触觉传感器主要由底偏压偏压场致硅锥尖发射头阵列、微真空场致硅锥尖发射头阵列、微真空室和室和弹性阳极膜组成。弹性阳极膜组成。结构示意图 硅锥尖阵列SEM图6.2 典型触觉传感器典型触觉传感器6.2.3.真空微电子触觉传感器真空微电子触觉传感器6.2.3.2 制作流程制作流程选定基体选定基体-刻蚀空腔刻蚀空腔-刻蚀阵列柱刻蚀阵列

10、柱-腐蚀锥尖腐蚀锥尖-封装封装阳极皮肤阳极皮肤6.2 典型触觉传感器典型触觉传感器6.2.3.3 工作原理工作原理在阴阳及之间加偏压至阴极开始场致发射电子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间距变化而变化通过检测场置发射电流来检测触觉通过检测场置发射电流来检测触觉6.2 典型触觉传感器典型触觉传感器6.2.4光纤布拉格光栅触觉传感器光纤布拉格光栅触觉传感器2BenFBG是在光纤纤芯内形成的空间相位光栅，能对特定是在光纤

11、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波长的入射波进行反射。其反射波中心长即布拉格波长为长为其中其中,为光栅周期为光栅周期,ne为纤芯等效折射率。为纤芯等效折射率。6.2.4.1.光纤布拉格光栅6.2 典型触觉传感器典型触觉传感器6.2.4光纤布拉格光栅触觉传感器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。而导致反射波中心波长漂移。6.2.4.1光纤布拉格光栅光纤布拉格光栅222BBBeeeTnnnT （- ）（）（+）弯曲引起的中心波长漂移弯曲引起的

12、中心波长漂移6.2 典型触觉传感器典型触觉传感器6.2.4光纤布拉格光栅触觉传感器光纤布拉格光栅触觉传感器6.2.4.1光纤布拉格光栅光纤布拉格光栅双向拉伸引起的中心波长漂移双向拉伸引起的中心波长漂移6.2 典型触觉传感器典型触觉传感器6.2.光纤布拉格光栅触觉传感器光纤布拉格光栅触觉传感器6.2.4.1光纤布拉格光栅光纤布拉格光栅非线性拉伸引起的中心波长漂移非线性拉伸引起的中心波长漂移6.2 典型触觉传感器典型触觉传感器6.2.4光纤布拉格光栅触觉传感器光纤布拉格光栅触觉传感器6.2.4.2台式台式FBG触觉传感器触觉传感器6.2 典型触觉传感器典型触觉传感器6.2.4光纤布拉格光栅触觉传感

13、器光纤布拉格光栅触觉传感器6.2.4.2台式台式FBG触觉传感器触觉传感器6.2 典型触觉传感器典型触觉传感器6.2.4光纤布拉格光栅触觉传感器光纤布拉格光栅触觉传感器6.2.4.3桥式桥式FBG触觉传感器触觉传感器6.2 典型触觉传感器典型触觉传感器6.2.4光纤布拉格光栅触觉传感器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 典型触觉传感器典型触觉传感器6.2.4光纤布拉格光栅触觉传感器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 典型触觉传感器典型触觉传感器6.2.4光纤布拉格光栅触觉传感器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 典型触觉传感器典型触觉传感器6.2.4光纤布拉格光栅触觉传感器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