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1、传感技术第六章第1页，本讲稿共29页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狭义触觉是指传感器与接触对象接触面上的力觉。是指传感器与接触对象接触面上的力觉。广义触觉广义触觉包括包括接触觉、压觉、滑动觉、接近觉、冷热包括包括接触觉、压觉、滑动觉、接近觉、冷热 觉觉和力觉等与接触有关的感觉。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。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。息融合的方向发展。第2页，本讲稿共29页6.1 前前 言言2.
2、触觉传感器分类触觉传感器分类按工作原理可分为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、应变式触觉传感器、压阻式阵列触觉传感器、压电式触觉传感器压电式触觉传感器、光学触觉传感器、微电子触觉传感器、光学触觉传感器、微电子触觉传感器及及复复合触觉传感器合触觉传感器等。等。第3页，本讲稿共29页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、灵敏度高、阻抗低、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
3、下式表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。第4页，本讲稿共29页6.2 典型触觉传感器典型触觉传感器6.2.1.PVDF
4、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(1)传感器结构传感器结构第5页，本讲稿共29页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,很容易证明当从很容易证明当从O点向点向表面表面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分别为正方形一组对边的中点的中点),从而得知从而得知FA
5、 的方向必然如图中所示。的方向必然如图中所示。第6页，本讲稿共29页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6.2.1.2 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：系统系统Z方向受力平衡，有方向受力平衡，有所以所以第7页，本讲稿共29页完全用完全用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。第8页，本讲稿共29页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
6、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，在薄垫上方制作圆柱触头阵列，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每个圆柱形触头下排列22 个半圆球触头，形成一个个半圆球触头，形成一个力敏感单元力敏感单元。力敏单元底部置一波导板。力敏单元底部置一波导板。第9页，本讲稿共29页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6.2.2.2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，波导板与两侧的空气介质未受到外力时，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
7、波导构成对称波导(n0-n1-n0)，在全反射条件下，光线不会泄露。当受到外，在全反射条件下，光线不会泄露。当受到外力时力时,圆锥触头受压产生形变圆锥触头受压产生形变,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，形成所示的光斑。，接触部分全反射条件遭到破坏，光线泄漏，形成所示的光斑。第10页，本讲稿共29页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6.2.2.2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，F
8、y 和和Fz 与光波泄漏形成的四个光与光波泄漏形成的四个光斑、面积斑、面积S1，S2，S3 和和S4 的线性组合之间存在一定的线性关系。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。第11页，本讲稿共29页思考思考圆柱触头的长度圆柱触头的长度l,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、空间分辨率的关系该触觉传感器灵敏度、空间分辨率的关系？第12页，本讲稿共29页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
9、传感器结构真空微电子触觉传感器主要由底偏压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、微真空室和场致硅锥尖发射头阵列、微真空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图第13页，本讲稿共29页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柱-腐蚀锥尖腐蚀锥尖-封装阳极皮肤封装阳极皮肤第14页，本讲稿共29页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
10、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间距变化而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通过检测场置发射电流来检测触觉第15页，本讲稿共29页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FBG是在光纤纤芯内形成的空间相位光栅，能对特定波长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的入射波进行反射。其反射波中心长即布拉格波长为其中其中,为光栅周期为光栅周
11、期,ne为纤芯等效折射率。为纤芯等效折射率。6.2.4.1.光纤布拉格光栅光纤布拉格光栅第16页，本讲稿共29页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，从而导致反射在温度、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。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弯曲引起的中心波长漂移弯曲引起的中心波长漂移第17页，本讲稿共29页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
12、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第18页，本讲稿共29页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第19页，本讲稿共29页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第20页，本讲稿共29页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第
13、21页，本讲稿共29页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第22页，本讲稿共29页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第23页，本讲稿共29页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.应用实例应用实例(1)台式台式FBG触觉传感器触觉传感器第24页，本讲稿共29页6.2 典型触觉传感器典型触觉传感器6.2.4光纤布拉格
14、光栅触觉传感器光纤布拉格光栅触觉传感器6.2.4.4.应用实例应用实例(1)台式台式FBG触觉传感器触觉传感器第25页，本讲稿共29页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.应用实例应用实例(2)桥式桥式FBG触觉传感器触觉传感器第26页，本讲稿共29页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.应用实例应用实例(2)桥式桥式FBG触觉传感器触觉传感器第27页，本讲稿共29页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6.2.4.5.思考题思考题(1)如何消除温度影响？如何消除温度影响？(2)如何区分串联在同一光纤上的不同光栅？如何区分串联在同一光纤上的不同光栅？(3)若要调整灵敏度，应如何处理？若要调整灵敏度，应如何处理？第28页，本讲稿共29页6.2 典型触觉传感器典型触觉传感器6.2.5人工触觉皮肤人工触觉皮肤第29页，本讲稿共29页