傳感技術(shù)第六章

傳感技術(shù)第六章第一頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日6.1前言在機(jī)器感覺(jué)系統(tǒng)中，觸覺(jué)是僅次于視覺(jué)的重要知覺(jué)形式。1.觸覺(jué)定義狹義觸覺(jué)是指?jìng)鞲衅髋c接觸對(duì)象接觸面上的力覺(jué)。廣義觸覺(jué)包括包括接觸覺(jué)、壓覺(jué)、滑動(dòng)覺(jué)、接近覺(jué)、冷熱覺(jué)和力覺(jué)等與接觸有關(guān)的感覺(jué)。因此，現(xiàn)代觸覺(jué)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。第二頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日6.1前言2.觸覺(jué)傳感器分類按工作原理可分為應(yīng)變式觸覺(jué)傳感器、壓阻式陣列觸覺(jué)傳感器、壓電式觸覺(jué)傳感器、光學(xué)觸覺(jué)傳感器、微電子觸覺(jué)傳感器及復(fù)合觸覺(jué)傳感器等。第三頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日6.2典型觸覺(jué)傳感器6.2.1PVDF觸覺(jué)傳感器6.2.1.1PVDF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(fù)雜的表面、價(jià)格便宜、頻帶寬等特點(diǎn)。其壓電性可由下式表其中:U(V)是兩表面間的電動(dòng)勢(shì);P是作用到PVDF薄膜的應(yīng)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(biāo)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?？v壓電效應(yīng)用d33表示,橫壓電效應(yīng)用d31和d32表示。第四頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日6.2典型觸覺(jué)傳感器觸覺(jué)傳感器6.2.1.2PVDF觸覺(jué)傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理(1)傳感器結(jié)構(gòu)第五頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日6.2典型觸覺(jué)傳感器1.PVDF觸覺(jué)傳感器1.2PVDF觸覺(jué)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(jì)為正方形,邊長(zhǎng)為a,錐體高為a/2,很容易證明當(dāng)從O點(diǎn)向表面A作垂線時(shí),垂足必然為線段np的中點(diǎn)(圖中m、n分別為正方形一組對(duì)邊的中點(diǎn)),從而得知FA的方向必然如圖中所示。

第六頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日6.2典型觸覺(jué)傳感器觸覺(jué)傳感器6.2.1.2PVDF觸覺(jué)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，有所以第七頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日完全用FA、FB、FC、FD對(duì)空間接觸里進(jìn)行描述，實(shí)現(xiàn)了對(duì)空間接觸力大小方向的感知。第八頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日6.2典型觸覺(jué)傳感器6.2.2.光波導(dǎo)觸覺(jué)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(gè)圓柱形觸頭下排列2×2個(gè)半圓球觸頭，形成一個(gè)力敏感單元。力敏單元底部置一波導(dǎo)板。第九頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日6.2典型觸覺(jué)傳感器6.2.2.光波導(dǎo)觸覺(jué)傳感器工作原理未受到外力時(shí)，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(duì)稱波導(dǎo)(n0-n1-n0)，在全反射條件下，光線不會(huì)泄露。當(dāng)受到外力時(shí),圓錐觸頭受壓產(chǎn)生形變,在波導(dǎo)板上形成圓斑,則在該局部形成非對(duì)稱波導(dǎo)(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。第十頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日6.2典型觸覺(jué)傳感器6.2.2.光波導(dǎo)觸覺(jué)傳感器工作原理(續(xù))一個(gè)力敏感單元中外力F的三個(gè)分量Fx，F(xiàn)y和Fz與光波泄漏形成的四個(gè)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

為圓柱觸頭的長(zhǎng)度,A為圓錐觸頭間距的一半,B、C為力的換算系數(shù)。第十一頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日思考圓柱觸頭的長(zhǎng)度l,圓錐觸頭半間距A與該觸覺(jué)傳感器靈敏度、空間分辨率的關(guān)系？第十二頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日6.2典型觸覺(jué)傳感器6.2.3.真空微電子觸覺(jué)傳感器6.2.3.1傳感器結(jié)構(gòu)真空微電子觸覺(jué)傳感器主要由底偏壓場(chǎng)致硅錐尖發(fā)射頭陣列、微真空室和彈性陽(yáng)極膜組成。結(jié)構(gòu)示意圖硅錐尖陣列SEM圖第十三頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日6.2典型觸覺(jué)傳感器6.2.3.真空微電子觸覺(jué)傳感器6.2.3.2制作流程選定基體-〉刻蝕空腔-〉刻蝕陣列柱-〉腐蝕錐尖-〉封裝陽(yáng)極皮膚第十四頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日6.2典型觸覺(jué)傳感器6.2.3.3工作原理在陰陽(yáng)及之間加偏壓至陰極開(kāi)始場(chǎng)致發(fā)射電子陽(yáng)極皮膚受壓，陰陽(yáng)極間距發(fā)生變化保持偏置電壓恒定的情況下，場(chǎng)致發(fā)射電流將隨陰陽(yáng)極間距變化而變化通過(guò)檢測(cè)場(chǎng)置發(fā)射電流來(lái)檢測(cè)觸覺(jué)第十五頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日6.2典型觸覺(jué)傳感器光纖布拉格光柵觸覺(jué)傳感器FBG是在光纖纖芯內(nèi)形成的空間相位光柵，能對(duì)特定波長(zhǎng)的入射波進(jìn)行反射。其反射波中心長(zhǎng)即布拉格波長(zhǎng)為其中,Λ為光柵周期,ne為纖芯等效折射率。6.2.4.1.光纖布拉格光柵第十六頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日6.2典型觸覺(jué)傳感器光纖布拉格光柵觸覺(jué)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(dǎo)致反射波中心波長(zhǎng)漂移。光纖布拉格光柵彎曲引起的中心波長(zhǎng)漂移第十七頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日6.2典型觸覺(jué)傳感器光纖布拉格光柵觸覺(jué)傳感器光纖布拉格光柵雙向拉伸引起的中心波長(zhǎng)漂移第十八頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日6.2典型觸覺(jué)傳感器6.2.光纖布拉格光柵觸覺(jué)傳感器光纖布拉格光柵非線性拉伸引起的中心波長(zhǎng)漂移第十九頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日6.2典型觸覺(jué)傳感器光纖布拉格光柵觸覺(jué)傳感器臺(tái)式FBG觸覺(jué)傳感器第二十頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日6.2典型觸覺(jué)傳感器光纖布拉格光柵觸覺(jué)傳感器臺(tái)式FBG觸覺(jué)傳感器第二十一頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日6.2典型觸覺(jué)傳感器光纖布拉格光柵觸覺(jué)傳感器橋式FBG觸覺(jué)傳感器第二十二頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日6.2典型觸覺(jué)傳感器光纖布拉格光柵觸覺(jué)傳感器橋式FBG觸覺(jué)傳感器第二十三頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日6.2典型觸覺(jué)傳感器光纖布拉格光柵觸覺(jué)傳感器6.2.4.4.應(yīng)用實(shí)例(1)臺(tái)式FBG觸覺(jué)傳感器第二十四頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日6.2典型觸覺(jué)傳感器光纖布拉格光柵觸覺(jué)傳感器6.2.4.4.應(yīng)用實(shí)例(1)臺(tái)式FBG觸覺(jué)傳感器第二十五頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日6.2典型觸覺(jué)傳感器光纖布拉格光柵觸覺(jué)傳感器6.2.4.4.應(yīng)用實(shí)例(2)橋式FBG觸覺(jué)傳感器第二十六頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日6.2典型觸覺(jué)傳感器光纖布拉格光柵觸覺(jué)傳感器6.2.4.4.應(yīng)用實(shí)例(2)橋式FBG觸覺(jué)傳感器第二十七頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日6