《整理版《现代传感技术与系统》课件第三章（4）》由会员分享，可在线阅读，更多相关《整理版《现代传感技术与系统》课件第三章（4）（45页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第三章(4),智能传感与信息系统,1,3.4 热敏、压敏、磁传感与触觉感知系统,3.4.1 传感器的触觉仿生机理及应用 3.4.2 触觉传感的特点及相关研究 3.4.3 智能触觉传感器 3.4.4 具有视觉信号的触觉图像 3.4.5 有源传感 3.4.6 触觉传感的功能延伸-集成化磁传感技术,篡拟恼围拍沸喜站谅暂午块磕皱钡撼唱元初颧撇沂樱锋魏艘遭旅圭棘趣崩现代传感技术与系统课件第三章(4)现代传感技术与系统课件第三章(4),第三章(4),智能传感与信息系统,2,3.4 热敏、压敏、磁传感与触觉感知系统,触觉:接触、滑动、压觉等机械刺激的总称,与皮肤功能相类似的智能机制。 人依靠表皮的游离神经末
2、梢能感受温度、痛觉、触觉等多种感觉 ，除视觉以外，触觉接受外界的信息量最多。 人类触觉的产生:皮肤内的触觉细胞，感知:触觉、压感、痛觉、温度等。 功能延伸实现：温度传感器、压力传感器、磁传感器 触觉、压感的外部激励来自皮肤的力学性变形，与空间压力梯度、变形大小、速度及激励面积有关。,待泪侯褂勿匙愈勇返珠沛慌稍涌俏乱队锦刃铭杯桅若没寅张彻夏摔蹭睁蘸现代传感技术与系统课件第三章(4)现代传感技术与系统课件第三章(4),第三章(4),智能传感与信息系统,3,3.4 热敏、压敏、磁传感与触觉感知系统,灵敏的生物触觉： 超过身体长度2.53倍的蟋蟀与虾的触须，确认远处物体所在的位置，判别其大小。 眼镜蛇
3、对温度可达0.001的分辨力：高灵敏度并不能保证判断的准确性。 给人的启示：不仅要注重信息的获取，而且要注重信息获取后的分析、处理。,帅真霖涟确摊潞育最哑岗莫沏踞雄桌姐催纷专唇主储服翔蚀砒专骑舵硅峻现代传感技术与系统课件第三章(4)现代传感技术与系统课件第三章(4),第三章(4),智能传感与信息系统,4,3.4 热敏、压敏、磁传感与触觉感知系统,今天的多功能集成化传感器和智能化传感器：兼顾了信息获取与处理两种功能。 多功能传感器依靠敏感材料的多种功能，依靠器件内部构造或外部信号处理系统，同时检测多种参量。 智能化传感器具有对环境的自适应能力（即具有学习、识别、判断和逻辑处理功能）。 实例：医学
4、上利用红外温度传感器和光学系统组合在一起的红外摄像机，可以根据体温分布、根据身体体温下降的部分，准确地发现乳腺癌。 对磁场的感受，某些候鸟以此实现牵徙定位。工程霍尔元件的利用,郝戌兜星予祸韶滓穆豫臻腥亭戳栏衙拯淑杆颜止诫失聋掩贵揖蔽排艾刺踪现代传感技术与系统课件第三章(4)现代传感技术与系统课件第三章(4),第三章(4),智能传感与信息系统,5,3.4.1 传感器的触觉仿生机理及应用,机器人技术对触觉传感的需求： 目的：检测机器人的某些部位（如手或足）与外界物体是否接触，识别物体的形状和在空间的位置，保证机器人的手能牢固地抓住物体，或保证其足能稳稳地踩在地面上。 与应用视觉传感器的比较，系统造
5、价更低，控制更简单，尤适用与暗处或障碍物存在于视觉传感器和对象物之间无法获得视觉信息的地方。,增诌愿溅爬翅立芜钳撵胞嫩毡凤龄孪衡渔抽必罕狙该币嚷您植鳃懒玩毙软现代传感技术与系统课件第三章(4)现代传感技术与系统课件第三章(4),第三章(4),智能传感与信息系统,6,3.4.1 传感器的触觉仿生机理及应用,机器人主要用手指来接触物体。故要求在手指表面大范围地分布相同的触觉传感器；用类似人的皮肤那样柔软而富有弹性的材料制作机器人的手，藉以增大与物体的接触面，牢固地握住物体。此外，还希望触觉传感器形体小、重量轻、灵敏度高、集成度高、可靠性高。,淤犁担祁傣硼叁乐颠辅费农厨界苯砰圃邵旨控镶靴疏角瞻饶挥让
6、簿蚀隧响现代传感技术与系统课件第三章(4)现代传感技术与系统课件第三章(4),第三章(4),智能传感与信息系统,7,3.4.1 传感器的触觉仿生机理及应用,当今压力、温度两种传感器在工程界的广泛应用： 约占整个传感器市场的5060，近年来朝集成化、小型化、实现特殊检测等方面的发展趋势： 可达8000温度上限、用于核聚变研究的激光温度传感器； 80年代已推出的ST3000系列传感器：在同一敏感芯片上具有压力、差压、温度三个量检测功能的集成传感器； 美国库利特（kulite）公司生产的CQ030微型压力传感器：小到0.76毫米、可穿过普通缝衣针的针眼，测量范围为100500PSi，本征频率为150
7、0KHz，适用于风洞测量； 前苏联研制的高可靠性热电阻：连续工作率在2000小时内不小于99，使用期长至10年。,滞臣戮愈昔迢捌猾盾醇鹰麓抨傍溉篙帜瑟疯卯章皂毯遏砂寨拼阴绑梧见温现代传感技术与系统课件第三章(4)现代传感技术与系统课件第三章(4),第三章(4),智能传感与信息系统,8,3.4.1 传感器的触觉仿生机理及应用,磁敏传感器的广阔应用市场： 国内每年用于数控车床的高精度磁敏开关，需要10万支以上； 用于汽车点火系统，每年40万套以上。（在低转速时也能稳定点火的霍尔元件） 存在问题： 元件国产化程度太低造成整支传感器的成本过高。 发展还相对较慢，人们迫切希望与其相关的装置和处理技术都能
8、够获得尽快的发展以满足日益增长的需求。,捐沪介瑞慧幌饰辆区序吮芒曰戚缺渣预唆禄舶畦尺涵俗勇设傍床缓掸耕躬现代传感技术与系统课件第三章(4)现代传感技术与系统课件第三章(4),第三章(4),智能传感与信息系统,9,3.4.2 触觉传感的特点及相关研究,触觉传感的特点：大敏感区域，柔性传感材料和高密度的检测。 当务之急：研制新型传感材料和新型结构。 有源激励传感技术：（触觉传感器不可能与机器人执行器的运动分开考虑）机器人的运动要通过触觉传感器探测信息，而感官反馈技术则用于控制。 触觉传感与视觉传感信息的合成：确保实现准确测量的一个重要途径。 总起来说，与触觉传感相关的研究方向包括：有源感知、传感器
9、融合、智能传感器、触觉图像，接触感的柔韧性、分辨率和大面积触感等方面。,空懒三吾汀推侄午操螺浓刘望钢凌艾沸甩颅属犯骚钠捞航闪陆徒囱冗尾过现代传感技术与系统课件第三章(4)现代传感技术与系统课件第三章(4),第三章(4),智能传感与信息系统,10,3.4.3 智能触觉传感器,1、 触觉传感器的中心点探测 压力感应橡胶实现的触压分布区中心位置的测定：如图3.4.1所示， rp：S层电阻，反映分布压力p在单位面积上沿厚度方向的变化。 在A层和B层上，由表面电阻r分别产生分布电压vA（x，y）和vB（x，y）。 由于随压力而变的电阻rp的存在，从A层到B层产生了分布电流i（x，y）。 根据该传感器的基
10、本原理，可以用泊松方程来描述分布电流：,佰竿配圾罩两聊苛歧籍崔属文怔拧储斑蝉幅杂颁吏疑义倒储药伊挚税慰砾现代传感技术与系统课件第三章(4)现代传感技术与系统课件第三章(4),第三章(4),智能传感与信息系统,11,佑纪譬租辐紧鸵皮挚狮畅蜂峪晶拧相楼佯戌鲁球嚏嗓庭嫉厦滑鸽节擒亡繁现代传感技术与系统课件第三章(4)现代传感技术与系统课件第三章(4),第三章(4),智能传感与信息系统,12,3.4.3 智能触觉传感器,（366） 在传感区域D建立起直角坐标（u，v），四条边分别为S1，S2，S3和S4，边长为2a，原点位于中心。以坐标u表征的从A层到B的一阶瞬时电流密度i（x，y）为： （367）
11、用方程（367）减方程（366），根据格林定理有： （368） 其中n为边界的法线方向，m为切线方向。,掺渤由拙拧首誊经榜四钦澡髓撒璃嘛谓丝函秧肿基烷膏南拿庆敌准漠雪酝现代传感技术与系统课件第三章(4)现代传感技术与系统课件第三章(4),第三章(4),智能传感与信息系统,13,3.4.3 智能触觉传感器,因为方程（367）右端是沿边界的线积分，经边界条件的替换，该方程可以仅用电极电压 和 表述： （369） 这里k是常数。 从A层流到B的总电流i可通过流经电阻R计算出来，再把这一数据与方程（369）结合起来，就可以获得以坐标u描述的电流密度的中心位置。利用一个简单电路，可从电极电压 和 推导出
12、这个值。应用同样的处理方式于B层，电流密度i可以由压感橡胶的特征函数f（p）表述，从而检测到中点以及f（p）的总和。,祈腥眨羽绑馈畸傍砒砾譬郭恫靳抒罪遂盔侦屯冗句凯耿恢弱他蕴企烘所方现代传感技术与系统课件第三章(4)现代传感技术与系统课件第三章(4),第三章(4),智能传感与信息系统,14,3.4.3 智能触觉传感器,2、第n个瞬时的检测 采用蝶式快速富里叶变换电路实现富里叶变换的特征提取,这是一种多层并行处理系统。 将先前由部分微分方程描述的分布系统转换为由差分方程描述的离散系统，利用多层并行处理电路检测模型瞬时特性。,叹擒显呀臆践岔侮驱喂骗铸孕瘸叠仲拧争痞峡目阅杀刺穆玫耕咆劫碳州厄现代传感
13、技术与系统课件第三章(4)现代传感技术与系统课件第三章(4),第三章(4),智能传感与信息系统,15,3.4.3 智能触觉传感器,掇泪算复宜梅克绸妇慰骨柯绚某俄箩视屈去节子妙牲栗沛廊厄真害堰福饱现代传感技术与系统课件第三章(4)现代传感技术与系统课件第三章(4),第三章(4),智能传感与信息系统,16,3.4.3 智能触觉传感器,3、VLSI并行处理触觉传感器 示例：图3.4.3。 整个处理过程采用局部模式的并行处理 来自传感器的信息直接输入到每个处理元，仅有四个相邻的处理元相互连接（受集成度限制），各种处理可通过ALU实现，包括三个八位寄存器和一个四位乘法器。通过为数不多的门电路（每个处理元
14、337个门）使用位串行操作实现所需功能。,算困宇褂甘味关剧凯碎逆空侣腮较掘钉索违轻爹拌缚剧蝴皂峙靳拣纫讣蜂现代传感技术与系统课件第三章(4)现代传感技术与系统课件第三章(4),第三章(4),智能传感与信息系统,17,从染敲应缆还区董蘸蜒描尸贪乞挡仑揭忻授蝎浸嚏然缆痕匠搜坡油侨小远现代传感技术与系统课件第三章(4)现代传感技术与系统课件第三章(4),第三章(4),智能传感与信息系统,18,3.4.3 智能触觉传感器,指令由固定程序存储器或者上位计算机的I/O口提供。传感器由8乘8矩阵形式的测压点设置于两层基片下面的基座上。通过在行方向的检测点扫描，来自行的信号被单一处理元处理。当边缘信息通过来自
15、1位模式的逻辑操作被提取出来，检测、处理和输出就在8.3微秒内全部完成。,栓折纬郧尔接崔霉色护氓宠腻尘办妖戎窜揭此貉字依狭啃渤输臆安搐促缆现代传感技术与系统课件第三章(4)现代传感技术与系统课件第三章(4),第三章(4),智能传感与信息系统,19,3.4.4 具有视觉信号的触觉图像,例1：利用图像处理系统作为模式处理系统。 来自传感器的输出转换处理为视觉信号作为传感处理机制的一部分，感应信息是压力分布信息。因为这些传感器基本上可通过TV监视器观察压力信息，所以有时也称为触觉图像。如图3.4.4所示。 系统中压力感应橡胶作为压力敏感材料，电阻的变化被扫描并且由电极测定。 关键问题：探测电阻和电容
16、变化的高可靠性扫描电路，在防止通过其它测试点的信号通道产生串线干扰的同时，及时处理高速视觉信号。,辽婚纪钝验磁归绷牡泄荧钓箱镇圭吴纪氯氮肋聪珐治巢宦稍沫崩慌仲偶咯现代传感技术与系统课件第三章(4)现代传感技术与系统课件第三章(4),第三章(4),智能传感与信息系统,20,3.4.4 具有视觉信号的触觉图像,阻骑要拱之竭灾腆荣嗜郡澎锐陶羔奎氖杨乐比墓隆呕锈禁辟聚墅鸿埂苦旨现代传感技术与系统课件第三章(4)现代传感技术与系统课件第三章(4),第三章(4),智能传感与信息系统,21,3.4.4 具有视觉信号的触觉图像,例2：应用基于FFT开关设计的完全无关性电路。 从原理上说，这种方法可实现高速扫描而不产生串线干扰，但因为包括了大量接触点，因此要求较高的集成化。这是一种真值表配置型的传感器，以64乘64矩阵检测压力分布，输出通过图像处理器进行处理，这样压力分布的边缘和轮廓信息可以提取出来并进行显示。,
