基于仿生學研究的感覺傳感器介紹

摘要：近年來仿生學的研究帶動了感覺傳感器的發展，各種感覺傳感器層出不窮，如壓覺傳感器、接觸覺傳感器、視覺傳感器、滑覺傳感器等。感覺傳感器的飛速發展為工業自動化技術的進步注入了新的活力，文章主要對感覺傳感器進行介紹。

關鍵詞：感覺傳感器；仿生學；工業自動化

中圖分類號：Q811.213 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937(2010)24－0103-01

近年來，由于仿生學研究的發展，在傳感器市場上出現了一批新型的仿生傳感器。文章著重介紹幾種比較成熟的新型感覺傳感器及其工作原理。

1 壓覺傳感器

壓覺傳感器的主要功能是測量所接觸外界物體的壓力及其壓力分布。其敏感元件可由各類壓敏材料制成，常用的有壓敏導電橡膠，由碳纖維燒結而成的絲狀碳素纖維片和繩狀導電橡膠的排列面等。使用最多的是壓阻式和電容式，特別是硅電容壓覺傳感器得到了廣泛應用。

硅電容壓覺傳感器的結構組成。硅電容壓覺傳感器單位電容的兩個電極分別采用局部蝕刻的硅薄膜和玻璃板上被金屬化的極板組成。采用靜電作用把硅基片粘貼到玻璃襯板上，并用二氧化硅作電容極板與基片間的絕緣膜，將每行上的電容板連接起來，但行與行之間是絕緣的。行導線在槽里垂直地穿過硅片；金屬列線水平的分布在硅片槽下的玻璃板上，在單位區域內擴展成電容電極，這樣就形成一個X-Y平面的電容陣列。而在陣列上覆蓋有帶孔的保護蓋板，蓋板上有一塊帶孔的表面覆蓋有薄膜層的墊片，墊片上開有槽溝，其作用是減少局部作用力的圖像擴散。蓋板與墊片的孔連通，在孔中填滿諸如硅橡膠等可傳遞力的物質。

2 接觸覺傳感器

接觸覺傳感器的主要功能就是判斷機器人(主要指四肢)是否接觸到外界物體或測量被接觸物體的特征。針式差動傳感器，機械式(例如微動開關)接觸傳感器，導電橡膠，含碳海綿等都是常見的接觸覺傳感器。當接觸力作用時，這些傳感器通過通斷方式輸出高低電平進而實現傳感器對被接觸物體的感知。

針式差動傳感器及其工作原理。在針式差動傳感器的各觸針傳感器上繞有激勵線圈與檢測線圈，每個傳感器均由鋼針、塑料套筒、以及給每針桿加復位力的磷青銅彈簧等構成。它的基本工作原理是：當針桿與物體接觸產生位移時，其根部的磁性體將隨之運動，從而增強了兩個線圈間的耦合系數。通過控制電路使各行激勵線圈上加上交流電壓，檢測線圈的感應電壓，隨針桿位移增加，該電壓增大，通過掃描電路輪流讀出各列檢測線圈上的感應電壓。感應電壓實際上表明了針桿的位移量。電壓量通過CPU運算判斷，即可知道對象物體的特征或傳感器自身的感知特性。

3 視覺傳感器

視覺傳感器在眾多領域擁有非常寬廣的應用前景。當前已經投入市場的視覺傳感器的主要原理是先從一整幅圖像中捕獲光線的數以千計的像素。通常用分辨率來衡量圖像的清晰和細膩程度，并以像素數量表示。在捕獲圖像之后，視覺傳感器將其與預先存儲的基準圖像進行比較，做出分析。與光電傳感器相比，視覺傳感器賦予機器設計者更大的靈活性。視覺傳感器能夠檢驗更大的面積，并且還實現了更佳的目標位置和方向靈活性。

4 滑覺傳感器

滑覺傳感器實際上是一種位移傳感器，主要用于判斷和測量機器人抓握或搬運物體時物體所產生的滑移。滑覺傳感器的種類主要有球式滑動傳感器，滾軸式滑動傳感器等。按照有無滑動方向檢測功能可分為無方向性、單方向性和全方向性三類。無方向性傳感器有探針耳機式，它由藍寶石探針、金屬緩沖器、壓電羅謝爾鹽晶體和橡膠緩沖器組成。單方向性傳感器有滾筒光電式，它的工作原理主要是被抓物體的滑移使滾筒轉動導致光敏二極管接收到透過碼盤的光信號，然后通過滾筒的轉角信號而測出物體的滑動。全方向性傳感器采用表面包有絕緣材料并構成經緯分布的導電與不導電區的金屬球。當傳感器接觸物體并產生滑動時，球發生轉動，使球面上的導電與不導電醫交替接觸電極，從而產生通斷信號，通過對通斷信號的計數和判斷可測出滑移的大小和方向。

5 結語

雖然仿生傳感器的發展僅有30多年的歷史，但計算機技術和材料科學的飛速發展，極大地推動了感覺傳感器技術的發展，而感覺傳感器技術又直接影響著自動化技術的發展，相信在不久的將來，像壓覺傳感器、接觸覺傳感器、視覺傳感器這樣的新型感覺傳感器必定會在工業制造、農業生產、科學研究、國防建設等眾多領域得到廣泛的應用。

參考文獻：

[1]賀安之，閻大鵬，現代傳感器原理及應用[M]，北京：宇航出版社，1995，