一种十字型阵列的光纤光栅柔性力觉传感器

力觉是仿生体智能感知的重要内容,本文提出一种基于光纤布拉格光栅双层分布式阵列单元的力觉传感器,基于纤布拉格光栅的传感机理,设计了一种十字型光纤布拉格光栅阵列单元,埋置入聚合物材料中并进行了仿真分析,搭建力觉传感实验平台,完成了温度,压力和剪切力传感实验并进行了重复性分析。仿真和实验结果表明,该力觉传感器能实现力觉信息检测,并具有良好的线性度和重复性。FBG1和FBG2的温度灵敏度分别为13.3pm/ ℃和12.8pm/ ℃ 。FBG1和FBG2的正向压力灵敏度分别为0.0258nm/N和0.0284nm/N,百分误差平均值分别为2.77%和2.59%。FBG1x正向剪切力灵敏度为0.0536nm/N,百分误差平均值为 3.77%。该传感器有望应用于力觉传感领域,具有一定的应用价值。     

变宽度悬臂梁的FBG流速传感器

通过对光纤传感器进行设计,提出了一种基于变宽度悬臂梁的光纤(Bragg)光栅(FBG)流速传感器.传感部分由不锈钢材质的悬臂梁和粘贴在其特定位置上的FBG构成,悬臂梁采用等腰梯形和矩形相结合的外形结构设计,传感头两部分之间的衔接不需要用销子固定,整个传感头浑然一体,无额外附加重量,制作方法简易,且实验设置参考光栅,实验结果不受温度变化的影响.实验表明:传感器的Bragg波长漂移量与流速变化有很好的线性关系,传感器的灵敏度为0.025 m/s.可测流速范围为0～2 m/s,传感器不仅实现了对温度的补偿,而且提高了测量精度、灵敏度.     

可拼接式全柔性电容触觉阵列传感器设计与实验

针对现有机器人触觉传感器存在可穿戴性与可移植性差、不易维护及扩展等缺点,提出了一种可用于机器人仿生皮肤的全柔性电容式触觉传感器,并设计成12×12正方形触觉传感阵列和正六边形触觉模块两种可拼接式阵列结构.以炭黑填充硅橡胶作为电容式触觉传感器的弹性电介质,聚酰亚胺为柔性基体,有机硅导电银胶和金属膜为上下两柔性极板,共同构成压力敏感单元.介绍了电容式柔性触觉传感器的工作原理、结构设计及两种与之对应的电容触觉阵列无线数据采集与处理系统.实验结果表明,该全柔性电容式触觉阵列传感器及信号提取系统具有良好的稳定性与灵敏度,可用作人工皮肤实现全触觉感知.     

柔性温度压力仿生皮肤的模块化设计与实现

为实现电子仿生皮肤的模块化设计,以石墨烯纳米片制备薄膜温敏传感器,同时,以炭黑/硅橡胶复合材料为弹性电介质、有机硅导电银胶为柔性上极板设计电容式力敏传感器,在此基础上,以聚酰亚胺为柔性基体,提出一种可用作智能机器人仿生皮肤的全柔性温度/压力触觉传感器,并设计成具有可拼接特点的模块化阵列结构.介绍柔性温度/压力触觉传感器的结构设计、检测机理以及信号采集与处理系统.通过温度、压力及温度/压力复合感知实验表明,该柔性温度/压力复合式触觉传感阵列及信号提取系统可实现触觉感知功能,为可穿戴式人工皮肤的研究提供了一种设计方案.     

新型智能机器人触觉传感服装阵列标定的研究

为使智能机器人在汽车冲撞试验中获得准确的触觉信息,研发了一种基于导电橡胶压阻特性的新型触觉传感服装阵列.针对该传感阵列设计了静态标定试验装置,在常温下(25℃)研究了不同型号的导电橡胶( N05,N10,N15)的压阻行为特性,选出压敏性最佳的N10作为触觉传感服装的敏感元件;在此基础上提出了标定方案,标定结果表明:高...     

温度补偿的FBG式飞机驾驶杆力传感器

在理论分析飞机驾驶杆弹性元件受力后应变分布特征的基础上,设计了基于光纤布拉格光栅（FBG）的宽温度范围杆力传感器。在30℃～80℃温度范围内,通过对飞机驾驶杆弹性元件施加横向和纵向载荷,实验研究了基于FBG的宽温度范围飞机驾驶杆力传感器的响应特性。实验结果表明,该传感器的纵向和横向灵敏度分别为4.74pm/N和5.16pm/N,纵向和横向灵敏度的温度补偿误差分别为0.76%和0.54%。     

导电橡胶触觉传感器阵列的标定实验研究

导电橡胶传感器是智能机器人服装的核心机件;标定出导电橡胶传感器的压阻特性是实现智能机器人触觉传感服装的核心内容之一;实验中,将导电橡胶安装在柔性阵列电极板里制作成触觉传感器阵列服装。对该传感器提出多种测量方法,确立其标定模型;给出数据建模的一般步骤。指出导电橡胶传感器设计的改进方向与部分方法。     

用于脉搏波检测的背接触式触觉传感阵列单元

触觉传感器在脉搏波测量、仿生机器人等领域有重要应用。该方案制作背接触式传感器,并通过转移工艺实现芯片加工和圆片级芯片尺寸封装一体化,用组装工艺低成本实现大面积柔性触觉阵列,采用模块化设计,正压力与剪切力传感单元的尺寸和布线相同,制作可组装的标准单元,在传感器转移工艺中,采用无电极化学腐蚀自停止工艺,提高成品率。传感单元尺寸仅为300μｍ×300μｍ,与人类触觉传感的极限可比拟,灵敏度为2mV/10kPa,量程为150kPa,已用于研制新型脉诊仪的柔性传感阵列?实现了脉搏波的实时测量。     

光纤Bragg光栅力觉传感器在健康医疗领域的应用

在微创手术等现代医疗过程中普遍存在力触觉反馈缺失、健康体征监测系统有待完善和提升等问题，使得力触觉感知成为了机器人领域中热门的研究方向。传统的电学类传感器存在明显的体积大和生物相容性差等问题，难以直接应用于微创手术等场景。光纤Bragg光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)传感技术因其抗电磁干扰能力强、生物相容性高、宽带宽和尺寸小等特点，正被广泛应用于健康医疗领域。主要介绍了FBG力觉传感器的工作原理及其传感特性，详细叙述了国内外基于FBG的力触觉传感器在健康医疗方面的研究现状和应用情况，并展望了光纤光栅式力觉传感技术在健康医疗领域的发展趋势。     

FBG应变传感器标定过程中的不确定度研究

为实现光纤Bragg光栅(FBG)应变传感器静态的性能测试和试验分析,设计了一种量程为700×10-6的FBG应变传感器标定装置对其进行校准实验.通过运用最小二乘法对解调仪中的中心波长和计算得出的应变量进行拟合,得到FBG应变传感器的静态标定系数,并分析标定装置的不确定度大小.结果表明:该FBG应变传感器标定装置合成不确定度是2.55×10-6,标定得出的FBG应变传感器的灵敏度1.37 ×10-3nm/10-6,线性度为99.72％,满足FBG应变传感器的标定要求,该传感器能够运用于工程实际中.     

无外力影响光纤Bragg光栅封装温度传感器

双出头光纤光栅温度传感器很容易因传输线路受到外力作用而产生测试误差。为了解决这个问题,针对原型和增敏2种情况,分别提出无外力影响的新型封装方法,有效地阻止了外力对光纤光栅的影响,并在5~95℃进行了灵敏度标定和外力影响试验,同时,对比了在封装管内填充热良导体和不填充热良导体对温度传感特性的影响。结果表明:采用该工艺封装的光纤光栅温度传感器线性度很好,相关系数均达到0.999以上;原型封装的灵敏度与裸光栅一致,增敏封装的灵敏度是裸光栅的2.86倍;填充热良导体后的传感器对温度的响应速度获得提高,而灵敏度和线性度未受影响;当温度不变时,传感器两端受到80 N的外力作用时,波长读数不产生变化,达到了无外力影响的封装效果。     

Development of a flexible three-axial tactile sensor array for a robotic finger

In this paper, we propose a flexible three-axial tactile sensor array for measuring both normal and shear loads. The sensor array has 16 tactile sensor units based on piezoresistive strain gauge. It is constructed on a Kapton polyimide film using advanced polymer micromachining technologies. Thin metal strain gauges are embedded in polyimide to measure normal and shear loads, which are tested by applying forces from 0 to 1?N. The developed sensor unit had a hysteresis error of about 9% and repeatability error of about 1.31%. The sensor showed a good resulting image when pressed by a circle-shaped object with 10?N loads. The proposed flexible three-axial tactile sensor array can be applied in a curved or compliant surface that requires slip detection and flexibility, such as a robotic finger.     

光纤Bragg光栅温度传感器封装方法研究

封装方法的研究对于光纤光栅应用于温度传感有着重要的意义.封装后的光纤光栅温度传感器必须具备良好的线性度和重复性.提出了一种使用细钢管进行封装的新方法.研究中发现,在封装时通过给光纤光栅施加预张力可以使封装后的光纤光栅温度传感器具备良好的重复性.实验表明:采用此方法封装的光纤光栅温度传感器具有良好的线性度和重复性,具有实际应用价值.     

一种基片式光纤光栅应变增敏传感器

针对传统裸光栅直接粘贴式应变传感器应变灵敏度小的缺陷,提出了一种基片式光纤光栅应变增敏传感器,通过设计杠杆增敏结构的封装基片实现对光纤光栅的应变增敏.该传感器具有较大的应变放大机制,其测量精度与稳定性超过了裸光纤光栅.建立了该传感器的理论感知模型,并进行了与有限元仿真分析.由等强度悬臂梁标定实验可得该传感器实际应变灵敏度为6.122 pm/με,与理论结果和仿真结果一致,且线性度达到0.99998.通过动态激振实验对该应变增敏传感器的动态响应进行研究,实验结果表明该传感器能够在0～100 Hz范围内保持一致的增敏效果,能够良好的跟踪动态应变.该传感器在大型机械装备的健康监测与故障诊断方面具有良好的应用前景.     

三维柔性触觉/热觉传感器设计与仿真

针对目前触觉传感器研究中不能兼有柔韧性、多维力测量和热觉与触觉信号混杂等难题,设计了一种柔性多功能触觉/热觉传感器。介绍了该传感器的基本结构,并基于聚偏氟乙烯（ PVDF）薄膜的特性建立了三维力并行测量的数学模型。触觉检测基于PVDF的压电效应,热觉检测基于PVDF的热释电效应。通过对触觉和热觉信号做比例减法运算,从而彻底区分触觉和热觉信号。     

Flexible Tactile Sensor for Tissue Elasticity Measurements

This paper presents a novel tactile sensing technique for tissue elasticity measurements. A prototype flexible tactile sensor has been successfully fabricated using polydimethylsiloxane as the structural material. The proposed sensor comprises an array of capacitors with no active elements used. By varying the sizes of sensing membranes within the capacitors, different stiffnesses of sensing diaphragms can be achieved. The elasticity of the targeted object can be thereafter measured based on the relative deflections of the sensing diaphragms. The fabricated sensor has been calibrated by an off-the-shelf polymer durometer hardness selector pack. The results show a sensing resolution of 0.1 MPa for elasticity measurement and a force sensing resolution as small as 5 mN. This flexible tactile sensor can be embedded on the distal portions of various endoscopic instruments for in vivo tissue elasticity measurements. $hfill$[2009-0143]      

一种实时校准的光纤Bragg光栅传感器解调系统

为了提高光纤Bragg光栅（FBG）传感器阵列的信号解调精度,基于窄带光源问讯解调原理,提出了引入带标记热稳定标准具模块来实现实时校准的方案,利用12位A／D采集模块将信号采入计算机,在虚拟仪器软件LabVIEW下处理信号,峰值检测方法为分段寻峰。实验表明：该方案对FBG传感器中心波长位移的最大解调精度为1pm,相对于无实时校准模块方案下的解调精度提高了10倍以上,在应变为1×10^-4的范围内,测量误差小于1.5×10^-6。     

压阻式触觉传感器对法向力和剪切力的检测

灵活的触觉传感器应该具有像皮肤一样的功能,能够检测施加力的大小和方向.改进的压阻式触觉传感器,主要由中心芯和4个侧壁组成,法向力和剪切力的感测元件不同.将压阻式触觉传感器嵌入到一个聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性体中,以实现力的柔性检测.通过仿真分析,得到此种触觉传感器对法向力的检测范围为600 Pa~65 kPa,可测得的最小剪切力为900 Pa.通过进一步分析,得到施加法向力和剪切力时法向力感测元件阻值的变化曲线,可得此种触觉传感器能够有效降低法向力感测元件与剪切力感测元件之间的干扰.所开发的触觉传感器可以灵活检测施加的法向力和剪切力,可应用于机器人手臂和假肢上.