多維力傳感器研究的發(fā)展歷史及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1、0多維力傳感器研究的發(fā)展歷史及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1 傳感器的基本概念 ......................................................................................................................................12 多維力傳感器的發(fā)展歷史及應(yīng)用 ...................................

2、...........................................................................23 多維力傳感器的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r ..............................................................................................................34 多維力傳感器的分類(lèi) ....

3、..............................................................................................................................31、電阻應(yīng)變式多維力傳感器 ...............................................................................

4、.................................32、電容式多維力傳感器 ........................................................................................................................33、光學(xué)式多維力傳感器 .........................................

5、...............................................................................44、壓電式多維力傳感器 ........................................................................................................................41 傳感器的基

6、本概念 傳感器的基本概念傳感器是能感受被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或設(shè)置。傳感器是實(shí)現(xiàn)傳感功能的基本部件。傳感器技術(shù)的共性，就是利用物理定律和物質(zhì)的物理、化學(xué)或生物特性，將非電量（如位移、速度、加速度、力等）轉(zhuǎn)換成電量（電壓、電流、電容、電阻等） 。由傳感器的定義可知，傳感器要完成兩方面的功能：檢測(cè)和轉(zhuǎn)換。因此，傳感器通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。敏感元件是傳感器中能直接感受（或響應(yīng)）被測(cè)信息（非電量）的元件（如傳感器中

7、的彈性元件） 。轉(zhuǎn)換元件則是指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性母惺埽ɑ蝽憫?yīng)）信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的部分（如應(yīng)變式傳感器中的電阻應(yīng)變片） 。由以上分析可知，傳感器一般由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。但這種組成的傳感器通常輸出信號(hào)較弱，還需要信號(hào)調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路（或稱信號(hào)調(diào)理電路）將輸出信號(hào)進(jìn)行放大并轉(zhuǎn)換為容易傳輸、處理、記錄和顯示的形式。信號(hào)調(diào)理電路的作用主要可從兩方面來(lái)解釋?zhuān)阂皇前褋?lái)自傳感器的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)移和放大，使其更適合于作進(jìn)一步處理和傳輸，多種情況下是將

8、各種電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓、電流等少數(shù)幾種便于測(cè)量的電信號(hào)；二是進(jìn)行信號(hào)處理，即對(duì)經(jīng)過(guò)調(diào)理的信號(hào)，進(jìn)行濾波、調(diào)制和解調(diào)、衰減、運(yùn)算、數(shù)字化處理等。常見(jiàn)的信號(hào)調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換電路有放大器、電橋、振蕩器、電荷放大器等。另外，傳感器元件和信號(hào)調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路還需要輔助電源。傳感器的典型組成如圖 1 所示2的感知，二是感知后機(jī)器的實(shí)時(shí)行動(dòng)。感知和行動(dòng)的高度統(tǒng)一是智能機(jī)器人研究的必然要求，是對(duì)環(huán)境和對(duì)象的感知、適應(yīng)和行動(dòng)。例如裝在機(jī)器人腕部的六維腕力傳感器可以

9、用來(lái)檢測(cè)機(jī)器人操作手與外部環(huán)境接觸時(shí)或者抓取工件時(shí)所能承受的力和力矩。運(yùn)用多維腕力傳感器使機(jī)器人具有力覺(jué)和力位置控制功能，從而能進(jìn)行零力示教、輪廓跟蹤、雙手協(xié)調(diào)、柔性裝配、機(jī)器人力反饋控制、機(jī)器人去毛刺和磨削等。做可能對(duì)人體造成傷害的工作，如噴漆、重物搬運(yùn)等；做工作質(zhì)量要求很高、人們難以長(zhǎng)時(shí)間勝任的工作，如汽車(chē)焊接、精密裝配等；做一些工作人員無(wú)法身臨其境的工作，如水下機(jī)器人幫助打撈沉船、鋪設(shè)電纜，工程機(jī)器人上山入地、開(kāi)洞筑路，農(nóng)業(yè)機(jī)器人

10、耕耘播種、施肥除蟲(chóng)，軍用機(jī)器人沖鋒陷陣、排雷排彈。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，多維力傳感器的應(yīng)用已不再僅僅局限于機(jī)器人領(lǐng)域，許多科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域都采用多維力傳感器作為其測(cè)量手段。多維力傳感器在航空航天及機(jī)械加工、汽車(chē)等行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，如風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)安裝測(cè)試、精密裝配、自動(dòng)磨削、切削力測(cè)量、運(yùn)動(dòng)員輔助訓(xùn)練、輔助醫(yī)療手術(shù)等。因此，隨著多維力傳感器應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓寬，其研究?jī)r(jià)值也越發(fā)顯著。3 多維力傳感器的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 多維力傳感器的

11、國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r早在七十年代初，瑞士聯(lián)邦工學(xué)院就開(kāi)始了多維力傳感器方面的研究，并設(shè)計(jì)了一種以電阻應(yīng)變片為敏感元件的六維力傳感器。隨后，日本、美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、比利時(shí)和以色列等國(guó)也相繼進(jìn)行了探索和研究，先后設(shè)計(jì)了適用于多種工作場(chǎng)合的六維力傳感器[2]。美國(guó)的 P.C.Waston 于 1975 年設(shè)計(jì)了一種三垂直筋結(jié)構(gòu)的六維力傳感器。三個(gè)垂直筋的外表面均可以測(cè)剪切應(yīng)變，而內(nèi)表面則用來(lái)測(cè)拉、壓應(yīng)變。該結(jié)構(gòu)的顯著特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)極其簡(jiǎn)單，承載能力強(qiáng)，