機(jī)器人是如何知輕重的，全靠傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)

（文章來(lái)源：AI科普驛站）
? ? ?? 人體具有壓覺，人體皮膚深層結(jié)構(gòu)內(nèi)存在大量壓力感受器。當(dāng)機(jī)械刺激導(dǎo)致皮膚變形時(shí)，會(huì)引起感受器及神經(jīng)末梢變形，壓力感受器進(jìn)入興奮狀態(tài)，引起神經(jīng)末梢發(fā)出神經(jīng)沖動(dòng)，傳入大腦皮層感覺區(qū)產(chǎn)生壓覺。

機(jī)器的壓覺來(lái)自各種壓力傳感器(Pressure Transducer)。壓力傳感器是能感受壓力信號(hào)，并能按照一定的規(guī)律將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成可用的電信號(hào)的器件或裝置，通常由基于不同物理效應(yīng)的壓力敏感元件和信號(hào)處理單元組成。下面介紹幾種常見的壓力傳感器。

1. 基于金屬電阻應(yīng)變效應(yīng)的壓力傳感器，我們知道，金屬導(dǎo)體的電阻值R與電阻率ρ和導(dǎo)體長(zhǎng)度L成正比，與截面積S成反比。當(dāng)金屬導(dǎo)體受力而產(chǎn)生拉伸或壓縮等機(jī)械變形時(shí)，L和S都會(huì)發(fā)生改變，從而引起電阻值發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。從圖中可以看出，當(dāng)金屬導(dǎo)體受到拉力F作用時(shí)產(chǎn)生了拉伸變形，長(zhǎng)度由L變?yōu)長(zhǎng)+ΔL，面積由S縮小到S’，從而導(dǎo)致該導(dǎo)體電阻值增大。

利用金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)可以制作壓力傳感器的感壓元件——金屬電阻應(yīng)變片，常用的有金屬絲式和金屬箔式兩種類型。下面的圖給出一種金屬絲電阻應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)，由電阻絲式敏感柵、基底、覆蓋層和引線四部分構(gòu)成。電阻應(yīng)變式壓力傳感器的工作電流大，輸出信號(hào)也大，靈敏度就高。但工作電流過大會(huì)使應(yīng)變片過熱，甚至燒毀應(yīng)變片。金屬箔敏感珊與基底的接觸面積比金屬絲大，因此散熱條件好，工作電流可取得更大一些。

2. 基于壓阻效應(yīng)的壓力傳感器，1954年美國(guó)材料學(xué)家C.S 史密斯在對(duì)硅和鍺的電阻率與應(yīng)力變化特性測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)受到外力作用時(shí)電阻率會(huì)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。利用半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)制作的壓力傳感器的感壓元件稱為半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片，其靈敏系數(shù)比金屬電阻應(yīng)變片大幾十倍，且機(jī)械滯后小，但溫度穩(wěn)定性和線性度比金屬電阻應(yīng)變片差得多。

在我們的日常生活中，隨處可以發(fā)現(xiàn)壓阻材料的應(yīng)用。例如，一種稱為壓敏導(dǎo)電橡膠的壓阻材料，在不受力時(shí)如同絕緣體，但施壓時(shí)其電阻隨著壓力的增加而變小。利于這個(gè)特點(diǎn)，可以制作各種壓控開關(guān)。無(wú)壓力時(shí)壓敏導(dǎo)電橡膠是絕緣體，如同開關(guān)斷開；當(dāng)壓力達(dá)到某閾值時(shí)，其電阻大大降低，壓敏導(dǎo)電橡膠轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)體，如同開關(guān)接通。

金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)與半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)都表現(xiàn)為感壓元件的電阻隨外力的變化而改變，兩者的區(qū)別是：前者的電阻變化是截面和長(zhǎng)度等結(jié)構(gòu)尺寸變化所致，而后者的電阻變化是電阻率變化所致。

3. 基于壓電效應(yīng)的壓力傳感器，1880年，兩位年輕的法國(guó)科學(xué)家兄弟皮埃爾·居里（Pierre Curie）和他的哥哥雅克·居里（Jacques Curie）發(fā)現(xiàn)晶體具有一個(gè)特殊性質(zhì)：當(dāng)沿一定方向?qū)M足一定對(duì)稱性的晶體材料施加外力時(shí)，晶體材料會(huì)發(fā)生形狀改變，同時(shí)其兩個(gè)相對(duì)的表面上會(huì)出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷，電荷量與受力大小成正比；當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨著改變；當(dāng)外力撤掉后，它又會(huì)恢復(fù)不帶電狀態(tài)。這個(gè)性質(zhì)稱為晶體的壓電效應(yīng)。

晶體是否具有壓電效應(yīng)，是由晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性所決定的。以石英晶體為例，從下圖以看出，當(dāng)沒有外力作用時(shí)，石英晶體的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性使其內(nèi)部正負(fù)電荷的作用相互抵消，對(duì)外呈不帶電狀態(tài)。當(dāng)在外力的作用下發(fā)生形狀改變時(shí)，其結(jié)構(gòu)對(duì)稱性發(fā)生改變，內(nèi)部正負(fù)電荷的作用不再相互抵消，出現(xiàn)了電極化，對(duì)外呈現(xiàn)帶電狀態(tài)。

利用壓電效應(yīng)可以制作壓電傳感器。常用的壓電材料有壓電陶瓷、壓電晶體、壓電復(fù)合材料等，其應(yīng)用遍及我們?nèi)粘Ｉ詈透咝录夹g(shù)領(lǐng)域的方方面面。例如，打火機(jī)、煤氣灶、熱水器、汽車等的點(diǎn)火要用到壓電點(diǎn)火器，雷達(dá)、通信和導(dǎo)航設(shè)備中需要大量壓電陶瓷濾波器，醫(yī)學(xué)領(lǐng)域利用壓電材料進(jìn)行免疫檢測(cè)、制作人工耳蝸等。
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