2020年04月09日 | 机器人是如何知轻重的，全靠传感器来实现

2020-04-09 来源：AI科普驿站

（文章来源：科普驿站）
人体具有压觉，人体皮肤深层结构内存在大量压力感受器。当机械刺激导致皮肤变形时，会引起感受器及神经末梢变形，压力感受器进入兴奋状态，引起神经末梢发出神经冲动，传入大脑皮层感觉区产生压觉。

机器的压觉来自各种(Pressure Transducer)。压力传感器是能感受压力信号，并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的电信号的器件或装置，通常由基于不同物理效应的压力敏感元件和信号处理单元组成。下面介绍几种常见的压力传感器。

1. 基于金属应变效应的压力传感器，我们知道，金属导体的电阻值R与电阻率ρ和导体长度L成正比，与截面积S成反比。当金属导体受力而产生拉伸或压缩等机械变形时，L和S都会发生改变，从而引起电阻值发生变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。从图中可以看出，当金属导体受到拉力F作用时产生了拉伸变形，长度由L变为L+ΔL，面积由S缩小到S’，从而导致该导体电阻值增大。

利用金属的电阻应变效应可以制作压力传感器的感压元件——金属电阻应变片，常用的有金属丝式和金属箔式两种类型。下面的图给出一种金属丝电阻应变片的基本结构，由电阻丝式敏感栅、基底、覆盖层和引线四部分构成。电阻应变式压力传感器的工作大，输出信号也大，灵敏度就高。但工作电流过大会使应变片过热，甚至烧毁应变片。金属箔敏感珊与基底的接触面积比金属丝大，因此散热条件好，工作电流可取得更大一些。

2. 基于压阻效应的压力传感器，1954年美国材料学家C.S 史密斯在对硅和锗的电阻率与变化特性时发现，当受到外力作用时电阻率会发生变化，这种现象称为压阻效应。利用半导体的压阻效应制作的压力传感器的感压元件称为半导体电阻应变片，其灵敏系数比金属电阻应变片大几十倍，且机械滞后小，但温度稳定性和线性度比金属电阻应变片差得多。

在我们的日常生活中，随处可以发现压阻材料的应用。例如，一种称为压敏导电橡胶的压阻材料，在不受力时如同绝缘体，但施压时其电阻随着压力的增加而变小。利于这个特点，可以制作各种压控。无压力时压敏导电橡胶是绝缘体，如同开关断开；当压力达到某阈值时，其电阻大大降低，压敏导电橡胶转变为导体，如同开关接通。

金属的电阻应变效应与半导体的压阻效应都表现为感压元件的电阻随外力的变化而改变，两者的区别是：前者的电阻变化是截面和长度等结构尺寸变化所致，而后者的电阻变化是电阻率变化所致。

3. 基于压电效应的压力传感器，1880年，两位年轻的法国科学家兄弟皮埃尔·居里（erre Curie）和他的哥哥雅克·居里（Jacques Curie）发现具有一个特殊性质：当沿一定方向对满足一定对称性的晶体材料施加外力时，晶体材料会发生形状改变，同时其两个相对的表面上会出现正负相反的电荷，电荷量与受力大小成正比；当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变；当外力撤掉后，它又会恢复不带电状态。这个性质称为晶体的压电效应。

晶体是否具有压电效应，是由晶体结构的对称性所决定的。以石英晶体为例，从下图以看出，当没有外力作用时，石英晶体的结构对称性使其内部正负电荷的作用相互抵消，对外呈不带电状态。当在外力的作用下发生形状改变时，其结构对称性发生改变，内部正负电荷的作用不再相互抵消，出现了电极化，对外呈现带电状态。

利用压电效应可以制作压电。常用的压电材料有压电陶瓷、压电晶体、压电复合材料等，其应用遍及我们日常生活和高新技术领域的方方面面。例如，打火机、煤气灶、热水器、汽车等的点火要用到压电点火器，雷达、通信和导航设备中需要大量压电陶瓷，医学领域利用压电材料进行免疫检测、制作人工耳蜗等。
（责任编辑：fqj）

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