新型传感技术：机械工程的动力

新型传感技术：机械工程的动力

一、姿势感知

姿势感知是通过结合使用非接触位置传感器和姿态传感器来跟踪物体的空间位置和方向的变化来实现的。

1) 非接触式位置传感器

与接触式位置传感器不同，非接触式位置传感器是利用霍尔效应、磁阻、电磁感应原理、电容原理等技术设计和制造的。这些传感器不会经历相对摩擦，从而延长了它们的使用寿命。

在过去的几十年里，电位器因其设计简单、制造技术成熟、成本低廉而被用于位置和角度测量。

然而，它们固有的局限性也阻碍了它们的发展。国际知名汽车零部件制造商十多年前就开始致力于非接触式位置传感器的研发。

2) 感应式位置传感器

电感式位置传感器基于电磁感应原理工作，当导体移动切割磁力线时，导体中会产生感应电流，该导体是闭合电路的一部分。

与其他角度传感器类似，它们由定子和转子组成。通常有两种类型的感应式位置传感器。

第一种是线圈绕制式，需要较大的铁芯来绕制感应线圈。该类型体积大，结构复杂，需要后端信号调理电路。

尽管测量精度较高，但价格相对较高，目前主要用于EPS系统中的扭矩测量，KOYO和NSK都有此类产品。

第二种是平面线圈型。平面线圈电感式传感器的定子由平面励磁线圈、接收线圈和电子元件（包括标准 PCB 和 ASIC）组成。

转子由具有特定几何形状的冲压导线制成（由导电材料或 PCB 组件制成）。

目前，德国海拉公司采用平面线圈位置传感器技术开发的位置传感器广泛应用于油门踏板和执行器的角度反馈。

平面线圈位置传感器具有相对简单的设计结构。PCB上的定子由一个励磁线圈、三个感应接收线圈和其他信号处理电子元件组成，而转子是一个简单的冲压金属件。

电感式位置传感器的关键不在于平面线圈图形的设计，而在于定制芯片技术。

芯片的信号处理单元接受来自线圈的电压信号，进行整流、放大，并按比例成对输出。

输出信号包括模拟信号、脉冲调制信号和总线通信。它们可以在 -40 至 +50 摄氏度的温度范围内运行，并可承受高达 30 克的振动，表现出出色的可靠性、使用寿命和防潮性。

它们还可以在各种形式的电磁场下发挥作用。电感式位置传感器的制造挑战在于平面线圈的化学蚀刻技术水平和定制信号处理单元的封装技术。

如果不使用定制芯片，成本将会明显更高。

电感式位置传感器具有以下优点：它们受机械公差的影响最小，不需要温度补偿设置，不需要额外的磁性材料，并且不受磁场和电信号的干扰。

它们可以满足汽车电磁兼容性的所有要求，测量角度可达360度甚至更大，并且高度灵活。

它们可以测量角位移和线性位移。传感器在整个使用寿命和整个温度范围内的精度保持在 1% 以内。

在机电设备中，该技术可以将传感器与其他电子元件集成在同一 PCB 上。

海拉传感器的简单布局是其最大的优势之一，因为将它们集成到控制单元中不需要额外的外壳或线束。这简化了接线并减少了连接器，进一步提高了可靠性。

3）姿态传感器

姿态传感器是基于MEMS技术的高性能三维运动姿态测量系统。

它们包含三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴电子罗盘等辅助运动传感器，通过嵌入式低功耗 ARM 处理器输出校准的角速度、加速度和磁数据。

该系统利用基于四元数的传感器数据算法测量运动姿态，并输出以四元数和欧拉角表示的实时零漂移三维姿态数据。

姿态传感器广泛应用于需要低成本、高动态三维姿态测量的产品和设备，如航模无人机、机器人、天线平台、聚光太阳能、地面和水下设备、虚拟现实、人体运动等分析。

陀螺仪是一种利用高速旋转体及其敏感外壳相对于惯性空间的动量来检测绕与自转轴正交的一个或两个轴的角运动的装置。

具有相同功能但采用其他原理制造的设备也称为陀螺仪。（图1）

2. 灵活的传感
目前，各种传感器广泛应用于许多智能检测设备中。其应用遍及工业生产、海洋探索、环境保护、医疗诊断、生物工程、太空开发、智能家居等领域。

随着信息时代需求的不断升级，人们对测量信息的范围、精度、稳定性等性能参数的期望也逐渐提高。

这对标准传感器提出了新的挑战，特别是在特殊环境和信号下的气体、压力和湿度的测量要求方面。

另请参见 电动机轴承润滑剂的基本参数
针对日益增多的特殊信号和环境，新型传感器技术呈现以下趋势发展：新材料、新工艺、创新传感器的发展；实现传感器集成化、智能化；传感器技术硬件系统和组件的小型化；以及传感器与其他学科的集成。

同时，人们还希望传感器具有透明性、灵活性、可扩展性、自由弯曲甚至折叠能力、便携性和耐磨性。随着柔性基板材料的进步，满足所有这些趋势特征的柔性传感器也相应出现。

1）柔性传感器的特点

与刚性材料相比，柔性材料通常表现出柔软、低模量和易于变形等特性。常见的柔性材料包括聚乙烯醇（PVA）、聚酯（PET）、聚酰亚胺（PI）、聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）、纸张和纺织材料。

柔性传感器是由这些柔性材料制成的传感器，具有出色的灵活性、可扩展性，甚至可以自由弯曲或折叠。

结构设计多样，可根据测量条件按需布置，方便复杂物体的检查。

这些新型柔性传感器广泛应用于电子皮肤、医疗保健、电子、电气工程、运动器材、纺织、航空航天和环境监测等各个领域。

2）柔性传感器的分类

柔性传感器种类繁多，分类方法也多种多样。按用途分类，柔性传感器包括压力传感器、气体传感器（用于酒精检测）、湿度传感器（用于天气预报）、温度传感器（如温度计）、应变传感器、磁阻传感器和热流量传感器（用于冰箱）。

按检测机制分类，柔性传感器包括电阻式、电容式、磁压式和电感式。

3）常见柔性传感器

(1) 柔性气体传感器

柔性气体传感器利用布置在电极表面上的气敏薄膜材料和柔性基板。

它们的特点是轻便、柔韧、易于弯曲，并且具有大规模生产的潜力。薄膜材料以其高灵敏度和相对简单的制造工艺而受到广泛关注。

这充分满足了气体传感器在特殊环境下的便携性和低功耗要求，克服了传统气体传感器不便携、测量范围不全、规模小、成本高等限制。它们可以对NH、NO和乙醇气体进行简单而精确的检测，从而引起了广泛的关注。

(2) 柔性压力传感器

柔性压力传感器广泛应用于智能服装、智能运动、机器人“皮肤”等领域。

聚偏二氟乙烯、硅橡胶和聚酰亚胺作为其基材，已广泛应用于柔性压力传感器的制造。

这些材料与使用金属应变片的力传感器和使用 n 型半导体芯片的常见扩散压力传感器不同，具有卓越的灵活性、导电性和压阻特性。（图2）

图 2：柔性压力传感器
(3) 柔性湿度传感器

湿度传感器主要包括两种类型：电阻式和电容式。湿度计的特点是在基材上涂有湿敏层，当空气中的水蒸气被湿敏膜吸收时，电阻和电阻率会发生变化。

该特性可用于测量湿度。吸湿电容器一般由聚合物薄膜制成，常见的材料包括聚苯乙烯、聚酰亚胺、醋酸丁酸纤维素等。

湿度传感器正迅速从简单的吸湿元件发展为集成化、智能化、多参数的检测设备。传统的干湿球湿度计或毛发湿度计已经不能满足现代科学的需要。

柔性湿度传感器由于其低成本、低能耗、易于制造以及集成到智能系统中而得到了广泛的研究。

制作这种柔性湿度传感器的基材与其他柔性传感器类似，制作湿敏薄膜的方法有很多，包括浸涂、旋涂、丝网印刷和喷墨印刷。

柔性传感器结构用途广泛，可布置以满足测量条件的要求。它们可以方便、准确地测量特殊环境和信号，解决传感器的小型化、集成化和智能化发展问题。

这些新型柔性传感器在电子皮肤、生物医学、可穿戴电子产品和航空航天领域发挥着至关重要的作用。然而，目前用于柔性传感器的碳纳米管和石墨烯等材料的制备技术水平尚不成熟，并且成本、应用范围和寿命等问题仍然存在。

普通柔性基板不耐热，导致柔性基板与薄膜材料之间应力大、附着力弱。柔性传感器的组装、排列、集成和封装技术也需要进一步改进。

4) 柔性传感器的常用材料

(1)柔性基板

为了满足柔性电子器件的需求，轻质、透明、柔韧、拉伸、绝缘、耐腐蚀等性能成为柔性基板的关键指标。

在柔性基材的众多选择中，聚二甲基硅氧烷（PDMS）成为首选。其优点是易得、化学性质稳定、透明、热稳定性好。

尤其是其在紫外光照射下具有明显的粘合区和非粘合区的特性，使得电子材料很容易粘附在其表面。

许多柔性电子器件通过减小基板的厚度来实现显着的可弯曲性；然而，该方法仅限于几乎平坦的基材表面。相比之下，可拉伸电子设备可以完全粘附在复杂且不平坦的表面上。

目前，通常有两种策略来实现可穿戴传感器的可拉伸性。

第一种方法是将低杨氏模量的薄导电材料直接粘附到柔性基板上；第二种方法是使用本质上可拉伸的导体来组装设备，通常通过将导电材料混合到弹性底座中来制备。

另请参见 压铸与压铸。精密铸造：终极指南
(2)金属材料

金属材料通常包括金、银和铜等导电材料，主要用于电极和导体。

在现代印刷工艺中，导电材料通常采用导电纳米油墨，包括纳米颗粒和纳米线。除了优异的导电性外，金属纳米颗粒还可以烧结成薄膜或电线。

(3)无机半导体材料

以ZnO和ZnS为代表的无机半导体材料因其优异的压电性能在可穿戴柔性电子传感器领域显示出广阔的应用前景。

(4) 有机材料

大规模压力传感器阵列对于可穿戴传感器的未来发展至关重要。基于压阻和电容信号机制的压力传感器会受到信号串扰的影响，从而导致测量不准确。

这个问题是可穿戴传感器发展中最大的挑战之一。晶体管的使用提供了减少信号串扰的解决方案。

因此，可穿戴传感器和人工智能领域的许多研究都集中在如何获得大规模柔性压敏晶体管。

5）柔性传感器的应用

柔性电子横跨多个领域，包括华为发布的采用柔性电子技术的柔性可折叠手机。

通常，柔性电子产品由有机和无机材料的混合物制成，具有出色的灵活性。柔性传感器由柔性材料制成，具有令人印象深刻的环境适应性。

随着物联网和人工智能的发展，许多柔性传感器呈现出高集成度和智能化的特点。

柔性传感器的优点呈现出广阔的应用前景，包括在医疗电子、环境监测和可穿戴设备等领域。

例如，在环境监测领域，科学家可以在设备中放置灵活的传感器来监测台风和风暴的强度。

在可穿戴设备方面，考虑到人体的非平坦性，柔性电子产品更擅长测试皮肤相关参数。

柔性压力传感器广泛应用于智能服装、智能运动、机器人“皮肤”等领域。聚偏二氟乙烯、硅橡胶和聚酰亚胺作为基材，已广泛应用于柔性压力传感器的制造。

这些材料不同于使用金属应变片的力传感器和使用n型半导体芯片的一般压力传感器，表现出卓越的柔韧性、导电性和压阻特性。

于建平和他的团队提出了一种新型三维柔性电容式触觉传感器阵列，能够同时测量压力和剪切力。

采用基于柔性印刷电路板（FPCB）的感应电极层和基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）的浮动电极层，将脆弱的接口电路处理在底部的感应电极层上，显着增强了传感器阵列的抗弯刚度。

易伟景及其团队开发的在针织物上涂覆碳基导电复合材料形成的导电针织物具有显着的压阻性能。

该导电针织物在压力范围内的压力与电阻关系呈现良好的线性关系和优异的重复性。

该织物可用于智能服装、柔性人体模型等压力测量，对可穿戴设备研究具有重要意义。采用PEN作为柔性衬底、有机材料作为导电层制造的浮栅存储器具有优异的性能，所得的柔性压力传感阵列还具有高分辨率。

SOHM等人通过将PDMS电极层嵌入垂直排列的碳纳米管阵列中，创建了柔性压力传感器，它可以模拟触觉传感功能，并可用于机器人“皮肤”研究。

3. 工件感知与识别

工件的识别是工业制造中必不可少的步骤。主要目标是辨别送入机床进行加工的工件或毛坯是否确实是预期的工件或毛坯，以及识别它们当前的位置信息。

在小规模作业或自动化要求不高的行业中，这种工件的检测和识别可以手动执行。

然而，在大规模工业制造或柔性自动化制造系统中，大量不同的工件被自动输送到系统内的各种加工设备中，需要自动检测和识别。

计算机视觉和人工智能的结合用于自动工件识别和检测是当前研究的重要领域。

据统计，人类处理的信息80%以上来自视觉输入，这使得视觉传感器在获取工作空间和工件信息方面具有多种优势：

(1) 即使在丢弃很大一部分视觉数据之后，关于周围环境的剩余信息通常比激光雷达或超声波传感器提供的信息更加丰富和准确。

(2)激光雷达和超声波传感器通过主动发射脉冲并接收反射脉冲来测量距离。因此，当工作台上同时存在多个工件时，它们之间可能会发生干扰。然而，视觉测量不存在这个问题，因为视觉测量是被动的。

(3)激光雷达和超声波传感器的数据采样周期通常比摄像头长，这使得它们向高速机器人提供信息的效率较低。相反，视觉传感器提供更快的采样率。

当然，视觉传感器也有其缺点，例如在雾天、阳光直射和夜间的情况下，视觉传感器的效果不如毫米波雷达等主动传感器。

有源传感器可以直接测量目标的距离和速度等参数，而视觉传感器则需要计算才能获得这些参数。

另请参见 正火工艺对 Cf53 钢凸轮轴的影响
然而，在实验室、自动化生产车间等结构化环境中，视觉传感器在信息容量和采集速度方面的双重优势无疑将对自动化工件检测和识别的发展起到至关重要的作用。

随着计算机性能的不断提高和计算机视觉技术的快速发展和完善，利用计算机识别图像中的目标已成为研究热点。

此外，高速硬件实现方法的广泛采用，使得实时图像识别技术能够更好地应用于实际。

因此，利用计算机视觉与人工智能相结合，实现工件的自动检测和识别具有重要的现实意义。

工件检测和识别的初始阶段主要依靠手工方法。然而，随着在线速度的不断加快以及工件检测和识别需求的不断升级，手动方法已经越来越不能满足工业要求。

这就催生了众多创新技术来满足工件检测和识别的需求，例如涡流检测、红外检测、超声波检测、射线检测、全息检测和机器视觉检测技术。

这些技术为工件检测识别注入了新的活力，自动化水平显着提升。

在这些新兴技术中，机器视觉系统因其能够获取丰富而准确的信息而获得了最广泛的应用。

例如，机器人装配中的视觉辅助可以识别部件的尺寸和形状，以确保装配的正确性和质量控制。

此外，基于视觉识别的信息，可以使用自动化物流系统装卸产品。

实现对快速运动的工件的识别，确定物体相对于坐标的位置和方向，完成物体的定位和分类，识别物体的位置距离和姿态角，提取规定的参数特征，并进行错误检测。

目前工件的识别主要采用基于传统相机的标定方法。

从计算思维的角度来看，传统的相机标定方法可分为四类：利用优化算法的标定方法、利用相机变换矩阵的标定方法、考虑畸变补偿的两步法以及利用多维算法的双平面标定方法。理性相机成像模型。

根据求解算法的特点，这些方法还可分为直接非线性最小化方法（迭代方法）、闭式求解方法和两步法。

(1)利用优化算法的标定方法

这些类型的相机校准方法假设高度复杂的光学成像模型。他们综合成像过程中的各种因素，通过求解线性方程获得相机模型参数。

然而该方法完全忽略了摄像过程中的非线性畸变。为了提高标定精度，非线性优化算法的应用是必然的。

这种方法有两个主要缺点：首先，相机标定的结果取决于赋予相机的初始值。

如果初始值不合适，则很难通过优化程序得到正确的标定结果。其次，优化过程耗时且无法产生实时校准结果。

Dainis 和 Juberts 提出了一种利用直接线性变换并引入非线性畸变因子进行相机标定的方法。他们的系统旨在精确测量机器人的轨迹。

系统可以实时测量机器人的轨迹，但不需要标定算法为系统提供实时标定。

(2)利用相机变换矩阵的标定方法

摄影测量中的传统方法认为，描述三维空间坐标系与二维图像坐标系之间关系的方程一般是相机内外参数的非线性方程。

如果我们忽略相机镜头的非线性畸变，将透视变换矩阵中的元素视为未知数，则可以使用一组三维控制点和对应的图像点，通过线性方程求解透视变换矩阵中的每个元素。方法。

这种标定方法的优点是不需要使用优化方法来求解相机参数，从而可以更快地计算和实时计算相机参数。

但仍存在一些不足：首先，标定过程没有考虑相机镜头的非线性畸变，影响标定精度。

其次，线性方程中的未知参数的数量超过了需要求解的独立相机模型参数的数量，这意味着线性方程中的未知参数不是相互独立的。

这种过参数化问题意味着，在图像含有噪声的情况下，线性方程中未知数的解可能很好地拟合线性方程组，但由此推导出的参数不一定与实际情况很好地吻合。

利用透视变换矩阵的相机标定方法已在实际系统中得到广泛应用，取得了满意的结果。

(3)两步法

该标定方法的思想是首先利用直接线性变换法或透视变换矩阵法求解相机参数。

然后，以得到的参数为初始值，考虑畸变因素并采用优化算法进一步提高标定精度。