2.3.1　压电式触觉传感器

压电式触觉传感器是基于敏感材料的“压电效应”（piezoelectric effect）来完成测力功能的。由于材料内部的晶格结构具有某种不对称性（inversion asymmetry），材料产生的应变使得内部电子分布呈现出局部不均匀性，此时会产生一净的电场分布，相应地，晶体的表面上会出现正负束缚电荷，并且其电荷密度跟施加的外力大小成比例关系。

印度的研究者基于压电陶瓷（PZT）材料的压电效应制作了一种压电式触觉传感器^［7］，在压电陶瓷的上下表面均布置相互独立的电极阵列，电极阵列的规模会对传感器的性能产生重要影响。如图2-6所示。

自从Kawai发现聚偏二氟乙烯（PVDF）具备良好的压电效应以来，越来越多的研究者利用聚偏二氟乙烯的这种特性来研制触觉传感器。PVDF材料具有质轻、柔韧、压电性强、灵敏度高、线性好、频带宽、时间和温度稳定性强等优点，并且相比于其他多数敏感材料而言，PVDF具有更接近于人类皮肤的柔软度，可以用于制作较大面积的柔性触觉传感器阵列，并且不会受到目标物体形状的限制。PVDF材料的研究与应用使得触觉传感器的“类皮肤”化成为可能，柔性触觉传感器的研究工作向前迈进了一大步。PVDF的压电效应可以描述为：当PVDF膜受到压力时，其输出电荷与所受压力之间成比例关系：Q=dF，其中，d为PVDF材料的压电-应变常数。

图2-6　压电式触觉传感器

重庆大学杜彦刚等人设计了一种基于PVDF材料的三维力触觉传感头^［8］。传感头由四角锥体、四块PVDF压电膜和基座组成。该传感器的工作原理为：施于四角锥体上表面的x、y、z三维力分别在A、B、C、D四块PVDF膜上产生不同的压力，相应地，四块PVDF膜会输出与所受压力成比例的电荷，电荷经Q/V转换电路转换成电压信号，通过检测四路电压信号即可确定作用在传感头上的三维力信息。

多数压电式触觉传感器均具有频带宽、灵敏度高、信噪比高、可靠性强以及质轻等优点，但是因为需要从每个传感器单元获取信号数据，因此该类型传感器的信号处理电路一般较为复杂。此外，因为压电材料产生的电荷需要单独积累，需要为每个传感器单元配备一个电荷放大器，电路实现起来较为困难，同时也提高了传感器的造价。另外，某些压电敏感材料还需要做好防潮措施，限制了传感器的应用领域。