实际热触觉手指皮肤温度的变化

接触不同材质的物体时，手指的冷、热的感觉不一样，能通过热触觉感知识别物体的材质。为了研究仅通过手指热触觉识别物体材质的能力，而不受到材质的粗糙度、纹理、硬度等材质属性的干扰，本节实验将通过“热触觉显示与再现技术”研究手指热触觉感知识别材质的能力，这样就可以消除热属性以外的干扰。

热触觉显示就是通过热触觉实验装置产生人工热触觉，半导体制冷器的制冷面是热触觉的接触面，控制接触面的温度按照实际热刺激时手指皮肤表面的温度变化来显示和再现人的热触觉，所以获取真实的热触觉“接触面”处手指皮肤温度变化的实时数据很重要。

要检测手指接触物体后手指表面的实时温度，就必须通过温度传感器来测温。常见的温度传感器有热电偶、热电阻、热敏电阻和红外温度传感器等，但是这些通用的传感器不能用于检测手指与物体接触后手指表面温度的变化，因为这种测试首先要求传感器动态响应特性好、热惯性小，并且能够是一个平面的、能与手指皮肤表面接触良好的传感器。

本节实验设计了一种基于光纤Bragg光栅的复合触觉传感器和传感器阵列；同时向专业厂商定制了一种柔性镍金属薄片式温度传感器。

1）基于光纤布拉格光栅的复合触觉传感器和传感器阵列

光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）具有体积小、质量轻、抗腐蚀、可集成、抗电磁干扰，并且通过光波长信号传感，能工作在易燃、易爆领域。多个光栅都可以写入一根光纤上，光纤布拉格光栅能够实现传感信息波长编码，可利用多路复用技术对光栅编址，使FBG传感器具备分布式传感测量的能力。FBG对温度和应变敏感，当FBG的温度变化（无应变）时，FBG反射的布拉格中心波长与温度的变化有良好的线性关系；只有应变作用时（温度恒定），FBG反射的布拉格中心波长与应变有良好的线性关系。所以，FBG是设计新型复合触觉传感器和传感器阵列的优选敏感元件，这种传感器和传感器阵列能长期工作在易燃、易爆、潮湿和强电磁干扰等恶劣环境下，并且易构建分布式传感网络，能实现接触物的温度与压力同步传感。

在本节中，设计了一种复合触觉传感器，如图3-6所示。传感器包括金属结构的桥式弹性梁、2个FBG，以及单模光纤组成。其中桥式弹性梁和2个FBG组成一个复合触觉传感单元。所述的FBG是全同光栅，同一外界条件下，两个布拉格光栅反射的光谱的中心波长、光栅的周期和纤芯的有效折射率完全相同，两个光纤布拉格光栅的布拉格波长分布在1 310 nm或1 550 nm工作窗口；其中一个FBG用环氧树脂粘贴于弹性梁下表面的横向光滑细槽中；另一个FBG用环氧树脂粘贴于弹性梁下表面的纵向光滑细槽中。当有作用力作用在传感器表面上，粘贴于弹性梁下表面的横向光滑细槽中的FBG产生一个横向应变，这个FBG对温度和应变同时敏感；粘贴于弹性梁下表面的纵向光滑细槽中的FBG不产生应变，这个FBG只对温度敏感；基于双参量矩阵运算法，消除FBG对温度和应变的交叉敏感的影响，可以实现传感器表面接触压力和温度的同步测量。

图3-6　基于FBG的复合触觉传感器

设计了一种复合触觉传感器阵列，如图3-7所示。该传感器阵列是由上述的复合传感单元组成4×4的复合触觉传感阵列，但是传感单元的个数不局限于4×4，可根据不同的需要来决定，所有粘贴于弹性梁下表面横向细槽中的FBG分布在一根单模光纤上；所有粘贴于弹性梁下表面纵向细槽中的FBG分布在另一根单模光纤上；粘贴在传感器阵列上的FBG的布拉格中心波长同时分布在1 310 nm或1 550 nm的工作窗口，并且按照光纤的走向，同一根光纤上的FBG的布拉格中心波长依次递增或递减，在工作过程中各光栅反射的窄带光谱不能重叠。(www.xing528.com)

图3-7　基于FBG的复合触觉传感器阵列

本节中设计的基于光纤布拉格光栅的复合触觉传感器和传感器阵列已经申请发明专利并获得授权，但是由于传感器的组件——金属结构桥式弹性梁的热惯量较大，导致复合触觉传感器的温度稳定时间大于15 s，温度响应时间较长。

2）柔性镍金属薄片式温度传感器

基于FBG的复合触觉传感及其阵列的温度响应速度较慢，为了能够精准测量手指接触物体后手指表面的实时温度，采用了定制的柔性镍金属薄片式温度传感器，0℃时电阻为120 Ω±0.3%，传感器尺寸为8 mm×20 mm×0.6 mm，是一个超薄的柔性平面结构，能与手指表面无缝接触，最大程度减小测试过程中的空气层热阻，如图3-8（a）所示。传感器动态特性好（时间常数<0.15 s）、精度高、稳定性好、热惯性小、对被测对象温度特性基本无影响，通过实验得到的传感器动态性能测试曲线如图3-8（b）所示，传感器升温或降温的速度大于15℃/s，这种传感器能够满足测量手指接触物体后手指皮肤表面温度的变化。

图3-8　柔性镍金属薄片式温度传感器实物图与动态响应测试曲线

在手指与物体接触的时间内，获取接触面处手指皮肤的实时温度变化的实验过程：环境温度是（20±1）℃，薄片式温度传感器通过导热硅胶紧密黏附在手的食指上，通过暖手袋暖手，实验前让人的手指和传感器的温度控制在35.5℃（实验时，正是冬季）；食指通过传感器分别紧密接触泡沫、有机玻璃、橡胶、陶瓷和铝块等5种不同的物体（物体的接触面光滑，传感器和物体表面涂上导热硅胶）；在食指与物体接触的过程中，通过实验装置检测薄片式温度传感器的温度，获得手指触摸被测物后手指表面温度变化的数据，如图3-9所示。

图3-9　手指与物体接触面处手指皮肤的实时温度曲线