黃光裕臺灣大學：機械工程學研究所黃健泰Huang, Chien-TaiChien-TaiHuang2007-11-282018-06-282007-11-282018-06-282005http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/60967有許多居住在自然環境中的生物，經年累月之後視覺感知功能逐漸退化，但它們身上有著纖毛狀的感測器官來感覺環境的變化，使得這些生物得以生存在環境之中。本論文之目標主要為設計開發一個纖毛感測器，藉由量測感測器受作用力的大小並且判別力的方向性，力的來源主要為氣流所造成的作用力，或是利用聲音造成的作用力，在此論文中我們使用光感測的方式來達成目的，使用光源為發光二極體，光感測器為四象限光二極體，主要原理是利用空氣的作用力，經由結構部位受擾動而造成光點在四象限光感測器的移位，利用四象限中每一個象限的輸出經由使用訊號擷取卡(DAQ 卡)與LabVIEW軟體進行訊號擷取與處理，來得到光的位移大小與位移方向的資料，藉由這些訊號得知作用力的大小與方向性，新開發感測器之特色為僅需要一個四象限光電二極體與一個發光二極體即可作二維方向力的感測，有結構簡單，成本低廉的優點，四象限光電二極體對光的吸收相當的敏感，在經由輸出訊號的處理後轉換成位移量時可以獲得很好的解析度，此感測器將可應用在有氣流變化、氣壓變化以及有振動的地方，如作為防盜、噪音強度、地震強度的感測、機械手指的力回饋等等。Many organisms in the natural environment experience the vision function decaying in the course of evolution. However, they own a hair form organ which can sense the change of surroundings so that they could survive in the environment. The purpose of this thesis is to design a new two dimensional artificial-hair sensor, by measuring the acting force and identifying the direction of the sensor. The source of the acting force can be air flow or sound wave. The sensor utilizes the photo detecting method, using an LED as the light emitting component and a quadrant photodiode as the sensing element. Using the air dynamic as the main working principle, the applied disturbance will cause the displacement of the light point in the quadrant photodiode; the amount of displacement could be obtained by further recording and processing via data acquisition instrument and Labview software. In order to achieve two dimensional sensing, the new sensor needs only a single quadrant photodiode and a light emitting diode, thus provides benefits such as simple structure and low cost of production. Due to high sensitivity of the quadrant photodiode, the displacement, which is the output signal, also has a good resolution. The sensor could be used in the place where the air flow or pressure changes presents, or where the vibration occurs. Among numerous potential application fields are alarm system, noise sensing, earthquake detection, as well as feedback force of the robotic finger mechanisms.目錄 誌謝……………………………………………………………………Ⅰ 中文摘要………………………………………………………………Ⅱ 英文摘要………………………………………………………………Ⅲ 目錄……………………………………………………………………Ⅳ 表目錄…………………………………………………………………Ⅵ 圖目錄…………………………………………………………………Ⅶ 符號說明………………………………………………………………XI 第一章 緒論 1.1 研究動機與目的…………………………………………1 1.2 文獻回顧…………………………………………………4 1.3 章節介紹 ………………………………………………12 第二章 纖毛感測器之原理與構造 2.1 設計概念之比較分析 …………………………………17 2.1.1 圓錐反射式光電感測器 ………………………17 2.1.2 遮蔽式光電感測器 ……………………………18 2.1.3 平板反射式光電感測器 ………………………19 2.1.4 光彈感測器 ……………………………………20 2.1.5 直接照射式光電感測器 ………………………21 2.2 纖毛感測之功能與構造 ………………………………22 第三章 感測系統電路與訊號處理 3.1 纖毛感測器之訊號處理電路 …………………………35 3.2 發光二極體與四象限光電二極體之輸出特性測試 …39 第四章 系統測試與特性分析 4.1 系統靜態測試與特性分析 ……………………………46 4.2 系統動態測試與特性分析 ……………………………53 4.3 第二代纖毛感測器之特性測試 ……………………61 第五章 纖毛感測之應用構想與微小化概念 ………………………66 第六章 結論與展望 …………………………………………………77 參考文獻 ……………………………………………………………79 附錄A Load cell放大器規格表 …………………………………82 附錄B Load cell規格表 …………………………………………83 附錄C LVDT放大器規格表 ………………………………………84 附錄D LVDT規格表 ………………………………………………86 附錄E DAQ資料擷取卡規格表 ……………………………………87 附錄F 簧片之楊氏係數 …………………………………………89 附錄G 矽膠板特性表 ……………………………………………90 附錄H Labview人機介面程式 ……………………………………91 附錄I 感測器組合圖及零件圖 ……………………………………92 表目錄 表 2.1 文獻之感測器作用原理 ……………………………………14 表 2.2 各原理說明及結構圖 ………………………………………15 表 2.3 ANSYS分析等效彈性係數與各參數關係表 ………………31 表 3.1 各角度位置之感測誤差量 …………………………………42 表 3.2 各角度下位移產生之平均角度誤差值 ……………………44 表 4.1 相同受力情形下，各方向之測得角度和誤差 ……………49 表 4.2 各方向受不同力之角度平均誤差 …………………………51 表 4.3 在固定氣流頻率與強度作用下，不同作用方向之輸出值 55 表 4.4 纖毛感測器在固定氣流頻率與方向，數個氣體壓力作用 下之輸出值 …………………………………………………56 表 4.5 固定氣體壓力與方向，不同空氣頻率作用下之輸出值 …57 表 4.6 第二代纖毛感測器在固定氣流頻率與方向，數個氣體壓 力作用下之輸出值 …………………………………………62 表 4.7 在固定音量和方向下，第二代纖毛感測器對不同音頻之 感應輸出 ……………………………………………………65 圖目錄 圖 1.1 洞穴魚類 ……………………………………………………2 圖 1.2 奧米亞棕蠅圖 ………………………………………………2 圖 1.3 耳朵構造圖 …………………………………………………3 圖 1.4 Barth的觸毛感測器靈感與原理 ……………………………5 圖 1.5 昆蟲與動物身上的觸毛 ……………………………………6 圖 1.6 Li等人設計開發之人造纖毛感測架構圖 …………………6 圖 1.7 Fan等人的側線流動感測器構想與實際開發 ………………7 圖 1.8 Enami等人開發之奈米感測桿原理和系統 …………………9 圖 1.9 Shon等人開發的三維感測探針感測器 ……………………10 圖 1.10 空氣流動感測器之原理結構和應用 ……………………11 圖 1.11 van Baar等人開發之電容式纖毛陣列感測器 …………12 圖 2.1 圓錐反射式光電感測器之原理圖 …………………………18 圖 2.2 遮蔽式光電感測器之原理圖 ………………………………19 圖 2.3 平板反射式光電感測器之原理圖 …………………………20 圖 2.4 光彈感測器之原理 …………………………………………21 圖 2.5 直射式光電感測器之原理圖 ………………………………22 圖 2.6 壓差力和黏滯力與流速之關係圖 …………………………23 圖 2.7 纖毛感測器之受力和等效架構圖 …………………………24 圖 2.8 纖毛底部簧片受力與變形圖 ………………………………26 圖 2.9 ANSYS軟體分析纖毛偏移量 ………………………………30 圖 2.10 感測器之爆炸圖與組合外形 ……………………………33 圖 3.1 四象限光電二極體之外型與光電特性 ……………………34 圖 3.2 四象限光電二極體之訊號放大電路 ………………………35 圖 3.3 低通濾波電路 ………………………………………………36 圖 3.4 四象限光電二極體之輸出訊號運算邏輯與架構 …………37 圖 3.5 纖毛感測器之圖像式人機介面與程式 ……………………39 圖 3.6 發光二極體與四象限光電二極體特性測試整體架構與測 試示意圖 ……………………………………………………40 圖 3.7 光電元件測試雜訊圖 ………………………………………41 圖 3.8 四象限光電二極體輸出訊號與旋轉角度關係 ……………42 圖 3.9 在特定角度下，光電元件感測角度對線性位移之關係圖 44 圖 3.10 輸出值 和 對x方向和y方向的線性位移之關係圖………45 圖 4.1 系統靜態測試之架構圖 ……………………………………47 圖 4.2 纖毛感測器之測試雜訊圖 …………………………………48 圖 4.3 纖毛感測器受力0.3N在各方向的角度輸出圖 ……………49 圖 4.4 纖毛感測器在各方向受不同力之訊號輸出圖 ……………51 圖 4.5 光點訊號ux和uy對作用力強度之關係圖 …………………52 圖 4.6 系統動態測試之架構圖 ……………………………………54 圖 4.7 纖毛感測器ux和uy光點輸出訊號振幅對不同氣體壓力 的關係圖 ……………………………………………………57 圖 4.8 纖毛感測器ux和uy輸出值振幅對不同氣體頻率的關係圖 59 圖 4.9 纖毛感測器自由振盪過程圖 ………………………………60圖 4.10 纖毛感測器頻譜圖 ………………………………………60 圖 4.11 第二代纖毛感測器光點訊號ux和uy對作用力強度之圖…61 圖 4.12 第二代纖毛感測器ux和uy光點輸出訊號振幅對不同氣體 壓力的關係圖 ……………………………………………62 圖 4.13 第二代纖毛感測器ux和uy輸出值振幅對不同氣體頻率的 關係圖 ……………………………………………………63 圖 4.14 第二代纖毛感測器自由振盪過程圖 ……………………63 圖 4.15 第二代纖毛感測器頻譜圖 ………………………………64 圖 4.16 靜音時雜訊頻譜圖 ………………………………………65 圖 4.17 第二代纖毛感測器之訊號振幅對音頻關係 ……………65 圖 5.1 LED與四象限光電二極體尺寸圖 …………………………66 圖 5.2 感測器實現小型化之架構圖與組合圖 ……………………67 圖 5.3 纖毛感測器陣列架構與組合圖 ……………………………68 圖 5.4 環形陣列纖毛感測器 ………………………………………69 圖 5.5 小型侵入偵測器 ……………………………………………69 圖 5.6 陣列音頻分析感測器 ………………………………………70 圖 5.7 呼吸觀察器 …………………………………………………70 圖 5.8 機器人手指觸覺感測裝置 …………………………………71 圖 5.9 三次元量測探針 ……………………………………………71 圖 5.10 水平度感測裝置 …………………………………………72 圖 5.11 加速度量測器 ……………………………………………73 圖 5.12 平行導引與位移感測之整合裝置 ………………………73 圖 5.13 扭力矩感測器 ……………………………………………74 圖 5.14 表面張力量測器 …………………………………………74 圖 5.15 原子力顯微鏡 ……………………………………………75 圖 5.16 微小軸之動平衡裝置 ……………………………………75 圖 5.17 積層壓電元件同步位移量測裝置 ………………………76 圖 5.18 壓電管二維彎曲變形量測裝置 …………………………768762808 bytesapplication/pdfen-US四象限光電二極體纖毛發光二極體光點位移quadrant photodiodeartificial-hairLEDlight point displacementthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/60967/1/ntu-94-R92522601-1.pdf