微波及生物傳感器第十二章課件

1、微波傳感器 一、 微波概述 微波是波長(zhǎng)為1 mm1 m的電磁波，可以細(xì)分為三個(gè)波段： 分米波、厘米波、毫米波。微波既具有電磁波的性質(zhì)，又不同于普通無(wú)線電波和光波的性質(zhì)，是一種相對(duì)波長(zhǎng)較長(zhǎng)的電磁波。 具有下列特點(diǎn)： 定向輻射的裝置容易制造； 遇到各種障礙物易于反射； 繞射能力差； 傳輸特性好，傳輸過(guò)程中受灰塵、強(qiáng)光的影響小； 介質(zhì)對(duì)微波的吸收與介質(zhì)的介電常數(shù)成比例。 1二、微波傳感器的原理和組成 1、微波傳感器的測(cè)量原理及分類 微波傳感器由發(fā)射天線發(fā)出微波，遇到被測(cè)物體時(shí)將被吸收或反射，使微波功率發(fā)生變化。 若利用接收天線，接收到通過(guò)被測(cè)物體或由被測(cè)物體反射回來(lái)的微波，并將它轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)

2、信號(hào)調(diào)理電路，即可以顯示出被測(cè)量 根據(jù)微波傳感器的原理，微波傳感器可以分為反射式和遮斷式兩類。 2（1）反射式微波傳感器 反射式微波傳感器是通過(guò)檢測(cè)被測(cè)物反射回來(lái)的微波功率或經(jīng)過(guò)的時(shí)間間隔來(lái)測(cè)量被測(cè)量的。通常它可以測(cè)量物體的位置、位移、厚度等參數(shù)。 （2）遮斷式微波傳感器 遮斷式微波傳感器是通過(guò)檢測(cè)接收天線收到的微波功率大小來(lái)判斷發(fā)射天線與接收天線之間有無(wú)被測(cè)物體或被測(cè)物體的厚度、 含水量等參數(shù)的。 32、微波傳感器的組成 微波傳感器通常由微波發(fā)射器（即微波振蕩器）、 微波天線及微波檢測(cè)器三部分組成。 （1）微波振蕩器及微波天線 微波振蕩器是產(chǎn)生微波的裝置。由于微波波長(zhǎng)很短，即頻率很高（300

3、 MHz300 GHz），要求振蕩回路中具有非常微小的電感與電容，因此不能用普通的電子管與晶體管構(gòu)成微波振蕩器。 構(gòu)成微波振蕩器的器件有調(diào)速管、磁控管或某些固態(tài)器件. 4 由微波振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號(hào)需要用波導(dǎo)管傳輸，并通過(guò)天線發(fā)射出去。為了使發(fā)射的微波具有尖銳的方向性，天線要具有特殊的結(jié)構(gòu)。常用的天線如圖所示。常用的微波天線扇形喇叭天線; (b) 圓錐形喇叭天線; (c) 旋轉(zhuǎn)拋物面天線; (d) 拋物柱面天線 5（2）微波檢測(cè)器 電磁波作為空間的微小電場(chǎng)變動(dòng)而傳播，所以使用電流-電壓特性呈現(xiàn)非線性的電子元件作為探測(cè)它的敏感探頭, 敏感探頭在其工作頻率范圍內(nèi)必須有足夠快的響應(yīng)速度。幾兆赫以下可

4、用半導(dǎo)體PN結(jié);頻率比較高的可使用肖特基結(jié);靈敏度要求特別高的可使用超導(dǎo)材料的約瑟夫遜結(jié)檢測(cè)器、SIS檢測(cè)器等超導(dǎo)隧道結(jié)元件;接近光的頻率可使用由金屬-氧化物-金屬構(gòu)成的隧道結(jié)元件。 63、微波傳感器的特點(diǎn) 微波傳感器作為一種新型的非接觸傳感器具有如下特點(diǎn)： 有極寬的頻譜（波長(zhǎng)=1.0 mm1.0m）可供選用，可根據(jù)被測(cè)對(duì)象的特點(diǎn)選擇不同的測(cè)量頻率； 在煙霧、 粉塵、 水汽、 化學(xué)氣氛以及高、 低溫環(huán)境中對(duì)檢測(cè)信號(hào)的傳播影響極小， 因此可以在惡劣環(huán)境下工作； 時(shí)間常數(shù)小， 反應(yīng)速度快， 可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)與實(shí)時(shí)處理， 便于自動(dòng)控制； 7 測(cè)量信號(hào)本身就是電信號(hào)，無(wú)須進(jìn)行非電量的轉(zhuǎn)換，從而簡(jiǎn)化了傳

5、感器與微處理器間的接口，便于實(shí)現(xiàn)遙測(cè)和遙控； 微波無(wú)顯著輻射公害。 微波傳感器存在的主要問(wèn)題是零點(diǎn)漂移和標(biāo)定尚未得到很好的解決。其次，使用時(shí)外界環(huán)境因素影響較多，如溫度、氣壓、取樣位置等。 8三、微波傳感器的應(yīng)用 1、微波液位傳感器 微波液位計(jì) 92、微波濕度傳感器 水分子是極性分子，常態(tài)下成偶極子形式雜亂無(wú)章地分布著。 在外電場(chǎng)作用下，偶極子會(huì)形成定向排列。 當(dāng)微波場(chǎng)中有水分子時(shí)，偶極子受場(chǎng)的作用而反復(fù)取向，不斷從電場(chǎng)中得到能量（儲(chǔ)能），又不斷釋放能量（放能），前者表現(xiàn)為微波信號(hào)的相移，后者表現(xiàn)為微波衰減。 使用微波傳感器，測(cè)量干燥物體與含一定水分的潮濕物體所引起的微波信號(hào)的相移與衰減量，

6、就可以換算出物體的含水量。 10 下圖給出了測(cè)量酒精含水量的儀器框圖，圖中，MS產(chǎn)生的微波功率經(jīng)分功率器分成兩路，再經(jīng)衰減器A1、A2分別注入到兩個(gè)完全相同的轉(zhuǎn)換器T1、T2中。其中，T1放置無(wú)水酒精， T2放置被測(cè)樣品。相位與衰減測(cè)定儀（PT、AT）分別反復(fù)接通兩電路（T1和T2）輸出，自動(dòng)記錄與顯示它們之間的相位差與衰減差， 從而確定樣品酒精的含水量。 113、 微波測(cè)厚儀 微波測(cè)厚儀是利用微波在傳播過(guò)程中遇到被測(cè)物體金屬表面被反射，且反射波的波長(zhǎng)與速度都不變的特性進(jìn)行測(cè)厚的。 微波測(cè)厚儀原理如圖所示，在被測(cè)金屬物體上下兩表面各安裝一個(gè)終端器。微波信號(hào)源發(fā)出的微波，經(jīng)過(guò)環(huán)行器A、 上傳輸波

7、導(dǎo)管傳輸?shù)缴辖K端器，由上終端器發(fā)射到被測(cè)物體上表面上，微波在被測(cè)物體上表面全反射后又回到上終端器，再經(jīng)過(guò)傳輸導(dǎo)管、環(huán)行器A、下傳輸波導(dǎo)管傳輸?shù)较陆K端器。由下終端器發(fā)射到被測(cè)物體下表面的微波，經(jīng)全反射后又回到下終端器，再經(jīng)過(guò)傳輸導(dǎo)管回到環(huán)行器A。因此被測(cè)物體的厚度與微波傳輸過(guò)程中的行程長(zhǎng)度有密切關(guān)系，當(dāng)被測(cè)物體厚度增加時(shí)， 微波傳輸?shù)男谐涕L(zhǎng)度便減小。 12微波測(cè)厚儀原理圖 13 一般情況下，微波傳輸?shù)男谐涕L(zhǎng)度的變化非常微小。為了精確地測(cè)量出這一微小變化，通常采用微波自動(dòng)平衡電橋法， 前面討論的微波傳輸行程作為測(cè)量臂，而完全模擬測(cè)量臂微波的傳輸行程設(shè)置一個(gè)參考臂（圖右部）。若測(cè)量臂與參考臂行程完全

8、相同，則反相疊加的微波經(jīng)過(guò)檢波器C檢波后，輸出為零。 若兩臂行程長(zhǎng)度不同，兩路微波疊加后不能相互抵消，經(jīng)檢波器后便有不平衡信號(hào)輸出。此不平衡差值信號(hào)經(jīng)放大后控制可逆電機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)補(bǔ)償短路器產(chǎn)生位移，改變補(bǔ)償短路器的長(zhǎng)度，直到兩臂行程長(zhǎng)度完全相同，放大器輸出為零，可逆電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)為止。 144、微波無(wú)損檢測(cè) 微波無(wú)損檢測(cè)是綜合利用微波與物質(zhì)的相互作用， 一方面微波在不連續(xù)界面處會(huì)產(chǎn)生反射、散射、透射，另一方面微波還能與被檢材料產(chǎn)生相互作用，此時(shí)的微波場(chǎng)會(huì)受到材料中的電磁參數(shù)和幾何參數(shù)的影響。通過(guò)測(cè)量微波信號(hào)基本參數(shù)的改變即可達(dá)到檢測(cè)材料內(nèi)部缺陷的目的。 15生物傳感器 一、生物傳感器的基本概念生

9、物傳感器通常是指由一種生物敏感部件和轉(zhuǎn)化器緊密結(jié)合,對(duì)特定種類化學(xué)物質(zhì)或生物活性物質(zhì)具有選擇性和可逆響應(yīng)的分析裝置。它是發(fā)展生物技術(shù)必不可少的一種先進(jìn)的檢測(cè)與監(jiān)控方法,也是對(duì)物質(zhì)在分子水平上進(jìn)行快速和微量分析的方法。161、生物傳感器工作原理生物傳感器的工作原理是待測(cè)物質(zhì)經(jīng)擴(kuò)散作用進(jìn)入固定生物膜敏感層，經(jīng)分子識(shí)別而發(fā)生生物學(xué)作用，產(chǎn)生的信息如光、熱、音等被相應(yīng)的信號(hào)轉(zhuǎn)換器變?yōu)榭啥亢吞幚淼碾娦盘?hào)，再經(jīng)二次儀表放大并輸出，以電極測(cè)定其電流值或電壓值，從而換算出被測(cè)物質(zhì)的量或濃度。17（1） 將化學(xué)變化轉(zhuǎn)變成電信號(hào)例,酶催化特定物發(fā)生反應(yīng),從而使特定生成物的量有所增減.用能把這類物質(zhì)的量的改變轉(zhuǎn)換

10、為電信號(hào)的裝置和固定化酶耦合,即組成酶?jìng)鞲衅?。?） 將熱變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)固定化的生物材料與相應(yīng)的被測(cè)物作用時(shí)常伴有熱的變化。這類生物傳感器的工作原理是把反應(yīng)的熱效應(yīng)借熱敏電阻轉(zhuǎn)換為阻值的變化。18（3）將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào) 例如，過(guò)氧化氫酶,能催化過(guò)氧化氫發(fā)光,因此如設(shè)法將過(guò)氧化氫酶膜附著在光纖或光敏二極管的前端,再和光電流測(cè)定裝置相連,即可測(cè)定過(guò)氧化氫含量。 還有很多細(xì)菌能與特定底物發(fā)生反應(yīng),產(chǎn)生熒光。也可以用這種方法測(cè)定底物濃度.上述三原理的生物傳感器共同點(diǎn)： 都是將分子識(shí)別元件中的生物敏感物質(zhì)與待測(cè)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng),將反應(yīng)后所產(chǎn)生的化學(xué)或物理變化再通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)進(jìn)行測(cè)量,這種

11、方式統(tǒng)稱為間接測(cè)量方式.19（4）直接產(chǎn)生電信號(hào)方式這種方式可以使酶反應(yīng)伴隨的電子轉(zhuǎn)移、微生物細(xì)胞的氧化直接(或通過(guò)電子遞體的作用)在電極表面上發(fā)生。根據(jù)所得的電流量即可得底物濃度。20二、生物傳感器分類 1、 根據(jù)傳感器輸出信號(hào)的產(chǎn)生方式,可分為生物親合型生物傳感器、代謝型或催化型生物傳感器; 2、 根據(jù)生物傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換器可分為電化學(xué)生物傳感器、半導(dǎo)體生物傳感器、測(cè)熱型生物傳感器、測(cè)光型生物傳感器、測(cè)聲型生物傳感器等 3、 根據(jù)生物傳感器中生物分子識(shí)別元件上的敏感材料可分為酶?jìng)鞲衅?、微生物傳感器、免疫傳感器、組織傳感器、基因傳感器、細(xì)胞及細(xì)胞器傳感器。21 生物親合型傳感器 被測(cè)物質(zhì)與分

12、子識(shí)別元件上的敏感物質(zhì)具有生物親合作用，即二者能特異地相結(jié)合，同時(shí)引起敏感材料的分子結(jié)構(gòu)和/或固定介質(zhì)發(fā)生變化。例如：電荷、溫度、光學(xué)性質(zhì)等的變化。反應(yīng)式可表示為： S（底物）+ R（受體） = SR22 代謝型傳感器 底物（被測(cè)物）與分子識(shí)別元件上的敏感物質(zhì)相作用并生成產(chǎn)物，信號(hào)轉(zhuǎn)換器將底物的消耗或產(chǎn)物的增加轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲂盘?hào)，這類傳感器稱為代謝型傳感器，其反應(yīng)形式可表示為 S（底物）R（受體）= SR P（生成物） 23每一類又都包含許多種具體的生物傳感器例如，僅酶電極一類，根據(jù)所用酶的不同就有幾十種，如葡萄糖電極、尿素電極、尿酸電極、膽固醇電極、乳酸電極、丙酮酸電極等等就是葡萄糖電極也并非只

13、有一種，有用pH電極或碘離子電極作為轉(zhuǎn)換器的電位型葡萄糖電極，有用氧電極或過(guò)氧化氫電極作為轉(zhuǎn)換器的電流型葡萄糖電極等實(shí)際上還可再細(xì)分。24三、生物傳感器組成部分一是生物分子識(shí)別元件(感受器),是具有分子識(shí)別能力的生物活性物質(zhì)(如組織切片、細(xì)胞、細(xì)胞器、細(xì)胞膜、酶、抗體、核酸、有機(jī)物分子等);二是信號(hào)轉(zhuǎn)換器(換能器),主要有電化學(xué)電極(如電位、電流的測(cè)量)、光學(xué)檢測(cè)元件、熱敏電阻、場(chǎng)效應(yīng)晶體管、壓電石英晶體及表面等離子共振器件等，當(dāng)待測(cè)物與分子識(shí)別元件特異性結(jié)合后,所產(chǎn)生的復(fù)合物(或光、熱等)通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換器變?yōu)榭梢暂敵龅碾娦盘?hào)、光信號(hào)等,從而達(dá)到分析檢測(cè)的目的。25敏感器件（分子識(shí)別元件）26四

14、、生物傳感器優(yōu)點(diǎn)(1)根據(jù)生物反應(yīng)的特異性和多樣性,理論上可以制成測(cè)定所有生物物質(zhì)的傳感器,因而測(cè)定范圍廣泛(2)一般不需進(jìn)行樣品的預(yù)處理,它利用本身具備的優(yōu)異選擇性把樣品中被測(cè)組分的分離和檢測(cè)統(tǒng)一為一體，測(cè)定時(shí)一般不需另加其他試劑,使測(cè)定過(guò)程簡(jiǎn)便迅速,容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分析(3)體積小、響應(yīng)快、樣品用量少,可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)在位檢測(cè)27(4)通常其敏感材料是固定化生物元件,可反復(fù)多次使用(5)準(zhǔn)確度高,一般相對(duì)誤差可達(dá)到1%以內(nèi)(6)可進(jìn)行活體分析(7)傳感器連同測(cè)定儀的成本遠(yuǎn)低于大型的分析儀,因而便于推廣普及(8)有的微生物傳感器能可靠地指示微生物培養(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)的供氧狀況和副產(chǎn)物的產(chǎn)生，能得到許多復(fù)雜的物

15、理化學(xué)傳感器綜合作用才能獲得的信息28在食品分析的應(yīng)用五、應(yīng)用食品成分分析食品添加劑的分析農(nóng)藥和抗生素殘留量分析微生物和生物毒素的檢驗(yàn)食品鮮度的檢測(cè)29在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用水質(zhì)分析：一個(gè)典型應(yīng)用是測(cè)定生化需氧量（BOD），傳統(tǒng)方法測(cè)BOD需5天，且操作復(fù)雜。1977年Karube等首次報(bào)道了BOD微生物傳感器，只需15分鐘即能測(cè)出結(jié)果,連續(xù)使用壽命達(dá)17天； 廢氣或環(huán)境大氣的監(jiān)測(cè) ：可用于測(cè)定空氣中SO2、NOX、CO2、NH3、CH4等的含量；農(nóng)藥和抗生素殘留量的分析 ：用乙酰膽堿酯酶和丁酰膽堿酯酶為敏感材料制作的離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管酶?jìng)鞲衅骺捎糜谑卟说葮悠分杏袡C(jī)磷農(nóng)藥DDVP和伏殺磷等的測(cè)定3

16、0在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用臨床應(yīng)用：用酶、免疫傳感器等生物傳感器來(lái)檢測(cè)體液中的各種化學(xué)成分，為醫(yī)生的診斷提出依據(jù)。 生物醫(yī)藥： 利用生物工程技術(shù)生產(chǎn)藥物時(shí)，將生物傳感器用于生化反應(yīng)的監(jiān)視，可以迅速地獲取各種數(shù)據(jù)，有效地加強(qiáng)生物工程產(chǎn)品的質(zhì)量管理。 31在軍事上的應(yīng)用 現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)往往是在核武器、化學(xué)武器、生物武器威脅下進(jìn)行的戰(zhàn)爭(zhēng)。偵檢、鑒定和檢測(cè)是進(jìn)行有效化學(xué)戰(zhàn)和生物戰(zhàn)防護(hù)的前提。由于具有高度特異性、靈敏性和能快速地探測(cè)化學(xué)戰(zhàn)劑和生物戰(zhàn)劑（包括病毒、細(xì)菌和毒素等）的特性，生物傳感器將是最重要的一類化學(xué)戰(zhàn)劑和生物戰(zhàn)劑偵檢器材。如煙堿乙酰膽堿受體生物傳感器和某種麻醉劑受體生物傳感器能在10s內(nèi)偵檢出10-9

17、濃度級(jí)的生化戰(zhàn)劑，包括委內(nèi)瑞拉馬腦炎病毒、黃熱病毒、炭疽桿菌、流感病毒等。 32德國(guó)研發(fā)的環(huán)境廢水BOD分析儀33手掌型葡萄糖(glucose)分析儀34發(fā)酵罐主機(jī)計(jì)算機(jī)SBA-60型生物傳感在線分析系統(tǒng)，為發(fā)酵自動(dòng)控制提供了新的基礎(chǔ)平臺(tái)35機(jī)器人傳感器 36機(jī)器人37機(jī)器人大腦主板機(jī)器人思想程序機(jī)器人感知傳感器機(jī)器人手腳馬達(dá)機(jī)器人骨架機(jī)械結(jié)構(gòu)機(jī)器人食物電池機(jī)器人的組成38傳感器在機(jī)器人中的應(yīng)用 機(jī)器人是由計(jì)算機(jī)控制的復(fù)雜機(jī)器，它具有類似人的肢體及感官功能；動(dòng)作程序靈活；有一定程度的智能；在工作時(shí)可以不依賴人的操縱。機(jī)器人傳感器在機(jī)器人的控制中起了非常重要的作用，正因?yàn)橛辛藗鞲衅?，機(jī)器人才具備

18、了類似人類的知覺功能和反應(yīng)能力。 39給機(jī)器人裝備什么樣的傳感器，對(duì)這些傳感器有什么要求，這是設(shè)計(jì)機(jī)器人感覺系統(tǒng)時(shí)遇到的首要問(wèn)題。選擇機(jī)器人傳感器應(yīng)當(dāng)完全取決于機(jī)器人的工作需要和應(yīng)用特點(diǎn)。40 機(jī)器人傳感器可分為內(nèi)部檢測(cè)傳感器和外部檢測(cè)傳感器兩大類。 內(nèi)部檢測(cè)傳感器是以機(jī)器人本身的坐標(biāo)軸來(lái)確定其位置。它安裝在機(jī)器人自身中用來(lái)感知機(jī)器人自己的狀態(tài)，以調(diào)整和控制機(jī)器人的行動(dòng)。它通常由位置、加速度、速度及壓力傳感器組成。 外界檢測(cè)傳感器用于機(jī)器人對(duì)周圍環(huán)境、目標(biāo)物的狀態(tài)特征獲取信息，使機(jī)器人和環(huán)境能發(fā)生交互作用，從而使機(jī)器人對(duì)環(huán)境有自校正和自適應(yīng)能力。外界檢測(cè)傳感器通常包括觸覺、接近覺、視覺、聽覺、

19、嗅覺等傳感器。41類別檢測(cè)內(nèi)容應(yīng)用目的傳感器件明暗覺是否有光，亮度多少判斷有無(wú)對(duì)象，并得到定量結(jié)果光敏管、光電斷續(xù)器色覺對(duì)象的色彩及濃度利用顏色識(shí)別對(duì)象的場(chǎng)合彩色攝影機(jī)、濾色器、彩色CCD位置覺物體的位置、角度、距離物體空間位置，判斷物體移動(dòng)光敏陣列、CCD等形狀覺物體的外形提取物體輪廓及固有特征，識(shí)別物體光敏陣列、CCD等接觸覺與對(duì)象是否接觸，接觸的位置決定對(duì)象位置，識(shí)別對(duì)象形態(tài)，控制速度，安全保障，異常停止，尋徑光電傳感器、微動(dòng)開關(guān)、薄膜接點(diǎn)、壓敏高分子材料壓覺對(duì)物體的壓力、握力、壓力分布控制握力，識(shí)別握持物，測(cè)量物體彈性壓電元件、導(dǎo)電橡膠、壓敏高分子材料力覺機(jī)器人有關(guān)部件（如手指）所受外

20、力及轉(zhuǎn)矩控制手腕移動(dòng)，伺服控制，正確完成作業(yè)應(yīng)變片、導(dǎo)電橡膠接近覺對(duì)象物是否接近，接近距離，對(duì)象面的傾斜控制位置，尋徑，安全保障，異常停止光傳感器、氣壓傳感器、超聲波傳感器、電渦流傳感器、霍爾傳感器滑覺垂直握持面方向物體的位移，重力引起的變形修正握力，防止打滑，判斷物體重量及表面狀態(tài)球形接點(diǎn)式、光電旋轉(zhuǎn)傳感器、角編碼器、振動(dòng)檢測(cè)器機(jī)器人傳感器分類 42傳感器在機(jī)器人身上的分布 43能踢球的機(jī)器人44對(duì)運(yùn)動(dòng)的球類有正確反應(yīng)的機(jī)器人能打網(wǎng)球的機(jī)器人機(jī)器人足球比賽45能行走的機(jī)器人46服務(wù)機(jī)器人機(jī)器人伴舞機(jī)器人奏樂(lè)47可愛的小機(jī)器人能上臺(tái)階并避開障礙物的機(jī)器人能自己站起來(lái)的機(jī)器人48排爆機(jī)器人我國(guó)沈

21、陽(yáng)自動(dòng)化所研制的PXJ-2機(jī)器人也加入了公安部隊(duì)的行 列。49消防機(jī)器人 消防機(jī)器人作為特種消防設(shè)備可代替消防隊(duì)員接近火場(chǎng)實(shí)施有效的滅火救援、化學(xué)檢驗(yàn)和火場(chǎng)偵察。它的應(yīng)用將提高消防部隊(duì)撲滅特大惡性火災(zāi)的實(shí)戰(zhàn)能力，對(duì)減少國(guó)家財(cái)產(chǎn)損失和滅火救援人員的傷亡將產(chǎn)生重要的作用。50 機(jī)器人輪椅主要有口令識(shí)別與語(yǔ)音合成、機(jī)器人自定位、動(dòng)態(tài)隨機(jī)避障、多傳感器信息融合、實(shí)時(shí)自適應(yīng)導(dǎo)航控制等功能。51軍事機(jī)器人我國(guó)引進(jìn)的排爆機(jī)器人進(jìn)攻型機(jī)器人52工業(yè)機(jī)器人核工業(yè)機(jī)器人汽車噴漆機(jī)器人53機(jī)器人的手54機(jī)械手在汽車加工中的應(yīng)用機(jī)械手能按照程序焊接和安裝汽車部件，是機(jī)器人的雛形。55激光焊接機(jī)械手56一、 智能式傳感

22、器的概述 智能式傳感器（Intelligent sensor或Smart sensor）自20世紀(jì)70年代初出現(xiàn)以來(lái)，隨著微處理器技術(shù)的迅猛發(fā)展及測(cè)控系統(tǒng)自動(dòng)化、智能化的發(fā)展，要求傳感器準(zhǔn)確度高、可靠性高、穩(wěn)定性好， 而且具備一定的數(shù)據(jù)處理能力，并能夠自檢、自校、自補(bǔ)償。傳統(tǒng)的傳感器已不能滿足這樣的要求。另外，為制造高性能的傳感器， 光靠改進(jìn)材料工藝也很困難，需要利用計(jì)算機(jī)技術(shù)與傳感器技術(shù)相結(jié)合來(lái)彌補(bǔ)其性能的不足。計(jì)算機(jī)技術(shù)使傳感器技術(shù)發(fā)生了巨大的變革，微處理器(或微計(jì)算機(jī))和傳感器相結(jié)合，產(chǎn)生了功能強(qiáng)大的智能式傳感器。所謂智能式傳感器，就是一種帶有微處理機(jī)的，兼有信息檢測(cè)、信號(hào)處理、信息記憶

23、、邏輯思維與判斷功能的傳感器。 智能傳感器 57 傳感器與微處理機(jī)結(jié)合可以通過(guò)以下兩個(gè)途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)：一是采用微處理機(jī)或微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以強(qiáng)化和提高傳統(tǒng)傳感器的功能， 即傳感器與微處理機(jī)可分為兩個(gè)獨(dú)立部分，傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)處理和轉(zhuǎn)化后由接口送到微處理機(jī)部分進(jìn)行運(yùn)算處理。這就是我們指的一般意義上的智能傳感器, 又稱傳感器的智能化。二是借助于半導(dǎo)體技術(shù)把傳感器部分與信號(hào)預(yù)處理電路、輸入輸出接口、 微處理器等制作在同一塊芯片上，即成為大規(guī)模集成電路智能傳感器，簡(jiǎn)稱集成智能傳感器。集成智能傳感器具有多功能、 一體化、精度高、適宜于大批量生產(chǎn)、體積小和便于使用等優(yōu)點(diǎn)， 它是傳感器發(fā)展的必然趨勢(shì)，它的實(shí)現(xiàn)將取

24、決于半導(dǎo)體集成化工藝水平的提高與發(fā)展。 58 就目前來(lái)看，已有不少以組合形式出現(xiàn)的智能傳感器作為產(chǎn)品投入市場(chǎng)，如美國(guó)Honeywell公司推出的DSTJ-3000型硅壓阻式智能傳感器, Par Scientific 公司的1000系列數(shù)字式石英智能傳感器。我國(guó)也著手智能傳感器的開發(fā)與研究，主要是在現(xiàn)有使用的傳感器中，采用先進(jìn)的微處理機(jī)和微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)， 使之完成第一類途徑的智能化。 智能傳感器因其在功能、精度、可靠性上較普通傳感器有很大提高，已經(jīng)成為傳感器研究開發(fā)的熱點(diǎn)。近年來(lái)，隨著傳感器技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，智能傳感器技術(shù)也發(fā)展很快。 發(fā)展高性能的以硅材料為主的各種智能傳感器已成為必然。

25、59二、 智能傳感器的功能和構(gòu)成 無(wú)論是傳感器的智能化，還是集成智能化傳感器，都是帶有微機(jī)的兼具檢測(cè)信息和處理信息功能的傳感器，可統(tǒng)稱為智能式傳感器。 和傳統(tǒng)的傳感器相比， 智能化傳感器具有以下功能： 具有邏輯判斷、統(tǒng)計(jì)處理功能。可對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、 統(tǒng)計(jì)和修正，還可進(jìn)行線性、非線性、溫度、噪聲、響應(yīng)時(shí)間、 交叉感應(yīng)以及緩慢漂移等的誤差補(bǔ)償，提高了測(cè)量準(zhǔn)確度。 具有自診斷、自校準(zhǔn)功能。可在接通電源時(shí)進(jìn)行開機(jī)自檢，可在工作中進(jìn)行運(yùn)行自檢，并可實(shí)時(shí)自行診斷測(cè)試，以確定哪一組件有故障，提高了工作可靠性。 60 具有自適應(yīng)、自調(diào)整功能?？筛鶕?jù)待測(cè)物理量的數(shù)值大小及變化情況自動(dòng)選擇檢測(cè)量程和測(cè)量方式，

26、提高了檢測(cè)適用性。 具有組態(tài)功能?？蓪?shí)現(xiàn)多傳感器、多參數(shù)的復(fù)合測(cè)量， 擴(kuò)大了檢測(cè)與使用范圍。 具有記憶、存儲(chǔ)功能?？蛇M(jìn)行檢測(cè)數(shù)據(jù)的隨時(shí)存取，加快了信息的處理速度。 具有數(shù)據(jù)通訊功能。智能化傳感器具有數(shù)據(jù)通訊接口， 能與計(jì)算機(jī)直接聯(lián)機(jī)，相互交換信息，提高了信息處理的質(zhì)量。 61 計(jì)算機(jī)軟件在智能傳感器中起著舉足輕重的作用。由于“電腦”的加入，智能傳感器可通過(guò)各種軟件對(duì)信息檢測(cè)過(guò)程進(jìn)行管理和調(diào)節(jié)，使之工作在最佳狀態(tài)，從而增強(qiáng)了傳感器的功能， 提升了傳感器的性能。此外，利用計(jì)算機(jī)軟件能夠?qū)崿F(xiàn)硬件難以實(shí)現(xiàn)的功能，因?yàn)橐攒浖娌糠钟布?可降低傳感器的制作難度。 智能式傳感器系統(tǒng)一般構(gòu)成框圖如圖所示。

27、其中作為系統(tǒng)“大腦”的微型計(jì)算機(jī)，可以是單片機(jī)、單板機(jī)，也可以是微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 62智能傳感器的結(jié)構(gòu)框圖 63三、 傳感器的智能化 1、 傳感器的智能化概念 傳感器的智能化指?jìng)鞲衅髋c微處理機(jī)可分為兩個(gè)獨(dú)立部分， 傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)處理和轉(zhuǎn)化后由接口送入微處理機(jī)部分進(jìn)行運(yùn)算處理。這類智能傳感器主要由傳感器、微處理器及其相關(guān)電路組成。傳感器將被測(cè)的物理量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào), 送到信號(hào)調(diào)理電路中, 進(jìn)行濾波、放大、模-數(shù)轉(zhuǎn)換后, 送到微處理機(jī)中。 微處理機(jī)是智能傳感器的核心, 它不但可以對(duì)傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理, 還可以通過(guò)反饋回路對(duì)傳感器進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于微處理機(jī)充分發(fā)揮各種軟件的功

28、能, 可以完成硬件難以完成的任務(wù), 從而大大降低了傳感器制造的難度, 提高了傳感器的性能, 降低了成本。 64 微型計(jì)算機(jī)或微處理機(jī)是智能式傳感器的核心。傳感器的信號(hào)經(jīng)一定的硬件電路處理后，以數(shù)字信號(hào)的形式進(jìn)入計(jì)算機(jī)， 于是計(jì)算機(jī)即可根據(jù)其內(nèi)存中駐留的軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量過(guò)程的各種控制、邏輯判斷和數(shù)據(jù)處理以及信息輸送等功能， 從而使傳感器獲得智能。 在智能傳感器中，其控制功能、數(shù)據(jù)處理功能和數(shù)據(jù)傳輸功能尤為重要。實(shí)際上，為了使智能式傳感器真正具有智能， 控制功能就應(yīng)該包括：鍵盤控制功能、量程自動(dòng)切換功能、多路與多路通道切換功能、數(shù)據(jù)極限判斷與越限報(bào)警功能、自診斷與自校正功能。例如為使智能式傳感器具有

29、自校正功能，在傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可考慮預(yù)留一路模擬量輸入通道作自校正用，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)自校正。 65 該程序執(zhí)行步驟為：所用微機(jī)先向/轉(zhuǎn)換口輸出一個(gè)定值(固定代碼)，經(jīng)DAC變換為對(duì)應(yīng)的模擬電壓值，再送到/通路的自校正輸入端。此后，由微機(jī)啟動(dòng)ADC，待/轉(zhuǎn)換結(jié)束， 再取回轉(zhuǎn)換結(jié)果值，并與原送出的代碼進(jìn)行比較。 如結(jié)果相符或誤差在允許范圍內(nèi)，則認(rèn)為自校正功能正常。 若感覺僅在一點(diǎn)上進(jìn)行自校正還不能說(shuō)明問(wèn)題，可以設(shè)置 2 3個(gè)自校正點(diǎn)，如可設(shè)置其零點(diǎn)、中點(diǎn)及滿刻度點(diǎn)為自校正點(diǎn)，并分三次比較。 通過(guò)比較和判斷，確定輸入、 輸出以及接口等是否正常。 662、 傳感器的智能化實(shí)例 下圖是智能式應(yīng)

30、力傳感器的硬件結(jié)構(gòu)圖。智能式應(yīng)力傳感器用于測(cè)量飛機(jī)機(jī)翼上各個(gè)關(guān)鍵部位的應(yīng)力大小，并判斷機(jī)翼的工作狀態(tài)是否正常以及故障情況。它共有6路應(yīng)力傳感器和1路溫度傳感器，其中每一路應(yīng)力傳感器由4個(gè)應(yīng)變片構(gòu)成的全橋電路和前級(jí)放大器組成，用于測(cè)量應(yīng)力大小。 溫度傳感器用于測(cè)量環(huán)境溫度，從而對(duì)應(yīng)力傳感器進(jìn)行誤差修正。采用8031單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理和控制單元。 多路開關(guān)根據(jù)單片機(jī)發(fā)出的命令輪流選通各個(gè)傳感器通道，0通道作為溫度傳感器通道， 16通道分別為6個(gè)應(yīng)力傳感器通道。程控放大器則在單片機(jī)的命令下分別選擇不同的放大倍數(shù)對(duì)各路信號(hào)進(jìn)行放大。該智能式傳感器具有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力，它可以判斷工作環(huán)境因素的變化，進(jìn)行

31、必要的修正， 以保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。 67智能式應(yīng)力傳感器的硬件結(jié)構(gòu)圖68 智能式應(yīng)力傳感器具有測(cè)量、程控放大、轉(zhuǎn)換、處理、模擬量輸出、打印鍵盤監(jiān)控及通過(guò)串口與計(jì)算機(jī)通信的功能。其軟件采用模塊化和結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)方法，軟件結(jié)構(gòu)如圖所示。 主程序模塊完成自檢、初始化、通道選擇以及各個(gè)功能模塊調(diào)用的功能。其中信號(hào)采集模塊主要完成數(shù)據(jù)濾波、非線性補(bǔ)償、 信號(hào)處理、誤差修正以及檢索查表等功能。故障診斷模塊的任務(wù)是對(duì)各個(gè)應(yīng)力傳感器的信號(hào)進(jìn)行分析，判斷飛機(jī)機(jī)翼的工作狀態(tài)及是否存在損傷或故障。鍵盤輸入及顯示模塊具有以下任務(wù)： 69 查詢是否有鍵按下，若有鍵按下則反饋給主程序模塊， 主程序模塊根據(jù)鍵意執(zhí)行或調(diào)用相應(yīng)

32、的功能模塊； 顯示各路傳感器的數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)。輸出打印模塊主要控制模擬量輸出以及控制打印機(jī)完成打印任務(wù)。通信模塊主要控制RS232串行通信口和上位微機(jī)發(fā)通信。 70智能式應(yīng)力傳感器的軟件結(jié)構(gòu)圖 71四、 集成智能傳感器 1、 集成智能傳感器的發(fā)展方向集成電路和微機(jī)械工藝促進(jìn)了傳感器技術(shù)的發(fā)展， 改變了傳感器作為單純物理量轉(zhuǎn)換的傳統(tǒng)概念。目前，傳感器的發(fā)展主要集中在集成化和智能化兩個(gè)方面。 72 傳感器的集成化是指將多個(gè)功能相同或不同的敏感器件制作在同一個(gè)芯片上構(gòu)成傳感器陣列。集成化主要有三個(gè)方面的含義： 一是將多個(gè)功能完全相同的敏感單元集成在同一個(gè)芯片上，用來(lái)測(cè)量被測(cè)量的空間分布信息，例如壓力

33、傳感器陣列或我們熟知的CCD器件；二是對(duì)多個(gè)結(jié)構(gòu)相同、功能相近的敏感單元進(jìn)行集成， 例如將不同氣敏傳感元集成在一起組成“電子鼻”，利用各種敏感元對(duì)不同氣體的交叉敏感效應(yīng)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識(shí)別等先進(jìn)數(shù)據(jù)處理技術(shù)，可以對(duì)組成混合氣體的各種成分同時(shí)監(jiān)測(cè)，得到混合氣體的組成信息，同時(shí)提高氣敏傳感器的測(cè)量精度; 這層含義上的集成還有一種情況是將不同量程的傳感元集成在一起， 可以根據(jù)待測(cè)量的大小在各個(gè)傳感元之間切換，在保證測(cè)量精度的同時(shí)，擴(kuò)大傳感器的測(cè)量范圍；三是指對(duì)不同類型的傳感器進(jìn)行集成，例如集成有壓力、溫度、濕度、流量、加速度、化學(xué)等敏感單元的傳感器，能同時(shí)測(cè)到環(huán)境中的物理特性或化學(xué)參量，用來(lái)對(duì)環(huán)境

34、進(jìn)行監(jiān)測(cè)。 73 集成電路和各種傳感器的特征尺寸已達(dá)到亞微米和深亞微米量級(jí)，由于非電子元件接口未能做到同等尺寸而限制了其體積、 重量、 價(jià)格等的減小。智能化是將傳感器 (或傳感器陣列 )與信號(hào)處理電路和控制電路集成在同一芯片上。 系統(tǒng)能夠通過(guò)電路進(jìn)行信號(hào)提取和信號(hào)處理，根據(jù)具體情況自主地對(duì)整個(gè)傳感器系統(tǒng)進(jìn)行自檢、自校準(zhǔn)和自診斷，并能根據(jù)待測(cè)物理量的大小及變化情況自動(dòng)選擇量程和測(cè)量工作方式。和經(jīng)典的傳感器相比，集成智能傳感器能夠減小系統(tǒng)的體積，降低制造成本， 提高測(cè)量精度，增強(qiáng)傳感器功能， 是目前國(guó)際上傳感器研究的熱點(diǎn)， 也是未來(lái)傳感器發(fā)展的主流。 742 、 智能傳感器的研究熱點(diǎn) 1）物理轉(zhuǎn)化

35、機(jī)理 理論上講，有很多種物理效應(yīng)可以將待測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量。在智能傳感器出現(xiàn)之前，為了數(shù)據(jù)讀取的方便，人們選擇物理轉(zhuǎn)化機(jī)理時(shí)， 被迫優(yōu)先選擇那些輸入輸出傳遞函數(shù)為線性的轉(zhuǎn)化機(jī)理，而舍棄掉其它傳遞函數(shù)為非線性， 但具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性、精確性等性質(zhì)的轉(zhuǎn)換機(jī)理或材料。由于智能傳感器可以很容易對(duì)非線性的傳遞函數(shù)進(jìn)行校正，得到一個(gè)線性度非常好的輸出結(jié)果，從而消除了非線性傳遞函數(shù)對(duì)傳感器應(yīng)用的制約，因此一些科研工作者正在對(duì)這些穩(wěn)定性好、精確度高、靈敏度高的轉(zhuǎn)換機(jī)理或材料重新進(jìn)行研究。75 2）數(shù)據(jù)融合理論數(shù)據(jù)融合是智能傳感器理論的重要領(lǐng)域，也是各國(guó)研究的熱點(diǎn)。數(shù)據(jù)融合通過(guò)分析各個(gè)傳感器的信息，來(lái)獲得更可靠、

36、 更有效、更完整的信息，并依據(jù)一定的原則進(jìn)行判斷，作出正確的結(jié)論。對(duì)于由多個(gè)傳感器組成的陣列，數(shù)據(jù)融合技術(shù)能夠充分發(fā)揮各個(gè)傳感器的特點(diǎn)，利用其互補(bǔ)性、冗余性，提高測(cè)量信息的精度和可靠性，延長(zhǎng)系統(tǒng)的使用壽命，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)識(shí)別、 判斷和決策。 76 多傳感器系統(tǒng)的融合中心接受各傳感器的輸入信息，得到一個(gè)基于多傳感器決策的聯(lián)合概率密度函數(shù)，然后按一定的準(zhǔn)則作出最后決策。 融合中心常用的融合方法有錯(cuò)誤率最小化法、NP法、 自適應(yīng)增強(qiáng)學(xué)習(xí)法、廣義證據(jù)處理法等等。傳感器數(shù)據(jù)融合是傳感器技術(shù)、模式識(shí)別、人工智能、模糊理論、概率統(tǒng)計(jì)等交叉的新興學(xué)科，目前還有許多問(wèn)題沒(méi)有解決，如最優(yōu)的分布檢測(cè)方法、數(shù)據(jù)融合的分布式

37、處理結(jié)構(gòu)、基于模糊理論的融合方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于多傳感器系統(tǒng)、多傳感器信號(hào)之間的相互耦合、系統(tǒng)功能配置及冗余優(yōu)化設(shè)計(jì)等，這些問(wèn)題也是當(dāng)今數(shù)據(jù)融合理論的研究熱點(diǎn)。 77 3）CMOS工藝兼容的傳感器制造與集成封裝技術(shù) 集成式微型智能傳感器是受集成電路制作工藝的牽引而發(fā)展起來(lái)的，如何充分利用已經(jīng)行之有效的大規(guī)模集成電路制作技術(shù)， 是智能傳感器降低成本，提高質(zhì)量，增加效益，批量生產(chǎn)的最可行，最有效的途徑。但傳統(tǒng)的微機(jī)械傳感器制作工藝與CMOS工藝兼容性較差。為了保證加工應(yīng)力能完全松弛，微機(jī)械結(jié)構(gòu)需要長(zhǎng)時(shí)間的高溫退火； 而為了成功地實(shí)施必要的曝光，CMOS技術(shù)需要非常平整的表面，這就造成了矛盾。因?yàn)槿绻韧瓿蓹C(jī)械加工工序，基底的平面性將會(huì)有所犧牲；如果先完成CMOS工序，基底將經(jīng)受高溫退火。這使得傳感器敏感單元與大規(guī)模集成電路進(jìn)