項(xiàng)目8 新型傳感器及其應(yīng)用課件

項(xiàng)目8新型傳感器及其應(yīng)用18.1機(jī)器人傳感器

機(jī)器人可以被定義為計(jì)算機(jī)控制的能模擬人的感覺(jué)、手工操縱的和具有自動(dòng)行走能力的而又足以完成有效工作的裝置。機(jī)器人傳感器可以被定義為一種能把機(jī)器人目標(biāo)物特性(或參量)變換為電量輸出的裝置。機(jī)器人通過(guò)傳感器實(shí)現(xiàn)類似于人類的知覺(jué)作用。28.1.1機(jī)器人傳感器的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

傳感器在機(jī)器人的發(fā)展過(guò)程中起著舉足輕重的作用。傳感器的運(yùn)用程度已成為衡量機(jī)器人智能高低的重要特征。我們要求機(jī)器人應(yīng)具有自我學(xué)習(xí)、自我補(bǔ)償、自我診斷能力，應(yīng)能具備神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，能從事越來(lái)越復(fù)雜的工作，對(duì)變化的環(huán)境能有更強(qiáng)的適應(yīng)能力，要求能進(jìn)行更精確的定位和控制，因而對(duì)傳感器的應(yīng)用不僅是十分必要的，而且具有更高的要求。機(jī)器人大腦(計(jì)算機(jī))處理的信息，必須要通過(guò)各種傳感器來(lái)獲取，因而智能機(jī)器人需要有更多的、性能更好的、功能更強(qiáng)的、集成度更高的傳感器。3人類五官感覺(jué)與各種傳感器之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系

感覺(jué)物理/化學(xué)量傳感器用例視覺(jué)(眼)光光電二極管、光電三極管，Cds、CCD圖像傳感器、CMOS圖像傳感器聽(tīng)覺(jué)(耳)音麥克風(fēng)嗅覺(jué)(鼻)氣體氣體傳感器、氣味傳感器味覺(jué)(舌)水質(zhì)pH傳感器觸覺(jué)(皮膚)溫度熱敏電阻，熱電偶，半導(dǎo)體溫度傳感器壓力觸覺(jué)傳感器、半導(dǎo)體壓力傳感器、應(yīng)變儀、感壓傳感器58.1.3機(jī)器人對(duì)傳感器的要求和分類

1．智能機(jī)器人對(duì)傳感器的要求(1)精度高、可靠性高、穩(wěn)定性好。智能機(jī)器人在感知系統(tǒng)的幫助下，自主完成人類指定的工作。如果傳感器的精度差，會(huì)影響機(jī)器人的作業(yè)質(zhì)量；如果傳感器不穩(wěn)定或可靠性不高，很容易導(dǎo)致智能機(jī)器人出現(xiàn)故障，輕者導(dǎo)致工作不能正常進(jìn)行，重者還會(huì)造成嚴(yán)重的事故。因此，傳感器的可靠性和穩(wěn)定性是智能機(jī)器人對(duì)其最基本的要求。(2)抗干擾能力強(qiáng)。智能機(jī)器人的傳感器往往工作在未知的、惡劣的環(huán)境中，因此要求傳感器具有抗電磁干擾、振動(dòng)，灰塵和油污等惡劣環(huán)境的能力。(3)重量輕、體積小。對(duì)于安裝在機(jī)器人手臂等運(yùn)動(dòng)部件上的傳感器，重量要輕，否則會(huì)加大運(yùn)動(dòng)部件的慣性，影響機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能。對(duì)于工作空間受到某種限制的機(jī)器人，對(duì)體積和安裝方向的要求也是必不可少的。(4)安全。智能機(jī)器人的安全問(wèn)題包括兩個(gè)方面，一方面是智能機(jī)器人的自我保護(hù)，另一方面則是智能機(jī)器人為保護(hù)人類安全不受侵犯而采取的措施。62.機(jī)器人傳感器的分類78.1.5機(jī)器人力覺(jué)傳感器

力覺(jué)是指對(duì)機(jī)器人的指、肢和關(guān)節(jié)等運(yùn)動(dòng)中所受力的感知，主要包括腕力覺(jué)、關(guān)節(jié)力覺(jué)和支座力覺(jué)等。常用的機(jī)器人力傳感器和力矩傳感器有電阻應(yīng)變式力傳感器、壓電式力傳感器、電容式力傳感器、電感式力傳感器以及各種外力傳感器等。力覺(jué)傳感器的共同特點(diǎn)是，首先通過(guò)彈性敏感元件將被測(cè)力(或力矩)轉(zhuǎn)換成某種位移量或變形量，然后通過(guò)各自的敏感介質(zhì)把位移量轉(zhuǎn)換成能夠輸出的電量。9力覺(jué)傳感器特點(diǎn)力覺(jué)傳感器用于感知機(jī)器人的指、肢和關(guān)節(jié)在工作和運(yùn)動(dòng)中所受力的大小和方向。特點(diǎn)：檢測(cè)多維作用力。主要部件：應(yīng)變片、壓電傳感器、電容式傳感器、光電式傳感器和電磁式力傳感器。按位置分為三種形式：關(guān)節(jié)力傳感器、腕力傳感器、基座傳感器。10力覺(jué)傳感器的作用

力覺(jué)傳感器的作用：1、感知是否夾起了工件或是否夾持在正確部位；2、控制裝配、打磨、研磨拋光的質(zhì)量；3、裝配中提供信息，以產(chǎn)生后續(xù)的修正補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)來(lái)保證裝配的質(zhì)量和速度；4、防止碰撞、卡死和損壞機(jī)件。11（1）關(guān)節(jié)力傳感器13（2）腕力傳感器14機(jī)器人用六維力和力矩傳感器

15（4）力覺(jué)傳感器在裝配作業(yè)中的作用17帶有撓性桿的六自由度力傳感器18初始位置誤差及校正191.觸覺(jué)傳感器

機(jī)器人的觸覺(jué)主要有兩方面的功能。

(1)檢測(cè)功能：對(duì)操作物進(jìn)行物理性質(zhì)檢測(cè)，如表面光潔度、硬度等，其目的是：1)感知危險(xiǎn)狀態(tài)，實(shí)施自我保護(hù)。2)靈活地控制手爪及關(guān)節(jié)以操作對(duì)象物。3)使操作具有適應(yīng)性和順從性。

(2)識(shí)別功能：

識(shí)別對(duì)象物的形狀(如識(shí)別接觸到的表面形狀)。

21觸覺(jué)傳感器的分類

22（1）微動(dòng)開(kāi)關(guān)23具有微動(dòng)開(kāi)關(guān)的五指機(jī)械手

25應(yīng)用微動(dòng)開(kāi)關(guān)的觸須傳感器26（2）硅橡膠觸覺(jué)傳感器的工作原理

用導(dǎo)電硅橡膠(ACS)制成的矩陣式觸覺(jué)傳感器接觸物體時(shí)，把感覺(jué)信息輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析，確定物體的外形和表面特征。硅橡膠矩陣式觸覺(jué)傳感器能獲得比單個(gè)傳感器更大區(qū)域的觸覺(jué)信息。雖然陣列傳感器可由若干單個(gè)傳感器組成，但處理這一問(wèn)題的最好方法是構(gòu)成一個(gè)由電極組成的矩陣，電極與柔性導(dǎo)電材料(如石墨基物質(zhì))保持電器接觸，導(dǎo)電材料的電阻隨壓力而變化。當(dāng)物體壓在其表面上時(shí)，將引起局部變形，測(cè)出連續(xù)的電阻變化，就可測(cè)量局部變形。電阻的改變轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，其幅值正比于施加在材料表面上某一點(diǎn)的力。

27矩陣式觸覺(jué)傳感器的檢測(cè)電路

29（3）幾種接觸覺(jué)傳感器

30（4）有滑動(dòng)作用力的觸覺(jué)傳感器

31PVF2陣列式觸覺(jué)傳感器

32壓電式觸覺(jué)傳感器

壓電式觸覺(jué)傳感器是利用晶體的壓電效應(yīng)進(jìn)行觸覺(jué)測(cè)量的觸覺(jué)傳感器。通常，這種觸覺(jué)傳感器可以采用多個(gè)壓電晶體來(lái)檢測(cè)物體的表面輪廓。其工作原理是把多個(gè)壓電晶體壓在被測(cè)物體上，如果物體表面的高度不同，各個(gè)壓電晶體的變形也不同，因此，壓電晶體產(chǎn)生的電量和輸出電壓也不同，檢測(cè)各壓電晶體的輸出電壓就可以檢測(cè)物體的表面輪廓。33成像型觸覺(jué)傳感器

LTS-100陣列觸覺(jué)傳感器的外形

34接近覺(jué)傳感器接近覺(jué)是指機(jī)器人能感知相距幾毫米至幾十厘米內(nèi)對(duì)象物或障礙物的距離、對(duì)象物的表面性質(zhì)等的傳感器。接近覺(jué)介于觸覺(jué)和視覺(jué)之間的感覺(jué)。種類：電磁式、光電式、電容式、氣動(dòng)式、超聲波式、紅外式等類型。35接觸棒接近覺(jué)傳感器

36（1）電磁式接近覺(jué)傳感器

利用電渦流效應(yīng)原理制造的傳感器稱為電渦流傳感器。電渦流傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻率響應(yīng)寬、靈敏度高、測(cè)量線性范圍大、抗干擾能力強(qiáng)和體積小等優(yōu)點(diǎn)。

缺點(diǎn):不能感知非金屬材料的物體。37電渦流傳感器的工作原理

當(dāng)傳感器內(nèi)的線圈通以交變電流I1，則在線圈的周圍產(chǎn)生交變磁場(chǎng)H1。當(dāng)金屬導(dǎo)體置于磁場(chǎng)中時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)即感生電渦流I2。此電渦流也將產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)H2，由于兩個(gè)磁場(chǎng)的方向正好相反，因此電渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)H2削弱了原來(lái)的磁場(chǎng)，從而導(dǎo)致產(chǎn)生H1磁場(chǎng)線圈的阻抗發(fā)生變化。說(shuō)明當(dāng)金屬塊置于交變的磁場(chǎng)中時(shí)，金屬體內(nèi)產(chǎn)生渦流，渦流大小隨激勵(lì)線圈與對(duì)象表面距離的變化有關(guān)。38

用兩塊金屬平板作電極可構(gòu)成電容器，當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，其電容C為S—極板相對(duì)覆蓋面積；δ—極板間距離；εr—相對(duì)介電常數(shù)；ε0—真空介電常數(shù)，ε0＝8.85pF/m；ε—電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。由公式可知電容的變化反映了極板間的距離的變化，即反映了傳感器表面與對(duì)象物體表面間距離的變化。將這個(gè)電容接在電橋電路中，或者把它當(dāng)做RC振蕩器中的元件，都可檢測(cè)出距離。（2）電容式接近覺(jué)傳感器39新型的電容接近覺(jué)傳感器40（3）氣動(dòng)式接近覺(jué)傳感器41（4）光電式接近覺(jué)傳感器θ↑→距離近；θ↓→距離遠(yuǎn)。缺點(diǎn)：不能測(cè)距離；物體折射率影響靈敏度。42光纖光電式接近覺(jué)傳感器43（5）超聲波接近覺(jué)傳感器

通過(guò)超聲波換能器實(shí)現(xiàn)，發(fā)射的超聲波經(jīng)過(guò)物體反射后接收，通過(guò)時(shí)間和相位檢測(cè)出距離。可以使用兩個(gè)換能器（一發(fā)，一收）或一個(gè)換能器（兼發(fā)、收）。兩種距離探測(cè)方法：

1）脈沖延時(shí)法2）相位調(diào)制法44兩種距離探測(cè)方法的波形L=vt/2L=λ（n+△φ/2π）/2452.滑覺(jué)傳感器

人手在握持物體時(shí)，能夠感知物體在手中的滑動(dòng)情況，從而調(diào)整抓握力的大小。智能機(jī)器人在抓握物體時(shí)，也應(yīng)具有感知物體的滑動(dòng)，從而確定自己最適當(dāng)?shù)奈樟δ繕?biāo)值，因此需檢測(cè)出握力不夠時(shí)所產(chǎn)生的物體滑動(dòng)。利用這一信號(hào)，在不損壞物體的情況下，牢牢抓住物體，為此目的設(shè)計(jì)的滑動(dòng)檢測(cè)器，叫做滑覺(jué)傳感器?；X(jué)技術(shù)發(fā)展較晚，當(dāng)今急需解決的問(wèn)題是快速檢測(cè)滑動(dòng)，并調(diào)整抓握力以免損壞被抓物體。46光電式滑動(dòng)覺(jué)傳感器原理圖

47球形滑覺(jué)傳感器

48光纖式滑（壓）覺(jué)傳感器49傳感器感知單元的轉(zhuǎn)換原理50超大規(guī)模集成計(jì)算傳感器陣列(VLSI)

51用來(lái)檢測(cè)機(jī)器人手指的握持面上承受的壓力大小和分布（分布式壓覺(jué)傳感器）。

特點(diǎn)：小型輕便、響應(yīng)快、陣列密度高、在線性好、可靠性高。2.壓覺(jué)傳感器52彈簧式壓覺(jué)傳感器

538.1.7聽(tīng)覺(jué)和視覺(jué)傳感器

1.聽(tīng)覺(jué)傳感器聽(tīng)覺(jué)也是機(jī)器人的重要感覺(jué)器官之一。從應(yīng)用的目的來(lái)看，可以將識(shí)別聲音的系統(tǒng)分為兩大類：發(fā)言人識(shí)別系統(tǒng)及語(yǔ)義識(shí)別系統(tǒng)。54(1)動(dòng)圈式傳聲器55（2）光纖聲傳感器562.視覺(jué)傳感器

視覺(jué)傳感器以光電變換為基礎(chǔ)，是利用光敏元件將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器件，它的敏感波長(zhǎng)在可見(jiàn)光波長(zhǎng)附近，包括紅外線波長(zhǎng)和紫外線波長(zhǎng)。視覺(jué)傳感器不只局限于對(duì)光的探測(cè)，它還可以作為探測(cè)元件組成其他傳感器，對(duì)許多非電量進(jìn)行檢測(cè)，只要將這些非電量轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的變化即可。571)激光式視覺(jué)傳感器

激光束以恒定的速度掃描被測(cè)物體，由于激光方向性好、亮度高，因此光束在物體邊緣形成強(qiáng)對(duì)比度的光強(qiáng)分布，經(jīng)光電器件轉(zhuǎn)換成脈沖電信號(hào)，脈沖寬度與被測(cè)尺寸成正比，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人對(duì)物體尺寸的非接觸測(cè)量。激光掃描傳感器適用于柔軟的不允許有測(cè)量力的物體、不允許測(cè)頭接觸的高溫物體以及不允許表面劃傷的物體等的在線測(cè)量。由于掃描速度可高達(dá)95m/s，因此允許測(cè)量快速運(yùn)動(dòng)或振幅不大、頻率不高、振動(dòng)著的物體，因此經(jīng)常用于機(jī)器人在加工中(即在線)的非接觸主動(dòng)測(cè)量。58激光視覺(jué)傳感器構(gòu)成原理

592)紅外CCD視覺(jué)傳感器608.1.8人工皮膚人的皮膚是是多傳感器的典型實(shí)例。人工皮膚的研究目標(biāo)就是與人的皮膚類似，具有接觸覺(jué)、壓覺(jué)、滑覺(jué)和熱覺(jué)等多種傳感功能，象人的皮膚一樣，即有柔軟的傳感器表面，冷熱的傳感器體，靈敏的觸、滑、熱等感覺(jué)，傳感器的尺寸、大小不受制作工藝的限制。人工皮膚常用材料：高分子材料PVDF（聚偏二氟乙烯）。特點(diǎn)：幾十μm，具有壓電、熱釋電效應(yīng)。柔性好、機(jī)械強(qiáng)度高、頻響寬、工作溫度寬、體電阻高、重量輕。61人工皮膚結(jié)構(gòu)的剖面圖

62其他PVDF復(fù)合傳感器638.2生物傳感器

生物傳感器是用生物活性材料(酶、蛋白質(zhì)、DNA、抗體、抗原、生物膜等)與物理化學(xué)換能器有機(jī)結(jié)合的一門交叉學(xué)科，用以檢測(cè)與識(shí)別生物體內(nèi)的化學(xué)成分，是發(fā)展生物技術(shù)必不可少的一種先進(jìn)的檢測(cè)方法與監(jiān)控方法，也是物質(zhì)分子水平的快速、微量分析方法。各種生物傳感器有以下共同的結(jié)構(gòu)：包括一種或數(shù)種相關(guān)生物活性材料(生物膜)及能把生物活性表達(dá)的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的物理或化學(xué)換能器(傳感器)，二者組合在一起，用現(xiàn)代微電子和自動(dòng)化儀表技術(shù)進(jìn)行生物信號(hào)的再加工，構(gòu)成各種可以使用的生物傳感器分析裝置、儀器和系統(tǒng)。生物傳感器的原理是待測(cè)物質(zhì)經(jīng)擴(kuò)散作用進(jìn)入生物活性材料，經(jīng)分子識(shí)別，發(fā)生生物學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的信息繼而被相應(yīng)的物理或化學(xué)換能器轉(zhuǎn)變成可定量和可處理的電信號(hào)，再經(jīng)二次儀表放大并輸出，便可知道待測(cè)物濃度。648.2.1生物傳感器基本原理、特點(diǎn)及其分類

生物傳感器原理結(jié)構(gòu)圖

653．生物傳感器的分類

生物傳感器按分子識(shí)別元件分類

668.2.2酶?jìng)鞲衅?/p>

酶是蛋白質(zhì)，酶也是生物催化劑。酶?jìng)鞲衅鞯幕驹硎怯秒娀瘜W(xué)裝置檢測(cè)酶在催化反應(yīng)中生成或消耗的物質(zhì)(電極活性物質(zhì))，將其變換成電信號(hào)輸出。這種信號(hào)變換通常有兩種，即電位法與電流法。電位法是通過(guò)不同離子生成在不同感受體上，從測(cè)得的膜電位去計(jì)算與酶反應(yīng)的有關(guān)的各種離子的濃度。一般采用NH4+電極(NH3電極)、H+電極、CO2電極等。電流法是從與酶反應(yīng)有關(guān)的物質(zhì)的電極反應(yīng)，得到電流值來(lái)計(jì)算被測(cè)物質(zhì)的方法。其電化學(xué)裝置采用的電極是O2電極、燃料電池型電極和H2O2電極等。678.2.3葡萄糖酶?jìng)鞲衅?/p>

葡萄糖是典型的單糖，是一切生物的能源。人體血液中都含有一定濃度的葡萄糖，現(xiàn)已研究出對(duì)葡萄糖氧化反應(yīng)起一種特異催化作用的酶-葡萄糖氧化酶(GOD)，并研究出用它來(lái)測(cè)定葡萄糖濃度的葡萄糖酶?jìng)鞲衅鳌Ｆ咸烟敲競(jìng)鞲衅鞯拿舾心槠咸烟茄趸?，它固定在聚乙烯酰胺凝膠上，其電化學(xué)器件為Pt陽(yáng)電極和Pb陰電極，中間溶液為強(qiáng)堿溶液，并在陽(yáng)電極表面覆蓋一層透氧氣的聚四氟乙烯膜，形成封閉式氧電極，它避免了電極與被測(cè)液直接相接觸，防止了電極毒化。688.2.4微生物傳感器

用微生物作為分子識(shí)別元件制成的傳感器稱為微生物傳感器。微生物傳感器與酶?jìng)鞲衅飨啾龋?jīng)濟(jì)、穩(wěn)定性好、耐久性也好。當(dāng)前，酶主要從微生物中提取精制而成，雖然它有良好的催化作用，但它的缺點(diǎn)是不穩(wěn)定，在提取階段容易喪失活性，精制成本高。酶?jìng)鞲衅骱臀⑸飩鞲衅鞫际抢妹傅幕|(zhì)選擇性和催化性功能。但酶?jìng)鞲衅魇抢脝我坏拿?，而微生物傳感器是利用多種與酶有關(guān)的高度機(jī)能的綜合即復(fù)合酶。也就是說(shuō)，微生物的種類是非常多的，菌體中的復(fù)合酶、能量再生系統(tǒng)、輔助酶再生系統(tǒng)、微生物的呼吸及以新陳代謝為代表的全部生理機(jī)能都可以加以利用。因此，用微生物代替酶，有可能獲得具有復(fù)雜及高功能的生物傳感器。698.2.5免疫傳感器

利用抗體能識(shí)別抗原并與抗原結(jié)合的功能的生物傳感器稱為免疫傳感器。它利用固定化抗體(或抗原)膜與相應(yīng)的抗原(或抗體)的特異反應(yīng)，此反應(yīng)的結(jié)果使生物敏感膜的電位發(fā)生變化。免疫傳感器的基本原理是免疫反應(yīng)。從生理學(xué)可知，抗原是能夠刺激動(dòng)物機(jī)體產(chǎn)生免疫反應(yīng)的物質(zhì)，但從廣義的生物學(xué)觀點(diǎn)看，凡是能夠引起免疫反應(yīng)性能的物質(zhì)，都可稱為抗原。抗原有兩種性能：刺激機(jī)體產(chǎn)生免疫應(yīng)答反應(yīng)；與相應(yīng)免疫反應(yīng)產(chǎn)物發(fā)生特異性結(jié)合反應(yīng)?？乖坏┍涣馨颓蝽憫?yīng)就形成抗體。而微生物病毒等也是抗原。抗體是由抗原刺激機(jī)體產(chǎn)生的具有特異免疫功能的球蛋白，又稱免疫球蛋白。免疫傳感器是利用抗體對(duì)抗原結(jié)合功能研制成功的?？乖c抗體一經(jīng)固定于膜上，就形成了具有識(shí)別免疫反應(yīng)強(qiáng)烈的分子功能性膜。708.2.6半導(dǎo)體生物傳感器半導(dǎo)體生物傳感器是由生物分子識(shí)別器件(生物敏感膜)與半導(dǎo)體器件結(jié)合構(gòu)成的傳感器。目前常用的半導(dǎo)體生物傳感器是酶光敏二極管、場(chǎng)效應(yīng)管(FET)等，因此，半導(dǎo)體生物傳感器又稱生物場(chǎng)效應(yīng)晶體管(BiFET)。最初是將酶和抗體物質(zhì)(抗原或抗體)加以固定制成功能膜，并把它緊貼于FET的柵極絕緣膜上，構(gòu)成BiFET，現(xiàn)已研制出酶FET、尿素FET、抗體FET及青霉素FET等。718.3微波傳感器8.3.1微波的性質(zhì)與特點(diǎn)

微波是波長(zhǎng)在1米（不含1米）到1毫米之間的電磁波。微波的物理性質(zhì)可見(jiàn)項(xiàng)目6中圖6.18所示的電磁波譜圖。由圖可見(jiàn)，它是波長(zhǎng)位于紅外線(也稱紅外光)和無(wú)線電波之間的一種電磁波。它既有電磁波的特性，又與普通的無(wú)線電波及光波不同。微波具有以下特點(diǎn)：(1)可定向輻射，空間直線傳輸；(2)遇到各種障礙物易于反射；(3)繞射能力差；(4)傳輸特性好，傳輸過(guò)程中受煙霧、火焰、灰塵、強(qiáng)光等影響很??；(5)介質(zhì)對(duì)微波的吸收與介質(zhì)的介電常數(shù)成比例，水對(duì)微波的吸收作用最強(qiáng)。

728.3.2微波振蕩器與微波天線

微波振蕩器是產(chǎn)生微波的裝置。由于微波的波長(zhǎng)很短，而頻率又很高(3×108～3×1011Hz)，要求振蕩電路中具有非常微小的電感和電容，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速調(diào)管、磁控管或某些固態(tài)器件，小型微波振蕩器也可以采用場(chǎng)效應(yīng)管。由微波振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號(hào)需要用波導(dǎo)管(波長(zhǎng)為10cm以上，可用同軸電纜)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，天線具有特殊的結(jié)構(gòu)。常用的天線如圖8.40所示，有喇叭天線、拋物面天線等。738.3.3微波傳感器工作原理及其分類

微波傳感器就是指利用微波特性來(lái)檢測(cè)一些物理量的器件或裝置。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)物或由被測(cè)物反射回來(lái)的微波，并將它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路處理，并根據(jù)發(fā)射與接收時(shí)間差，即可顯示出被測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了微波檢測(cè)。根據(jù)上述原理，微波傳感器可以分為如下兩類。1．反射式微波傳感器2．遮斷式微波傳感器748.3.4微波傳感器的優(yōu)點(diǎn)及問(wèn)題

1．微波傳感器的優(yōu)點(diǎn)由于微波本身的特點(diǎn)，決定了微波傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量。因此可以進(jìn)行活體檢測(cè)，大部分測(cè)量不需要取樣；(2)測(cè)量速度快、靈敏度高，可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)和實(shí)時(shí)處理，便于自動(dòng)控制；(3)可以在惡劣的環(huán)境條件下檢測(cè)，如高溫、高壓、有毒、有放射線環(huán)境條件；(4)輸出信號(hào)可以方便地調(diào)制在載頻信號(hào)上進(jìn)行發(fā)射與接收，便于實(shí)現(xiàn)遙測(cè)與遙控。2．微波傳感器存在的問(wèn)題微波傳感器的零點(diǎn)漂移和標(biāo)定問(wèn)題尚未得到很好的解決。其次，使用時(shí)外界因素影響較大，如溫度、氣壓、取樣位置等。758.3.5微波傳感器的應(yīng)用1．微波液位計(jì)2．微波物位計(jì)3．微波傳感器的其他應(yīng)用768.4超聲波傳感器

超聲波傳感器實(shí)質(zhì)上是一種可逆的換能器，它將電振蕩的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械振蕩，形成超聲波，或者由超聲波能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娬袷帯３暡▊鞲衅饔陕暡òl(fā)射器、聲波接收器、定時(shí)電路和控制電路等部分構(gòu)成。聲波發(fā)射器和接收器分別將電能轉(zhuǎn)化為超聲波以及將超聲波轉(zhuǎn)化為電能。778.4.1超聲波的特點(diǎn)

超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩，它的波形有縱波、橫波、表面波3種。質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向一致的波稱為縱波；質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直的波稱為橫波；質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于縱波與橫波之間，沿著表面?zhèn)鞑?，振幅隨深度的增加而迅速衰減的波稱為表面波。橫波、表面波只能在固體中傳播，縱波可在固體、液體及氣體中傳播。檢測(cè)常用的超聲波頻率范圍為1×105～1×107Hz。788.4.2超聲波傳感器

為了以超聲