項目8 新型傳感器及其應(yīng)用課件

項目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算機(jī)控制的能模擬人的感覺、手工操縱的和具有自動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)器人通過傳感器實現(xiàn)類似于人類的知覺作用。28.1.1機(jī)器人傳感器的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

傳感器在機(jī)器人的發(fā)展過程中起著舉足輕重的作用。傳感器的運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)、自我補償、自我診斷能力，應(yīng)能具備神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，能從事越來越復(fù)雜的工作，對變化的環(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(計算機(jī))處理的信息，必須要通過各種傳感器來獲取，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人類五官感覺與各種傳感器之間的對應(yīng)關(guān)系

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

1．智能機(jī)器人對傳感器的要求(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，灰塵和油污等惡劣環(huán)境的能力。(3)重量輕、體積小。對于安裝在機(jī)器人手臂等運動部件上的傳感器，重量要輕，否則會加大運動部件的慣性，影響機(jī)器人的運動性能。對于工作空間受到某種限制的機(jī)器人，對體積和安裝方向的要求也是必不可少的。(4)安全。智能機(jī)器人的安全問題包括兩個方面，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)器人力覺傳感器

力覺是指對機(jī)器人的指、肢和關(guān)節(jié)等運動中所受力的感知，主要包括腕力覺、關(guān)節(jié)力覺和支座力覺等。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。力覺傳感器的共同特點是，首先通過彈性敏感元件將被測力(或力矩)轉(zhuǎn)換成某種位移量或變形量，然后通過各自的敏感介質(zhì)把位移量轉(zhuǎn)換成能夠輸出的電量。9力覺傳感器特點力覺傳感器用于感知機(jī)器人的指、肢和關(guān)節(jié)在工作和運動中所受力的大小和方向。特點：檢測多維作用力。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力覺傳感器的作用

力覺傳感器的作用：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)的修正補償運動來保證裝配的質(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.觸覺傳感器

機(jī)器人的觸覺主要有兩方面的功能。

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

(2)識別功能：

識別對象物的形狀(如識別接觸到的表面形狀)。

21觸覺傳感器的分類

22（1）微動開關(guān)23具有微動開關(guān)的五指機(jī)械手

25應(yīng)用微動開關(guān)的觸須傳感器26（2）硅橡膠觸覺傳感器的工作原理

用導(dǎo)電硅橡膠(ACS)制成的矩陣式觸覺傳感器接觸物體時，把感覺信息輸入計算機(jī)進(jìn)行分析，確定物體的外形和表面特征。硅橡膠矩陣式觸覺傳感器能獲得比單個傳感器更大區(qū)域的觸覺信息。雖然陣列傳感器可由若干單個傳感器組成，但處理這一問題的最好方法是構(gòu)成一個由電極組成的矩陣，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，將引起局部變形，測出連續(xù)的電阻變化，就可測量局部變形。電阻的改變轉(zhuǎn)換成電信號，其幅值正比于施加在材料表面上某一點的力。

27矩陣式觸覺傳感器的檢測電路

29（3）幾種接觸覺傳感器

30（4）有滑動作用力的觸覺傳感器

31PVF2陣列式觸覺傳感器

32壓電式觸覺傳感器

壓電式觸覺傳感器是利用晶體的壓電效應(yīng)進(jìn)行觸覺測量的觸覺傳感器。通常，這種觸覺傳感器可以采用多個壓電晶體來檢測物體的表面輪廓。其工作原理是把多個壓電晶體壓在被測物體上，如果物體表面的高度不同，各個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，檢測各壓電晶體的輸出電壓就可以檢測物體的表面輪廓。33成像型觸覺傳感器

LTS-100陣列觸覺傳感器的外形

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

36（1）電磁式接近覺傳感器

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)簡單、頻率響應(yīng)寬、靈敏度高、測量線性范圍大、抗干擾能力強(qiáng)和體積小等優(yōu)點。

缺點: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H1。當(dāng)金屬導(dǎo)體置于磁場中時，導(dǎo)體內(nèi)即感生電渦流I2。此電渦流也將產(chǎn)生一個磁場H2，由于兩個磁場的方向正好相反，因此電渦流產(chǎn)生的磁場H2削弱了原來的磁場，從而導(dǎo)致產(chǎn)生H1磁場線圈的阻抗發(fā)生變化。說明當(dāng)金屬塊置于交變的磁場中時，金屬體內(nèi)產(chǎn)生渦流，渦流大小隨激勵線圈與對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，其電容C為S—極板相對覆蓋面積；δ—極板間距離；εr—相對介電常數(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象物體表面間距離的變化。將這個電容接在電橋電路中，或者把它當(dāng)做RC振蕩器中的元件，都可檢測出距離。（2）電容式接近覺傳感器39新型的電容接近覺傳感器40（3）氣動式接近覺傳感器41（4）光電式接近覺傳感器θ↑→距離近；θ↓→距離遠(yuǎn)。缺點：不能測距離；物體折射率影響靈敏度。42光纖光電式接近覺傳感器43（5）超聲波接近覺傳感器

通過超聲波換能器實現(xiàn)，發(fā)射的超聲波經(jīng)過物體反射后接收，通過時間和相位檢測出距離。可以使用兩個換能器（一發(fā)，一收）或一個換能器（兼發(fā)、收）。兩種距離探測方法：

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

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

47球形滑覺傳感器

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

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

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

538.1.7聽覺和視覺傳感器

1.聽覺傳感器聽覺也是機(jī)器人的重要感覺器官之一。從應(yīng)用的目的來看，可以將識別聲音的系統(tǒng)分為兩大類：發(fā)言人識別系統(tǒng)及語義識別系統(tǒng)。54(1)動圈式傳聲器55（2）光纖聲傳感器562.視覺傳感器

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

激光束以恒定的速度掃描被測物體，由于激光方向性好、亮度高，因此光束在物體邊緣形成強(qiáng)對比度的光強(qiáng)分布，經(jīng)光電器件轉(zhuǎn)換成脈沖電信號，脈沖寬度與被測尺寸成正比，從而實現(xiàn)了機(jī)器人對物體尺寸的非接觸測量。激光掃描傳感器適用于柔軟的不允許有測量力的物體、不允許測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量。由于掃描速度可高達(dá)95m/s，因此允許測量快速運動或振幅不大、頻率不高、振動著的物體，因此經(jīng)常用于機(jī)器人在加工中(即在線)的非接觸主動測量。58激光視覺傳感器構(gòu)成原理

592)紅外CCD視覺傳感器608.1.8人工皮膚人的皮膚是是多傳感器的典型實例。人工皮膚的研究目標(biāo)就是與人的皮膚類似，具有接觸覺、壓覺、滑覺和熱覺等多種傳感功能，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，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：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，用以檢測與識別生物體內(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)的信號轉(zhuǎn)換為電信號的物理或化學(xué)換能器(傳感器)，二者組合在一起，用現(xiàn)代微電子和自動化儀表技術(shù)進(jìn)行生物信號的再加工，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物質(zhì)經(jīng)擴(kuò)散作用進(jìn)入生物活性材料，經(jīng)分子識別，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，再經(jīng)二次儀表放大并輸出，便可知道待測物濃度。648.2.1生物傳感器基本原理、特點及其分類

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別元件分類

668.2.2酶傳感器

酶是蛋白質(zhì)，酶也是生物催化劑。酶傳感器的基本原理是用電化學(xué)裝置檢測酶在催化反應(yīng)中生成或消耗的物質(zhì)(電極活性物質(zhì))，將其變換成電信號輸出。這種信號變換通常有兩種，即電位法與電流法。電位法是通過不同離子生成在不同感受體上，從測得的膜電位去計算與酶反應(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)，得到電流值來計算被測物質(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葡萄糖酶傳感器

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)，并研究出用它來測定葡萄糖濃度的葡萄糖酶傳感器。葡萄糖酶傳感器的敏感膜為葡萄糖氧化酶，它固定在聚乙烯酰胺凝膠上，其電化學(xué)器件為Pt陽電極和Pb陰電極，中間溶液為強(qiáng)堿溶液，并在陽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。微生物傳感器與酶傳感器相比，更經(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，但它的缺點是不穩(wěn)定，在提取階段容易喪失活性，精制成本高。酶傳感器和微生物傳感器都是利用酶的基質(zhì)選擇性和催化性功能。但酶傳感器是利用單一的酶，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，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、場效應(yīng)管(FET)等，因此，半導(dǎo)體生物傳感器又稱生物場效應(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

微波是波長在1米（不含1米）到1毫米之間的電磁波。微波的物理性質(zhì)可見項目6中圖6.18所示的電磁波譜圖。由圖可見，它是波長位于紅外線(也稱紅外光)和無線電波之間的一種電磁波。它既有電磁波的特性，又與普通的無線電波及光波不同。微波具有以下特點：(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，傳輸過程中受煙霧、火焰、灰塵、強(qiáng)光等影響很小；(5)介質(zhì)對微波的吸收與介質(zhì)的介電常數(shù)成比例，水對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效應(yīng)管。由微波振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號需要用波導(dǎo)管(波長為10cm以上，可用同軸電纜)傳輸，并通過天線發(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檢測一些物理量的器件或裝置。由發(fā)射天線發(fā)出微波，遇到被測物體時將被吸收或反射，使微波功率發(fā)生變化。若利用接收天線，接收到通過被測物或由被測物反射回來的微波，并將它轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)過信號處理電路處理，并根據(jù)發(fā)射與接收時間差，即可顯示出被測量，實現(xiàn)了微波檢測。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)點及問題

1．微波傳感器的優(yōu)點由于微波本身的特點，決定了微波傳感器具有以下優(yōu)點：(1)實現(xiàn)非接觸測量。因此可以進(jìn)行活體檢測，大部分測量不需要取樣；(2)測量速度快、靈敏度高，可以進(jìn)行動態(tài)檢測和實時處理，便于自動控制；(3)可以在惡劣的環(huán)境條件下檢測，如高溫、高壓、有毒、有放射線環(huán)境條件；(4)輸出信號可以方便地調(diào)制在載頻信號上進(jìn)行發(fā)射與接收，便于實現(xiàn)遙測與遙控。2．微波傳感器存在的問題微波傳感器的零點漂移和標(biāo)定問題尚未得到很好的解決。其次，使用時外界因素影響較大，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2．微波物位計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

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)點的振動方向與波的傳播方向一致的波稱為縱波；質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向垂直的波稱為橫波；質(zhì)點的振動介于縱波與橫波之間，沿著表面?zhèn)鞑ィ穹S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