傳感器與檢測技術(shù)：新型傳感器及其應(yīng)用

新型傳感器及其應(yīng)用9.1圖像傳感器9.2生物傳感器9.3智能傳感器9.4機(jī)器人傳感器教學(xué)目標(biāo)

本章內(nèi)容主要以新型傳感器中較典型、能代表傳感器領(lǐng)域發(fā)展方向,且已經(jīng)投入實(shí)際使用的圖像傳感器、生物傳感器、智能傳感器和機(jī)器人傳感器為代表的知識模塊來構(gòu)成。

主要學(xué)習(xí)內(nèi)容包括上述傳感器的基本測量原理、主要特點(diǎn)和應(yīng)用等方面的知識。通過本章的學(xué)習(xí),讀者可對目前較為流行的新型傳感器如圖像傳感器、生物傳感器、智能傳感器和機(jī)器人傳感器的測量原理、主要特點(diǎn)有所了解,并且體會傳感器發(fā)展的新領(lǐng)域、新趨勢。 9.1圖像傳感器9.1.1CCD圖像傳感器

1.CCD的基本結(jié)構(gòu)

CCD圖像傳感器利用光敏單元的光電轉(zhuǎn)換功能將投射到光敏單元上的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電信號,即將光強(qiáng)的空間分布轉(zhuǎn)換為與光強(qiáng)成比例的、大小不等的電荷包空間分布,然圖9－1光敏元基本結(jié)構(gòu)后利用移位寄存器的移位功能將這些電荷包在時(shí)鐘脈沖控制下實(shí)現(xiàn)讀取與輸出,形成一系列幅值不等的時(shí)序脈沖序列。光敏單元簡稱像素或像點(diǎn),其基本結(jié)構(gòu)如圖9－1所示。圖9－1光敏元基本結(jié)構(gòu)

由半導(dǎo)體的原理可知:P型硅里的多數(shù)載流子是帶正電荷的空穴,少數(shù)載流子是帶負(fù)電荷的電子,當(dāng)金屬電極上施加正電壓時(shí),其電場能夠透過SiO2

絕緣層對這些載流子進(jìn)行

排斥或吸引,于是帶正電的空穴被排斥到遠(yuǎn)離電極處,帶負(fù)電的電子則被吸引到緊靠SiO2層的表面上來,形成耗盡區(qū)。這種現(xiàn)象對電子而言形成了一個陷阱,電子一旦進(jìn)入就不能復(fù)出,故又稱電子“勢阱”。

如果有一束光線入射到MOS電容器上,光子穿過透明電極及氧化層,進(jìn)入P型Si襯底,襯底中的電子將吸收光子的能量而進(jìn)入耗盡區(qū),形成電子空穴對,由此產(chǎn)生的光生電子被附近的勢阱所吸收(或稱俘獲),而同時(shí)產(chǎn)生的空穴則被電場排斥出耗盡區(qū)。此時(shí)勢阱內(nèi)所吸收的光生電子數(shù)量與入射到勢阱附近的光強(qiáng)成正比。這樣就把光的強(qiáng)弱變成電荷的數(shù)量,實(shí)現(xiàn)了光和電的轉(zhuǎn)換。把一個勢阱所收集的若干光生電荷稱為一個“電荷包”,這樣一個MOS光敏單元就稱為一個像素。通常CCD器件是在半導(dǎo)體硅片上制有幾百或幾千個相互獨(dú)立排列規(guī)則的MOS光敏元,此被稱為光敏元陣列。如果在金屬電極上施加一正電壓,則在這半導(dǎo)體硅片上就形成

幾百個或幾千個相互獨(dú)立的勢阱。如果照射在這些光敏元上的是一幅明暗起伏的圖像,則與此同時(shí),在這些光敏元上就會感生出一幅與光照強(qiáng)度相對應(yīng)的光生電荷圖像。這就是電

荷耦合器件光電效應(yīng)的基本原理。

CCD圖像傳感器就是按一定規(guī)律排列的金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)電容器組成的陣列,它由襯底、氧化層和金屬電極構(gòu)成,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖9－2所示。圖9－2CCD結(jié)構(gòu)示意圖

2.電荷轉(zhuǎn)移原理

CCD的基本功能是完成光生電荷、電荷的轉(zhuǎn)移和電荷的存儲。下面來說明電荷是如何實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移和輸出的。圖9－3Φ1

、Φ2

和Φ3

的脈沖時(shí)序圖圖9－4圖像傳感器的轉(zhuǎn)移過程

3.CCD圖像傳感器分類

CCD圖像傳感器按其像素空間排列可分為線陣CCD和面陣CCD兩大類。線陣CCD主要用于一維尺寸的自動檢測,如測量精確的位移量、空間尺寸等,也可以由線陣CCD通

過附加的機(jī)械掃描得到二維圖像,用以實(shí)現(xiàn)對字符和圖像的識別。面陣CCD主要用于實(shí)時(shí)攝像,如生產(chǎn)線上工件的裝配控制、可視電話以及空間遙感遙測、航空攝影等。這里主要

介紹線陣CCD圖像傳感器。

線陣CCD圖像傳感器的結(jié)構(gòu)可分為單溝道和雙溝道兩種,其結(jié)構(gòu)如圖9－5所示。圖9－5線陣CCD圖像傳感器結(jié)構(gòu)

4.CCD圖像傳感器的應(yīng)用

CCD圖像傳感器用于非電量的測量,主要用途大致歸納為兩方面:一方面組成測試儀器,可測量物位、尺寸、工件損傷和自動焦點(diǎn)等;另一方面作光學(xué)信息處理裝置的輸入環(huán)

節(jié),例如用于傳真技術(shù)、光學(xué)文字識別技術(shù)(OCR)、圖像識別技術(shù)、光譜測量及空間遙感技術(shù)等。9.1.2CMOS圖像傳感器

CMOS圖像傳感器是近幾年發(fā)展較快的新型圖像傳感器,它的名稱來源于它的制造工藝,它采用的是與存儲器及邏輯比同樣的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝。CMOS的基本感光原理與CCD相同,不過其制作工藝和結(jié)構(gòu)與CCD大不相同。

CMOS圖像傳感器是一個較完整的圖像系統(tǒng),通常包含—個圖像傳感器核心、單一時(shí)鐘、所有的時(shí)序邏輯、可編程功能和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器,其基本結(jié)構(gòu)如圖9-6所示。在CMOS傳感器中,每個單元感應(yīng)到的光信號都可由鄰近的放大器及模/數(shù)轉(zhuǎn)換器直接傳送到內(nèi)存。圖9－6COMS圖像傳感器結(jié)構(gòu)9.1.3圖像傳感器的應(yīng)用舉例

1.用CCD圖像傳感器測量小尺寸物體

測量小尺寸時(shí),將被測物的未知長度Lx

投射到CCD器件上,根據(jù)總像素?cái)?shù)目和被物像遮掩的像素?cái)?shù)目,可計(jì)算出尺寸Lx

。用CCD圖像傳感器測量小尺寸物體的原理如圖

9－7所示。圖9－7CCD測量小尺寸物體

2.用CCD圖像傳感器測量大尺寸物體

當(dāng)被測物尺寸很大時(shí),如連續(xù)軋制的鋼板寬度測量,可采用兩套光學(xué)成像系統(tǒng)和兩個CCD器件,分別對被測物兩端進(jìn)行測量,然后算出物體尺寸。其原理如圖9－8所示。

圖9－8中,在被測連續(xù)軋制的鋼板左右邊緣下方設(shè)置光源,經(jīng)過各自的透鏡將邊緣部分成像在各自的CCD器件上,兩器件間的距離是固定的。

設(shè)兩個CCD的像素?cái)?shù)都是N0

,兩個CCD都監(jiān)測不到的盲區(qū)的長度設(shè)為L3

,為固定值。被測鋼板的總寬度L=L1+L2

+L

3,其中L1

和L2

分別是由CCD1

和CCD2

測出的邊緣

寬度。圖9-8CCD測量大尺寸物體原理圖 9.2生物傳感器9.2.1生物傳感器概述

1.生物傳感器的基本結(jié)構(gòu)各種生物傳感器具有以下共同的結(jié)構(gòu):①分子識別部分(敏感元件),包括一種或數(shù)種相關(guān)生物活性材料(生物膜);②轉(zhuǎn)換部分(換能器),即能把生物活性表達(dá)的信號轉(zhuǎn)換為電信號的物理或化學(xué)換能器。生物傳感器基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖9－9所示。圖9－9生物傳感器基本結(jié)構(gòu)示意圖

2.生物傳感器的基本原理

生物傳感器的工作原理就是將待測物質(zhì)經(jīng)擴(kuò)散作用進(jìn)入固定生物膜敏感層,經(jīng)分子識別而發(fā)生生物學(xué)作用(物理、化學(xué)變化),產(chǎn)生物理、化學(xué)現(xiàn)象或產(chǎn)生新的化學(xué)物質(zhì),再經(jīng)過相應(yīng)的信號轉(zhuǎn)換器變?yōu)榭啥刻幚淼碾娦盘?然后經(jīng)二次儀表放大并輸出,以電極測定其電流值或電壓值,從而換算出被測物質(zhì)的量或濃度。生物傳感器的基本原理如圖9－10所示。圖9－10生物傳感器原理圖根據(jù)信號轉(zhuǎn)換方式,生物傳感器有以下幾種工作方式:

1)化學(xué)變化轉(zhuǎn)換為電信號方式

以酶傳感器為例,用酶來識別分子,先催化使之發(fā)生特異反應(yīng),使特定生成物的量有所增減,將這種反應(yīng)后所產(chǎn)生物質(zhì)的增與減轉(zhuǎn)換為電信號的裝置和固定化酶耦合,即組成酶傳感器。常用轉(zhuǎn)換裝置有氧電極、過氧化氫。

2)熱變化轉(zhuǎn)換為電信號方式

固定在膜上的生物物質(zhì)與相應(yīng)的被測物作用時(shí)常伴有熱的變化。例如大多數(shù)酶反應(yīng)的熱焓變化量在25~100kJ/mol的范圍。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,后者通過有放大器的電橋輸入到記錄儀中。

3)光變化轉(zhuǎn)換為電信號方式

螢火蟲的光是在常溫常壓下,由酶催化會產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光。例如,過氧化氫酶,能催化過氧化氫/魯米諾體系發(fā)光,因此如設(shè)法將過氧化氫酶膜附著在光纖或光敏二極管的前端,再和光電流測定裝置相連,即可測定過氧化氫含量。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定底物濃度。

4)直接誘導(dǎo)式電信號方式

分子識別處的變化如果是電的變化,則不需要電信號轉(zhuǎn)換器件,但是必須有導(dǎo)出信號的電極。例如:在金屬或半導(dǎo)體的表面固定了抗體分子,稱為同定化抗體,此固定化抗體

和溶液中的抗原發(fā)生反應(yīng)時(shí),則形成抗原體復(fù)合體,用適當(dāng)?shù)膮⒈入姌O測量它和這種金屬或半導(dǎo)體間的電位差,則可發(fā)現(xiàn)反應(yīng)前后的電位差是不同的。

3.生物傳感器的特點(diǎn)

生物傳感器工作時(shí),生物學(xué)反應(yīng)過程中產(chǎn)生的信息是多元化的。生物傳感器與傳統(tǒng)的檢測手段相比有如下特點(diǎn):①生物傳感器是由高度選擇性的分子識別材料與靈敏度極高

的能量轉(zhuǎn)換器結(jié)合而成的,因而它具有很好的選擇性和極高的靈敏度;②在測試時(shí),一般不需對樣品進(jìn)行前處理;③響應(yīng)快、樣品用量少,可以反復(fù)多次使用;④體積小,可實(shí)現(xiàn)

連續(xù)的在線監(jiān)測;⑤易于實(shí)現(xiàn)多組分的同時(shí)測定;⑥成本遠(yuǎn)低于大型分析儀器,便于推廣普及;⑦準(zhǔn)確度和靈敏度高,一般相對誤差不超過1%;⑧可進(jìn)入生物體內(nèi)。

4.生物傳感器的分類

生物傳感器的分類和命名方法較多且不盡統(tǒng)一,主要有兩種分類法,按所用生物活性物質(zhì)(或稱按分子識別元件)分類法和器件分類法。

按所用生物活性物質(zhì)不同可以將生物傳感器分為五大類,如圖9－11所示,即酶傳感器、微生物傳感器、免疫傳感器、組織傳感器和細(xì)胞器傳感器。圖9－11生物傳感器按所用生物活性物質(zhì)分類

5.生物傳感器的應(yīng)用

生物傳感器在國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用,特別是食品、制藥、環(huán)境監(jiān)測、臨床醫(yī)學(xué)監(jiān)測、生命科學(xué)研究等。測定的對象為物質(zhì)中化學(xué)和生物成分的含量,如各

種形式的糖類、尿酸、尿素、膽固醇、膽堿、卵磷脂等。目前,生物傳感器的功能已發(fā)展到活體測定、多指標(biāo)測定和聯(lián)機(jī)在線測定,檢測對象包括近百種常見的生化物質(zhì),在臨床、

發(fā)酵、食品和環(huán)保等方面顯示出廣闊的應(yīng)用前景。本節(jié)將介紹一些具有代表性的生物傳感器。9.2.2酶傳感器

酶是生物體內(nèi)產(chǎn)生的、具有催化活性的一類蛋白質(zhì)。酶不僅具有一般催化劑加快反應(yīng)速度的作用,而且具有高度的選擇性,即一種酶只能作用于一種或一類物質(zhì),產(chǎn)生一定的

產(chǎn)物,如淀粉酶只能催化淀粉水解。酶的這種選擇性及其催化低濃度底物反應(yīng)的能力在化學(xué)分析中非常有用,如酶的底物、催化劑、抑制劑以及酶本身的測定。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。酶傳感器的電極一般有電流型酶電極和電位型酶電極。

其中,電流型酶電極采用的是O2

電極、燃料電池型電極和H2O2電極,是將酶催化反應(yīng)產(chǎn)生的物質(zhì)發(fā)生電極反應(yīng)所產(chǎn)生的電流響應(yīng)作為測量信號,得到電流值來計(jì)算被測物質(zhì);電

位型酶電極一般采用NH4+

電極(NH3電極)、H+

電極、CO2電極等,電位型酶電極是將酶催化反應(yīng)所引起的物質(zhì)量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娢恍盘栞敵?。下面以葡萄糖酶傳感器為例說明酶傳感器的工作原理。實(shí)際應(yīng)用時(shí),葡萄糖酶傳感器安放在被測葡萄糖溶液中。由于酶的催化作用會產(chǎn)生過氧化氫(H2O2),其反應(yīng)式為圖9－12葡萄糖酶傳感器的結(jié)構(gòu)(9－2)反應(yīng)過程中,以葡萄糖氧化酶(GOD)作為催化劑。在(92)式中,葡萄糖氧化時(shí)產(chǎn)生H2O2

,它們通過選擇性透氣膜,在鉑(Pt)電極上氧化,產(chǎn)生陽極電流,葡萄糖含量與電流成正比,這樣,就測量出了葡萄糖溶液的濃度。例如,在Pt陽極上加0.6V的電壓,則H2O2

在Pt電極上產(chǎn)生的氧化電流是(9－3)式中,e

為所形成電流的電子。9.2.3微生物傳感器

微生物傳感器是用微生物作為分子識別元件制成的傳感器。微生物傳感器與酶傳感器相比,更經(jīng)濟(jì),穩(wěn)定性和耐久性也好。

微生物本身就是具有生命活性的細(xì)胞,有各種生理機(jī)能,其主要機(jī)能是呼吸機(jī)能(O2的消耗)和新陳代謝機(jī)能(物質(zhì)的合成與分解),還有菌體內(nèi)的復(fù)合酶和能量再生系統(tǒng)等。

因此在不損壞微生物機(jī)能的情況下,可將微生物用固定化技術(shù)固定在載體上制成微生物敏感膜。載體一般是多孔醋酸纖維膜和膠原膜。所以,微生物傳感器是由固定化微生物膜及電化學(xué)裝置組成,如圖9－13所示。圖9－13微生物傳感器的結(jié)構(gòu)

1.呼吸機(jī)能型微生物傳感器

微生物呼吸機(jī)能存在好氣性和厭氣性兩種。其中好氣性微生物需要有氧氣,因此可通過測量氧氣來控制呼吸機(jī)能,并了解其生理狀態(tài);而厭氣性微生物相反,它不需要氧氣,氧氣存在會妨礙微生物生長,而可以通過測量碳酸氣消耗及其他生成物來探知生理狀態(tài)。

由此可知,呼吸機(jī)能型微生物傳感器是由微生物固定化膜和O2

電極(或CO2

電極)組成的。在應(yīng)用氧電極時(shí),把微生物放在纖維性蛋白質(zhì)中固化處理,然后把固化膜附著在封閉式氧極的透氧膜上。下面以生物化學(xué)耗氧量傳感器BOD為例說明呼吸機(jī)能型微生物傳感器的工作原理。圖9－14生物化學(xué)耗氧量傳感器

2.代謝機(jī)能型微生物傳感器

代謝機(jī)能型微生物傳感器的基本原理是微生物使有機(jī)物資化而產(chǎn)生各種代謝生成物。這些代謝生成物中,含有遇電極產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)(即電極活性物質(zhì)),因此,微生物傳感器的微生物敏感膜與離子選擇性電極(或燃料電池型電極)相結(jié)合就構(gòu)成了代謝機(jī)能型微生物傳感器。以甲酸傳感器為例說明代謝機(jī)能型微生物傳感器的工作原理。

甲酸傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖9－15所示。圖9－15甲酸傳感器結(jié)構(gòu)示意圖9.2.4免疫傳感器

免疫傳感器是利用抗體能識別抗原并與抗原結(jié)合功能的生物傳感器。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。免疫傳感器根據(jù)所采用轉(zhuǎn)換器種類的不同,可將其分為電化學(xué)免疫傳感器、光纖免疫傳感器、場效應(yīng)晶體管免疫傳感器、壓電晶體免疫傳感器和表面等離子體共振免疫傳感器等。

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(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?？乖袃煞N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)圖9－16免疫傳感器的結(jié)構(gòu)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相應(yīng)的抗原的識別和結(jié)合的雙重功能,將抗體或抗原與轉(zhuǎn)換器組合而成的檢測裝置。如圖9－16所示?？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。

在圖9－16中,2、3兩室間有固定化抗原膜,1、3兩室間沒有固定化抗原膜。1、2室注入0.9%的生理鹽水,當(dāng)3室內(nèi)導(dǎo)入食鹽水時(shí),1、2室內(nèi)電極間無電位差。若3室內(nèi)注入含有抗體的鹽水時(shí),由于抗體和固定化抗原膜上的抗原相結(jié)合,使膜表面吸附了特異的抗體,而抗體是有電荷的蛋白質(zhì),從而使固定化抗原膜帶電狀態(tài)發(fā)生變化,于是1、2室內(nèi)的電極間有電位差產(chǎn)生。電位差信號放大可檢測超微量的抗體。圖9－16免疫傳感器的結(jié)構(gòu) 9.3智能傳感器9.3.1智能傳感器的結(jié)構(gòu)智能傳感器視其傳感元件的不同具有不同的名稱和用途,而且其硬件的組合方式也不盡相同,但其結(jié)構(gòu)模塊大致相似,智能傳感器的基本結(jié)構(gòu)如圖9－17所示。圖9－17非集成化智能傳感器結(jié)構(gòu)由圖9－17可以看出,智能傳感器一般由以下幾個部分組成:①一個或多個敏感器件;②信號調(diào)理電路;③微處理器或微控制器;④非易失性可控寫存儲器;⑤雙向數(shù)據(jù)通信的接口;⑥高效的電源模塊。

一種智能壓力傳感器的結(jié)構(gòu)如圖9－18所示。圖9－18智能壓力傳感器的結(jié)構(gòu)

1.非集成化智能傳感器

非集成化智能傳感器就是將傳統(tǒng)的經(jīng)典傳感器、信號調(diào)理電路、微處理器以及相關(guān)的輸入輸出接口電路、存儲器等進(jìn)行簡單組合集成而得到的測量系統(tǒng)。在這種方式下,傳感

器與微處理器可以分為兩個獨(dú)立部分,傳感器及變送器將待測物理量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號,送給信號調(diào)理電路進(jìn)行濾波、放大,再經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換后送到微處理器。微處理器是智能傳感器的核心,不但可以對傳感器測量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、存儲、處理,還可以通過反饋回路對傳感器進(jìn)行調(diào)節(jié)。微處理器可以根據(jù)其內(nèi)存中駐留的軟件實(shí)現(xiàn)對測量過程的各種控制、邏輯推理、數(shù)據(jù)處理等功能,使傳感器獲得智能,從而提高了系統(tǒng)性能。圖9－21為非集成化智能傳感器。

2.集成化智能傳感器

集成化的智能傳感器采用大規(guī)模集成電路工藝技術(shù),將傳感器與相應(yīng)的電路都集成到同一芯片上,如圖9－19所示。圖9－19集成一體化的智能傳感器9.3.2智能傳感器的功能與特點(diǎn)

1.智能傳感器的主要功能

幾年來,自動化領(lǐng)域由于智能傳感器的引入取得快速發(fā)展。智能傳感器代表了傳感器的發(fā)展方向,這種智能傳感器帶有標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字總線接口,能夠自己管理自己,能將所檢測到

的信號經(jīng)過變換處理后,以數(shù)字量的形式通過現(xiàn)場總線與上位計(jì)算機(jī)或其他智能系統(tǒng)進(jìn)行通信與信息傳遞。和傳統(tǒng)的傳感器相比,智能傳感器具備以下一些功能:

(1)復(fù)合敏感功能。智能傳感器應(yīng)該具有一種或多種敏感能力,如能夠同時(shí)測量聲、光、電、熱、力、化學(xué)等多個物理或化學(xué)量,給出比較全面反映物質(zhì)運(yùn)動規(guī)律的信息;同時(shí)測量介質(zhì)的溫度、流速、壓力和密度;同時(shí)測量物體某一點(diǎn)的三維振動加速度、速度、位移等。

(2)自動采集數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。智能傳感器能夠自動選擇量程完成對信號的采集,并能夠?qū)Σ杉脑紨?shù)據(jù)進(jìn)行各種處理,如各種數(shù)字濾波、FFT變換、HHT變換等時(shí)頻域處理,從而進(jìn)行功能計(jì)算及邏輯判斷。

(3)自補(bǔ)償、自校零、自校正功能。為保證測量精度,智能傳感器必須具備上電自診斷、設(shè)定條件自診斷以及自動補(bǔ)償功能,如能夠根據(jù)外界環(huán)境的變化自動進(jìn)行溫度漂移補(bǔ)償、非線性補(bǔ)償、零位補(bǔ)償、間接量計(jì)算等;同時(shí)能夠利用計(jì)量特性數(shù)據(jù)進(jìn)行自校正、自校零、自標(biāo)定等功能。

(4)信息存儲功能。智能傳感器應(yīng)該能夠?qū)Σ杉男畔⑦M(jìn)行存儲,并將處理的結(jié)果送給其他的智能傳感器或智能系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)這些功能需要一定容量的存儲器及通信接口。現(xiàn)在

大多智能傳感器都具有擴(kuò)展的存儲器及雙向通信接口。

(5)通信功能。利用通信網(wǎng)絡(luò)以數(shù)字形式實(shí)現(xiàn)傳感器測試數(shù)據(jù)的雙向通信,是智能傳感器的關(guān)鍵標(biāo)志之一;利用雙向通信網(wǎng)絡(luò),也可設(shè)置智能傳感器的增益、補(bǔ)償參數(shù)、內(nèi)檢參數(shù),并輸出測試數(shù)據(jù)。智能傳感器的出現(xiàn)將復(fù)雜信號由集中型處理變成分散型處理,即可以保證數(shù)據(jù)處理的質(zhì)量,提高抗干擾性能,同時(shí)又降低系統(tǒng)的成本。它使傳感器由單一功能、單一檢測向多功能和多變量檢測發(fā)展,使傳感器由被動進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換向主動控制和主動進(jìn)行信息處理方向發(fā)展,并使傳感器由孤立的元件向系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上可采用標(biāo)準(zhǔn)化總線接口進(jìn)行信息交換。

(6)自學(xué)習(xí)功能。一定程度的人工智能是硬件與軟件的結(jié)合體,可實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)功能,更能體現(xiàn)儀表在控制系統(tǒng)中的作用?？梢愿鶕?jù)不同的測量要求,選擇合適的方案,并能對信

息進(jìn)行綜合處理,對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測。如AlphaGo“阿爾法圍棋”就屬于具有自我學(xué)習(xí)和進(jìn)化能力的人工智能系統(tǒng)。

2.智能傳感器的特點(diǎn)

與傳統(tǒng)傳感器相比,智能傳感器具有以下特點(diǎn):

(1)精度高、測量范圍寬。智能傳感器保證它的高精度的功能有很多,如通過自動校零功能來去除零點(diǎn)誤差;與標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)實(shí)時(shí)對比以自動進(jìn)行整體系統(tǒng)標(biāo)定;自動進(jìn)行整體系

統(tǒng)的非線性系統(tǒng)誤差的校正;通過對采集的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理以消除偶然誤差的影響等,從而保證了智能傳感器的高精度。智能傳感器的量程比可達(dá)100∶1,最高達(dá)400∶1,

可用一個智能傳感器應(yīng)付很寬的測量范圍,特別適用于要求量程比大的控制場合。

(2)高可靠性和高穩(wěn)定性。智能傳感器能自動補(bǔ)償因工作條件與環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化后引起的系統(tǒng)特性的漂移,如環(huán)境溫度變化而產(chǎn)生的零點(diǎn)和靈敏度的漂移;在當(dāng)被測參數(shù)發(fā)

生變化后能自動改換里程,能實(shí)時(shí)自動進(jìn)行系統(tǒng)的自我檢驗(yàn)、分析、判斷判斷數(shù)據(jù)的合理性,并給出異常情況的應(yīng)急處理(報(bào)警或故障提示)。因此,保證了智能傳感器的高可靠性和高穩(wěn)定性。

(3)高信噪比和高分辨率。由于智能傳感器具有數(shù)據(jù)存儲、記憶與信息處理功能,通過軟件進(jìn)行數(shù)字濾波、分析等處理,可以去除輸入數(shù)據(jù)中的噪聲,將有用信號提取出來;

通過數(shù)據(jù)融合和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù),可以消除多參數(shù)狀態(tài)下交叉靈敏度的影響,從而保證在多參數(shù)狀態(tài)下對待多參數(shù)測量的分辨率,故智能傳感器具有高的信噪比和高的分辨率。

(4)自適應(yīng)性強(qiáng)。智能傳感器的微處理器可以使其具備判斷、推理及學(xué)習(xí)能力,從而具備根據(jù)系統(tǒng)所處環(huán)境及測量內(nèi)容自動調(diào)整測量參數(shù),使系統(tǒng)進(jìn)入最佳工作狀態(tài)。

(5)價(jià)格性能比強(qiáng)。智能傳感器采用價(jià)格便宜的微處理器及外圍部件即可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、自診斷自動測量與控制等多項(xiàng)功能。

(6)功能多樣化。相比于傳統(tǒng)傳感器,智能傳感器不但能自動監(jiān)測多種參數(shù),而且能根據(jù)測量的數(shù)據(jù)自動進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并給出結(jié)果,還能夠利用組網(wǎng)技術(shù)構(gòu)成智能檢測網(wǎng)絡(luò)。9.3.3智能傳感器的實(shí)現(xiàn)途徑

1.采用新的檢測原理和結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)信息處理的智能化

采用新的檢測原理,通過微機(jī)械精細(xì)加工工藝設(shè)計(jì)新型結(jié)構(gòu),使之能真實(shí)地反映被測對象的完整信息,這也是傳感器智能化的重要技術(shù)途徑之一。例如多振動智能傳感器,就

是利用這種方式實(shí)現(xiàn)傳感器智能化的。工程中的振動常是多種振動模式的綜合效應(yīng),常用頻譜分析方法分析解析振動。由于傳感器在不同頻率下靈敏度不同,所以勢必造成分析上

的失真。采用微機(jī)械加工技術(shù),可在硅片上制作出極其精細(xì)的溝、槽、孔、膜、懸臂梁、共振腔等,構(gòu)成性能優(yōu)異的微型多振動傳感器。目前,已能在2mm×4mm的硅片上制成有

50條振動板、諧振頻率為4~14kHz的多振動智能傳感器。

2.應(yīng)用人工智能材料實(shí)現(xiàn)信息處理的智能化

利用人工智能材料的自適應(yīng)、自診斷、自修復(fù)、自完善、自調(diào)節(jié)和自學(xué)習(xí)特點(diǎn),制造智能傳感器。人工智能材料能感知環(huán)境條件變化(普通傳感器的功能)、自我判斷(處理器功

能)及發(fā)出指令和自我采取行動(執(zhí)行器功能),因此,利用人工智能材料就能實(shí)現(xiàn)智能傳感器所要求的對環(huán)境檢測和反饋信息調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換的功能。人工智能材料種類繁多,如半導(dǎo)體陶瓷、記憶合金、氧化物薄膜等,按電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵分為金屬、陶瓷、聚合物和復(fù)合材料等幾大類;按功能特性又分為半導(dǎo)體、壓電體、鐵彈體、鐵磁體、鐵電體、導(dǎo)電體、光導(dǎo)

體、電光體和電致流變體等;按形狀分為塊材、薄膜和芯片智能材料。

3.集成化

集成智能傳感器是利用集成電路工藝和微機(jī)械技術(shù)將傳感器敏感元件與功能強(qiáng)大的電子電路集成在一個芯片上(或二次集成在同一外殼內(nèi)),通常具有信號提取、信號處理、邏

輯判斷、雙向通信等功能。與經(jīng)典的傳感器相比,集成化使得智能傳感器具有體積小、成本低、功耗小、速度快、可靠性高、精度高以及功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)。

4.軟件化

傳感器與微處理器相結(jié)合的智能傳感器,利用計(jì)算機(jī)軟件編程的優(yōu)勢,實(shí)現(xiàn)對測量數(shù)據(jù)的信息處理功能主要包括以下兩方面:

(1)運(yùn)用軟件計(jì)算實(shí)現(xiàn)非線性校正、自補(bǔ)償、自校準(zhǔn)等,可提高傳感器的精度、重復(fù)性等;用軟件實(shí)現(xiàn)信號濾波,如快速傅里葉變換、短時(shí)傅里葉變換、小波變換等技術(shù),可簡化硬件,提高信噪比,改善傳感器動態(tài)特性。

(2)運(yùn)用人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊理論等,使傳感器具有更高智能即分析、判斷、自學(xué)習(xí)的功能。

5.多傳感器信息融合技術(shù)

單個傳感器在某一采樣時(shí)刻只能獲取一組數(shù)據(jù),由于數(shù)據(jù)量少,經(jīng)過處理得到的信息只能用來描述環(huán)境的局部特征,且存在著交叉敏感度的問題。多傳感器系統(tǒng)通過多個傳感

器獲得更多種類和數(shù)量的傳感數(shù)據(jù),經(jīng)過處理得到多種信息能夠?qū)Νh(huán)境進(jìn)行更加全面和準(zhǔn)確的描述。

6.網(wǎng)絡(luò)化

獨(dú)立的智能傳感器,雖然能夠做到快速準(zhǔn)確地檢測環(huán)境信息,但隨著測量和控制范圍的不斷擴(kuò)大,單節(jié)點(diǎn)、被動的信息獲取方式已經(jīng)不能滿足人們對分布式測控的要求,智能

傳感器與通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合,形成網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器。網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器使傳感器由單一功能、單一檢測向多功能和多點(diǎn)檢測發(fā)展;從被動檢測向主動進(jìn)行信息處理方向發(fā)展;

從就地測量向遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)在線測控發(fā)展。傳感器可以就近接入網(wǎng)絡(luò),傳感器與測控設(shè)備間無需點(diǎn)對點(diǎn)連接,大大簡化了連接線路,節(jié)省了投資,也方便了系統(tǒng)的維護(hù)和擴(kuò)充。9.3.4智能傳感器的應(yīng)用舉例

1.混合集成壓力智能式傳感器

美國霍尼韋爾公司研制的DSTJ3000就是一種混合集成壓力智能式傳感器。該傳感器是在同一塊半導(dǎo)體基片上用離子注入法配置擴(kuò)散了差壓ΔP、靜壓P和溫度三種傳感元

件,有效解決了靜壓、差壓以及溫度之間交叉靈敏度對測量的影響問題。其內(nèi)部除了傳感器調(diào)理電路外,還帶有微處理器、存儲器及I/O接口,具有雙向通信能力和完善的自診斷

功能,輸出有兩種形式:一種是標(biāo)準(zhǔn)的4~20mA模擬信號輸出,另一種是數(shù)字信號輸出。

DSTJ3000智能傳感器的組成包括變送器、現(xiàn)場通信器、傳感器、脈沖調(diào)制器等,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖9-20所示。圖9－20DSTJ3000智能傳感器框圖

2.集成智能式濕度傳感器

HM1500和HM1520是法國Humirel公司于2002年推出的兩種電壓輸出式集成濕敏傳感器。它們的共同特點(diǎn)是將側(cè)面接觸式濕敏電容與濕度信號調(diào)理器集成在一個模塊中封裝而成,由于集成度高,因此不需要外圍元件,使用非常方便。

HM1500/1520內(nèi)部包含內(nèi)HS1101型濕敏電容(位于傳感器的頂部)構(gòu)成的橋式振蕩器、低通濾波器和放大器,能輸出與相對濕度呈線性關(guān)系的直流電壓信號,輸出阻抗為70Ω,適配帶DAC的單片機(jī)。HM1500測量范圍是0~100%RH,輸出電壓范圍是1~4V,相對濕度為55%時(shí)的標(biāo)稱輸出電壓為2.48V,測量精度為±3%RH,靈敏度為25mV/RH,溫度系數(shù)為0.1%RH/℃,響應(yīng)時(shí)間為10s。HM1520采用管狀結(jié)構(gòu),不受水凝結(jié)的影響,長期穩(wěn)定性指標(biāo)為0.5%RH/年。圖9－21HM1500/1520集成濕敏傳感器圖9－22

HM1500的U0RH響應(yīng)曲線

9.4機(jī)器人傳感器9.4.1機(jī)器人傳感器的分類機(jī)器人傳感器是機(jī)器人與外界進(jìn)行信息交換的主要窗口,機(jī)器人根據(jù)布置在機(jī)器人身上的不同傳感器對周圍環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行瞬間測量,將結(jié)果通過接口送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理,控制系統(tǒng)則通過分析結(jié)果按預(yù)先編寫的程序?qū)?zhí)行元件下達(dá)相應(yīng)的動作命令。按照機(jī)器人傳感器所傳感的物理量的位置,可以將機(jī)器人傳感器分為內(nèi)部檢測傳感器和外部檢測傳感器兩大類。內(nèi)部檢測傳感器以機(jī)器人本身的坐標(biāo)軸來確定其位置,是安裝在機(jī)器人內(nèi)部的,用來感知運(yùn)動學(xué)(即動力學(xué))參數(shù)。通過內(nèi)部檢測傳感器,機(jī)器人可以了解自己的工作狀態(tài),調(diào)整和控制自己按照一定的位置、速度、加速度、壓力和軌跡等進(jìn)行工作。

外部檢測傳感器用于獲取機(jī)器人周圍環(huán)境或者目標(biāo)物狀態(tài)特征的信息,是機(jī)器人與周圍進(jìn)行交互工作的信息通道。外部檢測傳感器的功能是讓機(jī)器人能認(rèn)識工作環(huán)境,很好地執(zhí)行如檢查產(chǎn)品質(zhì)量、取物、控制操作、應(yīng)付環(huán)境和修改程序等工作,使機(jī)器人對環(huán)境有自校正和自適應(yīng)能力。外部檢測傳感器通常包括觸覺、接近覺、視覺、聽覺、嗅覺、味覺等傳感器。9.4.2機(jī)器人傳感器的特點(diǎn)和要求

1.機(jī)器人傳感器的特點(diǎn)

機(jī)器人傳感器的特點(diǎn)是:傳感器包括獲取信息和處理信息兩部分,并密切結(jié)合;傳感器檢測的信息直接用于控制,以決定機(jī)器人的行動;與工業(yè)控制或一般檢測用傳感器不同的是,機(jī)器人傳感器既能檢測信息,又有緊隨環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行大幅度變化的功能,因此信息收集能力強(qiáng);傳感器對敏感材料的柔性和功能有特定要求。由此可見機(jī)器人傳感器不僅包括傳感器本身,而且必須包含傳感器信息處理部分。

2.機(jī)器人對傳感器的要求

智能機(jī)器人對傳感器的一般要求如下:

(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,能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,就很容易導(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(yùn)動部件上的傳感器,重量要輕,否則會加大運(yùn)動部件的慣性,影響機(jī)器人的運(yùn)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。人類在工作時(shí),總是利用自己的感覺反饋,控制使用肌肉力量不超過骨骼和肌腱的承受能力。9.4.3內(nèi)部檢測傳感器

1.機(jī)器人運(yùn)動傳感器

運(yùn)動傳感器主要包括位置傳感器和速度傳感器,用于檢測機(jī)器人內(nèi)部關(guān)節(jié)的位置和運(yùn)行速度。常用的如光電編碼器,由于機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般是電動機(jī)驅(qū)動,通過計(jì)算電動

機(jī)轉(zhuǎn)的圈數(shù),可以得出電動機(jī)帶動部件的大致位置,控制軟件再根據(jù)讀出數(shù)據(jù)進(jìn)行位置計(jì)算。還有利用陀螺原理制作的陀螺儀傳感器,主要可以測得移動機(jī)器人的移動加速度、轉(zhuǎn)過的角度等信息。

1)位置傳感器

位置檢測和位移檢測是機(jī)器人最基本的感覺要求。常用的機(jī)器人位移傳感器有電阻式、電容式、電感式位移傳感器,光電式位移傳感器,霍爾元件位移傳感器、光柵式、磁柵式位移傳感器以及機(jī)械式位移傳感器等。

2)速度傳感器

速度傳感器是機(jī)器人的內(nèi)部傳感器之一,用于測量機(jī)器人的關(guān)節(jié)速度。機(jī)器人使用的速度傳感器有模擬式和數(shù)字式兩種。

2.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(yùn)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。

智能機(jī)器人在自我保護(hù)時(shí),需要檢測關(guān)節(jié)利連桿之間的內(nèi)力,防止手臂承載過大或與周圍障礙物碰撞而引起的損壞。因此,智能機(jī)器人的關(guān)節(jié)內(nèi)經(jīng)常需要進(jìn)行力覺控制,這就需要力或力矩傳感器。力覺控制能夠提高機(jī)器人的運(yùn)動精度。機(jī)器人控制器通過力覺傳感器獲取機(jī)器人手臂受力后產(chǎn)生的形變并進(jìn)行補(bǔ)償,使機(jī)器人的末端操作器能夠準(zhǔn)確地到達(dá)預(yù)定位置。隨著智能機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大,對機(jī)器人的力覺要求也越來越高。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(diǎn)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。

20世紀(jì)70年代中期美國斯坦福大學(xué)研制的六維力和力矩傳感器如圖9－23所示。圖9－23機(jī)器人用六維力和力矩傳感器圖9－24腕力傳感器的結(jié)構(gòu)9.4.4外界檢測傳感器

外界檢測傳感器用于感知外部工作環(huán)境和外界事物對機(jī)器人的刺激。機(jī)器人用外界檢測傳感器的分類見表9－4。在機(jī)器人上安裝的外界檢測傳感器,是用來檢測作業(yè)對象及環(huán)境或機(jī)器人與它們的關(guān)系的。

1.觸覺傳感器

機(jī)器人觸覺實(shí)際上是對人類觸覺的某些模仿,承擔(dān)著執(zhí)行操作過程中所需要的微觀判斷的任務(wù),在實(shí)時(shí)控制機(jī)器人進(jìn)行操作步驟細(xì)微變動時(shí)十分有用。觸覺實(shí)質(zhì)上是接觸、沖

擊、壓迫等機(jī)械刺激感覺的綜合,利用觸覺可以使機(jī)器人感知物體的形狀、軟硬等物理性質(zhì),便于機(jī)器人完成抓取動作。機(jī)器人觸覺可分為:接觸覺(手指與被測物是否接觸,接觸圖形的檢測)、壓覺(垂真于機(jī)器人和對象物接觸面上的力感覺)、力覺(機(jī)器人動作時(shí)各自由度的力感覺)、滑覺(物體向著垂直于手指把握面的方向移動或變形)等幾種。

1)接觸覺傳感器

接觸覺是通過與對象物體彼此接觸而產(chǎn)生的,所以最好使用手指表面高密度分布觸覺傳感器陣列,它柔軟易于變形,可增大接觸面積,并且有一定的強(qiáng)度,便于抓握。接觸覺傳

感器可檢測機(jī)器人是否接觸目標(biāo)或環(huán)境,用于尋找物體或感知碰撞。常用的接觸覺傳感器有光電式、壓阻式、壓電式和電阻應(yīng)變片式等。典型的接觸覺傳感器的結(jié)構(gòu)如圖9－25所示。圖9－25接觸覺傳感器的典型結(jié)構(gòu)

2)壓覺傳感器

壓覺傳感器用來檢測機(jī)器人手指的握持面上承受的壓力大小和分布。傳感器的設(shè)計(jì)是通過把分散敏感元件排列成矩陣式格子來實(shí)現(xiàn)的。壓覺傳感器常用的敏感材料有導(dǎo)電橡

膠、感應(yīng)高分子、應(yīng)變計(jì)、光電器件和霍爾元件等,具有小型輕便、響應(yīng)快、陣列密度高、在線性好、可靠性高等特點(diǎn)。壓覺傳感器本身相對于力的變化基本上不發(fā)生位置變化或幾

何形狀的變化。硅電容壓覺傳感器陣列結(jié)構(gòu)示意如圖9－26所示。圖9－26硅電容壓覺傳感器陣列結(jié)構(gòu)示意圖

3)力覺傳感器

力覺傳感器用于檢測和控制機(jī)器人臂及手腕的力與力矩。由于力