機(jī)器人制造中常用的7大傳感器技術(shù)

機(jī)器人制造中常用的7大傳感器技術(shù)機(jī)器人制造中常用的7大傳感器技術(shù)傳感器（Sensor)是一種常見的卻又很重要的器件，它是感受規(guī)定的被測(cè)量的各種量并按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換為有用信號(hào)的器件或裝置。對(duì)于傳感器來說，按照輸入的狀態(tài)，輸入可以分成靜態(tài)量和動(dòng)態(tài)量。我們可以根據(jù)在各個(gè)值的穩(wěn)定狀態(tài)下，輸出量和輸入量的關(guān)系得到傳感器的靜態(tài)特性。

傳感器的靜態(tài)特性的主要指標(biāo)有線性度、遲滯、重復(fù)性、靈敏度和準(zhǔn)確度等。傳感器的動(dòng)態(tài)特性則指的是對(duì)于輸入量隨著時(shí)間變化的響應(yīng)特性。動(dòng)態(tài)特性通常采用傳遞函數(shù)等自動(dòng)控制的模型來描述。通常，傳感器接收到的信號(hào)都有微弱的低頻信號(hào)，外界的干擾有的時(shí)候的幅度能夠超過被測(cè)量的信號(hào)，因此消除串入的噪聲就成為了一項(xiàng)關(guān)鍵的傳感器技術(shù)。

物理傳感器

物理傳感器是檢測(cè)物理量的傳感器。它是利用某些物理效應(yīng)，把被測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)化成為便于處理的能量形式的信號(hào)的裝置。其輸出的信號(hào)和輸入的信號(hào)有確定的關(guān)系。主要的物理傳感器有光電式傳感器、壓電傳感器、壓阻式傳感器、電磁式傳感器、熱電式傳感器、光導(dǎo)纖維傳感器等。

作為例子，讓我們看看比較常用的光電式傳感器。這種傳感器把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)，它直接檢測(cè)來自物體的輻射信息，也可以轉(zhuǎn)換其他物理量成為光信號(hào)。其主要的原理是光電效應(yīng)：當(dāng)光照射到物質(zhì)上的時(shí)候，物質(zhì)上的電效應(yīng)發(fā)生改變，這里的電效應(yīng)包括電子發(fā)射、電導(dǎo)率和電位電流等。

顯然，能夠容易產(chǎn)生這樣效應(yīng)的器件成為光電式傳感器的主要部件，比如說光敏電阻。這樣，我們知道了光電傳感器的主要工作流程就是接受相應(yīng)的光的照射，通過類似光敏電阻這樣的器件把光能轉(zhuǎn)化成為電能，然后通過放大和去噪聲的處理，就得到了所需要的輸出的電信號(hào)。這里的輸出電信號(hào)和原始的光信號(hào)有一定的關(guān)系，通常是接近線性的關(guān)系，這樣計(jì)算原始的光信號(hào)就用來測(cè)量多種物理量，比如聲場(chǎng)、電場(chǎng)、壓力、溫度、角速度、加速度等，還可以完成現(xiàn)有測(cè)量技術(shù)難以完成的測(cè)量任務(wù)。在狹小的空間里，在強(qiáng)電磁干擾和高電壓的環(huán)境里，光纖傳感器都顯示出了獨(dú)特的能力。目前光纖傳感器已經(jīng)有70多種，大致上分成光纖自身傳感器和利用光纖的傳感器。

所謂光纖自身的傳感器，就是光纖自身直接接收外界的被測(cè)量。外接的被測(cè)量物理量能夠引起測(cè)量臂的長(zhǎng)度、折射率、直徑的變化，從而使得光纖內(nèi)傳輸?shù)墓庠谡穹⑾辔?、頻率、偏振等方面發(fā)生變化。測(cè)量臂傳輸?shù)墓馀c參考臂的參考光互相干涉（比較），使輸出的光的相位發(fā)生變化，根據(jù)這個(gè)變化就可檢測(cè)出被測(cè)量的變化。光纖中傳輸?shù)南辔皇芡饨缬绊懙撵`敏度很高，利用干涉技術(shù)能夠檢測(cè)出10的負(fù)4次方弧度的微小相位變化所對(duì)應(yīng)的物理量。利用光纖的繞性和低損耗，能夠?qū)⒑荛L(zhǎng)的光纖盤成直徑很小的光纖圈，以增加利用長(zhǎng)度，獲得更高的靈敏度。

光纖聲傳感器就是一種利用光纖自身的傳感器。當(dāng)光纖受到一點(diǎn)很微小的外力作用時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生微彎曲，而其傳光能力發(fā)生很大的變化。聲音是一種機(jī)械波，它對(duì)光纖的作用就是使光纖受力并產(chǎn)生彎曲，通過彎曲就能夠得到聲音的強(qiáng)弱。光纖陀螺也是光纖自身傳感器的一種，與激光陀螺相比，光纖陀螺靈敏度高，體積小，成本低，可以用于飛機(jī)、艦船、導(dǎo)彈等的高性能慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。如圖就是光纖傳感器渦輪流量計(jì)的原理。

另外一個(gè)大類的光纖傳感器是利用光纖的傳感器。其結(jié)構(gòu)大致如下：傳感器位于光纖端部，光纖只是光的傳輸線，將被測(cè)量的物理量變換成為光的振幅，相位或者振幅的變化。在這種傳感器系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的傳感器和光纖相結(jié)合。光纖的導(dǎo)入使得實(shí)現(xiàn)探針化的遙測(cè)提供了可能性。這種光纖傳輸?shù)膫鞲衅鬟m用范圍廣，使用簡(jiǎn)便，但是精度比第一類傳感器稍低。

光纖在傳感器家族中是后期之秀，它憑借著光纖的優(yōu)異性能而得到廣泛的應(yīng)用，是在生產(chǎn)實(shí)踐中值得注意的一種傳感器。

仿生傳感器

仿生傳感器，是一種采用新的檢測(cè)原理的新型傳感器，它采用固定化的細(xì)胞、酶或者其他生物活性物質(zhì)與換能器相配合組成傳感器。這種傳感器是近年來生物醫(yī)學(xué)和電子學(xué)、工程學(xué)相互滲透而發(fā)展起來的一種新型的信息技術(shù)。這種傳感器的特點(diǎn)是機(jī)能高、壽命長(zhǎng)。在仿生傳感器中，比較常用的是生體模擬的傳感器。

仿生傳感器按照使用的介質(zhì)可以分為：酶?jìng)鞲衅?、微生物傳感器、?xì)胞器傳感器、組織傳感器等。在圖中我們可以看到，仿生傳感器和生物學(xué)理論的方方面面都有密切的聯(lián)系，是生物學(xué)理論發(fā)展的直接成果。在生體模擬的傳感器中，尿素傳感器是最近開發(fā)出來的一種傳感器。下面就以尿素傳感器為例子介紹仿生傳感器的應(yīng)用。

尿素傳感器，主要是由生體膜及其離子通道兩部分構(gòu)成。生體膜能夠感受外部刺激影響，離子通道能夠接收生體膜的信息，并進(jìn)行放大和傳送。當(dāng)膜內(nèi)的感受部位受到外部刺激物質(zhì)的影響時(shí)，膜的透過性將產(chǎn)生變化，使大量的離子流入細(xì)胞內(nèi)，形成信息的傳送。其中起重要作用的是生體膜的組成成分膜蛋白質(zhì)，它能產(chǎn)生保形網(wǎng)絡(luò)變化，使膜的透過性發(fā)生變化，進(jìn)行信息的傳送及放大。生體膜的離子通道，由氨基酸的聚合體構(gòu)成，可以用有機(jī)化學(xué)中容易合成的聚氨酸的聚合物（L一谷氨酸，PLG)為替代物質(zhì)，它比酶的化學(xué)穩(wěn)定性好。PLG是水溶性的，本不適合電機(jī)的修飾，但PLG和聚合物可以合成嵌段共聚物，形成傳感器使用的感應(yīng)膜。

生體膜的離子通道的原理基本上與生體膜一樣，在電極上將嵌段共聚膜固定后，如果加感應(yīng)PLG保性網(wǎng)絡(luò)變化的物質(zhì)，就會(huì)使膜的透過性發(fā)生變化，從而產(chǎn)生電流的變化，由電流的變化，便可以進(jìn)行對(duì)刺激性物質(zhì)的檢測(cè)。

尿素傳感器經(jīng)試驗(yàn)證明是穩(wěn)定性好的一種生體模擬傳感器，檢測(cè)下限為10的負(fù)3次方的數(shù)量級(jí)，還可以檢測(cè)刺激性物質(zhì)，但是暫時(shí)還不適合生體的計(jì)測(cè)。

目前，雖然已經(jīng)發(fā)展成功了許多仿生傳感器，但仿生傳感器的穩(wěn)定性、再現(xiàn)性和可批量生產(chǎn)性明顯不足，所以仿生傳感技術(shù)尚處于幼年期，因此，以后除繼續(xù)開發(fā)出新系列的仿生傳感器和完善現(xiàn)有的系列之外，生物活性膜的固定化技術(shù)和仿生傳感器的固態(tài)化值得進(jìn)一步研究。

在不久的將來，模擬生體功能的嗅覺、味覺、聽覺、觸覺仿生傳感器將出現(xiàn)，有可能超過人類五官的敏感能力，完善目前機(jī)器人的視覺、味覺、觸覺和對(duì)目的物進(jìn)行操作的能力。我們能夠看到仿生傳感器應(yīng)用的廣泛前景，但這些都需要生物技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，我們拭目以待這一天的到來。

紅外傳感器

紅外技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)為大家所熟知，這種技術(shù)已經(jīng)在現(xiàn)代科技、國(guó)防和工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。紅外傳感系統(tǒng)是用紅外線為介質(zhì)的測(cè)量系統(tǒng)，按照功能能夠分成五類：（1)輻射計(jì)，用于輻射和光譜測(cè)量；（2)搜索和跟蹤系統(tǒng)，用于搜索和跟蹤紅外目標(biāo)，確定其空間位置并對(duì)它的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行跟蹤；（3)熱成像系統(tǒng)，可產(chǎn)生整個(gè)目標(biāo)紅外輻射的分布圖象；（4)紅外測(cè)距和通信系統(tǒng)；混合系統(tǒng)，是指以上各類系統(tǒng)中的兩個(gè)或者多個(gè)的組合。

紅外系統(tǒng)的核心是紅外探測(cè)器，按照探測(cè)的機(jī)理的不同，可以分為熱探測(cè)器和光子探測(cè)器兩大類。下面以熱探測(cè)器為例子來分析探