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1、1,项目8 新型传感器及其应用,2,8.1 机器人传感器,机器人可以被定义为计算机控制的能模拟人的感觉、手工操纵的和具有自动行走能力的而又足以完成有效工作的装置。机器人传感器可以被定义为一种能把机器人目标物特性(或参量)变换为电量输出的装置。机器人通过传感器实现类似于人类的知觉作用。,3,8.1.1 机器人传感器的应用现状和发展趋势,传感器在机器人的发展过程中起着举足轻重的作用。传感器的运用程度已成为衡量机器人智能高低的重要特征。我们要求机器人应具有自我学习、自我补偿、自我诊断能力，应能具备神经网络，能从事越来越复杂的工作，对变化的环境能有更强的适应能力，要求能进行更精确的定位和控制，因而对传
2、感器的应用不仅是十分必要的，而且具有更高的要求。机器人大脑(计算机)处理的信息，必须要通过各种传感器来获取，因而智能机器人需要有更多的、性能更好的、功能更强的、集成度更高的传感器。,4,8.1.2 机器人的传感系统,机器人传感系统是机器人与外界进行信息交换的主要窗口，机器人根据布置在机器人身上的不同传感元件对周围环境状态进行瞬间测量，将结果通过接口送入单片机进行分析处理，控制系统则通过分析结果按预先编写的程序对执行元件下达相应的动作命令。传感器接收能源并传送一个信号到显示器或计算机。传感器使用变换器将输入的信号(声音、光线、压力、温度等)改变成机器人可以使用的模拟或数字形式。机器人必须一边对外
3、界信息作出判断，一边采取有效的处理措施。,5,人类五官感觉与各种传感器之间的对应关系,6,8.1.3 机器人对传感器的要求和分类,1智能机器人对传感器的要求(1)精度高、可靠性高、稳定性好。智能机器人在感知系统的帮助下，自主完成人类指定的工作。如果传感器的精度差，会影响机器人的作业质量；如果传感器不稳定或可靠性不高，很容易导致智能机器人出现故障，轻者导致工作不能正常进行，重者还会造成严重的事故。因此，传感器的可靠性和稳定性是智能机器人对其最基本的要求。(2)抗干扰能力强。智能机器人的传感器往往工作在未知的、恶劣的环境中，因此要求传感器具有抗电磁干扰、振动，灰尘和油污等恶劣环境的能力。(3)重量
4、轻、体积小。对于安装在机器人手臂等运动部件上的传感器，重量要轻，否则会加大运动部件的惯性，影响机器人的运动性能。对于工作空间受到某种限制的机器人，对体积和安装方向的要求也是必不可少的。(4)安全。智能机器人的安全问题包括两个方面，一方面是智能机器人的自我保护，另一方面则是智能机器人为保护人类安全不受侵犯而采取的措施。,7,2.机器人传感器的分类,8,8.1.4 机器人运动和速度传感器,1位置传感器 位置检测和位移检测是机器人最基本的感觉要求。常用的机器人位移传感器有电阻式、电容式、电感式位移传感器，光电式位移传感器，霍尔元件位移传感器、光栅式、磁栅式位移传感器以及机械式位移传感器等。,9,8.
5、1.5 机器人力觉传感器,力觉是指对机器人的指、肢和关节等运动中所受力的感知，主要包括腕力觉、关节力觉和支座力觉等。常用的机器人力传感器和力矩传感器有电阻应变式力传感器、压电式力传感器、电容式力传感器、电感式力传感器以及各种外力传感器等。力觉传感器的共同特点是，首先通过弹性敏感元件将被测力(或力矩)转换成某种位移量或变形量，然后通过各自的敏感介质把位移量转换成能够输出的电量。,10,力觉传感器特点,力觉传感器用于感知机器人的指、肢和关节在工作和运动中所受力的大小和方向。特点：检测多维作用力。主要部件：应变片、压电传感器、电容式传感器、光电式传感器和电磁式力传感器。按位置分为三种形式：关节力传感
6、器、腕力传感器、基座传感器。,11,力觉传感器的作用,力觉传感器的作用：1、感知是否夹起了工件或是否夹持在正确部位；2、控制装配、打磨、研磨抛光的质量；3、装配中提供信息，以产生后续的修正补偿运动来保证装配的质量和速度；4、防止碰撞、卡死和损坏机件。,12,力觉传感器的一般检测方法,力觉传感器用来检测设备内部力或与外界环境相互作用力。力不是直接可测量的物理量，而是通过其他物理量间接测量出的。其测试方法包括：(1)通过检测物体弹性变形测量力，如采用应变片、弹簧的变形测量力；(2)通过检测物体压电效应检测力；(3)通过检测物体压磁效应检测力；(4)采用电动机、液压马达驱动的设备可以通过检测电动机电
7、流及液压马达油压等方法测量力或转矩；(5)装有速度、加速度传感器的设备，可以通过速度与加速度的测量推出作用力。,13,（1）关节力传感器,14,（2）腕力传感器,15,机器人用六维力和力矩传感器,16,（3）基座力传感器系统,17,（4）力觉传感器在装配作业中的作用,18,带有挠性杆的六自由度力传感器,19,初始位置误差及校正,20,8.1.6 机器人触觉和滑觉传感器,触觉传感器是对人类触觉的模仿，分两类：1）简单的接触传感器，探测是否与周围物体接触，如开关型传感器。2）复杂的触觉传感器，除了能探测周围物体的存在，而且还能感知物体外部的轮廓。机器人的触觉包括：接触觉，压觉，力觉，滑动觉等。,2
8、1,1.触觉传感器,机器人的触觉主要有两方面的功能。(1)检测功能：对操作物进行物理性质检测，如表面光洁度、硬度等，其目的是：1)感知危险状态，实施自我保护。2)灵活地控制手爪及关节以操作对象物。3)使操作具有适应性和顺从性。(2)识别功能：识别对象物的形状(如识别接触到的表面形状)。,22,触觉传感器的分类,23,（1）微动开关,24,触觉传感器的电路,25,具有微动开关的五指机械手,26,应用微动开关的触须传感器,27,（2）硅橡胶触觉传感器的工作原理,用导电硅橡胶(ACS)制成的矩阵式触觉传感器接触物体时，把感觉信息输入计算机进行分析，确定物体的外形和表面特征。硅橡胶矩阵式触觉传感器能获
9、得比单个传感器更大区域的触觉信息。虽然阵列传感器可由若干单个传感器组成，但处理这一问题的最好方法是构成一个由电极组成的矩阵，电极与柔性导电材料(如石墨基物质)保持电器接触，导电材料的电阻随压力而变化。当物体压在其表面上时，将引起局部变形，测出连续的电阻变化，就可测量局部变形。电阻的改变转换成电信号，其幅值正比于施加在材料表面上某一点的力。,28,矩阵式触觉传感器结构示意及检测原理,29,矩阵式触觉传感器的检测电路,30,（3）几种接触觉传感器,31,（4）有滑动作用力的触觉传感器,32,PVF2阵列式触觉传感器,33,压电式触觉传感器,压电式触觉传感器是利用晶体的压电效应进行触觉测量的触觉传感
10、器。通常，这种触觉传感器可以采用多个压电晶体来检测物体的表面轮廓。其工作原理是把多个压电晶体压在被测物体上，如果物体表面的高度不同，各个压电晶体的变形也不同，因此，压电晶体产生的电量和输出电压也不同，检测各压电晶体的输出电压就可以检测物体的表面轮廓。,34,成像型触觉传感器,LTS-100阵列触觉传感器的外形,35,接近觉传感器,接近觉是指机器人能感知相距几毫米至几十厘米内对象物或障碍物的距离、对象物的表面性质等的传感器。接近觉介于触觉和视觉之间的感觉。种类：电磁式、光电式、电容式、气动式、超声波式、红外式等类型。,36,接触棒接近觉传感器,37,（1）电磁式接近觉传感器,利用电涡流效应原理制
11、造的传感器称为电涡流传感器。电涡流传感器具有结构简单、频率响应宽、灵敏度高、测量线性范围大、抗干扰能力强和体积小等优点。缺点:不能感知非金属材料的物体。,38,电涡流传感器的工作原理,当传感器内的线圈通以交变电流I1，则在线圈的周围产生交变磁场H1。当金属导体置于磁场中时，导体内即感生电涡流I2。此电涡流也将产生一个磁场H2，由于两个磁场的方向正好相反，因此电涡流产生的磁场H2削弱了原来的磁场，从而导致产生H1磁场线圈的阻抗发生变化。说明当金属块置于交变的磁场中时，金属体内产生涡流，涡流大小随激励线圈与对象表面距离的变化有关。,39,用两块金属平板作电极可构成电容器，当忽略边缘效应时，其电容C
12、为S极板相对覆盖面积；极板间距离；r相对介电常数；0 真空介电常数，0 8.85pF/m；电容极板间介质的介电常数。由公式可知电容的变化反映了极板间的距离的变化，即反映了传感器表面与对象物体表面间距离的变化。将这个电容接在电桥电路中，或者把它当做RC振荡器中的元件，都可检测出距离。,（2）电容式接近觉传感器,40,新型的电容接近觉传感器,41,（3）气动式接近觉传感器,42,（4）光电式接近觉传感器,距离近；距离远。缺点：不能测距离；物体折射率影响灵敏度。,43,光纤光电式接近觉传感器,44,（5）超声波接近觉传感器,通过超声波换能器实现，发射的超声波经过物体反射后接收，通过时间和相位检测出距
13、离。可以使用两个换能器（一发，一收）或一个换能器（兼发、收）。两种距离探测方法：1）脉冲延时法 2）相位调制法,45,两种距离探测方法的波形,L=vt/2,L=（n+/2）/2,46,2.滑觉传感器,人手在握持物体时，能够感知物体在手中的滑动情况，从而调整抓握力的大小。智能机器人在抓握物体时，也应具有感知物体的滑动，从而确定自己最适当的握力目标值，因此需检测出握力不够时所产生的物体滑动。利用这一信号，在不损坏物体的情况下，牢牢抓住物体，为此目的设计的滑动检测器，叫做滑觉传感器。滑觉技术发展较晚，当今急需解决的问题是快速检测滑动，并调整抓握力以免损坏被抓物体。,47,光电式滑动觉传感器原理图,4
14、8,球形滑觉传感器,49,光纤式滑（压）觉传感器,50,传感器感知单元的转换原理,51,超大规模集成计算传感器阵列(VLSI),52,用来检测机器人手指的握持面上承受的压力大小和分布（分布式压觉传感器）。特点：小型轻便、响应快、阵列密度高、在线性好、可靠性高。,2.压觉传感器,53,弹簧式压觉传感器,54,8.1.7 听觉和视觉传感器,1.听觉传感器 听觉也是机器人的重要感觉器官之一。从应用的目的来看，可以将识别声音的系统分为两大类：发言人识别系统及语义识别系统。,55,(1)动圈式传声器,56,（2）光纤声传感器,57,2.视觉传感器,视觉传感器以光电变换为基础，是利用光敏元件将光信号转换为
15、电信号的传感器件，它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。视觉传感器不只局限于对光的探测，它还可以作为探测元件组成其他传感器，对许多非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。,58,1)激光式视觉传感器,激光束以恒定的速度扫描被测物体，由于激光方向性好、亮度高，因此光束在物体边缘形成强对比度的光强分布，经光电器件转换成脉冲电信号，脉冲宽度与被测尺寸成正比，从而实现了机器人对物体尺寸的非接触测量。激光扫描传感器适用于柔软的不允许有测量力的物体、不允许测头接触的高温物体以及不允许表面划伤的物体等的在线测量。由于扫描速度可高达95m/s，因此允许测量快速运动或振幅不大
16、、频率不高、振动着的物体，因此经常用于机器人在加工中(即在线)的非接触主动测量。,59,激光视觉传感器构成原理,60,2)红外CCD视觉传感器,61,8.1.8 人工皮肤,人的皮肤是是多传感器的典型实例。人工皮肤的研究目标就是与人的皮肤类似，具有接触觉、压觉、滑觉和热觉等多种传感功能，象人的皮肤一样，即有柔软的传感器表面，冷热的传感器体，灵敏的触、滑、热等感觉，传感器的尺寸、大小不受制作工艺的限制。人工皮肤常用材料：高分子材料PVDF（聚偏二氟乙烯）。特点：几十m，具有压电、热释电效应。柔性好、机械强度高、频响宽、工作温度宽、体电阻高、重量轻。,62,人工皮肤结构的剖面图,63,其他PVDF复
17、合传感器,64,8.2 生物传感器,生物传感器是用生物活性材料(酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、生物膜等)与物理化学换能器有机结合的一门交叉学科，用以检测与识别生物体内的化学成分，是发展生物技术必不可少的一种先进的检测方法与监控方法，也是物质分子水平的快速、微量分析方法。各种生物传感器有以下共同的结构：包括一种或数种相关生物活性材料(生物膜)及能把生物活性表达的信号转换为电信号的物理或化学换能器(传感器)，二者组合在一起，用现代微电子和自动化仪表技术进行生物信号的再加工，构成各种可以使用的生物传感器分析装置、仪器和系统。生物传感器的原理是待测物质经扩散作用进入生物活性材料，经分子识别，发生生物
18、学反应，产生的信息继而被相应的物理或化学换能器转变成可定量和可处理的电信号，再经二次仪表放大并输出，便可知道待测物浓度。,65,8.2.1 生物传感器基本原理、特点及其分类,生物传感器原理结构图,66,3生物传感器的分类,生物传感器按分子识别元件分类,67,8.2.2 酶传感器,酶是蛋白质，酶也是生物催化剂。酶传感器的基本原理是用电化学装置检测酶在催化反应中生成或消耗的物质(电极活性物质)，将其变换成电信号输出。这种信号变换通常有两种，即电位法与电流法。电位法是通过不同离子生成在不同感受体上，从测得的膜电位去计算与酶反应的有关的各种离子的浓度。一般采用NH4+电极(NH3电极)、H+电极、CO
19、2电极等。电流法是从与酶反应有关的物质的电极反应，得到电流值来计算被测物质的方法。其电化学装置采用的电极是O2电极、燃料电池型电极和H2O2电极等。,68,8.2.3 葡萄糖酶传感器,葡萄糖是典型的单糖，是一切生物的能源。人体血液中都含有一定浓度的葡萄糖，现已研究出对葡萄糖氧化反应起一种特异催化作用的酶-葡萄糖氧化酶(GOD)，并研究出用它来测定葡萄糖浓度的葡萄糖酶传感器。葡萄糖酶传感器的敏感膜为葡萄糖氧化酶，它固定在聚乙烯酰胺凝胶上，其电化学器件为Pt阳电极和Pb阴电极，中间溶液为强碱溶液，并在阳电极表面覆盖一层透氧气的聚四氟乙烯膜，形成封闭式氧电极，它避免了电极与被测液直接相接触，防止了电
20、极毒化。,69,8.2.4 微生物传感器,用微生物作为分子识别元件制成的传感器称为微生物传感器。微生物传感器与酶传感器相比，更经济、稳定性好、耐久性也好。当前，酶主要从微生物中提取精制而成，虽然它有良好的催化作用，但它的缺点是不稳定，在提取阶段容易丧失活性，精制成本高。酶传感器和微生物传感器都是利用酶的基质选择性和催化性功能。但酶传感器是利用单一的酶，而微生物传感器是利用多种与酶有关的高度机能的综合即复合酶。也就是说，微生物的种类是非常多的，菌体中的复合酶、能量再生系统、辅助酶再生系统、微生物的呼吸及以新陈代谢为代表的全部生理机能都可以加以利用。因此，用微生物代替酶，有可能获得具有复杂及高功能
21、的生物传感器。,70,8.2.5 免疫传感器,利用抗体能识别抗原并与抗原结合的功能的生物传感器称为免疫传感器。它利用固定化抗体(或抗原)膜与相应的抗原(或抗体)的特异反应，此反应的结果使生物敏感膜的电位发生变化。免疫传感器的基本原理是免疫反应。从生理学可知，抗原是能够刺激动物机体产生免疫反应的物质，但从广义的生物学观点看，凡是能够引起免疫反应性能的物质，都可称为抗原。抗原有两种性能：刺激机体产生免疫应答反应；与相应免疫反应产物发生特异性结合反应。抗原一旦被淋巴球响应就形成抗体。而微生物病毒等也是抗原。抗体是由抗原刺激机体产生的具有特异免疫功能的球蛋白，又称免疫球蛋白。免疫传感器是利用抗体对抗原
22、结合功能研制成功的。抗原与抗体一经固定于膜上，就形成了具有识别免疫反应强烈的分子功能性膜。,71,8.2.6 半导体生物传感器,半导体生物传感器是由生物分子识别器件(生物敏感膜)与半导体器件结合构成的传感器。目前常用的半导体生物传感器是酶光敏二极管、场效应管(FET)等，因此，半导体生物传感器又称生物场效应晶体管(BiFET)。最初是将酶和抗体物质(抗原或抗体)加以固定制成功能膜，并把它紧贴于FET的栅极绝缘膜上，构成BiFET，现已研制出酶FET、尿素FET、抗体FET及青霉素FET等。,72,8.3 微波传感器,8.3.1 微波的性质与特点 微波是波长在1米（不含1米）到1毫米之间的电磁波
23、。微波的物理性质可见项目6中图6.18所示的电磁波谱图。由图可见，它是波长位于红外线(也称红外光)和无线电波之间的一种电磁波。它既有电磁波的特性，又与普通的无线电波及光波不同。微波具有以下特点：(1)可定向辐射，空间直线传输；(2)遇到各种障碍物易于反射；(3)绕射能力差；(4)传输特性好，传输过程中受烟雾、火焰、灰尘、强光等影响很小；(5)介质对微波的吸收与介质的介电常数成比例，水对微波的吸收作用最强。,73,8.3.2 微波振荡器与微波天线,微波振荡器是产生微波的装置。由于微波的波长很短，而频率又很高(310831011Hz)，要求振荡电路中具有非常微小的电感和电容，因此不能用普通的电子管
24、与晶体管构成微波振荡器。构成微波振荡器的器件有速调管、磁控管或某些固态器件，小型微波振荡器也可以采用场效应管。由微波振荡器产生的振荡信号需要用波导管(波长为10cm以上，可用同轴电缆)传输，并通过天线发射出去。为了使发射的微波具有尖锐的方向性，天线具有特殊的结构。常用的天线如图8.40所示，有喇叭天线、抛物面天线等。,74,8.3.3 微波传感器工作原理及其分类,微波传感器就是指利用微波特性来检测一些物理量的器件或装置。由发射天线发出微波，遇到被测物体时将被吸收或反射，使微波功率发生变化。若利用接收天线，接收到通过被测物或由被测物反射回来的微波，并将它转换成电信号，再经过信号处理电路处理，并根
25、据发射与接收时间差，即可显示出被测量，实现了微波检测。根据上述原理，微波传感器可以分为如下两类。1反射式微波传感器 2遮断式微波传感器,75,8.3.4 微波传感器的优点及问题,1微波传感器的优点 由于微波本身的特点，决定了微波传感器具有以下优点：(1)实现非接触测量。因此可以进行活体检测，大部分测量不需要取样；(2)测量速度快、灵敏度高，可以进行动态检测和实时处理，便于自动控制；(3)可以在恶劣的环境条件下检测，如高温、高压、有毒、有放射线环境条件；(4)输出信号可以方便地调制在载频信号上进行发射与接收，便于实现遥测与遥控。2微波传感器存在的问题 微波传感器的零点漂移和标定问题尚未得到很好的
26、解决。其次，使用时外界因素影响较大，如温度、气压、取样位置等。,76,8.3.5 微波传感器的应用,1微波液位计2微波物位计3微波传感器的其他应用,77,8.4 超声波传感器,超声波传感器实质上是一种可逆的换能器，它将电振荡的能量转变为机械振荡，形成超声波，或者由超声波能量转变为电振荡。超声波传感器由声波发射器、声波接收器、定时电路和控制电路等部分构成。声波发射器和接收器分别将电能转化为超声波以及将超声波转化为电能。,78,8.4.1 超声波的特点,超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，它的波形有纵波、横波、表面波3种。质点的振动方向与波的传播方向一致的波称为纵波；质点的振动方向与波的传播方向垂
27、直的波称为横波；质点的振动介于纵波与横波之间，沿着表面传播，振幅随深度的增加而迅速衰减的波称为表面波。横波、表面波只能在固体中传播，纵波可在固体、液体及气体中传播。检测常用的超声波频率范围为11051107Hz。,79,8.4.2 超声波传感器,为了以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波探头按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等。实际使用中压电式探头最为常见。图8.46所示为几种典型的压电式超声波探头结构。压电式探头主要由压电晶片、吸收块(阻尼块)、保护膜等组成。压电晶片多为圆板形，其两面镀有银层
28、。作为导电的极板。,80,8.4.3 超声波的检测方法,1透射法2反射法3频率法,81,8.5 新型传感器应用实例,8.5.1 微波温度传感器 任何物体，当它的温度高于环境温度时，都能向外辐射热量。当辐射热到达接收机输入端口时，若仍然高于基准温度(或室温)，在接收机的输出端将有信号输出，这就是辐射计或噪声温度接收机的基本原理。微波频段的辐射计就是一个微波温度传感器。图8.48给出了微波温度传感器的原理方框图。其中Ti为输入温度(被测温度)；Tc为基准温度；C为环行器；BPF为带通滤波器；LNA为低噪声放大器；IFA为中频放大器；M为混频器；LO为本机振荡器。这个传感器的关键部件是低噪声放大器，
29、它决定了传感器的灵敏度。,82,8.5.2 超声波探伤,从超声波的行进方向来看，超声波传感器的应用有两种基本类型，如图8.49所示。当超声发射器与接收器分别置于被测物两侧时，这种类型称为透射型。透射型可用于遥控器、防盗报警器、接近开关等。当超声发射器与接收器置于同侧时为反射型，反射型可用于接近开关、测距、测液位或料位、金属探伤以及测厚等。,83,8.5.3 超声波流量计,利用超声波测量流量的原理是：超声波在流体中的传播速度会随被测流体速度而变化。如图8.53所示。在被测管道上下游的一定距离上，分别安装两对超声波发射和接收探头(Fl，T1)、(F2，T2)，其中(Fl，T1)的超声波是顺流传播的，而(F2，T2)的超声波是逆流传播的。根据这两束超声波在流体中传播速度的不同，采用测量两接收探头上超声波传播的时间差、相位差或频率差等方法，可测量出流体的平均速度及流量。,
