《其他傳感器簡(jiǎn)介》PPT課件.ppt

1、第9章 其他傳感器簡(jiǎn)介,9.1 氣體傳感器 9.2 濕度傳感器 9.3 微波傳感器 9.4 圖像傳感器 9.5 生物傳感器 9.6 機(jī)器人傳感器,9.1 氣體傳感器,氣體傳感器又叫氣敏傳感器，主要用來(lái)監(jiān)測(cè)氣體中的特定成分，并將其變成相應(yīng)的電信號(hào)輸出。氣體傳感器的應(yīng)用很廣，在日常生活中，有檢測(cè)飲酒者呼氣中的酒精含量的傳感器；測(cè)量汽車空燃比的氧氣傳感器；家庭和工廠用的煤氣泄漏傳感器；火災(zāi)之后檢測(cè)建筑材料發(fā)出的有毒氣體傳感器；坑內(nèi)沼氣警報(bào)器等。 9.1.1 氣體傳感器的分類 氣體傳感器可分為半導(dǎo)體氣體傳感器、固體電解質(zhì)氣體傳感器、組合電位型傳感器等多種類型，其中最常見的是半導(dǎo)體氣體傳感器。 氣體傳感

2、器的類型雖然很多，但對(duì)它們有以下幾個(gè)基本要求： 對(duì)被測(cè)氣體要有高靈敏度； 選擇性要好，即對(duì)和被測(cè)氣體共存的其他氣體不敏感； 能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作； 檢測(cè)和報(bào)警要迅速。,下一頁(yè),返回,9.1 氣體傳感器,9.1.2 半導(dǎo)體氣體傳感器 對(duì)于半導(dǎo)體氣體傳感器，按照半導(dǎo)體與氣體的相互作用是在其表面還是在其內(nèi)部，可分為表面控制型和體控制型兩種；按照半導(dǎo)體變化的物理性質(zhì)，又可分為電阻型和非電阻型兩種。電阻型半導(dǎo)體氣體傳感器是利用半導(dǎo)體接觸氣體時(shí)其阻值的改變來(lái)檢測(cè)氣體的成分或濃度；而非電阻型半導(dǎo)體氣體傳感器則是根據(jù)對(duì)氣體的吸附和反應(yīng)，使半導(dǎo)體的某些特性發(fā)生變化對(duì)氣體進(jìn)行直接或間接檢測(cè)。下面簡(jiǎn)單介紹電阻型半導(dǎo)體

3、氣體傳感器的基本 原理。 半導(dǎo)體氣體傳感器是利用氣體在半導(dǎo)體表面的氧化還原反應(yīng)導(dǎo)致敏感元件組織發(fā)生變化而制成的。當(dāng)半導(dǎo)體器件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài)，在氣體接觸半導(dǎo)體表面而被吸附時(shí)，被吸附的分子首先在物體表面自由擴(kuò)散，失去運(yùn)動(dòng)能量，一部分分子被蒸發(fā)掉，另一部分殘留分子產(chǎn)生熱分解吸附在物體表面。當(dāng)半導(dǎo)體的功函數(shù)小于吸附分子的親和力，則吸附分子將從器件奪走電子而變成負(fù)離子吸附，半導(dǎo)體表面呈現(xiàn)電荷層。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,9.1 氣體傳感器,例如氧氣，等具有負(fù)離子吸附傾向的氣體被稱為氧化型氣體。如果半導(dǎo)體的功函數(shù)大于吸附分子的離解能，吸附分子將向器件釋放出電子，而形成正離子吸附。具有正離子吸附傾向的氣體有

4、氫氣、一氧化碳等，它們被稱為還原性氣體。 當(dāng)氧化型氣體吸附到N型半導(dǎo)體，還原性氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時(shí)，將使半導(dǎo)體載流子減少，而使電阻增大。當(dāng)還原型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，氧化型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時(shí)，則載流子增多，半導(dǎo)體阻值下降。 非電阻型氣體傳感器也是半導(dǎo)體氣體傳感器之一。它是利用MOS二極管的電容-電壓特性的變化以及MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的閾值電壓變化等特性而制成的氣體傳感器。由于這類傳感器的制造工藝成熟，便于器件集成化，因而其性能穩(wěn)定價(jià)格便宜。利用特定材料還可以使傳感器對(duì)某些氣體特別敏感。,上一頁(yè),返回,9.2 濕度傳感器,濕度傳感器是用于感受大氣濕度并轉(zhuǎn)換成適當(dāng)電信號(hào)輸出的傳感器。 9

5、.2.1 濕度傳感器的分類 常見的濕度傳感器主要有兩大類，一類是水分子親和力型濕度傳感器；另一大類是非水分子親和力型濕度傳感器。具體分類如表9-1所示。 9.2.2 水分子親和力型濕度傳感器 1. 氯化鋰濕度傳感器 氯化鋰濕度傳感器是電解質(zhì)濕度傳感器的代表。它是利用電阻值隨環(huán)境相對(duì)濕度變化而變化的機(jī)理制成的。氯化鋰濕度傳感器的結(jié)構(gòu)是在條狀絕緣基片的兩面，用化學(xué)沉積或真空蒸鍍法做上電極，再浸漬一定比例配置的氯化鋰-聚乙烯醇混合溶液，經(jīng)老化處理，便制成了氯化鋰濕度傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖9-1所示。,下一頁(yè),返回,9.2 濕度傳感器,氯化鋰濕度傳感器的優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)滯后小，不受測(cè)試環(huán)境風(fēng)速影響，檢測(cè)精度高。

6、缺點(diǎn)是耐熱性差，不能用于露點(diǎn)以下測(cè)量。若用作露點(diǎn)檢測(cè)，氯化鋰濕度傳感器必須3個(gè)月左右清洗一次和涂敷(浸漬)氯化鋰，故維護(hù)麻煩。 2. 半導(dǎo)體陶瓷濕度傳感器 半導(dǎo)體陶瓷濕度傳感器通常用兩種以上的金屬氧化物半導(dǎo)體材料混合燒結(jié)成多孔陶瓷，ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系、Fe3O4等。前三種材料的電阻率隨濕度增加而下降，故稱為負(fù)特性濕度半導(dǎo)瓷；最后一種的電阻率隨濕度增加而增大，故稱為正特性濕度半導(dǎo)瓷。 3. 高分子電容式濕度傳感器 高分子電容式濕度傳感器是利用濕度元件的電容值隨濕度變化的原理進(jìn)行濕度測(cè)量的。具有感濕的高分子聚合物，例如，乙酸-丁

7、酸纖維素和乙酸-丙酸纖維素等，做成薄膜，它們具有迅速吸濕和脫濕的能力。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,9.2 濕度傳感器,薄膜覆蓋在叉指形金電極上(下電極)，然后在感濕薄膜表面上再蒸鍍一層多孔金屬膜(上電極)，如此就構(gòu)成一個(gè)平行板電容器。結(jié)構(gòu)如圖9-2所示。 當(dāng)環(huán)境中的水分子沿著上電極的毛細(xì)微孔進(jìn)入感濕膜而被吸附時(shí)，濕度元件的電容值與相對(duì)濕度之間具有正比關(guān)系。 4. 石英振動(dòng)式濕度傳感器 在石英晶片的表面涂敷聚胺酯高分子膜，當(dāng)膜吸濕時(shí)，由于膜的重量發(fā)生變化而使石英晶片振蕩頻率發(fā)生變化，不同的頻率就代表不同的濕度。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,9.2 濕度傳感器,9.2.3 非水分子親和力型濕度傳感器 水分子

8、親和力型濕度傳感器，因?yàn)轫憫?yīng)速度低，可靠性差，不能很好地滿足人們使用的要求。隨著其他技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在人們正在開發(fā)非水分子親和力型的濕度傳感器。 例如，利用微波在含水蒸氣的空氣中傳播，水蒸氣吸收微波使其產(chǎn)生一定損耗而制成的微波型濕度傳感器；利用水蒸氣能吸收特定波長(zhǎng)的紅外線這一現(xiàn)象構(gòu)成的紅外濕度傳感器等。它們都能克服水分子親和力型濕度傳感器的缺點(diǎn)。因此，開發(fā)非水分子親和力型濕度傳感器是濕度傳感器重要的研究方向。,上一頁(yè),返回,9.3 微波傳感器,9.3.1 微波的基本知識(shí) 微波是波長(zhǎng)很短(1m1mm)、頻率很高300MHz300GHz的電磁波，既具有電磁波的性質(zhì)，又不同于普通的無(wú)線電波和光波。微波

9、具有以下特點(diǎn)：遇到各種障礙物易于反射；繞射能力差；傳輸特性良好，傳輸過程中受煙、灰塵、強(qiáng)光等的影響很??；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)。 9.3.2 微波傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理 微波振蕩器和微波天線是微波傳感器的重要組成部分。微波振蕩器是產(chǎn)生微波的裝置。由于微波波長(zhǎng)很短，頻率很高，要求振蕩回路非常小的電感和電容，因此，不能用普通晶體管構(gòu)成微波振蕩器。構(gòu)成微波振蕩器的器件有速調(diào)管、磁控管或某些固體元件。小型微波振蕩器也可以采用場(chǎng)效應(yīng)管。,下一頁(yè),返回,9.3 微波傳感器,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)在10cm以上可用同軸線傳輸，并通過天線發(fā)射出去，為

10、了使發(fā)射的微波信號(hào)具有一致的方向性，天線應(yīng)具有特殊的結(jié)構(gòu)和形狀。常用的天線有喇叭形天線和拋物面天線等。圖9-3示出了幾種形式的微波開線。 由發(fā)射天線發(fā)出的微波，遇到被測(cè)物體時(shí)將被吸收或反射，使其功率發(fā)生變化。若利用接收天線接收透過被測(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)，再由測(cè)量電路處理，就實(shí)現(xiàn)了微波檢測(cè)。 9.3.3 微波傳感器的分類 微波傳感器可分為反射式和遮斷式兩種。 1. 反射式傳感器 這種傳感器通過檢測(cè)被測(cè)物反射回來(lái)的微波功率或經(jīng)過時(shí)間間隔來(lái)表達(dá)被測(cè)物的位置、厚度等參數(shù)。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,9.3 微波傳感器,2. 遮斷式傳感器 這種傳感器通過檢測(cè)接收天線接收到的微波功

11、率的大小，來(lái)判斷發(fā)射天線與接收天線間有無(wú)被測(cè)物或被測(cè)物的位置等。 9.3.4 微波傳感器的應(yīng)用 1. 微波液位計(jì) 圖9-4所示為微波液位檢測(cè)示意圖，相距為S的發(fā)射天線和接收天線間構(gòu)成一定的角度。波長(zhǎng)為l的微波從被測(cè)液位反射后進(jìn)入接收天線。接收天線接收到的功率將隨被測(cè)液面的高低不同而異。接收天線接收的功率Pr，可表示為 (9-1) 式中 d兩天線與被測(cè)液面間的垂直距離； Pi、Gi發(fā)射天線發(fā)射的功率和增益；,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,9.3 微波傳感器,Gr接收天線的增益。當(dāng)發(fā)射功率、波長(zhǎng)、增益均恒定時(shí)，只要測(cè)得接收功率Pr，就可獲得被測(cè)液面的高度d。 2. 微波物位計(jì) 圖9-5所示為微波開關(guān)式物位

12、計(jì)示意圖。當(dāng)被測(cè)物位較低時(shí)，發(fā)射天線發(fā)出的微波束全部由接收天線接收，經(jīng)放大器、比較器后發(fā)出正常工作信號(hào)。當(dāng)被測(cè)物位升高到天線所在的高度時(shí)，微波束部分被吸收，部分被反射，接收天線接收到的功率相應(yīng)減弱，經(jīng)放大器、比較器就可給出被測(cè)物位高出設(shè)定物位的信號(hào)。 當(dāng)被測(cè)物低于設(shè)定物位時(shí)，接收天線接收到的功率P0為 (9-2) 被測(cè)物位升高到天線所在高度時(shí)，接收天線接收的功率Pr為,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,9.3 微波傳感器,(9-3) 式中 由被測(cè)物形狀、材料性質(zhì)、電磁性能及高度所決定的系數(shù)。 3. 微波濕度(水份)傳感器 水分子是極性分子，常態(tài)下成偶極子形式雜亂無(wú)章地分布在物質(zhì)中。在外電場(chǎng)作用下，偶極子會(huì)

13、形成定向排列。當(dāng)微波場(chǎng)中有水分子時(shí)，偶極子受場(chǎng)的作用而反復(fù)取向，不斷從電場(chǎng)中得到能量?jī)?chǔ)能，又不斷釋放能量放能，前者表現(xiàn)為微波信號(hào)的相移，后者表現(xiàn)為微波的衰減。這種特性可用水分子自身的介電常數(shù)來(lái)表征，即 (9-4) 式中 儲(chǔ)能的度量；衰減的度量；常數(shù)。 與不僅與材料有關(guān)，還與測(cè)試信號(hào)頻率有關(guān)，所有極性分子均有此特性，一般干燥的物體，如木材、皮革、谷物、紙張、塑料等，其在15范圍內(nèi)，而水的則高達(dá)64。因此，如果材料中含有少量水分時(shí)，其將顯著上升。也有類似性質(zhì)。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,9.3 微波傳感器,圖9-6所示 是測(cè)量酒精含水量的儀器框圖，其中MS產(chǎn)生的微波功率經(jīng)分功器分成二路，再經(jīng)衰減器A1

14、、A2分別注入到兩個(gè)完全相同的轉(zhuǎn)換器T1、T2中。其中T1放置無(wú)水酒精，T2放置被測(cè)酒精樣品。相位與衰減測(cè)定儀PT、AT分別反復(fù)接通兩路T1、T2輸出，自動(dòng)記錄和顯示它們之間的相位差與衰減差，從而確定出樣品酒精的含水量。 對(duì)于顆粒狀物料，由于其形狀各異、裝料不勻因素影響，測(cè)量含水量時(shí)，對(duì)微波傳感器要求較高。 4. 微波測(cè)厚儀 微波測(cè)厚度原理如圖9-7所示。這種測(cè)厚儀是利用微波在傳播過程中遇到被測(cè)物金屬表面被反射，且反射波的波長(zhǎng)與速度都不變的特性進(jìn)行測(cè)厚的。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,9.3 微波傳感器,如圖9-7所示，在被測(cè)金屬物體上下兩表面各安裝一個(gè)終端器。微波信號(hào)源發(fā)出的微波，經(jīng)過環(huán)行器A、上

15、傳輸波導(dǎo)管傳輸?shù)奖粶y(cè)物上表面上，微波在被測(cè)物上表面全反射后又回到上終端器，再經(jīng)過傳輸波導(dǎo)管、環(huán)形器A、下傳輸波導(dǎo)管傳送到下終端器。由下終端器發(fā)射到被測(cè)物下表面的微波，經(jīng)全反射后又回到下終端器，再經(jīng)過傳輸波導(dǎo)管回到環(huán)形路A。因此，被測(cè)物體的厚度與微波傳輸過程中的行程有密切關(guān)系，當(dāng)被測(cè)物體厚度增加時(shí)，微波的行程就減小。 一般情況下，微波傳輸?shù)男谐套兓浅Ｎ⑿?。為了精確測(cè)量出這一微小變化，通常采用微波自動(dòng)平衡電橋法。前述微波傳輸行程作為測(cè)量臂，而完全模擬測(cè)量臂微波行程設(shè)置一參考臂(圖9-7右部)。若測(cè)量臂與參考臂行程完全相同則反相疊加的微波經(jīng)過檢波器C檢波后，輸出為零；若兩臂行程不同，則兩路微波疊加

16、后不能相互抵消，經(jīng)檢波后便有不平衡信號(hào)輸出，此不平衡差值信號(hào)經(jīng)放大后控制可逆電機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)補(bǔ)償短路器產(chǎn)生位移，改變補(bǔ)償短路器的長(zhǎng)度，直到兩臂行程完全相同、放大器輸出為零，可逆電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)為止。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,9.3 微波傳感器,補(bǔ)償短路器的位移與被測(cè)物厚度增加量之間的關(guān)系為 S= B( A A)= B( Ah)= h (9-5) 式中 A電橋平衡時(shí)測(cè)量臂行程長(zhǎng)度； B電橋平衡時(shí)參考臂行程長(zhǎng)度； A被測(cè)物厚度變化h后引起測(cè)量臂行程變化值； h被測(cè)物厚度變化值； S補(bǔ)償短路器位移值。 由上式可知，補(bǔ)償短路器位移值S即為被測(cè)物厚度變化值h。,上一頁(yè),返回,9.4 圖像傳感器,機(jī)械量測(cè)量中有關(guān)

17、形狀和尺寸的信息以圖像方式表達(dá)最為方便，目前較實(shí)用的圖像傳感器是用電荷耦合器件構(gòu)成的，簡(jiǎn)稱CCD(Charge-Coupled-Device)。它分為一維的和兩維的，前者用于位移、尺寸的檢測(cè)，后者用于平面圖形、文字的傳遞。CCD器件具有集成度高、分辨率高、固體化、低功耗及自掃描能力等一系列優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測(cè)、電視攝像、高空攝像及人工智能等領(lǐng)域。 9.4.1 感光原理 圖像是由像素組成行，由行組成幀。對(duì)于黑白圖像來(lái)說(shuō)，每個(gè)像素應(yīng)根據(jù)光的強(qiáng)弱得到不同大小的電信號(hào)，并且在光照停止之后仍能把電信號(hào)的大小保持記憶，直到把信息傳送出去，這樣才能構(gòu)成圖像傳感器。所以CCD圖像傳感器主要由光電轉(zhuǎn)換和電

18、荷讀出轉(zhuǎn)移兩部分組成，光電轉(zhuǎn)換的功能是把入射光轉(zhuǎn)變成電荷，按像素組成電荷包存儲(chǔ)在光敏元件之中，電荷的電量反映該像素元的光線的強(qiáng)弱，電荷是通過一段時(shí)間一場(chǎng)積累起來(lái)的。,下一頁(yè),返回,9.4 圖像傳感器,CCD器件是MOS金屬氧化物半導(dǎo)體電容構(gòu)成的MOS電容光敏元件，能實(shí)現(xiàn)像素的光電轉(zhuǎn)換。在P型硅襯底上通過氧化形成一層SiO2，然后再淀積小面積的金屬鋁作為電極(稱柵極)，其結(jié)構(gòu)雖是金屬氧化物半導(dǎo)體，但沒有擴(kuò)散源極和漏極，如圖9-8所示。P型硅里的多數(shù)載流子是空穴，少數(shù)載流子是電子。當(dāng)金屬電極上施加正電壓超過金屬電極與襯底間的開啟電壓時(shí)，其電場(chǎng)能夠透過SiO2絕緣層對(duì)這些載流子進(jìn)行排斥或吸引，于是空

19、穴被排斥到遠(yuǎn)離電極處，電子被吸引到緊靠SiO2層的表面上來(lái)。由于沒有源極向襯底提供空穴，在電極下形成一個(gè)P型耗盡區(qū)，這對(duì)帶負(fù)電的電子而言是一個(gè)勢(shì)能很低的區(qū)域陷阱，電子一旦進(jìn)入就不能復(fù)出，故又稱為電子勢(shì)阱。 當(dāng)器件受到光照射(光可從各電極的縫隙間經(jīng)過SiO2層射入，或經(jīng)襯底的薄P型硅射入)，光子的能量被半導(dǎo)體吸收，由于內(nèi)光電效應(yīng)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，這時(shí)出現(xiàn)的電子被吸引存儲(chǔ)在勢(shì)阱中。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,9.4 圖像傳感器,光越強(qiáng)，勢(shì)阱中收集的電子越多；光弱則反之。這樣就把光的強(qiáng)弱變成電荷的數(shù)量多少，實(shí)現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換。而勢(shì)阱中的電子是被存儲(chǔ)狀態(tài)，即使停止光照，一定時(shí)間內(nèi)也不會(huì)損失，這就實(shí)現(xiàn)了對(duì)光照的

20、記憶。 總之，上述結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)微小的MOS電容，用它構(gòu)成像素，既可感光又可留下潛影，感光作用是靠光強(qiáng)產(chǎn)生的電子積累電荷，潛影是各個(gè)像素留在各個(gè)電容里的電荷不等而形成的，若能設(shè)法把各個(gè)電容器里的電荷依次傳送到他處，再組成行和幀并經(jīng)過顯影，就實(shí)現(xiàn)了圖像的傳遞。 9.4.2 轉(zhuǎn)移原理 由于組成一幀圖像的像素總數(shù)太多，只能用串行方式依次傳送，在常規(guī)的攝像管里是靠電子束掃描的方式工作的，在CCD器件里也需要用掃描實(shí)現(xiàn)各像素信息的串行化。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,9.4 圖像傳感器,不過CCD器件并不需要復(fù)雜的掃描裝置，只需外加如圖9-9(a)所示的多相脈沖轉(zhuǎn)移電壓依次對(duì)并列的各個(gè)電極施加電壓就能辦到。

21、圖中1、2、3是相位依次相差120的三個(gè)脈沖源，其波形都是前沿陡峭后沿傾斜。若按時(shí)刻t1t5分別分析其作用，可結(jié)合圖9-9(b)討論工作原理。 在排成直線的一維CCD器件里，電極19分別接在三相脈沖源上。將電極13視為一個(gè)像素，在1為正的t1時(shí)刻里受到光照，于是電極1之下出現(xiàn)勢(shì)阱，并收集到負(fù)電荷電子。同時(shí)，電極4和7之下也出現(xiàn)勢(shì)阱，但因光強(qiáng)不同，所收集到的電荷不等。在時(shí)刻t2，電壓1已下降，然而2電壓最高，所以電極2、5、8下方的勢(shì)阱最深，原先儲(chǔ)存在電極1、4、7下方的電荷部分轉(zhuǎn)移到2、5、8下方。到時(shí)刻t5，上述電荷已全部向右轉(zhuǎn)移一步。如此類推，到時(shí)刻t5已依次轉(zhuǎn)移到電極3、6、9下方。二維

22、CCD則有多行。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,9.4 圖像傳感器,在每一行的末端，設(shè)置有接收電荷并加以放大的器件，如圖9-10所示，此器件所接收的順序當(dāng)然是先接收距離最近的右方像素，依次到來(lái)的是左方像素，直到整個(gè)一行的各像素都傳送完。如果只是一維的，就可以再進(jìn)行光照，重新傳送新的信息；如果是二維的，就開始傳送第二行，直至一幀圖像信息傳完，才可再進(jìn)行光照。 事實(shí)上，同一個(gè)CCD器件既可以按并行方式同時(shí)感光形成電荷潛影，又可以按串行方式依次轉(zhuǎn)移電荷完成傳送任務(wù)。但是，分時(shí)使用同一個(gè)CCD器件時(shí)，在轉(zhuǎn)移電荷期間就不應(yīng)再受光照，以免因多次感光破壞原有圖像，這就必須用快門控制感光時(shí)刻。而且感光時(shí)不能轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移

23、時(shí)不能感光，工作速度受到限制?，F(xiàn)在通用的辦法是把兩個(gè)任務(wù)由兩套CCD完成，感光用的CCD有窗口，轉(zhuǎn)移用的CCD是被遮蔽的，感光完成后把電荷并行轉(zhuǎn)移注入到專供傳送的CCD里串行送出，這樣就不必用快門了，而且感光時(shí)間可以加長(zhǎng)，傳送速度也更快。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,9.4 圖像傳感器,由此可見，通常所說(shuō)的掃描已在依次傳送過程中體現(xiàn)，全部都由固態(tài)化的CCD器件完成。 工業(yè)生產(chǎn)過程監(jiān)視及檢測(cè)用的圖像有時(shí)不必要求灰度層次，只需對(duì)比強(qiáng)烈的黑白圖形，這時(shí)應(yīng)借助參比電壓將CCD的輸出信號(hào)二值化。檢測(cè)外形輪廓和尺寸時(shí)常常如此。 目前市售的CCD器件，一維的有512、1024、2048位，每個(gè)單元的距離有15m、

24、254m、28m等，二維的有256320、512340乃至23041728像素等。,上一頁(yè),返回,9.5 生物傳感器,1. 生物傳感器的工作原理 生物傳感器是利用各種生物或生物物質(zhì)做成用來(lái)檢測(cè)與識(shí)別生物體內(nèi)的化學(xué)成分的傳感器。生物或生物物質(zhì)主要是指各種酶、微生物、抗體等。其基本工作原理如圖9-11所示，它由生物敏感膜和變換器構(gòu)成。被測(cè)物質(zhì)經(jīng)擴(kuò)散作用進(jìn)入生物敏感膜層，經(jīng)分子識(shí)別，產(chǎn)生生物學(xué)反應(yīng)(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)，使相應(yīng)的變換器將其轉(zhuǎn)換成可測(cè)量和可傳輸、處理的電信號(hào)。 2. 生物傳感器的分類 根據(jù)所用生物活體物質(zhì)的不同可以把生物傳感器分為下列五類：酶?jìng)鞲衅?、?/p>

25、生物傳感器、組織傳感器、細(xì)胞器傳感器、免疫傳感器。,下一頁(yè),返回,9.5 生物傳感器,根據(jù)所用變換器器件的不同可以把生物傳感器分為下列五類：生物電極傳感器、光生物傳感器、熱生物傳感器、半導(dǎo)體生物傳感器、壓電晶體生物傳感器。 3. 生物傳感器的特點(diǎn) 根據(jù)生物反應(yīng)的奇異和多樣性，從理論上講可以制造出檢測(cè)所有生物物質(zhì)的各類生物傳感器。 生物傳感器是在無(wú)試劑條件下工作的，比傳統(tǒng)的生物學(xué)和化學(xué)分析方法操作簡(jiǎn)便、快捷，準(zhǔn)確度高。 可以連續(xù)測(cè)量，并能聯(lián)機(jī)操作直接顯示出測(cè)量結(jié)果。 4. 酶?jìng)鞲衅?上一頁(yè),下一頁(yè),返回,9.5 生物傳感器,酶?jìng)鞲衅魇怯擅该舾心ず碗娀瘜W(xué)器件構(gòu)成的。由于酶是蛋白質(zhì)組成的生物催化劑，

26、能催化許多生物化學(xué)反應(yīng)。生物細(xì)胞的復(fù)雜代謝就是由成千上萬(wàn)個(gè)不同的酶控制的。酶的催化效率極高，而且具有高度專一性，即只能對(duì)特定待測(cè)生物量(底物)進(jìn)行選擇催化，并且具有化學(xué)放大作用。因此，利用的酶的特性可以制造出高靈敏度、選擇性好的傳感器。 根據(jù)輸出信號(hào)不同，酶?jìng)鞲衅骺煞譃殡娏餍秃碗娢恍蛢煞N。其中，電流型是由與酶催化反應(yīng)有關(guān)物質(zhì)電極反應(yīng)所得到的電流來(lái)確定反應(yīng)物的濃度。而電位型是通過電化學(xué)傳感器測(cè)量敏感膜電位來(lái)確定與催化反應(yīng)有關(guān)的各種物質(zhì)濃度。 5. 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。與酶相比，微生物更經(jīng)濟(jì)，耐久性也好。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,9.5 生物傳感器,微

27、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(氧氣的消耗)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、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)固定在載體上就可以制作出微生物敏感膜。而采用的載體，一般是多孔酶酸纖維膜和膠原膜。微生物傳感器從工作原理上可分為呼吸機(jī)能型和代謝機(jī)能型。 6. 免疫傳感器 免疫傳感器的基本原理是免疫反應(yīng)。利用抗體能識(shí)別抗原與抗原結(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，從而產(chǎn)生電信號(hào)。,上一頁(yè),返回,9.6

28、機(jī)器人傳感器,機(jī)器人是計(jì)算機(jī)控制的、能模擬人的感覺、手工操作和具有自動(dòng)行走能力的并可以完成一定工作的裝置。感知系統(tǒng)是機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)自主化的必須部分，感知系統(tǒng)離不開各種各樣的傳感器，根據(jù)傳感器在機(jī)器人中的作用，機(jī)器人傳感器分為內(nèi)部傳感器和外部傳 感器。 9.6.1 內(nèi)部傳感器 1. 概述 在有關(guān)工業(yè)機(jī)器人功能的術(shù)語(yǔ)中，“內(nèi)部”測(cè)量功能定義為測(cè)量機(jī)器人自身狀態(tài)的功能，所謂內(nèi)部傳感器，就是實(shí)現(xiàn)該功能的元件，具體檢測(cè)的對(duì)象有關(guān)節(jié)的線位移、角位移等幾何量，速度、角速度、加速度等運(yùn)動(dòng)量，還有傾斜角、方位角、振動(dòng)等物理量，對(duì)各種傳感器要求精度高、響應(yīng)速度快、測(cè)量范圍寬。內(nèi)部傳感器中，位置傳感器和速度傳感器是

29、當(dāng)今機(jī)器人反饋控制中不可缺少的元件?，F(xiàn)已有多種傳感器大量生產(chǎn)，但傾斜角傳感器、方位角傳感器及振動(dòng)傳感器等用作機(jī)器人內(nèi)部傳感器的時(shí)間不長(zhǎng)，其性能尚需進(jìn)一步改進(jìn)。,下一頁(yè),返回,9.6 機(jī)器人傳感器,2. 內(nèi)部傳感器按功能分類 (1) 規(guī)定位置、規(guī)定角度的檢測(cè) 檢測(cè)預(yù)先規(guī)定的位置或角度，可以用ON/OFF兩個(gè)狀態(tài)值，這種方法用于檢測(cè)機(jī)器人的起始原點(diǎn)、越限位置或確定位置。 微型開關(guān)：規(guī)定的位移或力作用到微型開關(guān)的可動(dòng)部分(稱為執(zhí)行器)時(shí)，開關(guān)的電氣觸點(diǎn)斷開或接通。限位開關(guān)通常裝在盒里，以防外力的作用和水、油、塵埃的侵蝕。 光電開關(guān)：光電開關(guān)是由LED光源和光敏二極管或光敏晶體管等光敏元件組成，相隔一

30、定距離而構(gòu)成的透光式開關(guān)。當(dāng)光由基準(zhǔn)位置的遮光片通過光源和光敏元件的縫隙時(shí)，光射不到光敏元件上，而起到開關(guān)的作用。 (2) 位置、角度測(cè)量 測(cè)量機(jī)器人關(guān)節(jié)線位移和角位移的傳感器是機(jī)器人位置反饋控制中必不可少的元件。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,9.6 機(jī)器人傳感器,電位器 電位器可作為直線位移和角位移檢測(cè)元件，其結(jié)構(gòu)形式如圖9-12所示。 為了保證電位器的線性輸出，應(yīng)保證等效負(fù)載電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電位器總電阻。電位器式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，使用方便，但分辨率不高，且當(dāng)電刷和電阻之間接觸面磨損或有塵埃附著時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲。 旋轉(zhuǎn)變壓器。旋轉(zhuǎn)變壓器由鐵心、兩個(gè)定子線圈和兩個(gè)轉(zhuǎn)子線圈組成，是測(cè)量旋轉(zhuǎn)角度的傳感器

31、。定子和轉(zhuǎn)子由硅鋼片和坡莫合金疊層制成，如圖9-13所示。 在各定子線圈加上交流電壓，轉(zhuǎn)子線圈中由于交鏈磁通的變化產(chǎn)生感應(yīng)電壓。感應(yīng)電壓和勵(lì)磁電壓之間相關(guān)聯(lián)的耦合系數(shù)隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角而改變。因此，根據(jù)測(cè)得的輸出電壓，就可以知道轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的大小?？梢哉J(rèn)為，旋轉(zhuǎn)變壓器是由隨轉(zhuǎn)角而改變且耦合系數(shù)為Ksin 或Kcos 的兩個(gè)變壓器構(gòu)成的。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,9.6 機(jī)器人傳感器,定子上兩個(gè)繞組的勵(lì)磁電壓為 Es1=Ecost, Es2=Esint 轉(zhuǎn)子兩個(gè)繞組輸出電壓為 Er1=K(Es cos-Es2sin)=KEcos(t+ ) Er2=K(Es2cos-Es2sin)=KEsin(t+ ) 可見

32、，轉(zhuǎn)子繞組輸出電壓幅值與勵(lì)磁電壓的幅值成正比，對(duì)勵(lì)磁電壓的相位移等于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，檢測(cè)出相位，即可測(cè)出角位移。 可見，轉(zhuǎn)子繞組輸出電壓幅值與勵(lì)磁電壓的幅值成正比，對(duì)勵(lì)磁電壓的相位移等于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)角度 ，檢測(cè)出相位 ，即可測(cè)出角位移。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,9.6 機(jī)器人傳感器,編碼器。編碼器輸出表示位移增量的編碼器脈沖信號(hào)，并帶有符號(hào)。根據(jù)檢測(cè)原理，編碼器可分為光學(xué)式、磁式、感應(yīng)式和電容式。根據(jù)其刻度方法及信號(hào)輸出形式，分為增量式編碼器和絕對(duì)式編碼器。作為機(jī)器人位移傳感器，光電編碼器應(yīng)用最為廣泛。 光電編碼器的工作原理如圖9-14所示，在圓盤上有規(guī)則地刻有透光和不透光的線條，在圓盤兩側(cè)，安放

33、發(fā)光元件和光敏元件。當(dāng)圓盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，光敏元件接收的光通量隨透光線條同步變化，光敏元件輸出波形經(jīng)過整形后變?yōu)槊}沖，碼盤上有之相標(biāo)志，每轉(zhuǎn)一圈輸出一個(gè)脈沖。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可提供相位相差90的兩路脈沖信號(hào)。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,9.6 機(jī)器人傳感器,絕對(duì)式編碼器與增量式編碼器不同之處在于圓盤上透光、不透光的線條圖形，絕對(duì)編碼器可有若干編碼，根據(jù)讀出碼盤上的編碼，檢測(cè)絕對(duì)位置。編碼的設(shè)計(jì)可采用二進(jìn)制碼、循環(huán)碼、二進(jìn)制補(bǔ)碼等。 磁編碼器在強(qiáng)磁性材料表面上記錄等間隔的磁化刻度標(biāo)尺，標(biāo)尺旁邊相對(duì)放置磁阻效應(yīng)元件或霍爾元件，即能檢測(cè)出磁通的變化。與光電編碼器相比，磁編碼器的刻度間隔大，但它具有耐

34、油污、抗沖擊等特點(diǎn)。人們期待著磁編碼器和高分辨率的光電編碼器能盡早地用作機(jī)器人的內(nèi)傳感器。 (3)速度、角速度測(cè)量 速度、角速度測(cè)量是驅(qū)動(dòng)器反饋控制中必不可少的環(huán)節(jié)，有時(shí)也利用測(cè)位移傳感器測(cè)量速度及檢測(cè)單位采樣時(shí)間位移量，然后用F/V轉(zhuǎn)換器變成模擬電壓，但這種方法有其局限性，在低速時(shí)，存在著不穩(wěn)定的危險(xiǎn)；而高速時(shí)，只能獲得較低的測(cè)量精度。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,9.6 機(jī)器人傳感器,最通用的速度、角速度傳感器是測(cè)速發(fā)電機(jī)或成為轉(zhuǎn)速表的傳感器、比率發(fā)電機(jī)。恒定磁場(chǎng)中的線圈發(fā)生位移，線圈兩端的感應(yīng)電壓E與線圈內(nèi)交鏈磁通的變化率成正比，輸出電壓為：E=-d /dt 根據(jù)這個(gè)原理，測(cè)量角速度的測(cè)速發(fā)電

35、機(jī)，可按其構(gòu)造分為直流測(cè)速發(fā)電機(jī)、交流測(cè)速發(fā)電機(jī)和感應(yīng)式交流測(cè)速發(fā)電機(jī)。 (4) 加速度測(cè)量 隨著機(jī)器人的高速比、高精度化，由機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分剛性不足所引起的振動(dòng)問題開始提到日程上來(lái)了。為了解決振動(dòng)問題，有時(shí)在機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)手臂等位置安裝加速度傳感器，測(cè)量振動(dòng)加速度，并把它反饋到驅(qū)動(dòng)器上。加速度傳感器分為以下幾件。 應(yīng)變片加速度傳感器。應(yīng)變片加速度傳感器是由一個(gè)板簧支承重錘所構(gòu)成的振動(dòng)系統(tǒng)。在板簧兩面分別貼兩個(gè)應(yīng)變片，應(yīng)變片受振動(dòng)產(chǎn)生應(yīng)變，其電阻值的變化通過電橋電路的輸出電壓被檢測(cè)出來(lái)。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,9.6 機(jī)器人傳感器, 伺服加速度傳感器。伺服加速度傳感器中振動(dòng)系統(tǒng)重錘位移變換成成正比的

36、電流，把電流反饋到恒定磁場(chǎng)中的線圈，使重錘返回到原來(lái)的零位移狀態(tài)。由F=ma=ki，根據(jù)檢測(cè)的電流可以求出加速度。 壓電感應(yīng)加速度傳感器。壓電感應(yīng)加速度傳感器是利用具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)，將加速度轉(zhuǎn)換為電壓，即 U=Q/ACP=dijF/CP (9-6) a=UCP/dijFm (9-7) 式中 CP壓電元件電容； dij壓電常數(shù)； U電壓； m質(zhì)量。 (5) 其他內(nèi)部傳感器,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,9.6 機(jī)器人傳感器,除以上介紹的常用內(nèi)部傳感器外，還有一些根據(jù)機(jī)器人不同要求而安裝的不同功能的內(nèi)部傳感器，如用于傾斜角測(cè)量的液體式傾斜角傳感器、電解液式傾斜角傳感器、垂直振子式傾斜角傳感器，用于方位角

37、測(cè)量的陀螺儀和地磁傳感器。這些傳感器有待于進(jìn)一步完善，更好地用于機(jī)器人上。 9.6.2 外部傳感器 1. 概述 為了檢測(cè)作業(yè)對(duì)象及環(huán)境或機(jī)器人與它們的關(guān)系，在機(jī)器人上安裝了觸覺傳感器、視覺傳感器、力覺傳感器、接近覺傳感器、超聲波傳感器和聽覺傳感器，大大改善了機(jī)器人工作狀況，使其能夠更充分地完成復(fù)雜的工作。由于外部傳感器為集多種學(xué)科于一身的產(chǎn)品，有些方面還在探索之中，隨著外部傳感器的進(jìn)一步完善，機(jī)器人的功能越來(lái)越強(qiáng)大，將在許多領(lǐng)域?yàn)槿祟愖鞒龈筘暙I(xiàn)。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,9.6 機(jī)器人傳感器,2. 外部傳感器按功能分類 (1) 觸覺傳感器 觸覺是接觸、沖擊、壓迫等機(jī)械刺激感覺的綜合，觸覺可以用

38、來(lái)進(jìn)行機(jī)器人抓取，利用觸覺可進(jìn)一步感知物體的形狀、軟硬等物理性質(zhì)。對(duì)機(jī)器人觸覺的研究，只能集中于擴(kuò)展機(jī)器人能力所必需的觸覺功能，一般把檢測(cè)感知和外部直接接觸而產(chǎn)生的接觸覺、壓力、觸覺及接近觸覺的傳感器稱為機(jī)器人觸覺傳感器。 接觸覺。接觸覺是通過與對(duì)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(cè)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。 機(jī)械式傳感器：利用觸點(diǎn)的接觸斷開獲取信息，通常采用微動(dòng)開關(guān)來(lái)識(shí)別(物體的二維輪廓，由于結(jié)構(gòu)關(guān)系無(wú)法高密度列陣。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,9.6 機(jī)器人傳感

39、器,彈性式傳感器：這類傳感器都由彈性元件、導(dǎo)電觸點(diǎn)和絕緣體構(gòu)成。如采用導(dǎo)電性石墨化碳纖維、氨基甲酸乙酯泡沫、印制電路板和金屬觸點(diǎn)構(gòu)成的傳感器，碳纖維被壓后與金屬觸點(diǎn)接觸，開關(guān)導(dǎo)通。也可由彈性海綿、導(dǎo)電橡膠和金屬觸點(diǎn)構(gòu)成，導(dǎo)電橡膠受壓后，海綿變形，導(dǎo)電橡膠和金屬觸點(diǎn)接觸，開關(guān)導(dǎo)通。也可由金屬和鉸青銅構(gòu)成，被絕緣體覆蓋的青銅箔片被壓后與金屬接觸，觸點(diǎn)閉合。 光纖傳感器：這種傳感器包括由一束光纖構(gòu)成的光纜和一個(gè)可變形的反射表面。光通過光纖束投射到可變形的反射材料上，反射光按相反方向通過光纖束返回。如果反射表面是平的，則通過每條光纖所返回的光的強(qiáng)度是相同的。如果反射表面因與物體接觸受力而變形，則反射的

40、光強(qiáng)度不同。用高速光掃描技術(shù)進(jìn)行處理，即可得到反射表面的受力情況。 接近覺。接近覺是一種粗略的距離感覺，接近覺傳感器的主要作用是在接觸對(duì)象之前獲得必要的信息，用來(lái)探測(cè)在一定距離范圍內(nèi)是否有物體接近、物體的接近距離和對(duì)象的表面形狀及傾斜等狀態(tài)，一般用1和0兩種態(tài)表示。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,9.6 機(jī)器人傳感器,以光學(xué)接近傳感器為例，其結(jié)構(gòu)如圖9-15所示。由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成。發(fā)光二極管發(fā)出的光經(jīng)過反射被光敏晶體管接收，接收到的光強(qiáng)和傳感器與目標(biāo)的距離有關(guān)，輸出信號(hào)Uout是距離x的函數(shù)：Uout=f(x)。紅外信號(hào)被調(diào)制成某一特定頻率，可大大提高信噪比。 在機(jī)器人中，主要用于對(duì)物體的

41、抓取和躲避。接近覺一般用非接觸式測(cè)量元件，如霍爾效應(yīng)傳感器、電磁式接近開關(guān)和光學(xué)接近傳感器。 滑覺。機(jī)器人在抓取不知屬性的物體時(shí)，其自身應(yīng)能確定最佳握緊力的給定值。當(dāng)握緊力不夠時(shí)，要檢測(cè)被握緊物體的滑動(dòng)，利用該檢測(cè)信號(hào)，在不損害物體的前提下，考慮最可靠的夾持方法，實(shí)現(xiàn)此功能的傳感器稱為滑覺傳感器。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,9.6 機(jī)器人傳感器,滑覺傳感器有滾動(dòng)式和球式，還有一種通過振動(dòng)檢測(cè)滑覺的傳感器。物體在傳感器表面上滑動(dòng)時(shí)，和滾輪或環(huán)相接觸，把滑動(dòng)變成轉(zhuǎn)動(dòng)。 如圖9-16所示，在滑輪式滑覺傳感器中，滑動(dòng)物體引起滾輪滾動(dòng)，用磁鐵和靜止的磁頭，或光傳感器進(jìn)行檢測(cè)，這種傳感器只能檢測(cè)到一個(gè)方向的滑

42、動(dòng)。球式傳感器用球代替滾輪，可以檢測(cè)各個(gè)方向的滑動(dòng)，振動(dòng)式滑覺傳感器表面伸出的觸針能和物體接觸，物體滾動(dòng)時(shí)，觸針與物體接觸而產(chǎn)生振動(dòng)，這個(gè)振動(dòng)由壓點(diǎn)傳感器或磁場(chǎng)線圈結(jié)構(gòu)的微小位移計(jì)檢測(cè)。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,9.6 機(jī)器人傳感器,(2) 力覺傳感器 力覺是指對(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、關(guān)節(jié)力覺和支座力覺等，根據(jù)被測(cè)對(duì)象的負(fù)載，可以把力傳感器分為測(cè)力傳感器(單軸力傳感器)、力矩表(單軸力矩傳感器)、手指?jìng)鞲衅?檢測(cè)機(jī)器人手指作用力的超小型單軸力傳感器)和六軸力覺傳感器。力覺傳感器根據(jù)力的檢測(cè)方式不同，可以分為：檢測(cè)應(yīng)變或應(yīng)力的應(yīng)變片式；利用壓電效應(yīng)的壓電元件式；用位移計(jì)測(cè)量負(fù)載產(chǎn)生的位移的差動(dòng)變壓器、電容位移計(jì)式，其中應(yīng)變片被機(jī)器人廣泛采用。 在選用