第9章幾種新型傳感器

1、第9章 幾種新型傳感器 9.1 生物傳感器生物傳感器 9.2 微波傳感器微波傳感器 9.3 超聲波傳感器超聲波傳感器 9.4 機器人傳感器機器人傳感器 9.5 指紋傳感器指紋傳感器 9.6 觸摸屏觸摸屏 9.7 微機電系統(tǒng)微機電系統(tǒng) 9.8 實訓實訓9.1 生物傳感器生物傳感器v9.1.1 概述概述v1. 生物傳感器及其分類v 生物傳感器是利用各種生物或生物物質做成的，用以檢測與識別生物體內的化學成份的傳感器。v 生物或生物物質是指酶、微生物、抗體等，它們的高分子具有特殊的性能，能精確地識別特定的原子和分子。 v 生物傳感器一般是在基礎傳感器上再耦合一個生物敏感膜，也就是說生物傳感器是半導體技

2、術與生物工程技術的結合。v 溶液中被測定的物質，經(jīng)擴散作用進入生物敏感膜層，經(jīng)分子識別，發(fā)生生物學反應。v 產(chǎn)生的信息可通過相應的化學或物理換能器轉變成可定量和可顯示的電信號，就可知道被測物質的濃度。 v2. 分子識別功能及信號轉換v 表9-1列出了具有分子識別能力的主要生物物質。v 生物傳感器的信號轉換方式主要有：v（）化學變化轉換為電信號方式；v（）熱變化轉換為電信號方式；v（）光變化轉換為電信號方式； v（）直接誘導電信號方式 。表9-1 具有分子識別功能的生物物質生物物質被識別的分子酶底物，底物類似物抑制劑輔酶抗體抗原，抗原類似物結合蛋白質維生素H ,維生素A等植物凝血素糖鏈，具有糖鏈

3、的分子或細胞激素受體激素v3. 生物物質的固定化技術v 使生物敏感物質附著于膜上或包含于膜之中，在技術上稱為固定化。v（1）化學固定法v 化學固定法是在感受體與載體之間、或感受體相互之間至少形成一個共價鍵，能將感受體的活性高度穩(wěn)定地固定。v（2）物理固定法v 物理固定法是感受體與載體之間、或感受體相互之間，根據(jù)物理作用即吸附或包裹進行固定。 v9.1.2 生物傳感器的工作原理及結構生物傳感器的工作原理及結構v1. 酶傳感器 v 是用電化學裝置檢測酶在催化反應中生成或消耗的物質（電極活性物質），將其變換成電信號輸出。v 固定化酶傳感器由Pt陽極和Ag陰極組成的極譜記錄式H2O2電極與固定化酶膜構

4、成。v 通過電化學裝置測定由酶反應生成或消耗的離子，通過電化學方法測定電極活性物質的數(shù)量，以測定被測成分的濃度。 v2. 葡萄糖傳感器 v 測定血液和尿中葡萄糖濃度對糖尿病患者做臨床檢查是很必要的。v 現(xiàn)已研究出對葡萄糖氧化反應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傳感器。如圖9-1所示。 圖9-1 葡萄糖酶傳感器 v3. 微生物傳感器 v 酶傳感器是利用單一的酶，而微生物傳感器是利用多種酶有關的高度機能的綜合即復合酶。v 微生物的種類是非常多的，菌體中的復合酶、能量再生系統(tǒng)、輔助酶再生系統(tǒng)、微生物的呼吸及新陳代謝為代表的全部生理機能都可以加以利用。

5、 v 用微生物代替酶，有可能獲得具有復雜及高功能的生物傳感器。v 微生物傳感器是由固定化微生物膜及電化學裝置組成，如圖9-2所示。v 微生物膜的固定化法與酶的固定方式相同。微生物微生物固定化固定化膜膜封閉式封閉式氧電極氧電極或或CO2電極電極被被測測物物質質氧消耗氧消耗變化變化(呼吸呼吸機能機能)電電信信號號圖9-2 微生物傳感器基本結構(a)微生物微生物固定化固定化膜膜電化學電化學敏感電極敏感電極被被測測物物質質新陳代新陳代謝變化謝變化(代謝代謝機能機能)電電信信號號圖9-2 微生物傳感器基本結構(b)v 由于微生物有好氣（O2）性與厭氣（O2）性之分（也稱好氧反應與厭氧反應），所以傳感器也

6、根據(jù)這一物性而有所區(qū)別。v 好氣性微生物傳感器將微生物呼吸量轉化為電流值來測定。v 厭氣性微生物傳感器，利用CO2電極或離子選擇電極測定代謝產(chǎn)物。 v4. 免疫傳感器 v 抗原是能夠刺激動物機體產(chǎn)生免疫反應的物質。v 抗體是由抗原刺激機體產(chǎn)生的具有特異免疫功能的球蛋白，又稱免疫球蛋白。v 免疫傳感器是利用抗體對抗原結合功能研制成功的，如圖9-3所示。 圖9-3 免疫傳感器結構原理 v 抗原與抗體一經(jīng)固定于膜上，就形成具有識別免疫反應強烈的分子功能性膜。v 根據(jù)抗體膜的膜電位的變化，就可測定抗原的吸附量。 v5. 半導體生物傳感器v 半導體生物傳感器是由半導體傳感器與生物分子功能膜、識別器件所組

7、成。v 通常用的半導體器件是酶光電二極管和酶場效應管（FET），v 如圖9-4和圖9-5所示。v 因此，半導體生物傳感器又稱生物場效應晶體管（BiFET）。 圖9-4 酶光電二極管 圖9-5 酶場效應管 v 最初是將酶和抗體物質（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，構成BiFET ，v 現(xiàn)已研制出酶FET、尿素FET、抗體FET及青霉素FET等。v6. 多功能生物傳感器 v 要求傳感器能象細胞檢測味道一樣能分辨任何形式的多種成分的物質，v 同時測量多種化學物質，具有這樣功能的傳感器稱為多功能傳感器。v 實現(xiàn)這種技術的前提是各親和物質的固定化方法。 v 目前按電子學

8、方法論進行生物電子學的種種嘗試，這種新進展稱為第三代產(chǎn)品。 v9.1.3 生物芯片生物芯片v 進入21世紀，電子技術和生物技術相結合，誕生了生物芯片。v 生物芯片原名叫“核酸微陣列”，是通過微加工技術和微電子技術，在一塊1cm2大小的硅片、玻璃片、凝膠或尼龍膜上，構建密集排列的生物分子微陣列（micro arrays）。v 微陣列中每個生物分子的序列及位置都是已知和預先設定的。v 生物芯片的模樣五花八門，外觀五彩斑斕。v 有的和計算機芯片一樣規(guī)矩、方正，有的是一排排微米級圓點或一條條的蛇形細槽，還有的是一些不同形狀頭發(fā)粗細的管道和針孔大小的腔體。生物芯片的外觀五彩斑斕不同形狀頭發(fā)粗細的管道和針

9、孔大小的腔體v 生物芯片提供一次性使用，根據(jù)生物分子之間特異性相互識別的原理，如DNADNA、DNARNA、抗原抗體、受體配體之間可發(fā)生的復性與特異性識別。v 讓樣品（血液、尿液、唾液、組織、細胞等）中的生物分子與生物芯片序列中的生物探針分子發(fā)生相互作用。 v 利用專用檢測儀器和計算機對所產(chǎn)生的信號進行檢測和分析。v 就可得到樣品中的DNA、蛋白質、核酸、細胞及其他生物組分的有無、多少、序列變異等大量信息。圖9-6 生物芯片用于獲取樣品中的生物信息v 例如從正常人的基因組中分離出DNA與DNA芯片雜交（相互作用），就可以得出標準圖譜。v 從病人的基因組中分離出DNA與DNA芯片雜交，就可以得出

10、病變圖譜。v 經(jīng)過比較、分析這兩種圖譜，就可以得出病變的DNA信息。v 例如Gene Logic公司設計制造的生物芯片可以從待檢樣品中分離出DNA或RNA，并對其加入熒光標記，然后當樣品流過固定于柵欄狀微通道內的寡核苷酸探針時，便可捕獲與之互補的靶核酸序列。v 應用相應檢測設備即可實現(xiàn)對雜交結果的檢測與分析。v 這種芯片由于寡核苷酸探針具有較大的吸附表面積，所以可以靈敏地檢測到稀有基因的變化。同時，由于該芯片設計的微通道具有濃縮和富集作用，可以加速雜交反應。v 生物芯片分為三類：第一類為檢測用微陣列芯片，第二類為微流控芯片，第三類為微型集成化分析系統(tǒng)，也叫芯片實驗室。v 生物芯片廣泛用于基因檢

11、測，基因診斷、藥物篩選、疾病診斷、生物信息研究等方面，給生命科學、醫(yī)學、新藥開發(fā)、司法鑒定、食品與環(huán)境監(jiān)督等領域帶來巨大變革。9.2 微波傳感器微波傳感器v9.2.1 概述概述v1. 微波的性質與特點v微波是波長為1mm1m的電磁波，具有以下特點：v(1)可定向輻射，空間直線傳輸；v(2)遇到各種障礙物易于反射；v(3)繞射能力差；v(4)傳輸特性好；v(5)介質對微波的吸收與介質的介電常數(shù)成比例，水對微波的吸收作用最強。 v2. 微波振蕩器與微波天線v 微波振蕩器是產(chǎn)生微波的裝置。微波波長很短，頻率很高（300MHz 300GHz）。v 構成微波振蕩器的器件有速調管、磁控管或某些固態(tài)器件。小

12、型微波振蕩器也可以采用體效應管。 v 為了使發(fā)射的微波具有尖銳的方向性，天線具有特殊的結構。常用的天線如圖9-7所示，另外還有介質天線與隙縫天線等。 圖 9-7 常見微波天線 (a)扇形喇叭天線； (b)圓錐喇叭天線； (c)旋轉拋物面天線； (d)拋物柱面天線v9.2.2 微波傳感器及其分類微波傳感器及其分類v 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。v1. 反射式微波傳感器v 反射式微波傳感器是通過檢測被測物反射回來的微波功率或經(jīng)過的時間間隔來測量被測物的位置、厚度等參數(shù)。 v2. 遮斷式微波傳感器v 遮斷式微波傳感器是通過檢測接收天線接收到的微波功率大小，v 來判斷，v

13、 發(fā)射天線與接收天線之間有無被測物及被測物的位置與含水量等參數(shù)。 v 微波傳感器的敏感元件是微波電磁場。v 它的其他部分可視為一個轉換器和接受器，如圖9-8所示。圖中，MS是微波源；T是轉換器；R是接收器。v 轉換器可以是微波電磁場的有限空間，被測物即處于其中。 MSTR圖9-8 微波傳感器的構成 v 如果MS 與 T合二為一，稱之為有源微波傳感器；v 如果MS與R合二為一，則稱其為自振式微波傳感器。 v 微波傳感器的優(yōu)點v（1）實現(xiàn)非接觸測量。因此可以進行活體檢測，大部分測量不需要取樣。v（2）測量速度快、靈敏度高，可以進行動態(tài)檢測和實時處理，便于自動控制。v（3）可以在惡劣環(huán)境條件下檢測，

14、如高溫、高壓、有毒、有放射線環(huán)境條件。v（4）便于實現(xiàn)遙測與遙控。v9.2.3 微波溫度傳感器微波溫度傳感器v 任何物體，當它的溫度高于環(huán)境溫度時，都能向外輻射熱量。v 當輻射熱到達接收機輸入端口時，若仍然高于基準溫度（或室溫），在接收機的輸出端將有信號輸出，這就是輻射計或噪聲溫度接收機的基本原理。v 微波頻段的輻射計就是一個微波溫度傳感器。如圖9-9所示。圖9- 9 微波溫度傳感器原理框圖 v9.2.4 非接觸式公交非接觸式公交IC卡和閱讀器卡和閱讀器v 比微波信號頻率低的無線電波信號可用于能量和信息的傳遞。v 非接觸IC卡是一種借助無線電波進行讀寫的IC卡，最大操作距離達2030mm，主要

15、用于公交、輪渡、地鐵的自動收費系統(tǒng)，也應用在門禁管理、身份證明和電子錢包。v 非接觸IC卡采用國際公認的mifare標準，其卡號在世界上是唯一的。v 非接觸公交IC卡的組成包括感應天線和IC芯片，如圖所示。v 嵌入符合ISO 7816標準的卡片中，與讀寫器之間通過頻率為13.56MHz7kHz的無線電波來完成讀寫。v 數(shù)據(jù)傳輸率為13.56M128106kbs，不易受溫度、紫外線、X射線、交流電磁場等外界因素影響。非接觸公交非接觸公交IC卡卡結構結構v 感應天線是幾圈繞線線圈，便于封裝到PVC卡片中。 v IC芯片由RF接口、IC芯片接口電路、微處理器、RAM、ROM和一個1KB的E2PROM

16、組成，如圖9-10所示。v RAM提供微處理器操作系統(tǒng)COS用于存放數(shù)據(jù)，通常不超過256B，ROM用于存放程序。E2PROM用于存放各種信息、密碼和應用文件。 圖9-10 非接觸公交IC卡組成框圖v 當IC卡靠近讀寫器時，卡內天線接收讀寫器發(fā)射的電磁波，轉換為高頻電流。v RF接口有一個LC并聯(lián)諧振電路，對高頻電流諧振，獲得諧振電壓輸出。 v 輸出電壓通過一個單向導通的電子泵，轉換為直流電壓，對另一個電容充電。 IC卡借助無線電波進行讀寫v 該電容充電電壓達到2V時，可作為電源向卡上其他電路提供工作電壓。v 將卡內數(shù)據(jù)通過RF接口轉換為射頻信號發(fā)射出去；v 接受讀寫器發(fā)射來的數(shù)據(jù)送微處理器；

17、v 對E2PROM存放的各種信息進行讀寫操作。v 非接觸公交IC卡讀寫器由天線和1片Mifare卡專用的讀寫處理芯片組成。v 讀寫處理芯片包括RF接口、IC卡接口、讀寫單元、微處理器、RAM、ROM、E2PROM，與主機的接口，如圖9-11所示。v 功能包括射頻信號處理、秘鈅安全管理、防多卡沖突、對IC卡信息讀寫、讀寫信息存入存儲器，通過RS232串行接口與主機信息交換。全部工作可在0.1秒時間里完成。圖9-11 非接觸公交IC卡讀寫器組成框圖9.3 超聲波傳感器超聲波傳感器v9.3.1 超聲波傳感器的物理基礎超聲波傳感器的物理基礎v 人們能聽到的聲音是由物體振動產(chǎn)生的，頻率在20Hz20kH

18、z范圍內。超過20KHz稱為超聲波，低于20Hz稱為次聲波。v 檢測常用的超聲波頻率范圍為幾十kHz幾十MHz。v 超聲波是一種在彈性介質中的機械震蕩，它的波形有縱波、橫波、表面波三種。 BgC11. 傳播速度 超聲波的傳播速度與介質的密度和彈性特性有關，也與環(huán)境條件有關。對于液體，其傳播速度為 在氣體中，傳播速度與氣體種類、壓力及溫度有關，在空氣中傳播速度為： C = 331.5 + 0.607t (m/s) 對于固體，其傳播速度C為)21)(1 (1EC2. 反射與折射現(xiàn)象 超聲波在通過兩種不同的介質時，產(chǎn)生反射和折射現(xiàn)象，如圖9-12所示，并有如下的關系：21sinsinCC3. 傳播中

19、的衰減 隨著超聲波在介質中傳播距離的增加，由于介質吸收能量而使超聲波強度有所衰減。 AdeII0 折射波 反射波 入射波 C22C1 1圖9-12 超聲波的反射與折射C2 2v 介質中的能量吸收程度與超聲波的頻率及介質的密度有很大關系。v 介質的密度越小，衰減越快，尤其在頻率高時則衰減更快。v 在空氣中通常采用頻率較低（幾十kHz）的超聲波。v 在固體、液體中則采用頻率較高的超聲波。v 利用超聲波的特性，可做成各種超聲波傳感器。超聲波在遇到移動物體時會產(chǎn)生多普勒效應，可以做成多普勒測距系統(tǒng)。 v 常用超聲波傳感器的中心頻率有30kHz、40 kHz、75 kHz、200 kHz和400 kHz

20、等。v 超聲波傳感器配上不同的電路，可制成各種超聲波儀器及裝置，應用于工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療、家電等行業(yè)中。 v 例如，國產(chǎn)TC40系列超聲波傳感器，可以作超聲波發(fā)射，也可以作超聲波接收用，中心頻率為40 kHz，有效傳輸距離15m，方向角60，反射接收的有效距離為47m，工作溫度范圍為20+70。v TC40系列超聲波傳感器的主要技術指標如下表所示：型號靈敏度dB聲壓dB方向角（）溫度范圍TC4016TR681146020+70TC4012TR681126020+70TC4010TR721076020+70TC4018D801005520+70TC4016D821026020+70TC40系列超聲波

21、傳感器的主要技術指標v9.3.2 超聲波換能器及耦合技術超聲波換能器及耦合技術v 超聲波換能器有時也稱為超聲波探頭。v 超聲波換能器可根據(jù)其工作原理不同分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等數(shù)種。v 在檢測技術中主要采用壓電式。v 根據(jù)其結構不同分為直探頭、斜探頭、雙探頭、表面波探頭、聚焦探頭、水浸探頭、空氣傳導探頭以及其它專用探頭等。 v1. 以固體為傳導介質的探頭v 用于固體介質的單晶直探頭（俗稱直探頭）的結構如圖9-13（a）所示。v 雙晶直探頭的結構如圖9-13（b）所示。在雙探頭中，一只壓電晶片擔任發(fā)射超聲脈沖的任務，而另一只擔任接收超聲脈沖的任務。 v 有時為了使超聲波能傾斜入射到被測介

22、質中，可選用斜探頭，如圖9-13（c）所示。 圖9-13 超聲波探頭結構示意圖 a)單晶直探頭；b) 雙晶直探頭；c) 斜探頭1-插頭；2-外殼；3-阻尼吸收塊；4-引線；5-壓電晶體；6-保護膜；7-隔離層；8-延遲塊；9-有機玻璃斜楔塊 v2. 耦合劑v 必須將接觸面之間的空氣排擠掉，使超聲波能順利地入射到被測介質中。v 在工業(yè)中，經(jīng)常使用一種稱為耦合劑的液體物質，使之充滿在接觸層中，起到傳遞超聲波的作用。v 常用的耦合劑有水、機油、甘油、水玻璃、膠水、化學漿糊等。耦合劑的厚度應盡量薄些，以減小耦合損耗。 v3. 以空氣為傳導介質的超聲波發(fā)射器和接收器v 此類發(fā)射器和接收器一般是分開設置的

23、，兩者的結構也略有不同。v 圖9-14 所示為空氣傳導用的超聲波發(fā)射器和接收器結構圖。v 發(fā)射器的壓電片上粘貼了一只錐形共振盤，以提高發(fā)射效率和方向性。接收器的共振盤上增加了一只阻抗匹配器，以提高接收效率。 圖9-14 空氣傳導型超聲波發(fā)射、接收器結構 a)超聲波發(fā)射器；b) 超聲波接收器 1-外殼；2-金屬絲網(wǎng)罩；3-錐形共振盤；4-壓電晶片；5-引線端子；6-阻抗匹配器v9.3.3 超聲波傳感器的應用超聲波傳感器的應用v 有兩種基本類型，如圖9-15所示。v 當超聲發(fā)射器與接收器分別置于被測物兩側時，這種類型稱為透射型。透射型可用于遙控器、防盜報警器、接近開關等。v 當超聲發(fā)射器與接收器置

24、于同側時為反射型，反射型可用于接近開關、測距、測液位或料位、金屬探傷以及測厚等。 a) 2 1 3 1 2 3b) 圖9 -15 超聲應用的兩種基本類型 a) 透射型 b)反射型 1 超聲發(fā)射器 2 被測物 3 超聲接收器v1. 超聲波探傷v 主要用于檢測板材、管材、鍛件和焊縫等材料中的缺陷（如裂縫、氣孔、夾渣等）、測定材料的厚度、檢測材料的晶粒、配合斷裂力學對材料使用壽命進行評價等。v（1）縱波探傷v 使用直探頭。探傷儀面板上有一個熒光屏，通過熒光屏可知工件中是否存在缺陷、缺陷大小及缺陷的位置。如圖9-16所示。 T Bt 缺陷 T B F t tF 圖9- 16 超聲波探傷 a)無缺陷時反

25、射及顯示的波形 b)有缺陷時反射及顯示波 a)b)v（2）橫波探傷v 多采用斜探頭進行探傷。v 超聲波的一個顯著特點是：超聲波波束中心線與缺陷截面積垂直時，探頭靈敏度最高。v 遇到如圖9-17所示的缺陷時，用直探頭探測雖然可探測出缺陷存在，但并不能真實反映缺陷大小。v 如用斜探頭探測，則探傷效果較佳。 TF圖9-17 橫波單探頭探傷 v（3）表面波探傷v 如圖9-18所示。當超聲波的入射角超過一定值后，折射角可達到90 o，這時固體表面受到超聲波能量引起的交替變化的表面張力作用，質點在介質表面的平衡位置附近作橢圓軌跡振動，這種振動稱為表面波。v 當工件表面存在缺陷時，表面波被反射回探頭，可以在

26、熒光屏上顯示出來。缺陷 T F圖9-18 表面波探傷 v2. 超聲波流量計v 如圖9-19所示。在被測管道上下游的一定距離上，分別安裝兩對超聲波發(fā)射和接收探頭（F1，T1）、（F2，T2）。v 其中（F1，T1）的超聲波是順流傳播的，而（F2，T2）的超聲波是逆流傳播的。v 根據(jù)這兩束超聲波在流體中傳播速度的不同，采用測量兩接收探頭上超聲波傳播的時間差、相位差或頻率差等方法，可測量出流體的平均速度及流量。圖9-19 超聲波流量計原理圖 22212cos2cossincossincctgdcdcdtttctgcdt22ttgdc22ttgdcdqV2284則體積流量約為時間差法：9.4 機器人傳

27、感器機器人傳感器v9.4.1 機器人與傳感器機器人與傳感器v 機器人可以被定義為計算機控制的能模擬人的感覺、手工操縱，具有自動行走能力而又足以完成有效工作的裝置。v 機器人傳感器可以定義為一種能將機器人目標物特性（或參量）變換為電量輸出的裝置。被稱為機器人的電五官。 v9.4.2 機器人傳感器的分類機器人傳感器的分類v 機器人傳感器類型很多。v 圖9-20所示為安裝在機器人手臂上的一個智能手爪，其上的傳感器信號處理和電機驅動由其上的傳感器電路完成，并由兩根信號傳輸線同外部連接。v 可將機器人傳感器分為內部檢測傳感器和外界檢測傳感器。 圖9-20 機器人智能手爪上的傳感器配置v 內部檢測傳感器是

28、以機器人本身的坐標軸來確定其位置，它通常由位置、加速度、速度及壓力傳感器組成。v 外界檢測傳感器用于機器人對周圍環(huán)境、目標物的狀態(tài)特征獲取信息，從而使機器人對環(huán)境有自校正和自適應能力。v 外界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。v9.4.3 觸覺傳感器觸覺傳感器v1. 人的皮膚的感覺v 皮膚內分布著多種感受器，能產(chǎn)生多種感覺。一般認為皮膚感覺主要有四種，即觸覺、冷覺、溫覺和痛覺。v. 機器人的觸覺v 機器人觸覺，實際上是人的觸覺的某些模仿。它是有關機器人和對象物之間直接接觸的感覺，包括的內容較多，通常指以下幾種： v（1）觸覺。手指與被測物是否接觸，接觸圖形的檢測。

29、v（2）壓覺。垂直于機器人和對象物接觸面上的力傳感器。v（3）力覺。機器人動作時各自由度的力感覺。v（4）滑覺。物體向著垂直于手指把握面的方向移動或變形。 v 1. 機器人的觸覺主要有兩方面的功能：v（1）檢測功能v 對操作物進行物理性質檢測，如光滑性、硬度等，其目的是：v 感知危險狀態(tài)，實施自我保護；v 靈活地控制手爪及關節(jié)以操作對象物；v 使操作具有適應性和順從性。v（2）識別功能v 識別對象物的形狀（如識別接觸到的表面形狀）。 v 人們進行了所謂“人工皮膚”的研究。這種“皮膚”實際上也是一種由單個觸覺傳感器按一定形狀（如矩陣）組合在一起的陣列式觸覺傳感器，如圖9-21所示。v 其密度較大

30、、體積較小、精度較高。v “人工皮膚”傳感器可用于表面形狀和表面特性的檢測。 圖9-21 陣列式觸覺傳感器 v 2. 壓覺指的是對于手指給予被測物的力，或者加在手指上的外力的感覺。v 目前，壓覺傳感器主要是分布型壓覺傳感器，即通過把分散敏感元件陣列排列成矩陣式格子來設計成的。v 導電橡膠、感應高分子、應變計、光電器件和霍爾元件常被用作敏感元件單元。 v 3. 力覺傳感器的作用有：v 感知是否夾起了工件或是否夾持在正確部位；v 控制裝配、打磨、研磨拋光的質量；v 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量和速度；v 防止碰撞、卡死和損壞機件。 v 用于力覺傳感器的主要有應變式、壓電

31、式、電容式、光電式和電磁式等。v 4. 機器人要抓住屬性未知的物體時，必須確定自己最適當?shù)奈樟δ繕酥?，因此需檢測出握力不夠時所產(chǎn)生的物體滑動。v 利用這一信號，在不損壞物體的情況下，牢牢抓住物體，為此目的設計的滑動檢測器，叫做滑覺傳感器。v 如圖9-22所示v 為一種球形滑覺傳感器。v 球與被握物體相接觸，無論滑動方向如何，只要球一轉動，傳感器就會產(chǎn)生脈沖輸出。 球形滑覺傳感器 圖22v9.4.4 接近覺傳感器接近覺傳感器v 接近覺是機器人能感知相距幾毫米至幾十厘米內對象物或障礙物的距離、對象物的表面性質等的傳感器。v 其目的是在接觸對象前得到必要的信息，以便后續(xù)動作。v1. 電磁式v 如圖9

32、-23所示，加有高頻信號is的勵磁線圈 L產(chǎn)生的高頻電磁場作用于金屬板，在其中產(chǎn)生渦流，該渦流反作用于線圈。v 通過檢測線圈的輸出可反映出傳感器與被接近金屬間的距離。 檢測線圈勵磁線圈L金屬面 渦流 磁束圖9-23電磁式接近傳感器 isv2. 電容式v 利用電容量的變化產(chǎn)生接近覺。v 電容接近覺傳感器如圖9-24所示。v 其本身作為一個極板，被接近物作為另一個極板。v 將該電容接入電橋電路或RC振蕩電路，利用電容極板距離的變化產(chǎn)生電容的變化，可檢測出與被接近物的距離。v 電容式接近覺傳感器具有對物體的顏色、構造和表面都不敏感且實時性好的優(yōu)點。 圖9-24電容接近覺傳感器 v3. 超聲波式、紅外

33、線式、光電式v 超聲波式接近傳感器適于較長距離和較大物體的探測，一般把它用于機器人的路徑探測和躲避障礙物。v 紅外線式接近傳感器可以探測到機器人是否靠近人或其他熱源，用于保護和改變機器人行走路徑。v 光電式接近傳感器的應答性好，維修方便，目前應用較廣，但使用環(huán)境受到一定的限制（如對象物體顏色、粗糙度、環(huán)境亮度等）。v9.4.5 視覺傳感器視覺傳感器v1. 人的視覺v 人的眼睛是由含有感光細胞的視網(wǎng)膜和作為附屬結構的折光系統(tǒng)等部分組成。v 人眼的適宜刺激波長是370740nm的電磁波。 v 在這個可見光譜的范圍內，人腦通過接收來自視網(wǎng)膜的傳入信息，可以分辨出視網(wǎng)膜像的不同亮度和色澤，v 因而可以

34、看清視野內發(fā)光物體或反光物體的輪廓、形狀、顏色、大小、遠近和表面細節(jié)等情況。v 人眼視網(wǎng)膜上有兩種感光細胞，視錐細胞主要感受白天的景象，v 視桿細胞感受夜間景象。 v 人的視錐細胞大約有700多萬個，是聽覺細胞的3000多倍。 v2. 機器人視覺v 機器人的視覺系統(tǒng)通常是利用光電傳感器構成的。v 機器人的視覺作用的過程如圖9-25所示。 三維三維實物實物（立體）（立體）二維二維圖像圖像（平面）（平面）景象景象描述描述傳感器傳感器圖像圖像處理處理圖9-25 視覺作用過程 v 機器人視覺系統(tǒng)要能達到實用，至少要滿足以下幾方面的要求。v 首先是實時性，v 其次是可靠性，v 再次是要求有柔性，v 最后

35、是價格適中。 v 在空間中判斷物體的位置和形狀一般需要兩類信息：距離信息和明暗信息。v 獲得距離信息的方法可以有超聲波、激光反射法、立體攝像法等。v 而明暗信息主要靠電視攝像機、CCD固態(tài)攝像機來獲得。 v3. 視覺傳感器v（1）人工網(wǎng)膜v 人工網(wǎng)膜是用光電管陣列代替網(wǎng)膜感受光信號。其最簡單的形式是33的光電管矩陣，多的可達256256個像素的陣列甚至更高。v 以33陣列為例。數(shù)字字符1，得到的正、負像如圖9-26所示，大寫字母字符I ，所得正、負像如圖9-27所示。事先作為標準圖像存儲起來。 010010010 正像 負像101101101圖 9-26 數(shù)字字符1的正、負像111010111

36、 正像 負像000101000圖9-27 大寫字母字符I的正、負像v 工作時得到數(shù)字字符1的輸入，其正、負像可與已存儲的1和I的正、負像進行比較，結果見表9-5。表9-4 相關值與1比較與I比較正像相關值33負像相關值62總相關值95v 在兩者比較中，是1的總相關值是9，等于陣列中光電管的總數(shù)，v 這表示所輸入的圖像信息與預先存儲的圖像數(shù)字字符1的信息是完全一致的。v 由此可判斷輸入的字符是數(shù)字字符1，不是大寫字母字符I ，也不是其他字符。 v（2）光電探測器件v 最簡單的光探測器是光電管和光敏二極管。v 固態(tài)探測器件可以排列成線性陣列和矩陣陣列使之具有直接測量或攝像的功能。v 目前在機器人視

37、覺中采用的非接觸測試的固態(tài)陣列以CCD器件占多數(shù)，v 單個線性陣列已達到4096單元，CCD面陣已達到512512及更高。v 利用CCD器件制成的固態(tài)攝像機有較高的幾何精度，更大的光譜范圍，更高的靈敏度和掃描速率，結構尺寸小，功耗小，耐久可靠等。 v9.4.6 聽覺、嗅覺、味覺及其他傳感器聽覺、嗅覺、味覺及其他傳感器v1. 人的聽覺v 人的聽覺的外周感受器官是耳，耳的適宜刺激是一定頻率范圍內的聲波振動。 v 科蒂器官和其中所含的毛細胞，是真正的聲音感受裝置。v 聽神經(jīng)纖維就分布在毛細胞下方的基底膜中，對聲音信息進行編碼，傳送到大腦皮層的聽覺中樞，產(chǎn)生聽覺。 v2. 機器人的聽覺v 從應用的目的

38、來看，可以分為兩大類：v（1）發(fā)音人識別系統(tǒng)。v（2）語義識別系統(tǒng)。 v 機器人聽覺系統(tǒng)中的聽覺傳感器有電磁式、電容式、壓電式等類型，如圖9-28所示。v 識別系統(tǒng)借助于計算機技術和語言學編制的計算機軟件。 圖9-28 傳聲器的構造 a）電磁式 b）電容式 c）壓電式v3. 人的嗅覺v 人的嗅覺感受器是位于上鼻道及鼻中隔后上部的嗅上皮，兩側總面積約5cm2。v 嗅上皮含有三種細胞，即主細胞，支持細胞和基底細胞。v 存在7種基本氣味。不同性質的氣味刺激有其相對專用的感受位點和傳輸線路。v 非基本的氣味則由它們在不同線路上引起的不同數(shù)量沖動的組合，在中樞引起特有的主觀嗅覺感受。 v4. 機器人的嗅

39、覺v 嗅覺傳感器主要的是采用氣體傳感器、射線傳感器等。v 機器人的嗅覺：v 用于檢測空氣中的化學成分、濃度；v 用于檢測放射線、可燃氣體及有毒氣體；v 用于了解環(huán)境污染、預防火災和毒氣泄漏報警。 v5. 人的味覺v 人的味覺感受器是味蕾，v 主要分布在舌背部表面和舌緣，口腔和咽部粘膜表面。v 每一味蕾由味覺細胞和支持細胞組成。v 味覺細胞頂端有纖毛，稱味毛，由味蕾表面的孔伸出，是味覺感受器的關鍵部位。v 存在4種基本味覺刺激。v6. 機器人的味覺v 要做出一個好的味覺傳感器，v 還要通過努力，在發(fā)展離子傳感器與生物傳感器的基礎上，配合微型計算機進行信息的組合來識別各種味道。 9.5 指紋傳感器

40、指紋傳感器v9.5.1 指紋識別技術指紋識別技術v 指紋識別技術是利用人體生物特征進行身份認證的技術。v 指紋識別是人體生物特征識別的一種重要手段，廣泛用于商業(yè)、金融、公安刑偵、軍事和日常生活中。v 至今找不出兩個指紋完全相同的人，而且，指紋還具有終身基本不變的相對穩(wěn)定性。v 指紋識別過程如圖9-29所示，主要包括v 指紋圖像采樣、v 指紋圖像預處理、v 二值化處理、v 細化、v 紋路提取、v 細節(jié)特征提取和指紋匹配（指紋庫查對）。 圖9-29 指紋識別過程 v9.5.2 指紋傳感器指紋傳感器v 高性能、低功耗的單片半導體指紋傳感器FCD4B14，采用CMOS工藝制造，v 工作電壓3V5.5V

41、，功耗20mW，v 20腳DIP陶瓷或COB封裝，v 耐磨損106次滑動操作，v ESD（靜電損傷）防護16kV，v 工作溫度范圍0+70。 圖9-30 陶瓷封裝FCD4B14 外形結構 v FCD4B14是基于溫差效應的指紋傳感器，v 芯片表面有0.4mm14mm的溫度傳感區(qū)域，內部有行選和列選電路、AD轉換器、鎖存器和恒溫電路，如圖9-31所示。v 傳感區(qū)域包含8行280列2240個像素，為1幀，用來感應手指與傳感區(qū)域接觸部位的溫度差，并轉換為電信號。溫度傳感器8行281列像素列選行選放大器4位ADC8位鎖存器4位ADC偶像素輸出奇像素輸出偶像素奇像素恒溫電路時鐘脈沖復位脈沖手指滑動模擬輸

42、出圖9-31 FCD4B14內部電路組成框圖 v 列選脈沖從傳感區(qū)域按順序選出像素列，再由行選脈沖選出像素。v 通常一個行選脈沖同時選出兩個像素，1個偶像數(shù)，1個奇像素。v 放大后，可以直接輸出兩個像素的模擬電信號，也可以分別送入兩個4位ADC進行A/D變換，再由鎖存器組成一個字節(jié)（8位）的數(shù)字信號輸出。 為了捕捉到完整指紋圖像，允許手指滑行通過傳感區(qū)域，如圖9-32所示。 圖9-32 手指在指紋傳感器上滑過 （a）斜面安裝 （b）平面安裝 v 通常一秒鐘掃描和傳送一幅完整指紋圖像。數(shù)字信號輸出端可適配EPP接口、USB接口或直接與微處理器相連。v 在微處理器中，Atmel公司的軟件將這些數(shù)字

43、信號重新構成完整的8位像素的指紋圖像，使圖像灰度達到28256級。 v FCD4B14及改進型AT77C101B廣泛應用于v PDA、手機、 筆記本電腦、PC機、電子商務、PIN碼交換、ATM機、POS機、建筑物的門開關、汽車、家用電子鎖等設備的指紋識別。9.6 觸摸屏觸摸屏v 車站、銀行、醫(yī)院、圖書館的一些自助設備，還有手機、平板電腦（Tablet Personal Computer）、多媒體播放器等都已采用觸摸屏進行觸控操作。 v 觸摸屏位于液晶顯示屏的前面。v 液晶顯示屏顯示圖形或文字。v 手指或手寫筆（觸碰棒）觸摸的是觸摸屏上的傳感器。 v9.6.1 觸摸屏技術v 觸摸屏可分為電阻式、

44、電容式、紅外線式、聲表面波式、矢量壓力傳感式和電磁誘導式等。v 矢量壓力傳感式觸摸屏，用壓力傳感器感受手指觸摸位置和輕重變化，已不使用。v 電阻式應用最多，可用手指或其他任何物體來觸摸操作,還可用手寫筆寫字畫畫。v1.電阻式觸摸屏v 圖933為電阻式觸摸屏剖面結構圖。v 觸摸屏由兩層高透明的導電層組成，通常內層是ITO玻璃，外層是ITO薄膜材料，中間有細微絕緣點隔開。v 目前市面上也有兩面均采用ITO玻璃或其他透明的ITO材料的產(chǎn)品。v 電阻式觸摸屏分為數(shù)字式和模擬式兩種。圖933 電阻式觸摸屏剖面結構圖v 圖934為數(shù)字式觸摸屏結構圖。v 在聚酯膜上用銀漿、碳膠等通過絲網(wǎng)印刷法形成電氣電路，

45、使內外層電氣回路相對，在外層ITO導電薄膜和內層ITO導電玻璃之間夾隔絕緣點進行貼合而成。v 當觸摸屏表面無壓力時，內外層成絕緣狀態(tài)。v 一旦有觸摸壓力施加到觸摸屏上，內外層電路導通，v 位于設備內部的觸摸屏控制器通過X方向和Y方向施加的驅動電壓值，探測出觸摸點的XY坐標。v 該XY坐標位置事先設定了一種操作，圖形菜單只是該操作的一個表述。v 控制器感知觸摸點的XY坐標位置后，將該位置設定的操作提交微處理器處理和執(zhí)行器件執(zhí)行。圖934 數(shù)字式觸摸屏結構圖v 模擬式觸摸屏基本結構同數(shù)字式產(chǎn)品，只是主材ITO導電薄膜和ITO導電玻璃的阻值更高。v 模擬式觸摸屏主要用于手寫筆的手寫輸入。v2.電容式

46、觸摸屏v 電容式觸摸屏是把透明的ITO金屬層涂在薄膜和玻璃板上作為上下（外層和內層）導電體，上下導電體形成一個電容，在上下導電體四邊有窄長的電極引出，與外電路形成振蕩器。v 當用手指或其他導電物體觸摸或觸碰時，電容發(fā)生變化，振蕩器振蕩頻率也發(fā)生變化，通過測量頻率變化可以確定觸摸或觸碰位置。v 電容式觸摸屏不能用手寫筆，也不能用其他非導電物體。v 電容式觸摸屏的缺點是電容值易受溫度、濕度影響，所以穩(wěn)定性差。v 其優(yōu)點在于不受油污的影響，小于0.57N（牛頓）的施力就可感應，響應速度小于3ms，可用于多點觸控，可承受大于5000萬次的觸摸。v3. 紅外線式觸摸屏v 在屏幕四邊排布紅外發(fā)射管和紅外接

47、收管，形成X、Y方向上密布的紅外線矩陣。v 用戶在觸摸屏幕時，手指就會擋住X、Y方向上兩條紅外線，因而可以檢測并定位用戶的觸摸位置。v 響應速度比電容式觸摸屏快，但分辨率較低。v4. 聲表面波式觸摸屏v 在屏幕四邊安裝聲表面波發(fā)射換能器和接收換能管，形成X、Y方向上密布的聲表面波矩陣。v 用戶手指觸摸屏幕時，手指就會吸收X、Y方向上一部分聲表面波能量，控制器依據(jù)減弱的聲表面波信號計算出用戶的觸摸位置。v 這種觸摸屏的優(yōu)點是很耐用，缺點是易受刮傷、水漬、油漬、污物或塵埃的影響。v5. 電磁式觸摸屏v 是目前最為先進和流行的觸摸屏技術，更多用于手寫輸入和畫畫。v 屏幕邊上有勵磁電路，在觸摸屏上方產(chǎn)

48、生一定范圍內的磁場。借由手寫筆和觸摸屏磁場的相互感應來確定筆尖的位置及所畫軌跡。觸摸屏控制器將這些信息送入微處理器，顯示出所畫圖形。微處理器同時將所畫的圖形與存儲器中存儲的文字圖形進行類比來識別輸入的文字。v 電磁壓感式手寫筆可以產(chǎn)生粗細不同的筆畫，可以像毛筆一樣流暢書寫，手感也很好，繪圖、畫畫很有用。v 手機、平板電腦大多采用電容觸摸屏，也有采用電阻觸摸屏、電磁觸摸屏的。v 平板電腦大多采用10.1英寸TFT液晶顯示屏，1024758像素或1280800像素，更高清晰度的已采用20481536像素。v9.6.2 多點觸控滑屏應用（多點觸控滑屏應用（Spin）v 電容式觸摸屏支持多點觸控，用戶

49、可以在觸摸屏面左右或上下滑動手指，使屏幕顯示內容左右或上下滾動，或進行翻頁切換。v 在查看照片、網(wǎng)頁、電子郵件、地圖時，用兩根手指觸摸畫面后向外擴張，可以將畫面放大，還可以向內收縮，將畫面回復縮小。v 多點觸控滑屏技術的基本原理如圖9-35所示。觸摸屏控制器在探測出手指觸摸點的XY坐標信息送入微處理器的同時，進行左、右、上、下4個臨近坐標點及向外更多坐標點的檢測。v 若其中某個坐標點緊接著探測到手指的觸摸信號，該坐標信息同時送入微處理器。v 微處理器由此確定手指在滑動，并可判別手指的滑動方向。圖935 液晶顯示觸摸滑屏原理框圖v 微處理器根據(jù)手指觸摸點坐標，手指是否滑動和滑動方向，v 輸出相應

50、控制信號到視頻信號輸出單元，對顯示內容進行滾動，v 或從存儲器中取出顯示內容，進行屏幕翻頁切換。v 最新生產(chǎn)的平板電腦和手機大多將觸摸屏控制器、微處理器和視頻信號輸出單元做在一個芯片中。v 觸摸屏畫面的放大、縮小變換來自多點觸控滑屏信號處理。v 控制器探測出兩個手指在畫面上觸摸位置坐標信息，及手指緊接著觸摸的相鄰位置坐標信息，將其送入微處理器。v 微處理器根據(jù)兩個手指是向兩邊拉伸滑動還是向內回縮滑動，輸出相應控制信號到視頻信號輸出單元，通過補插法加入插值將畫面放大，或刪除補插值將畫面回復縮小。9.7 微機電系統(tǒng)微機電系統(tǒng)v 微機電系統(tǒng)（MEMS）是在一個硅基板上集成了機械零件和電子元器件，v 可對聲、光、熱、磁、運動等自然信息進行檢測，v 并且具有信號處理器和執(zhí)行器功能的v 微機械加工型智能傳感器。v 組成如圖9-36所示，外形毫米量級，機械零件和電子元器件微米納米量級。圖9-36 三位一體的微機電系統(tǒng) v9.7.1 微機電系統(tǒng)（微機電系統(tǒng)（MEMS）的特點）的特點v 微機電系