什么是傳感器

1、什么是傳感器最廣義地來說，傳感器是一種能把物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)變成便于利用的電信號的器件。 國際電工委員會的定義為：傳感器是測量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉(zhuǎn)換 成可供測量的信號。按照GoPEI等的說法是：傳感器是包括承載體和電路連接的敏 感元件，而傳感器系統(tǒng)則是組合有某種信息處理（模擬或數(shù)字）能力的傳感器。傳感 器是傳感器系統(tǒng)的一個組成部分，它是被測量信號輸入的第一道關(guān)口。傳感器是接收 信號或刺激并反應(yīng)的器件，能將待測物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)換成另一對應(yīng)輸出的裝置。用于 自動化控制、安防設(shè)備等。一個傳感器的輸入對輸出的影響被稱為傳感系數(shù)或靈敏度 （sensitivity 當(dāng)一個傳感器的輸入和輸出完

2、全成線性關(guān)系的時候，這個傳感器就是一 個理想傳感器。同時，理想傳感器還應(yīng)該遵守以下原則：1.只受被測因素的影響；2.不 受其他因素的影響；3.傳感器本身不會影響被測因素。傳感器是一種物理裝置或生物器 官,能夠探測、感受外界的信號、物理條件（如光、熱、濕度）或化學(xué)組成（如煙霧）, 并將探知的信息傳遞給其他裝置或器官。傳感器”在新韋式大詞典中定義為：”從一個 系統(tǒng)接受功率，通常以另一種形式將功率送到第二個系統(tǒng)中的器件。根據(jù)這個定義，傳感器的作用是將一種能量轉(zhuǎn)換成另一種能量形式，所以不少學(xué)者也用換能器- Transducer 來稱謂傳感器-Sensor。傳感器分類按技術(shù)分類超聲波傳感器、溫度傳感器、

3、濕度傳感器、氣體傳感器、氣體報警器、 壓力傳感器、加速度傳感器、紫外線傳感器、磁敏傳感器、磁阻傳感器、圖像傳感器、 電量傳感器、位移傳感器。按應(yīng)用分類壓力傳感器、溫濕度傳感器、溫度傳感器、流量 傳感器、液位傳感器、超聲波傳感器、浸水傳感器、照度傳感器、差壓變送器、加速度傳感器、位移傳感器、稱重傳感器。電子式傳感器IR紅外線近接/測距循線循跡Sensor超音波距離檢測雷射區(qū)域距離測量儀室內(nèi)定位系統(tǒng)碰撞傳感器緊急/保護(hù)帶狀開關(guān)可撓曲傳感器壓力傳感器溫濕度傳感器表面溫度量測器數(shù)位電子羅盤（方向）GPS衛(wèi)星定位模組計數(shù)&PWM產(chǎn)生器陀螺儀與加速度計傾斜儀與定向計Piezo壓電震動傳感器RFID Rea

4、der 模組PIR物體移動檢知TSL230光To頻率霍爾效應(yīng)傳感器氣體偵測器傳感器突破：廉價打造超級敏感的電子肌膚以色列理工學(xué)院的一組科學(xué)家們近日采 用微小的黃金顆粒研制出一種新型柔性傳感器，并有望集成為電子肌膚。他們表示這 種電子肌膚將比現(xiàn)有技術(shù)敏感10倍以上。那么這種肌膚能做什么呢？跟以往的傳感器 相比，新型傳感器敏感度大增的原因是它能夠同時感知3種環(huán)境數(shù)據(jù)?，F(xiàn)有的電子肌膚 基本上只能感知觸覺一也就是壓力，而這組科學(xué)家的技術(shù)成果能像真膚一樣同時感知 觸覺、濕度和溫度。此次研究的負(fù)責(zé)人Hossam Haick表示這種新型的電子肌膚會比 現(xiàn)有的同類技術(shù)敏感10倍以上。Hossam Haick表

5、示他們對柔性傳感器已有較長時間 的研究，但一直苦于沒有合適的應(yīng)用。柔性傳感器若想要廣泛應(yīng)用，要解決低壓下的運 行（跟當(dāng)前移動設(shè)備中的電池匹配），壓力測量的廣度以及多維度的測量問題。另外，傳 感器本身也應(yīng)該具備可以快速廉價生產(chǎn)的特點。而以色列理工的這項技術(shù)恰恰具有這些特質(zhì)，其秘訣在于他們在傳感器頂部鋪制了 一層5-8納米的顆粒。這層顆粒由金納米粒子和其外圍一層叫做配體的連接分子構(gòu) 成。Haick解釋道，它們的結(jié)構(gòu)就像以金納米粒子或其他金屬粒子作為花蕊，而將配 體作為花瓣一樣。研究小組發(fā)現(xiàn)，當(dāng)你把這些顆粒鋪在一層PET基質(zhì)上時其合 成后的產(chǎn)物在折盤時將發(fā)生導(dǎo)電性的變化（折疊或彎曲使得一些納米顆粒靠

6、近，從而加 快電子在它們之間的傳遞）。這一屬性意味看傳感器可以檢測較大范圍的壓力。以色列 醫(yī)學(xué)中心的Dr. Nir Peled表示，這T專感器非常穩(wěn)定并且可以安裝在任何表面上?！倍ㄟ^調(diào)整底部基質(zhì)的厚度和成分，科學(xué)家們可以改變傳感器的靈敏度。由此，傳 感器本身是可以定制的;未來可能的應(yīng)用既既可以作為皮膚安裝在假肢上可以以用作檢 測橋梁之類工程中的裂縫。Dr. Peled表示Haick和他的team研發(fā)的生物傳感皮膚 將會是一項將納米技術(shù)推向應(yīng)用的突破醫(yī)療器械市場對傳感器性能的要求在醫(yī)療器械市場，小型化、低功?？谝簯腥菪愿叩葌鞲衅鳟a(chǎn)品特點已成為全球性的發(fā)展趨勢。但在各個群口地區(qū)，材料規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)

7、品需求及成本、可題不盡相同。這就要求傳感器生產(chǎn)廠商提供靈活、可擴展的產(chǎn)品系列來滿足全球客戶的需求。另外, 傳感器生產(chǎn)F還要確保產(chǎn)品質(zhì)量及供應(yīng)質(zhì)量。為滿足全球醫(yī)療器械制造廠商的需求,傳感器生產(chǎn)廠商必須考慮以下四個關(guān)鍵問題:小型化、材料規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、供應(yīng)商質(zhì)量保證、 服務(wù)與支持。為開發(fā)更小、更輕、更便于攜帶的醫(yī)療電子產(chǎn)品，從而節(jié)省病房空間并方 便醫(yī)務(wù)人員使用，設(shè)計人員正面臨著一系列的挑戰(zhàn)例如，尺寸更/呦傳感器可以輕松地集成到空間有限的輸液泵中。由于尺寸小和功耗低,輸樨的便攜性得以擊力提升, 有助于提升病人的生活便利性。某些情兄下，小型化設(shè)計會考慮將T診斷功能內(nèi)置于 網(wǎng)絡(luò)化的醫(yī)療器械中，以遠(yuǎn)程監(jiān)控病人的

8、治療與護(hù)理情況。因此就需要選用集多種檢測 功能于單一封裝內(nèi)的傳感器產(chǎn)品。此舉可為醫(yī)療器械制造廠商減小設(shè)備體積或提高設(shè)備 功能性創(chuàng)造可能性。傳感器生產(chǎn)廠商滿足上述要求的另一種方式是步開發(fā)傳感器產(chǎn)品線，這種產(chǎn)品編翡供各式各樣的機械接口、安裝形式、封裝和I/O選項。這樣，醫(yī) 療器械設(shè)計人員就能選擇合適的接口來減少占用空間、降彳胡捧并消除額外的組件。例如，壓力傳感器應(yīng)提供多種蟋選項以便任間受限的應(yīng)用中安裝，進(jìn)而便于設(shè)計人 員將傳感器安置在正確位置用以進(jìn)行精準(zhǔn)檢測。對于需要精準(zhǔn)測量的應(yīng)用而言，傳感器 的安裝非常關(guān)鍵。例如，在透析治療中，使用傳感器對透析液和靜脈的壓力進(jìn)彳亍精準(zhǔn) 的測量直接關(guān)乎病人的生命安

9、全。對于便攜式應(yīng)用，傳感器尤其需要滿足低電壓和低a種模式，設(shè)備耗這兩個要求，這樣能延長電池使用壽命.傳感器還應(yīng)提供啟動/休M 只有在啟動模式下才會耗電。傳感器的休眠模式能延長電池使用壽命，減跑源尺寸進(jìn) 而減少醫(yī)療設(shè)備的重量。為保證測量的精確，傳感器必須盡可能貼近流體（血液、傳染 性物質(zhì)、鹽溶液等），并與患者氣體通道或液體通道頻繁接觸。因此，傳感器生產(chǎn)廠商必須保證所選材料、供應(yīng)鏈和生產(chǎn)流程符合歐盟材料規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。此外，傳感器供應(yīng) 商的服務(wù)與支持也非常重要。移動機器人是機器人的重要研究領(lǐng)域，人們很早就開始移動機器人的研究。世界上 第一臺真正意義上的移動機器人是斯坦福研究院(SRI)的人工智能中心于1

10、966年到 1972年研制的，名叫Shakey ,它裝備了電視攝像機、三角測距儀、碰撞傳感器、驅(qū)動 電機以及編碼器，并通過無線通訊系統(tǒng)由二臺計算機控制，可以進(jìn)行簡單的自主導(dǎo)航。 Shakey的研制過程中還誕生了兩種經(jīng)典的導(dǎo)航算法A*算法(the A* search algorithm ) 和可視圖法(the visibility gr叩h method 雖然Shakey只能解決簡單的感知、運 動規(guī)劃和控制問題，但它卻是當(dāng)時將AI應(yīng)用于機器人的最為成功的研究平臺，它證實 了許多通常屬于人工智能(Artificial Intelligence , AI)領(lǐng)域的嚴(yán)肅的科學(xué)結(jié)論。從 20世紀(jì)70年代末

11、開始，隨看計算機的應(yīng)用和傳感技術(shù)的發(fā)展，以及新的機器人導(dǎo)航算 法的不斷推出，移動機器人研究開始進(jìn)入快車道。移動機器人智能的一個重要標(biāo)志就是 自主導(dǎo)航，而實現(xiàn)機器人自主導(dǎo)航有個基本要求避障。下面讓我們來了解一下移動 機器人的避障，避障是指移動機器人根據(jù)采集的障礙物的狀態(tài)信息，在行走過程中通過 傳感器感知到妨礙其通行的靜態(tài)和動態(tài)物體時，按照一定的方法進(jìn)行有效地避障，最后 達(dá)到目標(biāo)點。實現(xiàn)避障與導(dǎo)航的必要條件是環(huán)境感知，在未知或者是部分未知的環(huán)境下避障需要 通過傳感器獲取周圍環(huán)境信息，包括障礙物的尺寸、形狀和位置等信息，因此傳感器技 術(shù)在移動機器人避障中起著十分重要的作用。避障使用的傳感器主要有超聲

12、傳感器、視 覺傳感器、紅外傳感器、激光傳感器等。1激光傳感器激光測距傳感器利用激光來測量到被測物體的距離或者被測物體的位移等參數(shù)。比 較常用的測距方法是由脈沖激光器發(fā)出持續(xù)時間極短的脈沖激光，經(jīng)過待測距離后射到 被測目標(biāo)，回波返回，由光電探測器接收。根據(jù)主波信號和回波信號之間的間隔，即激 光脈沖從激光器到被測目標(biāo)之間的往返時間，就可以算出待測目標(biāo)的距離。由于光速很 快，使得在測小距離時光束往返時間極短，因此這種方法不適合測量精度要求很高的（亞 毫米級別）距離,一般若要求精度非常高，常用三角法、相位法等方法測量。2視覺傳感器視覺傳感器的優(yōu)點是探測范圍廣、獲取信息豐富，實際應(yīng)用中常使用多個視覺傳感

13、 器或者與其它傳感器配合使用，通過一定的算法可以得到物體的形狀、距離、速度等諸 多信息。或是利用一個攝像機的序列圖像來計算目標(biāo)的距離和速度，還可采用SSD算 法，根據(jù)一個鏡頭的運動圖像來計算機器人與目標(biāo)的相對位移。但在圖像處理中，邊緣 銳化、特征提取等圖像處理方法計算量大，實時性差,對處理機要求高。且視覺測晅去 檢測不能檢測到玻璃等透明障礙物的存在，另外受視場光線強弱、煙霧的影響很大。3紅外傳感器大多數(shù)紅外傳感器測距都是基于三角測量原理。紅外發(fā)射器按照一定的角度發(fā)射紅 外光束，當(dāng)遇到物體以后，光束會反射回來，如圖所示。反射回來的紅外光線被CCD 檢測器檢測到以后,會獲得一個偏移值L,利用三角關(guān)

14、系，在知道了發(fā)射角度a，偏移 距L,中心矩X ,以及濾鏡的焦距f以后，傳感器到物體的距離D就可以通過幾何關(guān)系 計算出來了。紅外傳感器的優(yōu)點是不受可見光影響舊天黑夜均可測量角度靈敏度高、 結(jié)構(gòu)簡單、價格較便宜，可以快速感知物體的存在，但測量時受環(huán)境影響很大，物體的 顏色、方向、周圍的光線都能導(dǎo)致測量誤差,測量不夠精確。4超聲波傳感器超生波傳感器檢測距離原理是測出發(fā)出超聲波至再檢測到發(fā)出的超聲波的時間差， 同時根據(jù)聲速計算出物體的距離。由于超聲波在空氣中的速度與溫濕度有關(guān)，在比較精 確的測量中，需把溫濕度的變化和其它因素考慮進(jìn)去。超聲波傳感器一般作用距離率勢豆， 普通的有效探測距離都在5-10m之

15、間，但是會有一個最小探測盲區(qū)，一般在幾十毫米。 由于超聲傳感器的成本低，實現(xiàn)方法簡單，技術(shù)成熟，是移動機器人中常用的傳感器。機器人避障技術(shù)的分類目前移動機器人的避障根據(jù)環(huán)境信息的掌握程度可以分為障礙物信息已知、障礙物 信息部分未知或完全未知兩種。傳統(tǒng)的導(dǎo)航避障方法如可視圖法、柵格法、自由空間法 等算法對障礙物信息己知時的避障問題處理尚可，但當(dāng)障礙信息未知或者障礙是可移動 的時候，傳統(tǒng)的導(dǎo)航方法一般不能很好的解決避障問題或者根本不能避障。而實際生活 中，絕大多數(shù)的情況下，機器人所處的環(huán)境都是動態(tài)的、可變的、未知的，為了解決上 述問題，人們引入了計算機和人工智能等領(lǐng)域的一些算法。同時得益于處理器計

16、算能力 的提高及傳感器技術(shù)的發(fā)展，在移動機器人的平臺上進(jìn)行一些復(fù)雜算法的運算也變得輕 松，由此產(chǎn)生了一系列智能避障方法，比較熱門的有：遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、模糊 算法等,下面分別加以介紹。1基于遺傳算法的機器人避障算法：遺傳算法（genetic algorithm，簡稱GA ） 是計算數(shù)學(xué)中用于解決最佳化的搜索算法，是進(jìn)化算法的一種。進(jìn)化算法是借鑒了進(jìn)化 生物學(xué)中的遺傳、突變、自然選擇以及雜交等現(xiàn)象而發(fā)展起來的。遺傳算法采用從自然 進(jìn)化中抽象出來的幾個算子對參數(shù)編碼的字符串進(jìn)行遺傳操作，包括復(fù)制或選擇算子 （Reproduction or Select 交叉算子（Crossover 變異算子

17、（Mutation 工 遺 傳算法的主要優(yōu)點是：采用群體方式對目標(biāo)函數(shù)空間進(jìn)行多線索的并行搜索，不會陷入 局部極小點；只需要可行解目標(biāo)函數(shù)的值，而不需要其他信息，對目標(biāo)函數(shù)的連續(xù)性、 可微性沒有要求，使用方便；解的選擇和產(chǎn)生用概率方式，因此具有較強的適應(yīng)能力和 魯棒性。2基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的機器人避障方法：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（neural network ,縮寫NN ）, 是一種模仿生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和功能的數(shù)學(xué)模型或計算模型。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由大量的人工 神經(jīng)元聯(lián)結(jié)進(jìn)行計算。大多數(shù)情況下人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能在外界信息的氯出上改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)， 是一種自適應(yīng)系統(tǒng)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通常通過一個基于數(shù)學(xué)統(tǒng)計學(xué)類型的學(xué)習(xí)方法優(yōu)化,

18、是一種非線性統(tǒng)計性數(shù)據(jù)建模工具，可以對輸入和輸出間復(fù)雜的關(guān)系進(jìn)行建模。傳統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)路徑規(guī)劃方法往往是建立一個關(guān)于機器人從初始位置到目標(biāo)位置行走路 徑的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，模型輸入是傳感器信息和機器人前一位置或者前一位置的運動方向， 通過對模型訓(xùn)練輸出機器人下T立置或者下T立置的運動方向?？梢越⒒趧討B(tài)神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)的機器人避障算法，動態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)機器人環(huán)境狀態(tài)的復(fù)雜程度自動地調(diào)整 其結(jié)構(gòu),實時地實現(xiàn)機器人的狀態(tài)與其避障動作之間的映射關(guān)系，能有效地減輕機器人 的運算壓力。還有研究通過使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)避障的同時與混合智能系統(tǒng)（HIS ）相連接， 可以使移動機器人的認(rèn)知決策避障能力和人相近。3基于模糊控

19、制的機器人避障算法模糊控制（fuzzy control）是一類應(yīng)用模糊集合 理論的控制方法，它沒有像經(jīng)典控制理論那樣把實際情況加以簡化從而建立起數(shù)學(xué)模型， 而是通過人的經(jīng)驗和決策進(jìn)行相應(yīng)的模糊邏輯推理，并且用具有模糊性的語言來描述整 個時變的控制過程。對于移動機器人避障用經(jīng)典控制理論建立起的數(shù)學(xué)模型將會非常粗 糙，而模糊控制則把經(jīng)典控制中被簡化的部分也綜合起來加以考慮。對于移動機器人避障的模糊控制而言，其關(guān)鍵問題就是要建立合適的模糊控制器， 模糊控制器主要完成障礙物距離值的模糊化、避障模糊關(guān)系的運算、模糊決策以及避障 決策結(jié)果的4葭糊化處理（精確化）等重要過程，以此來智能地控制移動機器人的避障

20、 行為。利用模糊控制理論還可將專家知識或操作人員經(jīng)驗形成的語言規(guī)則直接轉(zhuǎn)化為自 動控制策略。通常使用模糊規(guī)則查詢表，用語言知識模型來設(shè)計和修正控制算法。除此之外還有啟發(fā)式搜索算法、基于行為的路徑規(guī)劃算法、基于再激勵學(xué)習(xí)的路徑 規(guī)劃算法等避障算法，也都在移動機器人的避障研究中取得了很好的成果。隨著計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)、人工智能的發(fā)展，移動機器的避障及自主導(dǎo)航技術(shù) 已經(jīng)取得了豐碩的研究成果，應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷地擴大，應(yīng)用復(fù)雜程度也越來越高。移 動機器人的自主尋路要求已經(jīng)從之前簡單的功能實現(xiàn)提升到可靠性、通用性、高效率上 來，因此對其相關(guān)技術(shù)提出了更高的要求。然而至今沒有任何一種方法能夠在任意環(huán)境

21、使機器人進(jìn)行有效地避障，如彳可克服相關(guān)算法的局限性是今后工作的研究方向之一。可 以看出不管是傳統(tǒng)算法還是新興的智能算法都有其適用與不適用的環(huán)境，通過傳統(tǒng)算法 與智能算法及智能算法之間的相互融合，克服單個算法的缺陷，增強整體的適用性，現(xiàn) 在已經(jīng)有很多這方面的研究，以后仍將是研究熱點之一。CMEMS傳感器MEMS 即微機電系統(tǒng)(Microelectro Mechanical Systems ),是 MEMS 傳感器 在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的多學(xué)科交叉的前沿研究領(lǐng)域。經(jīng)過四十多年的發(fā)展，已 成為世界矚目的重大科技領(lǐng)域之一。它涉及電子、機械、材料、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、 醫(yī)學(xué)等多種學(xué)科與技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。MEMS傳感器是采用微電子和微機械 加工技術(shù)制造出來的新型傳感器。與傳統(tǒng)的傳感器相比，它具有體積小、重量輕、成本 低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產(chǎn)、易于集成和實現(xiàn)智能化的特點。同時，在微 米量級的特征尺寸使得它可以完成某些傳統(tǒng)機械傳感器所不能實現(xiàn)的功能。溫度傳感器溫度傳感器，顧名思義，就是測量溫度的傳感器。溫度傳感器的種類很多，經(jīng)常使 用的有熱電阻：PT