模塊十傳感器新技術(shù)應用

模塊十傳感器新技術(shù)應用第一頁，共38頁。一、生物傳感器的工作原理生物傳感器是將各種生物分子探針表面的生化反應轉(zhuǎn)變成可定量測定的物理信號的一種電子元件，可以用于檢測生物分子的存在與濃度等。

生物傳感器主要有兩種分類方式：根據(jù)敏感物質(zhì)的不同，生物傳感器可分為酶傳感器、微生物傳感器、組織傳感器、細胞傳感器和免疫傳感器等。生物學工作者習慣于采用這種分類方法；根據(jù)生物傳感器的信號轉(zhuǎn)換器分類，生物傳感器可以利用電化學電極、場效應晶體管、熱敏電阻、光電器件、聲學裝置等作為生物傳感器的信號轉(zhuǎn)換器。第二頁，共38頁。生物傳感器的工作原理如圖10-1所示。圖10-1生物傳感器的工作原理第三頁，共38頁。生物傳感器一般是在基礎(chǔ)傳感器上再耦合一個生物敏感膜，或者說生物傳感器是半導體技術(shù)與生物工程技術(shù)的結(jié)合，生物敏感物質(zhì)附著于膜上，或包含于膜中，被測量的物質(zhì)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（物理、化學變化），其所產(chǎn)生的信息可通過相應的化學或物理換能器轉(zhuǎn)變成可定量、可處理、可顯示的電信號，就可知道被測物質(zhì)的濃度。第四頁，共38頁。二、生物敏感膜生物敏感膜又稱分子識別元件，是利用生物體內(nèi)具有奇特功能的物質(zhì)制成的膜，它與被測物質(zhì)相接觸時伴有物理、化學變化的生化反應，可以進行分子識別。生物敏感膜是生物傳感器的關(guān)鍵元件，直接決定著傳感器的功能與質(zhì)量。生物敏感膜是被一件半透明膜包著的生物細胞，許多生命現(xiàn)象與膜的物質(zhì)對信息感受及物質(zhì)交換有關(guān)，如生物電產(chǎn)生，細胞間相互作用，肌肉的收縮，神經(jīng)的興奮，各種感覺器官的工作等。第五頁，共38頁。三、生物傳感器的特點1．根據(jù)生物反應的奇異和多樣性從理論上可以制造出測定所有生物物質(zhì)的多種多樣的生物傳感器。2．生物傳感器是在無試劑條件下工作的（緩沖液除外）比各種傳統(tǒng)的生物學和化學分析法操作簡便、快速、準確。3．可連續(xù)測量可聯(lián)機操作直接顯示與讀出測試結(jié)果。第六頁，共38頁。四、生物傳感器的分類按所用生物活性物質(zhì)不同可以將生物傳感器分為五大類：①酶傳感器；②微生物傳感器；③免疫傳感器；④組織傳感器；⑤細胞傳感器。按器件分類是依據(jù)所用變換器件不同對生物傳感器進行分類，包括：①生物電極；②半導體生物傳感器；③光生物傳感器；④熱生物傳感器；⑤壓電晶體生物傳感器。第七頁，共38頁。五、生物傳感器主要應用領(lǐng)域第八頁，共38頁。課題二機器人傳感器任務目標★了解機器人傳感器的定義和組成方框圖；★了解機器人傳感器的特點及應用。第九頁，共38頁。一、機器人傳感器概述關(guān)于機器人的概念，我們都不感到陌生，那什么叫機器人呢？可以給它下個定義即：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，稱為機器人。按照其功能機器人已經(jīng)發(fā)展到第三代，而傳感器在機器人的發(fā)展過程中起著舉足輕重的作用。第三代機器人為高一級的智能機器人，“電腦化”是這一代機器人的重要標志。然而計算機處理的信息，必須要通過各種傳感器來獲取，因而這一代機器人需要有更多的性能更好的、功能更強的和集成度更高的傳感器。機器人傳感器可以被定義為一種能把機器人目標特性（或參量）變換為電量的輸出裝置。機器人通過傳感器實現(xiàn)類似于人類的知覺作用。第十頁，共38頁。二、機器人傳感器的特點

機器人傳感器可分為機器人內(nèi)部傳感器和機器人外部傳感器兩大類。機器人內(nèi)部傳感器的功能是測量運動學及動力學參數(shù)，其提供信息的目的是控制機器人按規(guī)定的位置、軌跡、速度、加速度和受力大小來工作，以便調(diào)整和控制機器人的行為。機器人外部傳感器和人的視、聽、嗅、味、觸五官感覺相對應，故也稱感覺傳感器。第十一頁，共38頁。機器人感覺傳感器的特點是：①傳感器包括信息獲取和處理兩部分，并密切結(jié)合；②傳感器檢測的信息直接用于控制，以決定機器人的行動；③與過程控制傳感器不同，感覺傳感器具有既能檢測信息又能隨環(huán)境狀態(tài)大幅度變化的功能，因此收集新信息能力強。④傳感器對敏感材料的柔性和功能有特定要求。由此可見感覺傳感器不僅包括傳感器裝置本身，而且必須包含傳感器信息處理裝置。第十二頁，共38頁。三、機器人傳感器的分類1．觸覺傳感器機器人的觸覺，實際上是人的觸覺的某些模仿。它是有關(guān)機器人和對象之間直接接觸的感覺。2．接近覺傳感器接近覺傳感器是檢測對象物體與傳感器距離信息的一種傳感器，它能感知相距幾毫米至幾十厘米的距離，利用距離信息測出對象物體的表面狀態(tài)。第十三頁，共38頁。3．視覺傳感器視覺傳感器工作過程可分為視覺檢測、視圖圖像分析、描繪和識別四個主要步驟。（1）視覺檢測視覺檢測主要利用圖像信號輸入設備，將視覺信息轉(zhuǎn)換成電信號常用的圖像信號，輸入設備有攝像管和固態(tài)圖像傳感器。（2）視覺圖像分析視覺圖像分析是把攝取到的所有信息去掉雜波及無價值像素，重新把有價值的像素按線段或區(qū)域等排列成有效象素集合。被測圖像被劃分為各個組成部分的預處理過程稱為視覺圖像分析。第十四頁，共38頁。（3）描繪圖像信息的描繪是利用求取平面圖形的面積、周長、直徑、孔數(shù)、頂點數(shù)二階矩，周長平方與總面積之比，以及直線數(shù)目、弧的數(shù)目，最大慣性矩和最小慣性矩之比等方法，把這些方法中所隱含的圖像特征提取出來的過程。因此，描繪的目的是從物體圖像中提取特征。（4）識別識別是對描繪過程的物體給予標志，如鉗子、螺帽等名稱。它必須包括信息獲取和處理兩部分，才能把物體特征通過分析處理，描繪后識別出來。第十五頁，共38頁。4．聽覺傳感器聽覺也是機器人的重要感覺器官之一，用計算機技術(shù)通過語音處理及識別技術(shù)已能識別講話的人，還能正確理解一些簡單的語句。但是要想使機器人完全正確識別復雜的語言，盡可能地接近人耳還相差甚遠。5．嗅覺傳感器嗅覺傳感器主要采用氣體傳感器、射線傳感器，用于檢測空氣中的化學成分、濃度等，在放射線、高溫煤氣、可燃性氣體及其他有毒氣體的惡劣環(huán)境中，開發(fā)機器人嗅覺傳感器，對于檢測上述有害成分是非常重要的。第十六頁，共38頁。6．味覺傳感器模仿人的味覺感受器，我們要做出一個好的機器人的味覺傳感器還要通過不懈的努力，在發(fā)展離子傳感器與生物傳感器的基礎(chǔ)上配合微型計算機進行信息的組合來識別各種味道。通常味覺是指對液體進行化學成分分析。實用的味覺方法有pH計和化學分析器等。第十七頁，共38頁。課題三汽車用傳感器任務目標★了解汽車傳感器的特點及應用；★掌握傳感器的分類；★了解傳感器的主要參數(shù)。第十八頁，共38頁。一、汽車常用傳感器的分類及工作原理隨著電子技術(shù)的發(fā)展，汽車電子化程度不斷提高，傳統(tǒng)的機械系統(tǒng)已經(jīng)難以解決某些與汽車功能要求有關(guān)的問題，而逐漸被電子控制系統(tǒng)代替。傳感器的作用就是根據(jù)規(guī)定的被測量的大小，定量提供有用的電輸出信號的部件。傳感器作為汽車電控系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，直接影響汽車技術(shù)性能的發(fā)揮。目前，一輛普通家用轎車上大約安裝幾十到近百只傳感器，而豪華轎車上的傳感器數(shù)量可多達二百余只。汽車傳感器在汽車上主要用在發(fā)動機控制系統(tǒng)、底盤控制系統(tǒng)、車身控制系統(tǒng)和導航系統(tǒng)中。第十九頁，共38頁。1．發(fā)動機控制用傳感器發(fā)動機控制系統(tǒng)用傳感器是整個汽車傳感器的核心，種類很多。包括溫度傳感器、壓力傳感器、轉(zhuǎn)速和角度傳感器、流量傳感器、位置傳感器、氣體濃度傳感器、爆震傳感器等。這些傳感器向發(fā)動機的電子控制單元（ECU）提供發(fā)動機的工作狀況信息，供ECU對發(fā)動機工作狀況進行精確控制，以提高發(fā)動機的動力性、降低油耗、減少廢氣排放和進行故障檢測。第二十頁，共38頁。（1）溫度傳感器溫度傳感器主要用于檢測發(fā)動機溫度、進氣溫度、冷卻水溫度、燃油溫度及催化溫度等。溫度用傳感器有線繞電阻式、熱敏電阻式和熱偶電阻式三種主要類型。三種類型傳感器各有特點，其應用場合也略有區(qū)別。（2）壓力傳感器壓力傳感器主要用于檢測汽缸負壓、大氣壓、渦輪發(fā)動機的升壓比、汽缸內(nèi)壓、油壓等。吸氣負壓式傳感器主要用于吸氣壓、負壓、油壓檢測。汽車用壓力傳感器應用較多的有電容式、壓阻式、差動變壓器式（LVDT）和表面彈性波式（SAW）等。第二十一頁，共38頁。（3）角度和車速傳感器主要用于檢測曲軸轉(zhuǎn)角、發(fā)動機轉(zhuǎn)速和車速等。主要有發(fā)電機式、磁阻式、霍爾效應式、光學式和振動式等。（4）氧傳感器氧傳感器安裝在排氣管內(nèi)，測量排氣管中的含氧量，確定發(fā)動機的實際空燃比與理論值的偏差，控制系統(tǒng)根據(jù)反饋信號，調(diào)節(jié)可燃混合氣的濃度，使空燃比接近于理論值，從而提高經(jīng)濟性，降低排氣污染。實際應用的是氧化鋯和氧化鈦傳感器。第二十二頁，共38頁。（5）流量傳感器流量傳感器主要用于發(fā)動機空氣流量和燃料流量的測量。（6）爆震傳感器爆震傳感器用于檢測發(fā)動機的振動，通過調(diào)整點火提前角控制來避免發(fā)動機發(fā)生爆震。可以通過檢測汽缸壓力、發(fā)動機機體振動和燃燒噪聲三種方法來檢測爆震。第二十三頁，共38頁。2．底盤控制用傳感器底盤控制用傳感器是指分布在變速器控制系統(tǒng)、懸架控制系統(tǒng)、動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、防抱死制動系統(tǒng)中的傳感器。在不同系統(tǒng)中作用不同，但工作原理與發(fā)動機中傳感器是相同的，主要有以下幾種形式傳感器：（1）變速器控制傳感器多用于電控自動變速器的控制。它是根據(jù)車速傳感器、加速度傳感器、發(fā)動機負荷傳感器、發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器、水溫傳感器、油溫傳感器檢測所獲得的信息經(jīng)處理使電控裝置控制換擋點和液力變矩器鎖止，實現(xiàn)最大動力和最佳燃油經(jīng)濟性。第二十四頁，共38頁。（2）懸架系統(tǒng)控制傳感器主要有車速傳感器、節(jié)氣門開度傳感器、加速度傳感器、車身高度傳感器、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器等。根據(jù)檢測到的信息自動調(diào)整車高，抑制車輛姿勢的變化，實現(xiàn)對車輛舒適性、操縱穩(wěn)定性和行車穩(wěn)定性的控制。（3）動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳感器它是根據(jù)車速傳感器、發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器等使動力轉(zhuǎn)向電控系統(tǒng)實現(xiàn)轉(zhuǎn)向操縱輕便，提高響應特性，減少發(fā)動機損耗，增大輸出功率，節(jié)省燃油等。（4）防抱死制動傳感器它是根據(jù)車輪角速度傳感器，檢測車輪轉(zhuǎn)速，在各車輪的滑移率為20%時，控制制動油壓、改善制動性能，確保車輛的操縱性和穩(wěn)定性。第二十五頁，共38頁。3．車身控制用傳感器采用這類傳感器的主要目的是提高汽車安全性、可靠性、舒適性等，主要有應用于自動空調(diào)系統(tǒng)中的多種溫度傳感器、風量傳感器、日照傳感器等；安全氣囊系統(tǒng)中加速度傳感器；亮度自控中光傳感器；死角報警系統(tǒng)中超聲波傳感器及圖像傳感器等。4．車用傳感器研究開發(fā)趨勢未來的汽車用傳感器技術(shù)，總的發(fā)展趨勢是多功能化、集成化、智能化。第二十六頁，共38頁。課題四超導傳感器簡介1911年荷蘭萊頓大學的卡茂林—昂尼斯意外發(fā)現(xiàn)，將汞冷到-268.98℃時，汞的電阻突然消失，后來他發(fā)現(xiàn)許多金屬和合金都具有與上述汞相似的低溫失去電阻的特性。由于它的特殊導電性能，卡茂林—昂尼斯稱之為超導態(tài)。這一發(fā)現(xiàn)引起了世界范圍內(nèi)的震動。在他之后，人們開始把處于超導狀態(tài)的導體稱之為“超導體”。超導體的直流電阻率在一定的低溫下突然消失，被稱作零電阻效應。1987年人們又發(fā)現(xiàn)在14℃下存在超導現(xiàn)象，高溫超導體取得了巨大突破，使超導技術(shù)走向大規(guī)模應用。第二十七頁，共38頁。一、超導紅外傳感器超導紅外傳感器是根據(jù)紅外光照射到超導體上產(chǎn)生大量的所謂“準粒子”而使電特性改變這一原理制成的。超導紅外傳感器與一般半導體紅外探測器工作原理完全不同，其檢測頻帶也比半導體紅外探測器寬許多。超導存在能隙，當紅外輻射照射到超導體上時，“對粒子”分裂變?yōu)椤皽柿Ｗ印?，又因紅外輻射的能量高于能隙，所以可產(chǎn)生大量的準粒子，因此導致超導體能隙變小，電特性改變。這樣根據(jù)超導體電特性的變化，可以檢測紅外輻射能量。第二十八頁，共38頁。二、超導微波傳感器若兩個超導體之間存在能量差，則在超導隧道結(jié)元件內(nèi)存在準粒子流。當受到微波輻射時，準粒子流發(fā)生變化，其隧道結(jié)器件的電流—電壓特性將發(fā)生改變。因此，可以利用這個特性檢測微波，而且具有超高靈敏度性能。

第二十九頁，共38頁。課題五液晶傳感器簡介

一、液晶及其性質(zhì)液晶是1988年人們發(fā)現(xiàn)的一件新的物質(zhì)，它既具有液體的流動性，又具有晶體的光學異向性。其分子呈長形或其他規(guī)則形狀，具有各向異性的物理特性，在一定溫度范圍內(nèi)分子則呈規(guī)則排列，人們稱這種物質(zhì)為“液晶”。通常液晶可分為熱變型和溶變型兩大類。熱變型液晶又可以分為近晶型、向列型、膽甾型液晶。液晶在光學是各向異性的，具有以下光學特性：第三十頁，共38頁。1．雙折射雙折射特性是指進入液晶的白光束分為兩束，以不同的角度折射，出射時彼此平行。這兩束光受到偏振時，成為互相垂直的振動。2．二色性很多液晶呈二色性。它能將射入的白光分成兩束，其中一束作順時針轉(zhuǎn)動，另一束作逆時針轉(zhuǎn)動，從液晶表面反射的光束是一種顏色，而透過液晶的光束則呈現(xiàn)另一種顏色。第三十一頁，共38頁。3．旋光性旋光性是指液晶具有改變偏振光振動方向的性能。而膽甾型液晶具有獨特的旋光性質(zhì)。液晶的分子呈各向異性，具有強的電偶極矩的容量極化特性。因此，液晶受電場、磁場、熱能及聲能等作用時，都能引起光學效應，利用這些效應，可以制成各種液晶傳感器。第三十二頁，共38頁。二、液晶電磁場傳感器液晶電磁場傳感器工作原理是利用液晶分子成水平或垂直排列時，其介電常數(shù)和磁導率是各向異性的性能，若將經(jīng)過垂直處理的液晶玻璃板放在一塊大規(guī)模集成電路板上，當通電工作