新型傳感器類型和實(shí)訓(xùn)

1、新型傳感器類型和實(shí)訓(xùn)9.1 生物傳感器9.2 微波傳感器9.3 超聲波傳感器9.4 機(jī)器人傳感器9.5 實(shí)訓(xùn)9.1 生物傳感器9.1 生物傳感器9.1.1 概述1. 生物傳感器及其分類 生物傳感器是利用各種生物或生物物質(zhì)做成的，用以檢測(cè)與識(shí)別生物體內(nèi)的化學(xué)成份的傳感器。 生物或生物物質(zhì)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(shí)別特定的原子和分子。 生物傳感器一般是在基礎(chǔ)傳感器上再耦合一個(gè)生物敏感膜，也就是說生物傳感器是半導(dǎo)體技術(shù)與生物工程技術(shù)的結(jié)合，是一種新型的器件。 溶液中被測(cè)定的物質(zhì)，經(jīng)擴(kuò)散作用進(jìn)入生物敏感膜層，經(jīng)分子識(shí)別，發(fā)生生物學(xué)反應(yīng)。 其所產(chǎn)生的信息可通過相應(yīng)的化

2、學(xué)或物理換能器轉(zhuǎn)變成可定量和可顯示的電信號(hào)，就可知道被測(cè)物質(zhì)的濃度。 2. 分子識(shí)別功能及信號(hào)轉(zhuǎn)換 表9-1列出了具有分子識(shí)別能力的主要生物物質(zhì)。 生物傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換方式主要有以下幾種：（）化學(xué)變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)方式；（）熱變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)方式；（）光變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)方式； （）直接誘導(dǎo)電信號(hào)方式 。表9-1 具有分子識(shí)別功能的生物物質(zhì)生物物質(zhì)被識(shí)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(jié)合蛋白質(zhì)維生素H ,維生素A等植物凝血素糖鏈，具有糖鏈的分子或細(xì)胞激素受體激素3. 生物物質(zhì)的固定化技術(shù) 生物傳感器的關(guān)鍵技術(shù)之一是如何使生物敏感物質(zhì)附著于膜上或包含于膜之中,在技術(shù)上稱為固定

3、化。（1）化學(xué)固定法 化學(xué)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(gè)共價(jià)鍵，能將感受體的活性高度穩(wěn)定地固定。（2）物理固定法 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(jìn)行固定。 9.1.2 生物傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)1. 酶?jìng)鞲衅?酶?jìng)鞲衅鞯幕驹硎怯秒娀瘜W(xué)裝置檢測(cè)酶在催化反應(yīng)中生成或消耗的物質(zhì)（電極活性物質(zhì)），將其變換成電信號(hào)輸出。 固定化酶?jìng)鞲衅魇怯蒔t陽極和Ag陰極組成的極譜記錄式H2O2電極與固定化酶膜構(gòu)成的。 它是通過電化學(xué)裝置測(cè)定由酶反應(yīng)生成或消耗的離子，通過電化學(xué)方法測(cè)定電極活性物質(zhì)的數(shù)量，以測(cè)定被測(cè)成分的濃度。 2. 葡萄糖傳感器

4、 測(cè)定血液和尿中葡萄糖濃度對(duì)糖尿病患者做臨床檢查是很必要的。 現(xiàn)已研究出對(duì)葡萄糖氧化反應(yīng)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(cè)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?jìng)鞲衅?3. 微生物傳感器 酶?jìng)鞲衅魇抢脝我坏拿福⑸飩鞲衅魇抢枚喾N酶有關(guān)的高度機(jī)能的綜合即復(fù)合酶。 也就是說，微生物的種類是非常多的，菌體中的復(fù)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(jī)能都可以加以利用。 因此，用微生物代替酶，有可能獲得具有復(fù)雜及高功能的生物傳感器。 微生物傳感器是由固定化微生物膜及電化學(xué)裝置組成，如圖9-2所示。微生物膜

5、的固定化法與酶的固定方式相同。 由于微生物有好氣（O2）性與厭氣（O2）性之分（也稱好氧反應(yīng)與厭氧反應(yīng)），所以傳感器也根據(jù)這一物性而有所區(qū)別。 好氣性微生物傳感器將微生物呼吸量轉(zhuǎn)化為電流值來測(cè)定。 厭氣性微生物傳感器，利用CO2電極或離子選擇電極測(cè)定代謝產(chǎn)物。 微生物固定化膜封閉式氧電極或CO2電極被測(cè)物質(zhì)氧消耗變化(呼吸機(jī)能)電信號(hào)圖9-2 微生物傳感器基本結(jié)構(gòu)(a)圖微生物固定化膜電化學(xué)敏感電極被測(cè)物質(zhì)新陳代謝變化(代謝機(jī)能)電信號(hào)圖9-2 微生物傳感器基本結(jié)構(gòu)(b)圖4. 免疫傳感器 抗原是能夠刺激動(dòng)物機(jī)體產(chǎn)生免疫反應(yīng)的物質(zhì)?？贵w是由抗原刺激機(jī)體產(chǎn)生的具有特異免疫功能的球蛋白，又稱免疫球

6、蛋白。 免疫傳感器是利用抗體對(duì)抗原結(jié)合功能研制成功的，如圖9-3所示。 抗原與抗體一經(jīng)固定于膜上，就形成具有識(shí)別免疫反應(yīng)強(qiáng)烈的分子功能性膜。 根據(jù)抗體膜的膜電位的變化，就可測(cè)定抗原的吸附量。 圖9-3 免疫傳感器結(jié)構(gòu)原理 5. 半導(dǎo)體生物傳感器 半導(dǎo)體生物傳感器是由半導(dǎo)體傳感器與生物分子功能膜、識(shí)別器件所組成。 通常用的半導(dǎo)體器件是酶光電二極管和酶場(chǎng)效應(yīng)管（FET），如圖9-4和圖9-5所示。因此，半導(dǎo)體生物傳感器又稱生物場(chǎng)效應(yīng)晶體管（BiFET）。 最初是將酶和抗體物質(zhì)（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(gòu)成BiFET ，現(xiàn)已研制出酶FET、尿素FET、抗體F

7、ET及青霉素FET等。圖9-4 酶光電二極管 圖9-5 酶場(chǎng)效應(yīng)管 6. 多功能生物傳感器 要求傳感器能象細(xì)胞檢測(cè)味道一樣能分辨任何形式的多種成分的物質(zhì)，同時(shí)測(cè)量多種化學(xué)物質(zhì)，具有這樣功能的傳感器稱為多功能傳感器。 實(shí)現(xiàn)這種技術(shù)的前提是各親和物質(zhì)的固定化方法。 目前按電子學(xué)方法論進(jìn)行生物電子學(xué)的種種嘗試，這種新進(jìn)展稱為第三代產(chǎn)品。 9.2 微波傳感器9.2 微波傳感器9.2.1 概述1. 微波的性質(zhì)與特點(diǎn)微波是波長(zhǎng)為1mm1m的電磁波，具有以下特點(diǎn)：(1)可定向輻射，空間直線傳輸；(2)遇到各種障礙物易于反射；(3)繞射能力差；(4)傳輸特性好；(5)介質(zhì)對(duì)微波的吸收與介質(zhì)的介電常數(shù)成比例，水

8、對(duì)微波的吸收作用最強(qiáng)。 2. 微波振蕩器與微波天線 微波振蕩器是產(chǎn)生微波的裝置。微波波長(zhǎng)很短，頻率很高（300MHz 300GHz）。 構(gòu)成微波振蕩器的器件有速調(diào)管、磁控管或某些固態(tài)器件。小型微波振蕩器也可以采用體效應(yīng)管。 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(jié)構(gòu)。常用的天線如圖9-6所示，有喇叭形天線（圖（a）、(b)）、拋物面天線（圖（c）、（d）、介質(zhì)線與隙縫天線等。 （a）(b)(c)(d) 圖 9-6 常見微波天線(a)扇形喇叭天線；(b)圓錐喇叭天線；(c)旋轉(zhuǎn)拋物面天線；(d)拋物柱面天線9.2.2 微波傳感器及其分類 微波傳感器就是指利用微波特性來檢測(cè)一些物理量的器

9、件或裝置。1. 反射式微波傳感器 反射式微波傳感器是通過檢測(cè)被測(cè)物反射回來的微波功率或經(jīng)過的時(shí)間間隔來測(cè)量被測(cè)物的位置、厚度等參數(shù)。 2. 遮斷式微波傳感器 遮斷式微波傳感器是通過檢測(cè)接收天線接收到的微波功率大小，來判斷發(fā)射天線與接收天線之間有無被測(cè)物及被測(cè)物的位置與含水量等參數(shù)。 微波傳感器的敏感元件是微波場(chǎng)。它的其他部分可視為一個(gè)轉(zhuǎn)換器和接受器，如圖9-7所示。圖中，MS是微波源；T是轉(zhuǎn)換器；R是接收器。 轉(zhuǎn)換器可以是微波場(chǎng)的有限空間，被測(cè)物即處于其中。 如果MS 與 T合二為一，稱之為有源微波傳感器； 如果MS與R合二為一，則稱其為自振式微波傳感器。 MSTR圖9-7 微波傳感器的構(gòu)成

10、9.2.3 微波傳感器的優(yōu)點(diǎn)及存在的問題1. 微波傳感器的優(yōu)點(diǎn)（1）實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量。因此可以進(jìn)行活體檢測(cè)，大部分測(cè)量不需要取樣。（2）測(cè)量速度快、靈敏度高，可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)和實(shí)時(shí)處理，便于自動(dòng)控制。（3）可以在惡劣環(huán)境條件下檢測(cè)，如高溫、高壓、有毒、有放射線環(huán)境條件。（4）便于實(shí)現(xiàn)遙測(cè)與遙控。2. 微波傳感器存在的問題 零點(diǎn)漂移和標(biāo)定尚未很好解決，使用時(shí)外界因素影響較多，如溫度、氣壓、取樣位置等。 9.2.4 微波傳感器的應(yīng)用微波溫度傳感器 任何物體，當(dāng)它的溫度高于環(huán)境溫度時(shí)，都能向外輻射熱量。 當(dāng)輻射熱到達(dá)接收機(jī)輸入端口時(shí)，若仍然高于基準(zhǔn)溫度（或室溫），在接收機(jī)的輸出端將有信號(hào)輸出，這就是輻

11、射計(jì)或噪聲溫度接收機(jī)的基本原理。 微波頻段的輻射計(jì)就是一個(gè)微波溫度傳感器。圖9-8給出了微波溫度傳感器的原理方框圖。TinCTcBPFLNAMLOIFA圖9- 8 微波溫度傳感器原理框圖 9.3 超聲波傳感器9.3 超聲波傳感器9.3.1 超聲波傳感器的物理基礎(chǔ) 人們能聽到的聲音是由物體振動(dòng)產(chǎn)生的，它的頻率在20Hz20kHz范圍內(nèi)。超過20KHz稱為超聲波，低于20Hz稱為次聲波。 檢測(cè)常用的超聲波頻率范圍為幾十kHz幾十MHz。 超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械震蕩，它的波形有縱波、橫波、表面波三種。 1. 傳播速度 超聲波的傳播速度與介質(zhì)的密度和彈性特性有關(guān)，也與環(huán)境條件有關(guān)。對(duì)于液體，其

12、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(guān)，在空氣中傳播速度為： C = 331.5 + 0.607t (m/s) 對(duì)于固體，其傳播速度C為：2. 反射與折射現(xiàn)象 超聲波在通過兩種不同的介質(zhì)時(shí)，產(chǎn)生反射和折射現(xiàn)象，如圖9-9所示，并有如下的關(guān)系：3. 傳播中的衰減 隨著超聲波在介質(zhì)中傳播距離的增加，由于介質(zhì)吸收能量而使超聲波強(qiáng)度有所衰減。 折射波 反射波 入射波 C22C11圖9-9 超聲波的反射與折 C22 介質(zhì)中的能量吸收程度與超聲波的頻率及介質(zhì)的密度有很大關(guān)系。 介質(zhì)的密度越小，衰減越快，尤其在頻率高時(shí)則衰減更快。 在空氣中通常采用頻率較低（幾十kHz）的超聲波。 在固體

13、、液體中則采用頻率較高的超聲波。 利用超聲波的特性，可做成各種超聲波傳感器（它包括超聲波的發(fā)射和接收），配上不同的電路，可制成各種超聲波儀器及裝置，應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療、家電等行業(yè)中。 9.3.2 超聲波換能器及耦合技術(shù) 超聲波換能器有時(shí)也稱為超聲波探頭。 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。 在檢測(cè)技術(shù)中主要采用壓電式。 根據(jù)其結(jié)構(gòu)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(dǎo)探頭以及其它專用探頭等。 圖9-10 超聲波探頭結(jié)構(gòu)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

14、電晶體；6-保護(hù)膜；7-隔離層；8-延遲塊；9-有機(jī)玻璃斜楔塊 1. 以固體為傳導(dǎo)介質(zhì)的探頭 用于固體介質(zhì)的單晶直探頭（俗稱直探頭）的結(jié)構(gòu)如圖9-10（a）所示。 雙晶直探頭的結(jié)構(gòu)如圖9-10（b）所示。在雙探頭中，一只壓電晶片擔(dān)任發(fā)射超聲脈沖的任務(wù)，而另一只擔(dān)任接收超聲脈沖的任務(wù)。 有時(shí)為了使超聲波能傾斜入射到被測(cè)介質(zhì)中，可選用斜探頭，如圖9-10（c）所示。 2. 耦合劑 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(cè)介質(zhì)中。 在工業(yè)中，經(jīng)常使用一種稱為耦合劑的液體物質(zhì)，使之充滿在接觸層中，起到傳遞超聲波的作用。 常用的耦合劑有水、機(jī)油、甘油、水玻璃、膠水、化學(xué)漿糊等。耦合劑的厚

15、度應(yīng)盡量薄些，以減小耦合損耗。 3. 以空氣為傳導(dǎo)介質(zhì)的超聲波發(fā)射器和接收器 此類發(fā)射器和接收器一般是分開設(shè)置的，兩者的結(jié)構(gòu)也略有不同。 圖9-11 所示為空氣傳導(dǎo)用的超聲波發(fā)射器和接收器結(jié)構(gòu)圖。 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。接收器的共振盤上還增加了一只阻抗匹配器，以提高接收效率。 圖9-11 空氣傳導(dǎo)型超聲波發(fā)射、接收器結(jié)構(gòu) 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9.3.3 超聲波傳感器的應(yīng)用 超聲波傳感器的應(yīng)用有兩種基本類型，如圖9-12所示。 當(dāng)超聲發(fā)射器與接收器分別置于被

16、測(cè)物兩側(cè)時(shí)，這種類型稱為透射型。透射型可用于遙控器、防盜報(bào)警器、接近開關(guān)等。 當(dāng)超聲發(fā)射器與接收器置于同側(cè)時(shí)為反射型，反射型可用于接近開關(guān)、測(cè)距、測(cè)液位或料位、金屬探傷以及測(cè)厚等。 a) 2 1 3 1 2 3b) 圖9 -12 超聲應(yīng)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(cè)物 3 超聲接收器1. 超聲波探傷 超聲波探傷是無損探傷技術(shù)中的一種主要檢測(cè)手段。 它主要用于檢測(cè)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(cè)定材料的厚度、檢測(cè)材料的晶粒、配合斷裂力學(xué)對(duì)材料使用壽命進(jìn)行評(píng)價(jià)等。（1）縱波探傷 使用直探頭。探傷儀面板上有一個(gè)熒光屏，通過熒光屏可

17、知工件中是否存在缺陷、缺陷大小及缺陷的位置。如圖9-13所示。 T Bt 缺陷 T B F t tF 圖9- 13 超聲波探傷a)無缺陷時(shí)超聲波的反射及顯示的波形 b)有缺陷時(shí)超聲波的反射及顯示波 a)b)（2）橫波探傷 多采用斜探頭進(jìn)行探傷。 超聲波的一個(gè)顯著特點(diǎn)是：超聲波波束中心線與缺陷截面積垂直時(shí)，探頭靈敏度最高。 遇到如圖9-14所示的缺陷時(shí)，用直探頭探測(cè)雖然可探測(cè)出缺陷存在，但并不能真實(shí)反映缺陷大小。 如用斜探頭探測(cè)，則探傷效果較佳。 TF圖9-14 橫波單探頭探傷 （3）表面波探傷 如圖9-15所示。當(dāng)超聲波的入射角超過一定值后，折射角可達(dá)到90 o，這時(shí)固體表面受到超聲波能量引起

18、的交替變化的表面張力作用，質(zhì)點(diǎn)在介質(zhì)表面的平衡位置附近作橢圓軌跡振動(dòng)，這種振動(dòng)稱為表面波。 當(dāng)工件表面存在缺陷時(shí)，表面波被反射回探頭，可以在熒光屏上顯示出來。缺陷 T F圖9-15 表面波探傷 2. 超聲波流量計(jì) 如圖9-16所示。在被測(cè)管道上下游的一定距離上，分別安裝兩對(duì)超聲波發(fā)射和接收探頭（F1，T1）、（F2，T2）。 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。 根據(jù)這兩束超聲波在流體中傳播速度的不同，采用測(cè)量?jī)山邮仗筋^上超聲波傳播的時(shí)間差、相位差或頻率差等方法，可測(cè)量出流體的平均速度及流量。圖9-16 超聲波流量計(jì)原理圖 則體積流量約為；時(shí)間差法：

19、使用頻率差法測(cè)流量，則可克服溫度的影響。 頻率差法測(cè)流量的原理如圖9-17所示。F1、F2是完全相同的 超聲探頭，安裝在管壁外面，通過電子開關(guān)的控制，交替地作為超聲波發(fā)射器與接收器使用。 順流發(fā)射頻率f1與逆流發(fā)射頻率f2的頻率差 f只與被測(cè)流速成正比，而與聲速c無關(guān)。圖9-17 頻率差法測(cè)流量原理圖 a) 透射型安裝圖；b) 反射型安裝圖 9.4 機(jī)器人傳感器9.4 機(jī)器人傳感器9.4.1 機(jī)器人與傳感器 機(jī)器人可以被定義為計(jì)算機(jī)控制的能模擬人的感覺、手工操縱，具有自動(dòng)行走能力而又足以完成有效工作的裝置。 按照其功能，機(jī)器人已經(jīng)發(fā)展到了第三代，而傳感器在機(jī)器人的發(fā)展過程中起著舉足輕重的作用。

20、 機(jī)器人傳感器可以定義為一種能將機(jī)器人目標(biāo)物特性（或參量）變換為電量輸出的裝置。被稱為機(jī)器人的電五官。 9.4.2 機(jī)器人傳感器的分類 內(nèi)部檢測(cè)傳感器是以機(jī)器人本身的坐標(biāo)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。 外界檢測(cè)傳感器用于機(jī)器人對(duì)周圍環(huán)境、目標(biāo)物的狀態(tài)特征獲取信息，從而使機(jī)器人對(duì)環(huán)境有自校正和自適應(yīng)能力。 外界檢測(cè)傳感器通常包括觸覺、接近覺、視覺、聽覺、嗅覺、味覺等傳感器。9.4.3 觸覺傳感器1. 人的皮膚的感覺 皮膚內(nèi)分布著多種感受器，能產(chǎn)生多種感覺。一般認(rèn)為皮膚感覺主要有四種，即觸覺、冷覺、溫覺和痛覺。. 機(jī)器人的觸覺 機(jī)器人觸覺，實(shí)際上是人的觸覺的某些模仿。

21、它是有關(guān)機(jī)器人和對(duì)象物之間直接接觸的感覺，包括的內(nèi)容較多，通常指以下幾種： （1）觸覺。手指與被測(cè)物是否接觸，接觸圖形的檢測(cè)。（2）壓覺。垂直于機(jī)器人和對(duì)象物接觸面上的力傳感器。（3）力覺。機(jī)器人動(dòng)作時(shí)各自由度的力感覺。（4）滑覺。物體向著垂直于手指把握面的方向移動(dòng)或變形。 機(jī)器人的觸覺主要有兩方面的功能：（1）檢測(cè)功能 對(duì)操作物進(jìn)行物理性質(zhì)檢測(cè)，如光滑性、硬度等，其目的是： 感知危險(xiǎn)狀態(tài)，實(shí)施自我保護(hù)； 靈活地控制手爪及關(guān)節(jié)以操作對(duì)象物； 使操作具有適應(yīng)性和順從性。（2）識(shí)別功能 識(shí)別對(duì)象物的形狀（如識(shí)別接觸到的表面形狀）。 人們進(jìn)行了所謂“人工皮膚”的研究。這種“皮膚”實(shí)際上也是一種由單個(gè)

22、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9-18所示。其密度較大、體積較小、精度較高。 “人工皮膚”傳感器可用于表面形狀和表面特性的檢測(cè)。 圖9-18 陣列式觸覺傳感器 壓覺指的是對(duì)于手指給予被測(cè)物的力，或者加在手指上的外力的感覺。 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(shè)計(jì)成的。 導(dǎo)電橡膠、感應(yīng)高分子、應(yīng)變計(jì)、光電器件和霍爾元件常被用作敏感元件單元。 力覺傳感器的作用有：感知是否夾起了工件或是否夾持在正確部位；控制裝配、打磨、研磨拋光的質(zhì)量；裝配中提供信息，以產(chǎn)生后續(xù)的修正補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)來保證裝配的質(zhì)量和速度；防止碰撞、卡死和損壞

23、機(jī)件。 用于力覺傳感器的主要有應(yīng)變式、壓電式、電容式、光電式和電磁式等。 機(jī)器人要抓住屬性未知的物體時(shí)，必須確定自己最適當(dāng)?shù)奈樟δ繕?biāo)值，因此需檢測(cè)出握力不夠時(shí)所產(chǎn)生的物體滑動(dòng)。 利用這一信號(hào)，在不損壞物體的情況下，牢牢抓住物體，為此目的設(shè)計(jì)的滑動(dòng)檢測(cè)器，叫做滑覺傳感器。 如圖9-19所示為一種球形滑覺傳感器。 球與被握物體相接觸，無論滑動(dòng)方向如何，只要球一轉(zhuǎn)動(dòng)，傳感器就會(huì)產(chǎn)生脈沖輸出。 球形滑覺傳感器 圖9-199.4.4 接近覺傳感器 接近覺是機(jī)器人能感知相距幾毫米至幾十厘米內(nèi)對(duì)象物或障礙物的距離、對(duì)象物的表面性質(zhì)等的傳感器。 其目的是在接觸對(duì)象前得到必要的信息，以便后續(xù)動(dòng)作。1. 電磁式

24、如圖9-20所示，加有高頻信號(hào)is的勵(lì)磁線圈 L產(chǎn)生的高頻電磁場(chǎng)作用于金屬板，在其中產(chǎn)生渦流，該渦流反作用于線圈。 通過檢測(cè)線圈的輸出可反映出傳感器與被接近金屬間的距離。 檢測(cè)線圈勵(lì)磁線圈L金屬面 渦流 磁束圖9-20電磁式接近傳感器 is2. 電容式 利用電容量的變化產(chǎn)生接近覺。 電容接近覺傳感器如圖9-21所示。 其本身作為一個(gè)極板，被接近物作為另一個(gè)極板。 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(cè)出與被接近物的距離。 電容式接近覺傳感器具有對(duì)物體的顏色、構(gòu)造和表面都不敏感且實(shí)時(shí)性好的優(yōu)點(diǎn)。 圖9-21電容接近覺傳感器 3. 超聲波式、紅外線式、光電

25、式 超聲波式接近傳感器適于較長(zhǎng)距離和較大物體的探測(cè)，一般把它用于機(jī)器人的路徑探測(cè)和躲避障礙物。 紅外線式接近傳感器可以探測(cè)到機(jī)器人是否靠近人或其他熱源，用于保護(hù)和改變機(jī)器人行走路徑。 光電式接近傳感器的應(yīng)答性好，維修方便，目前應(yīng)用較廣，但使用環(huán)境受到一定的限制（如對(duì)象物體顏色、粗糙度、環(huán)境亮度等）。 9.4.5 視覺傳感器1. 人的視覺 人的眼睛是由含有感光細(xì)胞的視網(wǎng)膜和作為附屬結(jié)構(gòu)的折光系統(tǒng)等部分組成。 人眼的適宜刺激波長(zhǎng)是370740nm的電磁波。 在這個(gè)可見光譜的范圍內(nèi)，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，因而可以看清視野內(nèi)發(fā)光物體或反光物體的輪廓、形狀

26、、顏色、大小、遠(yuǎn)近和表面細(xì)節(jié)等情況。 人眼視網(wǎng)膜上有兩種感光細(xì)胞，視錐細(xì)胞主要感受白天的景象，視桿細(xì)胞感受夜間景象。 人的視錐細(xì)胞大約有700多萬個(gè)，是聽覺細(xì)胞的3000多萬倍。 2. 機(jī)器人視覺 機(jī)器人的視覺系統(tǒng)通常是利用光電傳感器構(gòu)成的。 機(jī)器人的視覺作用的過程如圖9-22所示。 三維實(shí)物（立體）二維圖像（平面）景象描述傳感器圖像處理圖9-22 視覺作用過程 機(jī)器人視覺系統(tǒng)要能達(dá)到實(shí)用，至少要滿足以下幾方面的要求。 首先是實(shí)時(shí)性， 其次是可靠性， 再次是要求有柔性， 最后是價(jià)格適中。 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。 獲得距離信息的方法可以有超聲波、激光反

27、射法、立體攝像法等。 而明暗信息主要靠電視攝像機(jī)、CCD固態(tài)攝像機(jī)來獲得。 3. 視覺傳感器（1）人工網(wǎng)膜 人工網(wǎng)膜是用光電管陣列代替網(wǎng)膜感受光信號(hào)。其最簡(jiǎn)單的形式是33的光電管矩陣，多的可達(dá)256256個(gè)像素的陣列甚至更高。 以33陣列為例。數(shù)字字符1，得到的正、負(fù)像如圖9-23所示，大寫字母字符I ，所得正、負(fù)像如圖9-24所示。事先作為標(biāo)準(zhǔn)圖像存儲(chǔ)起來。 正像 負(fù)像圖 9-23 數(shù)字字符1的正、負(fù)像 正像 負(fù)像圖9-24 大寫字母字符I的正、負(fù)像 工作時(shí)得到數(shù)字字符1的輸入，其正、負(fù)像可與已存儲(chǔ)的1和I的正、負(fù)像進(jìn)行比較，結(jié)果見表9-4。 在兩者比較中，是1的總相關(guān)值是9，等于陣列中光電管的總數(shù)，這表示所輸入的圖像信息與預(yù)先存儲(chǔ)的圖像數(shù)字字符1的信息是完全一致的。 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 ，也不是其它字符。 表9-4與1比較與I比較正像相關(guān)值33負(fù)像相關(guān)值62總相關(guān)值95（2）光電探測(cè)器件 最簡(jiǎn)單的光探測(cè)器是光電管和光敏二極管。 固態(tài)探測(cè)器件可以排列成線性陣列和矩陣陣列使之具有直接測(cè)量或攝像的功能。 目前在機(jī)器人視覺中采用的非接觸測(cè)試的固態(tài)陣