傳感器技術(shù)與應(yīng)用 第5版 課件 第9-11章 幾種新型傳感器、智能傳感器、傳感器網(wǎng)絡(luò)

第9章幾種新型傳感器

9.1生物傳感器

9.2無線電波與微波傳感器

9.3超聲波傳感器

9.4機(jī)器人傳感器

9.5語音識別和人像識別

9.6指紋傳感器

9.7觸摸屏

9.8微機(jī)電系統(tǒng)

9.9實(shí)訓(xùn)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，用以檢測與識別生物體內(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。溶液中被測定的物質(zhì)，經(jīng)擴(kuò)散作用進(jìn)入生物敏感膜層，經(jīng)分子識別，發(fā)生生物學(xué)反應(yīng)。產(chǎn)生的信息可通過相應(yīng)的化學(xué)或物理換能器轉(zhuǎn)變成可定量和可顯示的電信號，就可知道被測物質(zhì)的濃度。2.分子識別功能及信號轉(zhuǎn)換表9-1列出了具有分子識別能力的主要生物物質(zhì)。生物傳感器的信號轉(zhuǎn)換方式主要有：（１）化學(xué)變化轉(zhuǎn)換為電信號方式；（２）熱變化轉(zhuǎn)換為電信號方式；（３）光變化轉(zhuǎn)換為電信號方式；（４）直接誘導(dǎo)電信號方式。表9-1具有分子識別功能的生物物質(zhì)生物物質(zhì)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(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)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.酶傳感器是用電化學(xué)裝置檢測酶在催化反應(yīng)中生成或消耗的物質(zhì)（電極活性物質(zhì)），將其變換成電信號輸出。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(gòu)成。通過電化學(xué)裝置測定由酶反應(yīng)生成或消耗的離子，通過電化學(xué)方法測定電極活性物質(zhì)的數(shù)量，以測定被測成分的濃度。2.葡萄糖傳感器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?，F(xiàn)已研究出對葡萄糖氧化反應(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3.微生物傳感器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(guān)的高度機(jī)能的綜合即復(fù)合酶。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。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。

微生物膜的固定化法與酶的固定方式相同。微生物固定化膜封閉式氧電極或CO2電極被測物質(zhì)氧消耗變化(呼吸機(jī)能)電信號圖9-2微生物傳感器基本結(jié)構(gòu)(a)微生物固定化膜電化學(xué)敏感電極被測物質(zhì)新陳代謝變化(代謝機(jī)能)電信號圖9-2微生物傳感器基本結(jié)構(gòu)(b)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)化為電流值來測定。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。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)。

抗體是由抗原刺激機(jī)體產(chǎn)生的具有特異免疫功能的球蛋白，又稱免疫球蛋白。免疫傳感器是利用抗體對抗原結(jié)合功能研制成功的，如圖9-3所示。圖9-3免疫傳感器結(jié)構(gòu)原理

抗原與抗體一經(jīng)固定于膜上，就形成具有識別免疫反應(yīng)強(qiáng)烈的分子功能性膜。根據(jù)抗體膜的膜電位的變化，就可測定抗原的吸附量。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效應(yīng)晶體管（BiFET）。圖9-4酶光電二極管

圖9-5酶場效應(yīng)管

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FET及青霉素FET等。6.多功能生物傳感器要求傳感器能象細(xì)胞檢測味道一樣能分辨任何形式的多種成分的物質(zhì)，

同時(shí)測量多種化學(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。9.1.3生物芯片

進(jìn)入21世紀(jì)，電子技術(shù)和生物技術(shù)相結(jié)合，誕生了生物芯片。

生物芯片原名叫“核酸微陣列”，是通過微加工技術(shù)和微電子技術(shù)，在一塊1cm2大小的硅片、玻璃片、凝膠或尼龍膜上，構(gòu)建密集排列的生物分子微陣列（microarrays）。

微陣列中每個(gè)生物分子的序列及位置都是已知和預(yù)先設(shè)定的。

生物芯片的模樣五花八門，外觀五彩斑斕。

有的和計(jì)算機(jī)芯片一樣規(guī)矩、方正，有的是一排排微米級圓點(diǎn)或一條條的蛇形細(xì)槽，還有的是一些不同形狀頭發(fā)粗細(xì)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(xì)的管道和針孔大小的腔體

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DNA－DNA、DNA－RNA、抗原－抗體、受體－配體之間可發(fā)生的復(fù)性與特異性識別。

讓樣品（血液、尿液、唾液、組織、細(xì)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。

利用專用檢測儀器和計(jì)算機(jī)對所產(chǎn)生的信號進(jìn)行檢測和分析。

就可得到樣品中的DNA、蛋白質(zhì)、核酸、細(xì)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

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(biāo)準(zhǔn)圖譜。

從病人的基因組中分離出DNA與DNA芯片雜交，就可以得出病變圖譜。

經(jīng)過比較、分析這兩種圖譜，就可以得出病變的DNA信息。

例如GeneLogic公司設(shè)計(jì)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(biāo)記，然后當(dāng)樣品流過固定于柵欄狀微通道內(nèi)的寡核苷酸探針時(shí)，便可捕獲與之互補(bǔ)的靶核酸序列。

應(yīng)用相應(yīng)檢測設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)對雜交結(jié)果的檢測與分析。

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(shí)，由于該芯片設(shè)計(jì)的微通道具有濃縮和富集作用，可以加速雜交反應(yīng)。

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(shí)驗(yàn)室。

生物芯片廣泛用于基因檢測，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(xué)、醫(yī)學(xué)、新藥開發(fā)、司法鑒定、食品與環(huán)境監(jiān)督等領(lǐng)域帶來巨大變革。9.2無線電波與微波傳感器9.2.1無線電波特性無線電波是一種電磁波，傳輸速度與光速相同，為3×108m/s，具有直射、繞射、反射及折射等特性。

波長超過3000m，即頻率低于100kHz的無線電波稱為長波，繞射能力最強(qiáng)。

波長為200～3000m，即頻率為100～1500kHz的電磁波稱為中波。波長為10～200m，即頻率為1.5～30MHz的電磁波稱為短波。

波長為1～10m，即頻率為30～300MHz的電磁波稱為超短波。

波長為1m～1mm，即頻率為300MHz～300GHz的電磁波稱為微波。其中又可分別稱為米波、分米波、厘米波和毫米波。隨波長的減小，即頻率的增加，無線電波直射能力增強(qiáng)，繞射能力減弱。

微波能定向直射，遇到障礙物易于反射，沿障礙物繞射能力弱；傳輸中受煙霧、火焰、灰塵、強(qiáng)光等影響很小，介質(zhì)對微波的吸收與介質(zhì)的介電常數(shù)成正比，水對微波的吸收作用很強(qiáng)。無線電波可以用晶體管組成振蕩器產(chǎn)生振蕩信號，用線形、環(huán)形天線發(fā)射。微波不能用一般晶體管，必須用速調(diào)管、磁控管或體效應(yīng)管組成振蕩器。

微波振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號需要用同軸電纜、矩形或圓形波導(dǎo)管，通過微波天線發(fā)射出去。

常用的微波天線有喇叭形天線、拋物面天線、微帶天線和縫隙天線等。

如圖9-7所示。（a）縫隙天線（b）微帶天線（c）扇形喇叭天線（d）圓錐喇叭天線圖9-7常見微波天線（e）拋物面天線喇叭天線可以看作是矩形或圓形波導(dǎo)端口的延伸，喇叭形狀在波導(dǎo)管端口與自由空間之間起匹配作用，獲得最大能量輸出。

拋物面天線如同凹面鏡，將喇叭天線發(fā)射的電波能量聚焦，使發(fā)射方向性提高。微帶天線是在介質(zhì)基片上蒸發(fā)、光刻、鍍敷一定形狀的金帶條做成。

縫隙天線是在波導(dǎo)上一定位置開縫，電波由縫隙向外輻射。

微波傳感器的優(yōu)點(diǎn)（1）實(shí)現(xiàn)非接觸測量。因此可以進(jìn)行活體檢測，大部分測量不需要取樣。（2）測量速度快、靈敏度高，可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測和實(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，如高溫、高壓、有毒、有放射線環(huán)境條件。（4）便于實(shí)現(xiàn)遙測與遙控。9.2.2微波水分計(jì)固體或液體物質(zhì)內(nèi)的含水量稱為該物質(zhì)的水分，測量水分的儀器稱為水分計(jì)。

微波水分計(jì)是讓發(fā)射機(jī)發(fā)射的微波通過含有水分的物質(zhì)，其中一部分微波被水分子吸收，接收機(jī)接收的微波強(qiáng)度被減弱，由減弱量可計(jì)算出水分含量。

微波水分計(jì)的組成由圖9-8所示，圖9-8微波水分計(jì)組成采用1GHz以上的微波頻率工作。特別在2.45GHz和10.68GHz頻率，水分子對微波的吸收最為顯著，而物質(zhì)分子對微波的吸收甚微，水分含量與微波強(qiáng)度變化呈線性關(guān)系。水分計(jì)可用于土壤、煤炭、石油、礦砂、酒精、稻谷、塑料、皮革、紙張、木材、飼料的計(jì)量管理、質(zhì)量管理和儲存管理。9.2.3

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)的輸出端將有信號輸出，這就是輻射計(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。如圖9-9所示。圖9-9微波溫度傳感器原理框圖

被測生物和無生物體輻射的微波能量經(jīng)微波天線進(jìn)入環(huán)形器，輸入帶通濾波器濾除雜波信號，由低噪聲放大器放大，然后進(jìn)入混頻器與本機(jī)振蕩器振蕩信號混頻，變?yōu)橹蓄l信號，由中頻放大器進(jìn)一步放大后供信號處理電路使用。

環(huán)形器按時(shí)間輪流將基準(zhǔn)溫度信號輸入和放大。

信號處理電路將兩者比較后，輸出被測物體熱量信號。將微波溫度傳感器裝在航天器上，可遙測大氣對流層狀況，可進(jìn)行大地測量和探礦，可遙測水質(zhì)污染程度，可確定水域范圍，可判斷土地肥沃程度，可判斷植物種類等。微波溫度傳感器還在醫(yī)學(xué)上用于探測人體癌變組織。9.2.4多普勒雷達(dá)測速接收機(jī)接收到的信號頻率與發(fā)射機(jī)發(fā)射出的信號頻率，在兩者位置固定不變時(shí)是相同的。

但如果接收機(jī)與發(fā)射機(jī)之間有相對運(yùn)動(dòng)，則接收機(jī)接收到的信號頻率與發(fā)射機(jī)發(fā)射出的信號頻率就不相同。相向運(yùn)動(dòng)頻率增高，相背運(yùn)動(dòng)頻率降低。

這種現(xiàn)象是由奧地利物理學(xué)家多普勒發(fā)現(xiàn)的，所以稱為多普勒效應(yīng)。無線電波、聲波、超聲波同樣都有多普勒效應(yīng)。以相向運(yùn)動(dòng)為例，如圖9-10（a）所示，發(fā)射機(jī)發(fā)射無線電波，被測物體以速度v運(yùn)動(dòng)。被測物體作為接收機(jī)接收到的無線電波頻率為f1=f0+v/λ0

如果把f1做為反射波向發(fā)射機(jī)和接收機(jī)合為一體的接收機(jī)發(fā)射信號，如圖9-10（b）所示。接收機(jī)接收到的信號頻率為f2=f1+v/λ1=f0+v/λ0+v/λ1圖9-10多普勒效應(yīng)示意圖

由于被測物體的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于電磁波的傳播速度，則可近似認(rèn)為λ0=λ1則：f2=f0+2v/λ0

由多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的頻率之差稱為多普勒頻率，即：Fd=f2-f0=2v/λ0被測物體的運(yùn)動(dòng)速度v可以用多普勒頻率來描述。微波多普勒雷達(dá)可以對被測物體的線速度進(jìn)行測量。

圖9-11所示是微波多普勒雷達(dá)檢測線速度的工作原理圖。圖9-11多普勒雷達(dá)檢測線速度工作原理圖發(fā)射信號和接收到的回波信號經(jīng)混頻器混頻，兩者產(chǎn)生差頻輸出，差頻的頻率正好為多普勒頻率。

Fd

＝2vcosθ/λ0

＝Kv(Hz)由差頻Fd

可計(jì)算得到物體的運(yùn)動(dòng)速度v。該方法廣泛用于道路上檢測車輛行駛速度。9.2.5ETC

ETC(ElectronicTollCollection)不停車收費(fèi)是目前世界上最先進(jìn)的路橋收費(fèi)方式，分收費(fèi)站系統(tǒng)和自由流系統(tǒng)。

收費(fèi)站系統(tǒng)車速為20km／h，自由流系統(tǒng)車速為50～120km／h，大大提高了公路通行能力。

微波ETC系統(tǒng)工作在900MlHz、2.45GHz和5.8GHz頻段，其中5.8GHz頻段由于噪聲干擾少，工作穩(wěn)定可靠性最好。

ETC不停車收費(fèi)系統(tǒng)如圖9-12所示，由車輛自動(dòng)識別系統(tǒng)、中心管理系統(tǒng)和輔助設(shè)施等組成。

車輛自動(dòng)識別系統(tǒng)包括車載單元(Onboardunit，OBU)，路邊單元(Roadsideunit，RSU)和環(huán)路線圈感應(yīng)器。

中心管理系統(tǒng)有大型數(shù)據(jù)庫，存儲大量注冊車輛和用戶信息，通過互聯(lián)傳輸網(wǎng)絡(luò)同多個(gè)路邊單元連接。車載單元OBU路邊單元RSU環(huán)路感應(yīng)器輔助設(shè)施中心管理系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)商業(yè)銀行系統(tǒng)

圖9-12微波ETC不停車收費(fèi)系統(tǒng)通行車輛車載單元是一個(gè)10×6×lcm3的小盒子，安裝于車輛前面的擋風(fēng)玻璃上，又稱微波識別應(yīng)答器(Transponder)或電子標(biāo)簽(Tag)。

車載單元內(nèi)部部件有微帶天線、微波接收和發(fā)送電路、電源控制電路、信號調(diào)制解調(diào)電路、微處理器、E2prom存儲器等，備有銀行卡插口?？蛻舻礁咚俟贩?wù)網(wǎng)點(diǎn)或委托銀行辦理ETC收費(fèi)手續(xù)，領(lǐng)取車載單元。高速公路服務(wù)網(wǎng)點(diǎn)或委托銀行將客戶信息寫入車載單元存儲器，同時(shí)通過傳輸網(wǎng)絡(luò)向中心管理系統(tǒng)傳送和建立客戶檔案。車輛行駛進(jìn)入ETC收費(fèi)車道，環(huán)路線圈感應(yīng)器產(chǎn)生感應(yīng)信號觸發(fā)路邊單元工作。

路邊單元通過天線發(fā)送調(diào)制在微波載波上的詢問信號。OBU接收微波信號，解調(diào)出詢問信號，將存儲器中信息調(diào)制于微波，通過天線發(fā)射給路邊單元。路邊單元信號收發(fā)設(shè)備安置在路邊或龍門架上一種路邊單元結(jié)構(gòu)組成形式中心管理系統(tǒng)通過傳輸網(wǎng)絡(luò)從路邊單元獲取車輛牌照號、車輛ID、車型等信息，和數(shù)據(jù)庫中客戶檔案信息進(jìn)行匹配比對。

如果匹配成功，則計(jì)算收費(fèi)金額，從其銀行賬戶上扣除此次應(yīng)交的過路費(fèi)，記錄交易數(shù)據(jù)，通過路邊單元向OBU的E2prom存儲器寫入交易信息，發(fā)指令讓車輛通行。如果匹配比對失敗，發(fā)報(bào)警信號，進(jìn)行人工處理，自由流系統(tǒng)是在道路主線上每隔一定里程設(shè)置一個(gè)橫跨道路上空的龍門架，架上安裝不停車收費(fèi)設(shè)備（路邊單元）。車輛無須減速，以正常行駛速度完成收費(fèi)工作。自由流不停車收費(fèi)設(shè)備需配多部天線，由天線控制器控制并行工作，以便與多輛車的車載單元同時(shí)通信收費(fèi)。還要采用高速、高分辨率的攝像機(jī)對逃費(fèi)車輛牌照進(jìn)行抓拍，捕捉車輛逃費(fèi)證據(jù)，以便事后依法處理。9.2.6非接觸式公交IC卡和讀寫器

非接觸IC卡是一種借助無線電波進(jìn)行讀寫的IC卡，最大操作距離達(dá)20～30mm，主要用于公交、輪渡、地鐵的自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)，也應(yīng)用在門禁管理、身份證明和電子錢包。

非接觸IC卡采用國際公認(rèn)的mifare標(biāo)準(zhǔn)，其卡號在世界上是唯一的。

非接觸公交IC卡的組成包括感應(yīng)天線和IC芯片，如圖所示。

嵌入符合ISO7816標(biāo)準(zhǔn)的卡片中，與讀寫器之間通過頻率為13.56MHz±7kHz的無線電波來完成讀寫。

數(shù)據(jù)傳輸率為13.56M／128＝106kb／s，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IC卡結(jié)構(gòu)

感應(yīng)天線是幾圈繞線線圈，便于封裝到PVC卡片中。

IC芯片由RF接口、IC芯片接口電路、微處理器、RAM、ROM和一個(gè)1KB的E2PROM組成，如圖9-13所示。

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(yīng)用文件。

圖9-13非接觸公交IC卡組成框圖

當(dāng)IC卡靠近讀寫器時(shí)，卡內(nèi)天線接收讀寫器發(fā)射的電磁波，轉(zhuǎn)換為高頻電流。

RF接口有一個(gè)LC并聯(lián)諧振電路，對高頻電流諧振，獲得諧振電壓輸出。

輸出電壓通過一個(gè)單向?qū)ǖ碾娮颖?，轉(zhuǎn)換為直流電壓，對另一個(gè)電容充電。

IC卡借助無線電波進(jìn)行讀寫

該電容充電電壓達(dá)到2V時(shí)，可作為電源向卡上其他電路提供工作電壓。

將卡內(nèi)數(shù)據(jù)通過RF接口轉(zhuǎn)換為射頻信號發(fā)射出去；

接受讀寫器發(fā)射來的數(shù)據(jù)送微處理器；

對E2PROM存放的各種信息進(jìn)行讀寫操作。

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。

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(jī)的接口，如圖9-14所示。

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RS－232串行接口與主機(jī)信息交換。全部工作可在0.1秒時(shí)間里完成。圖9-14非接觸公交IC卡讀寫器組成框圖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，頻率在20Hz~20kHz范圍內(nèi)。超過20KHz稱為超聲波，低于20Hz稱為次聲波。檢測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)。對于液體，其傳播速度Ｃ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Ｃ為：

C=331.5+0.607t(m/s)

對于固體，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9-15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αβC2ρ2C1ρ1圖9-15超聲波的反射與折射C2ρ2

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ρ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、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。超聲波在遇到移動(dòng)物體時(shí)會產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，可以做成多普勒測距系統(tǒng)。

常用超聲波傳感器的中心頻率有30kHz、40kHz、75kHz、200kHz和400kHz等。

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(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療、家電等行業(yè)中。

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40kHz，有效傳輸距離≥15m，方向角60°，反射接收的有效距離為4～7m，工作溫度范圍為－20～+70℃。TC40系列超聲波傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)如下表所示：型號靈敏度／dB聲壓／dB方向角／（°）溫度范圍／℃TC40－16TR≥－68≥11460－20～+70TC40－12TR≥－68≥11260－20～+70TC40－10TR≥－72≥10760－20～+70TC40－18D≥－80≥10055－20～+70TC40－16D≥－82≥10260－20～+70TC40系列超聲波傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)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。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9-16（a）所示。雙晶直探頭的結(jié)構(gòu)如圖9-16（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介質(zhì)中，可選用斜探頭，如圖9-16（c）所示。

圖9-16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

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9-17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。接收器的共振盤上增加了一只阻抗匹配器，以提高接收效率。

圖9-17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)用有兩種基本類型，如圖9-18所示。當(dāng)超聲發(fā)射器與接收器分別置于被測物兩側(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)、測距、測液位或料位、金屬探傷以及測厚等。a)213123b)

圖9-18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—被測物3—超聲接收器1.超聲波探傷主要用于檢測板材、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(xué)對材料使用壽命進(jìn)行評價(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，通過熒光屏可知工件中是否存在缺陷、缺陷大小及缺陷的位置。如圖9-19所示。δTBtδ

缺陷TBFtδtF

圖9-19超聲波探傷

a)無缺陷時(shí)反射及顯示的波形b)有缺陷時(shí)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9-20所示的缺陷時(shí)，用直探頭探測雖然可探測出缺陷存在，但并不能真實(shí)反映缺陷大小。如用斜探頭探測，則探傷效果較佳。TF圖9-20橫波單探頭探傷

（3）表面波探傷如圖9-21所示。當(dāng)超聲波的入射角α超過一定值后，折射角β可達(dá)到90o，這時(shí)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(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TF圖9-21表面波探傷

2.超聲波流量計(jì)如圖9-22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）。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，采用測量兩接收探頭上超聲波傳播的時(shí)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9-22超聲波流量計(jì)原理圖

則體積流量約為時(shí)間差法：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。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

機(jī)器人傳感器類型很多。

圖9-23所示為安裝在機(jī)器人手臂上的一個(gè)智能手爪，其上的傳感器信號處理和電機(jī)驅(qū)動(dòng)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。

可將機(jī)器人傳感器分為內(nèi)部檢測傳感器和外界檢測傳感器。

圖9-23機(jī)器人智能手爪上的傳感器配置內(nèi)部檢測傳感器是以機(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。

外界檢測傳感器用于機(jī)器人對周圍環(huán)境、目標(biāo)物的狀態(tài)特征獲取信息，從而使機(jī)器人對環(huán)境有自校正和自適應(yīng)能力。

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。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。２.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。它是有關(guān)機(jī)器人和對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。手指與被測物是否接觸，接觸圖形的檢測。（2）壓覺。垂直于機(jī)器人和對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。1.機(jī)器人的觸覺主要有兩方面的功能：（1）檢測功能對操作物進(jìn)行物理性質(zhì)檢測，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)以操作對象物；使操作具有適應(yīng)性和順從性。（2）識別功能識別對象物的形狀（如識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)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9-24所示。

其密度較大、體積較小、精度較高?！叭斯てつw”傳感器可用于表面形狀和表面特性的檢測。圖9-24陣列式觸覺傳感器

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。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。3.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。

4.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，因此需檢測出握力不夠時(shí)所產(chǎn)生的物體滑動(dòng)。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(shè)計(jì)的滑動(dòng)檢測器，叫做滑覺傳感器。如圖9-25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)，傳感器就會產(chǎn)生脈沖輸出。球形滑覺傳感器

圖9-259.4.4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)對象物或障礙物的距離、對象物的表面性質(zhì)等的傳感器。其目的是在接觸對象前得到必要的信息，以便后續(xù)動(dòng)作。1.電磁式如圖9-26所示，加有高頻信號is的勵(lì)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。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(lì)磁線圈L金屬面

渦流

磁束圖9-26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9-27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，可檢測出與被接近物的距離。電容式接近覺傳感器具有對物體的顏色、構(gòu)造和表面都不敏感且實(shí)時(shí)性好的優(yōu)點(diǎn)。圖9-27電容接近覺傳感器

3.超聲波式、紅外線式、光電式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(jī)器人的路徑探測和躲避障礙物。紅外線式接近傳感器可以探測到機(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是370~740nm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、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9-28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9-28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、激光反射法、立體攝像法等。而明暗信息主要靠電視攝像機(jī)、CCD、CMOS攝像頭來獲得。3.視覺傳感器（1）人工網(wǎng)膜人工網(wǎng)膜是用光敏二極管陣列代替網(wǎng)膜感受光信號。其最簡單的形式是3×3的光敏二極管矩陣，多的可達(dá)256×256個(gè)像素的陣列甚至更高。以3×3陣列為例。數(shù)字字符1，得到的正、負(fù)像如圖9-29所示，大寫字母字符I

，所得正、負(fù)像如圖9-30所示。事先作為標(biāo)準(zhǔn)圖像存儲起來。

正像

負(fù)像圖9-29數(shù)字字符1的正、負(fù)像

正像

負(fù)像圖9-30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)像可與已存儲的1和I的正、負(fù)像進(jìn)行比較，結(jié)果見表9-5。表9-5

相關(guān)值與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

，也不是其他字符。（2）光電探測器件最簡單的單個(gè)光電探測器是光電池、光敏電阻和光電二極管。單個(gè)光電探測器排列成線性和矩陣陣列使之具有直接測量和攝像功能，組成一維、二維或三維視覺傳感器。目前用于非接觸探測的固態(tài)陣列有自掃描光點(diǎn)二極管（SSPD）、電荷耦合光點(diǎn)二極管（CCPD）、電荷耦合器件（CCD）、電荷注入器件（CID）和表面場效應(yīng)器件（CMOS）。

其中電荷耦合器件（CCD）和表面場效應(yīng)器件（CMOS）已廣泛用于攝像機(jī)、照相機(jī)和手機(jī)。CCD和CMOS用于機(jī)器人的視覺具有較高的幾何精度，更大的光譜范圍，更高的靈敏度和掃描速率，結(jié)構(gòu)尺寸小、功耗小、耐久可靠。三維視覺傳感器攝取的圖像的反光強(qiáng)度分布、輪廓形狀、陰影等立體信息，或者多鏡頭、多角度、多距離攝取的多幅圖像信息，經(jīng)計(jì)算機(jī)對信息數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算和補(bǔ)插處理，可以獲取景物的立體信息或空間信息（VR技術(shù)）。9.4.6聽覺、嗅覺、味覺及其他傳感器1.人的聽覺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(nèi)的聲波振動(dòng)?？频倨鞴俸推渲兴拿?xì)胞，是真正的聲音感受裝置。聽神經(jīng)纖維就分布在毛細(xì)胞下方的基底膜中，對聲音信息進(jìn)行編碼，傳送到大腦皮層的聽覺中樞，產(chǎn)生聽覺。2.機(jī)器人的聽覺從應(yīng)用的目的來看，可以分為兩大類：（1）發(fā)音人識別系統(tǒng)。（2）語義識別系統(tǒng)。機(jī)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9-31所示。

識別系統(tǒng)借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)和語言學(xué)編制的計(jì)算機(jī)軟件。

圖9-31傳聲器的構(gòu)造

a）電磁式b）電容式c）壓電式3.人的嗅覺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(cè)總面積約5cm2。嗅上皮含有三種細(xì)胞，即主細(xì)胞，支持細(xì)胞和基底細(xì)胞。存在7種基本氣味。不同性質(zhì)的氣味刺激有其相對專用的感受位點(diǎn)和傳輸線路。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(dòng)的組合，在中樞引起特有的主觀嗅覺感受。4.機(jī)器人的嗅覺嗅覺傳感器主要的是采用氣體傳感器、射線傳感器等。機(jī)器人的嗅覺：用于檢測空氣中的化學(xué)成分、濃度；用于檢測放射線、可燃?xì)怏w及有毒氣體；用于了解環(huán)境污染、預(yù)防火災(zāi)和毒氣泄漏報(bào)警。5.人的味覺人的味覺感受器是味蕾，

主要分布在舌背部表面和舌緣，口腔和咽部粘膜表面。每一味蕾由味覺細(xì)胞和支持細(xì)胞組成。

味覺細(xì)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(guān)鍵部位。

存在4種基本味覺刺激。6.機(jī)器人的味覺要做出一個(gè)好的味覺傳感器，

還要通過努力，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(jì)算機(jī)進(jìn)行信息的組合來識別各種味道。9.5語音識別和人像識別9.5.1語音識別機(jī)器人聽覺傳感器獲取的語音信號，通過識別和理解，轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的文本或命令，驅(qū)動(dòng)發(fā)聲或動(dòng)作機(jī)件工作。

語音識別一般采用模板匹配法，包括特征提取、模型訓(xùn)練和模板匹配三個(gè)步驟。

語音識別原理如圖9-32所示。傳聲器預(yù)處理提取特征建立模板匹配搜索模板數(shù)據(jù)庫電子開關(guān)失真測試最佳匹配語音詞句表驅(qū)動(dòng)開關(guān)

結(jié)果訓(xùn)練識別語音圖9-32語音識別原理語音信號通過預(yù)處理去掉噪聲和與語音識別無關(guān)的冗余信息，獲得影響語音識別的重要信息，同時(shí)對語音信號進(jìn)行壓縮。

語音特征識別單元可選用單詞（句）、音節(jié)或音素，利用傅里葉變換將聲波變換成頻譜和幅度，形成特征矢量。在訓(xùn)練階段，用戶對傳聲器將語音詞匯表中的每一詞句依次說一遍，并且將其特征矢量作為模板存入模板庫。在識別階段，按照傳聲器輸入的語音詞句的特征矢量依次搜索模板數(shù)據(jù)庫中的每個(gè)模板數(shù)據(jù)，進(jìn)行相似度比較、匹配選擇、失真測試，將最佳匹配模板數(shù)據(jù)作為識別結(jié)果輸出。按識別結(jié)果從配置的語音詞句表中查出詞句文本或命令，驅(qū)動(dòng)對應(yīng)機(jī)件完成動(dòng)作。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)已出現(xiàn)語音識別單芯片解決方案。9.5.2人像識別人臉與人體的其他生物特征（指紋、虹膜等）一樣與生俱來，它的唯一性和不易復(fù)制性，為人像識別提供了必要的前提。

人像識別是基于人臉特征信息的一種生物識別技術(shù)，在機(jī)器人、航空航天、刑事偵查、機(jī)場檢查、小區(qū)物業(yè)、消費(fèi)電子等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。人臉識別系統(tǒng)包括人臉圖像采集及檢測、人臉圖像預(yù)處理、人臉圖像特征提取以及匹配識別四個(gè)部分，如圖9-33所示。人臉識別系統(tǒng)需要事先采集、建立待識別人臉數(shù)據(jù)庫，稱作訓(xùn)練階段。

在識別階段通過搜索人臉數(shù)據(jù)庫，將采集的待識別人臉圖像與庫中的人臉數(shù)據(jù)匹配比較，實(shí)現(xiàn)待識別人臉識別。

需較大的存儲空間和較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，必須基于計(jì)算機(jī)或微處理器工作平臺。攝像頭圖像采集人臉檢測圖像預(yù)處理人臉特征提取電子開關(guān)匹配識別人臉數(shù)據(jù)庫

圖9-33人臉識別系統(tǒng)組成人臉結(jié)果人臉及周圍環(huán)境圖像通過CMOS攝像頭攝取后，顯示在液晶或LED顯示屏上，人臉的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、位置、表情圖像都可以得到很好的采集。采集到的圖像通過人臉檢測標(biāo)定人臉的位置和大小。人臉圖像中包含的模式特征。

例如直方圖（采樣量化所得直方條圖）特征、顏色特征、模板特征、結(jié)構(gòu)特征及類Haar特征（圖像的局部灰度化，用以檢測邊界特征、細(xì)線特征、中心特征）等，通過人臉檢測，把其中有用的信息挑出來。采集到的原始圖像還要進(jìn)行光線補(bǔ)償、灰度校正、直方圖均衡化、歸一化、幾何校正、噪聲濾波、對比度銳化等預(yù)處理，使人臉圖像清晰明顯。人臉特征提取方法有兩種，一種是基于知識的表征方法，另一種是基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的表征方法。人臉由眼睛、鼻子、嘴、下巴等局部構(gòu)成，人臉的知識表征是對這些局部和它們之間結(jié)構(gòu)關(guān)系的幾何描述，即幾何特征。匹配識別時(shí)，攝像頭輸入的人臉圖像的幾何特征數(shù)據(jù)，與數(shù)據(jù)庫中存儲的人臉幾何特征模板進(jìn)行搜索、匹配。其間設(shè)定一個(gè)閾值，當(dāng)相似度超過這一閾值時(shí)，匹配認(rèn)定?；诮y(tǒng)計(jì)學(xué)的表征方法，是用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)從人臉圖像中提取人像區(qū)域特征點(diǎn)，用生物統(tǒng)計(jì)學(xué)原理進(jìn)行區(qū)域特征分析，建立數(shù)學(xué)模型，即人臉特征模板。

分析識別時(shí)，用數(shù)據(jù)庫中存儲的人臉特征模板對攝像頭輸入的人臉圖像，進(jìn)行區(qū)域特征點(diǎn)分析匹配，根據(jù)分析匹配所得相似值大小判定待識別人身份。人臉識別的關(guān)鍵是計(jì)算方法和計(jì)算能力。目前一般是通過計(jì)算機(jī)或微處理器的核心處理器CPU、ARM芯片進(jìn)行圖像采集，把人臉圖像特征信息提取出來，送人臉識別結(jié)構(gòu)化運(yùn)算。

目前結(jié)構(gòu)化運(yùn)算采用的有GPU圖形處理器、FPGA場編程邏輯門陣列、ASIC專用集成電路、DSP數(shù)字信號處理器等芯片。

人臉識別圖像特征信息提取和深度學(xué)習(xí)計(jì)算的專用芯片正在研制中。9.6指紋傳感器9.6.1指紋識別技術(shù)指紋識別技術(shù)是利用人體生物特征進(jìn)行身份認(rèn)證的技術(shù)。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。至今找不出兩個(gè)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。

指紋識別過程如圖9-34所示，主要包括指紋圖像采樣、指紋圖像預(yù)處理、二值化處理、細(xì)化、紋路提取、細(xì)節(jié)特征提取和指紋匹配（指紋庫查對）。圖9-34指紋識別過程

9.6.2指紋傳感器高性能、低功耗的單片半導(dǎo)體指紋傳感器FCD4B14，采用CMOS工藝制造，工作電壓＋3V～5.5V，功耗20mW，

20腳DIP陶瓷或COB封裝，耐磨損>106次滑動(dòng)操作，

ESD（靜電損傷）防護(hù)>16kV，工作溫度范圍0℃～+70℃。圖9-35陶瓷封裝FCD4B14外形結(jié)構(gòu)

FCD4B14是基于溫差效應(yīng)的指紋傳感器，

芯片表面有0.4mm×14mm的溫度傳感區(qū)域，內(nèi)部有行選和列選電路、A／D轉(zhuǎn)換器、鎖存器和恒溫電路，如圖9-36所示。傳感區(qū)域包含8行×280列＝2240個(gè)像素，為1幀，用來感應(yīng)手指與傳感區(qū)域接觸部位的溫度差，并轉(zhuǎn)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(shí)鐘脈沖復(fù)位脈沖手指滑動(dòng)模擬輸出圖9-36FCD4B14內(nèi)部電路組成框圖

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。通常一個(gè)行選脈沖同時(shí)選出兩個(gè)像素，1個(gè)偶像數(shù)，1個(gè)奇像素。放大后，可以直接輸出兩個(gè)像素的模擬電信號，也可以分別送入兩個(gè)4位ADC進(jìn)行A/D變換，再由鎖存器組成一個(gè)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9-37所示。

圖9-37手指在指紋傳感器上滑過（a）斜面安裝（b）平面安裝

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。在微處理器中，Atmel公司的軟件將這些數(shù)字信號重新構(gòu)成完整的8位／像素的指紋圖像，使圖像灰度達(dá)到28＝256級。FCD4B14及改進(jìn)型AT77C101B廣泛應(yīng)用于

PDA、手機(jī)、

筆記本電腦、PC機(jī)、電子商務(wù)、PIN碼交換、ATM機(jī)、POS機(jī)、建筑物的門開關(guān)、汽車、家用電子鎖等設(shè)備的指紋識別。9.7觸摸屏

車站、銀行、醫(yī)院、圖書館的一些自助設(shè)備，還有手機(jī)、平板電腦（TabletPersonalComputer）、多媒體播放器等都已采用觸摸屏進(jìn)行觸控操作。

觸摸屏位于液晶顯示屏的前面。

液晶顯示屏顯示圖形或文字。

手指或手寫筆（觸碰棒）觸摸的是觸摸屏上的傳感器。9.7.1觸摸屏技術(shù)

觸摸屏可分為電阻式、電容式、紅外線式、聲表面波式、矢量壓力傳感式和電磁誘導(dǎo)式等。

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。

電阻式應(yīng)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。1.電阻式觸摸屏

圖9－38為電阻式觸摸屏剖面結(jié)構(gòu)圖。

觸摸屏由兩層高透明的導(dǎo)電層組成，通常內(nèi)層是ITO玻璃，外層是ITO薄膜材料，中間有細(xì)微絕緣點(diǎn)隔開。

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。

電阻式觸摸屏分為數(shù)字式和模擬式兩種。圖9－38電阻式觸摸屏剖面結(jié)構(gòu)圖

圖9－39為數(shù)字式觸摸屏結(jié)構(gòu)圖。

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，使內(nèi)外層電氣回路相對，在外層ITO導(dǎo)電薄膜和內(nèi)層ITO導(dǎo)電玻璃之間夾隔絕緣點(diǎn)進(jìn)行貼合而成。

當(dāng)觸摸屏表面無壓力時(shí)，內(nèi)外層成絕緣狀態(tài)。圖9－39數(shù)字式觸摸屏結(jié)構(gòu)圖

一旦有觸摸壓力施加到觸摸屏上，內(nèi)外層電路導(dǎo)通，

位于設(shè)備內(nèi)部的觸摸屏控制器通過X方向和Y方向施加的驅(qū)動(dòng)電壓值，探測出觸摸點(diǎn)的X－Y坐標(biāo)。

該X－Y坐標(biāo)位置事先設(shè)定了一種操作，圖形菜單只是該操作的一個(gè)表述。

控制器感知觸摸點(diǎn)的X－Y坐標(biāo)位置后，將該位置設(shè)定的操作提交微處理器處理和執(zhí)行器件執(zhí)行。

模擬式觸摸屏基本結(jié)構(gòu)同數(shù)字式產(chǎn)品，只是主材ITO導(dǎo)電薄膜和ITO導(dǎo)電玻璃的阻值更高。

模擬式觸摸屏主要用于手寫筆的手寫輸入。2.電容式觸摸屏

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(nèi)層）導(dǎo)電體，上下導(dǎo)電體形成一個(gè)電容，在上下導(dǎo)電體四邊有窄長的電極引出，與外電路形成振蕩器。

當(dāng)用手指或其他導(dǎo)電物體觸摸或觸碰時(shí)，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。

電容式觸摸屏不能用手寫筆，也不能用其他非導(dǎo)電物體。

電容式觸摸屏的缺點(diǎn)是電容值易受溫度、濕度影響，所以穩(wěn)定性差。

其優(yōu)點(diǎn)在于不受油污的影響，小于0.57N（牛頓）的施力就可感應(yīng)，響應(yīng)速度小于3ms，可用于多點(diǎn)觸控，可承受大于5000萬次的觸摸。3.紅外線式觸摸屏

在屏幕四邊排布紅外發(fā)射管和紅外接收管，形成X、Y方向上密布的紅外線矩陣。

用戶在觸摸屏幕時(shí)，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。

響應(yīng)速度比電容式觸摸屏快，但分辨率較低。4.聲表面波式觸摸屏

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。

用戶手指觸摸屏幕時(shí)，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(jì)算出用戶的觸摸位置。

這種觸摸屏的優(yōu)點(diǎn)是很耐用，缺點(diǎn)是易受刮傷、水漬、油漬、污物或塵埃的影響。5.電磁式觸摸屏

是目前最為先進(jìn)和流行的觸摸屏技術(shù)，更多用于手寫輸入和畫畫。

屏幕邊上有勵(lì)磁電路，在觸摸屏上方產(chǎn)生一定范圍內(nèi)的磁場。借由手寫筆和觸摸屏磁場的相互感應(yīng)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(shí)將所畫的圖形與存儲器中存儲的文字圖形進(jìn)行類比來識別輸入的文字。

電磁壓感式手寫筆可以產(chǎn)生粗細(xì)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。

手機(jī)、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。

平板電腦大多采用10.1英寸TFT液晶顯示屏，1024×758像素或1280×800像素，更高清晰度的已采用2048×1536像素。9.7.2多點(diǎn)觸控滑屏應(yīng)用（Spin）

電容式觸摸屏支持多點(diǎn)觸控，用戶可以在觸摸屏面左右或上下滑動(dòng)手指，使屏幕顯示內(nèi)容左右或上下滾動(dòng)，或進(jìn)行翻頁切換。

在查看照片、網(wǎng)頁、電子郵件、地圖時(shí)，用兩根手指觸摸畫面后向外擴(kuò)張，可以將畫面放大，還可以向內(nèi)收縮，將畫面回復(fù)縮小。

多點(diǎn)觸控滑屏技術(shù)的基本原理如圖9-40所示。觸摸屏控制器在探測出手指觸摸點(diǎn)的X－Y坐標(biāo)信息送入微處理器的同時(shí)，進(jìn)行左、右、上、下4個(gè)臨近坐標(biāo)點(diǎn)及向外更多坐標(biāo)點(diǎn)的檢測。

若其中某個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)緊接著探測到手指的觸摸信號，該坐標(biāo)信息同時(shí)送入微處理器。

微處理器由此確定手指在滑動(dòng)，并可判別手指的滑動(dòng)方向。圖9－40液晶顯示觸摸滑屏原理框圖

微處理器根據(jù)手指觸摸點(diǎn)坐標(biāo)，手指是否滑動(dòng)和滑動(dòng)方向，

輸出相應(yīng)控制信號到視頻信號輸出單元，對顯示內(nèi)容進(jìn)行滾動(dòng)，

或從存儲器中取出顯示內(nèi)容，進(jìn)行屏幕翻頁切換。

最新生產(chǎn)的平板電腦和手機(jī)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(gè)芯片中。

觸摸屏畫面的放大、縮小變換來自多點(diǎn)觸控滑屏信號處理。

控制器探測出兩個(gè)手指在畫面上觸摸位置坐標(biāo)信息，及手指緊接著觸摸的相鄰位置坐標(biāo)信息，將其送入微處理器。

微處理器根據(jù)兩個(gè)手指是向兩邊拉伸滑動(dòng)還是向內(nèi)回縮滑動(dòng)，輸出相應(yīng)控制信號到視頻信號輸出單元，通過補(bǔ)插法加入插值將畫面放大，或刪除補(bǔ)插值將畫面回復(fù)縮小。9.8微機(jī)電系統(tǒng)微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）是在一個(gè)硅基板上集成了機(jī)械零件和電子元器件，可對聲、光、熱、磁、運(yùn)動(dòng)等自然信息進(jìn)行檢測，并且具有信號處理器和執(zhí)行器功能的微機(jī)械加工型智能傳感器。組成如圖9-41所示，外形毫米量級，機(jī)械零件和電子元器件微米／納米量級。圖9-41三位一體的微機(jī)電系統(tǒng)

9.8.1微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的特點(diǎn)微機(jī)電系統(tǒng)的制作主要基于兩大技術(shù)，即集成電路（IC）技術(shù)和微機(jī)械加工技術(shù)。其中集成電路技術(shù)主要用于制造電子部分，即信號處理和控制系統(tǒng)部分，與傳統(tǒng)的IC生產(chǎn)過程基本相同；微機(jī)械加工技術(shù)用于制造機(jī)械部分，將機(jī)械部分直接蝕刻到一片晶圓（wafer單晶硅圓片）中，

或者增加新的結(jié)構(gòu)層來制作MEMS產(chǎn)品。

微機(jī)電系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

1）體積小，重量輕、耗能低、慣性小、諧振頻率高、響應(yīng)時(shí)間短，可以嵌入大尺寸系統(tǒng)中使用。

2）以硅為主要材料，硅的強(qiáng)度、硬度和彈性模量與鐵相當(dāng)，密度類似鋁，熱傳導(dǎo)率接近鉬和鎢，可利用大規(guī)模集成電路生產(chǎn)中的成熟技術(shù)、工藝進(jìn)行生產(chǎn)；3）用硅微加工工藝在一片硅片上可同時(shí)制造成百上千個(gè)MEMS，再切割封裝成產(chǎn)品，批量生產(chǎn)可大大降低成本；4）可把多種功能的器件集成在一起，形成復(fù)雜的微機(jī)電系統(tǒng)。

微機(jī)電系統(tǒng)中的傳感器有微熱傳感器、微輻射傳感器、微力學(xué)量傳感器、微磁傳感器、微生物（化學(xué)）傳感器等種類。9.8.2聲表面波叉指換能器單晶硅、多晶硅和鈮酸鋰等，具有壓電效應(yīng)、逆壓電效應(yīng)和表面波傳播的物理特性。如圖9-42（a）所示。當(dāng)左邊的叉指換能器上施加交變的電信號時(shí)，由于逆壓電效應(yīng)，基體材料將產(chǎn)生彈性變形,從而產(chǎn)生聲波振動(dòng)。向基片內(nèi)部傳送的體波會很快衰減,而表面波則向左、右兩個(gè)方向傳播。

向左傳送的聲表面波被涂于基片左端的吸聲材料吸收。向右傳送的聲表面波傳送到右邊的叉指換能器，由于正壓電效應(yīng)，在叉指換能器上產(chǎn)生交變的電信號，并由負(fù)載RL輸出。圖9-42叉指換能器聲表面波濾波器（a）聲表面波濾波器（b）叉指換能器結(jié)構(gòu)

叉指換能器結(jié)構(gòu)如圖9-42（b）所示。叉指對數(shù)、指條寬度a、指條間隔b、指條有效長度B和叉指對之間的距離M等。叉指換能器有自己的彈性波的諧振頻率，稱為同步頻率f0。同步頻率f0的倒數(shù)為彈性波長，即聲表面波波長。其等于兩個(gè)相鄰叉指對之間的距離M的兩倍。

聲表面波的速度v取決于材料，一般為3490m/s（鈮酸鋰的值），對于石英和鈮酸鋰晶體襯底，叉指換能器通常采用的同步頻率為10MHz～幾GHz，若為1GHz，則聲表面波的波長為3490／109＝3.5μm。而1GHz的交流電信號或電磁波的波長為c/109，＝0.3m，c＝3×108m/s，與光速相同。

這樣，在壓電材料襯底上外加電磁信號轉(zhuǎn)換成聲表面波時(shí)，波長減小了大約105倍。

這使器件的物理尺寸能和IC工藝兼容，用作傳感器，使傳感器的微型化成為可能。9.8.3叉指換能器振蕩器式微傳感器圖9-43所示為利用聲表面波叉指換能器和環(huán)路放大器做成的叉指換能器式微溫度傳感器。叉指換能器和聲表面波傳播通道形成了選頻和反饋網(wǎng)絡(luò)，與同相放大器組成了振蕩器，振蕩頻率等于相鄰叉指對之間的距離M的兩倍的倒數(shù)。圖9-43叉指換能器微溫度傳感器

用頻率計(jì)可測振蕩頻率。若環(huán)境溫度改變，則M值會隨之改變，振蕩信號頻率就會改變。用頻率計(jì)測得頻率的變化Δf，由計(jì)算機(jī)計(jì)算可獲得溫度的變化ΔT。

ΔT＝kΔf／f0

9.9實(shí)訓(xùn)9.9.1參觀、使用和體會新型傳感器功能1.走訪醫(yī)院化驗(yàn)室，了解生物傳感器使用。2.坐火車時(shí)，注意感受火車交會時(shí)的汽笛聲多普勒效應(yīng)。3.使用指紋鎖和筆記本電腦指紋識別開機(jī)功能，體會指紋傳感器性能和應(yīng)用。4.使用手機(jī)和平板電腦的觸摸屏功能，使用銀行ATM機(jī)的觸摸屏功能，使用手寫屏手機(jī)輸入和發(fā)送短信，感覺三者性能差別。9.9.2敲擊報(bào)警器電路裝配與調(diào)試如圖9-44所示。（1）裝配該防盜報(bào)警器電路；（2）聲音傳感器可用駐極體話筒代用，繼電器和報(bào)警器可改用指示燈或發(fā)光二極管報(bào)警；（3）改變電阻、電容值，調(diào)整報(bào)警延時(shí)時(shí)間和報(bào)警靈敏度；（4）擴(kuò)展該電路為來人致歡迎詞設(shè)備。圖9-44敲擊防盜報(bào)警器第10章智能傳感器

10.1智能傳感器概述

10.2計(jì)算型智能傳感器

10.3特殊材料型智能傳感器

10.4幾何結(jié)構(gòu)型智能傳感器

10.5多傳感器融合系統(tǒng)

10.6模糊傳感器

10.7智能傳感器實(shí)例

10.8實(shí)訓(xùn)10.1智能傳感器概述10.1.1智能傳感器的功能美國電氣和電子工程師學(xué)會（IEEE）在1998年通過了智能傳感器的定義，即“除產(chǎn)生一個(gè)被測量或被控量的正確表示之外，還同時(shí)具有簡化換能器的綜合信息以用于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的功能的傳感器”。

智能傳感器是具備了記憶、分析和思考能力，輸出期望值的傳感器。（1）能提供更全面、更真實(shí)的信息，消除異常值、例外值。（2）具有信號處理包括溫度補(bǔ)償、線性化等功能。（3）隨機(jī)調(diào)整和自適應(yīng)。（4）一定程度的存儲、識別和自診斷。（5）含有特定算法并可根據(jù)需要改變算法。

智能傳感器不僅在物理層面上檢測信號，而且在邏輯層面上對信號進(jìn)行分析、處理、存儲和通信。相當(dāng)于具備了人類的記憶、分析、思考和交流的能力，即具備了人類的智能。所以稱之為智能傳感器。10.1.2智能傳感器的層次結(jié)構(gòu)人類的智能是怎么構(gòu)成的呢？人類的智能是基于即時(shí)獲得的信息和原先掌握的知識。人類的智能是實(shí)現(xiàn)了多重傳感信息的融合并且把它與人類積累的知識結(jié)合了起來，如圖10-1所示。大腦積累的知識判斷人的大腦歸納皮膚傳感耳朵傳感鼻子傳感眼睛傳感圖10-1人類智能的構(gòu)成1．智能傳感器也應(yīng)該由多重傳感器或不同類型傳感器從外部目標(biāo)以分布和并行的方式收集信息；

2．通過信號處理過程把多重傳感器的輸出或不同類型傳感器的輸出結(jié)合起來或集成在一起，實(shí)現(xiàn)傳感器信號融合或集成；

3．最后，根據(jù)先前擁有的關(guān)于被測目標(biāo)的有關(guān)知識，進(jìn)行最高級的智能信息處理過程。

4．將信息轉(zhuǎn)換為知識和概念提供使用。

理想智能傳感器的層次結(jié)構(gòu)應(yīng)是三層：1．底層，分布并行傳感過程，實(shí)現(xiàn)被測信號的收集。2．中間層，將收集到的信號融合或集成，實(shí)現(xiàn)信息處理。3．頂層，中央集中抽象過程，實(shí)現(xiàn)融合或集成后的信息的知識處理。

實(shí)現(xiàn)傳感器智能化，讓傳感器具有記憶、分析和思考能力，有3條途徑。（1）計(jì)算機(jī)合成（智能合成）；