16-微波及生物傳感器(第十二章)省公開課一等獎(jiǎng)全國示范課微課金獎(jiǎng)?wù)n件

微波傳感器一、微波概述微波是波長為1mm～1m電磁波，能夠細(xì)分為三個(gè)波段：分米波、厘米波、毫米波。微波既含有電磁波性質(zhì)，又不一樣于普通無線電波和光波性質(zhì)，是一個(gè)相對(duì)波長較長電磁波。含有以下特點(diǎn)：①定向輻射裝置輕易制造；②碰到各種障礙物易于反射；③繞射能力差；④傳輸特征好，傳輸過程中受灰塵、強(qiáng)光影響??；⑤介質(zhì)對(duì)微波吸收與介質(zhì)介電常數(shù)成百分比。1第1頁二、微波傳感器原理和組成1、微波傳感器測(cè)量原理及分類微波傳感器由發(fā)射天線發(fā)出微波，碰到被測(cè)物體時(shí)將被吸收或反射，使微波功率發(fā)生改變。若利用接收天線，接收到經(jīng)過被測(cè)物體或由被測(cè)物體反射回來微波，并將它轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路，即能夠顯示出被測(cè)量依據(jù)微波傳感器原理，微波傳感器能夠分為反射式和遮斷式兩類。2第2頁（1）反射式微波傳感器

反射式微波傳感器是經(jīng)過檢測(cè)被測(cè)物反射回來微波功率或經(jīng)過時(shí)間間隔來測(cè)量被測(cè)量。通常它能夠測(cè)量物體位置、位移、厚度等參數(shù)。（2）遮斷式微波傳感器

遮斷式微波傳感器是經(jīng)過檢測(cè)接收天線收到微波功率大小來判斷發(fā)射天線與接收天線之間有沒有被測(cè)物體或被測(cè)物體厚度、含水量等參數(shù)。3第3頁2、微波傳感器組成微波傳感器通常由微波發(fā)射器（即微波振蕩器）、微波天線及微波檢測(cè)器三部分組成。（1）微波振蕩器及微波天線微波振蕩器是產(chǎn)生微波裝置。因?yàn)槲⒉úㄩL很短，即頻率很高（300MHz～300GHz），要求振蕩回路中含有非常微小電感與電容，所以不能用普通電子管與晶體管組成微波振蕩器。組成微波振蕩器器件有調(diào)速管、磁控管或一些固態(tài)器件.4第4頁由微波振蕩器產(chǎn)生振蕩信號(hào)需要用波導(dǎo)管傳輸，并經(jīng)過天線發(fā)射出去。為了使發(fā)射微波含有尖銳方向性，天線要含有特殊結(jié)構(gòu)。慣用天線如圖所表示。慣用微波天線扇形喇叭天線;(b)圓錐形喇叭天線;(c)旋轉(zhuǎn)拋物面天線;(d)拋物柱面天線5第5頁（2）微波檢測(cè)器

電磁波作為空間微小電場(chǎng)變動(dòng)而傳輸，所以使用電流-電壓特征展現(xiàn)非線性電子元件作為探測(cè)它敏感探頭,敏感探頭在其工作頻率范圍內(nèi)必須有足夠快響應(yīng)速度。幾兆赫以下可用半導(dǎo)體PN結(jié);頻率比較高可使用肖特基結(jié);靈敏度要求尤其高可使用超導(dǎo)材料約瑟夫遜結(jié)檢測(cè)器、SIS檢測(cè)器等超導(dǎo)隧道結(jié)元件;靠近光頻率可使用由金屬-氧化物-金屬組成隧道結(jié)元件。

6第6頁3、微波傳感器特點(diǎn)

微波傳感器作為一個(gè)新型非接觸傳感器含有以下特點(diǎn)：①有極寬頻譜（波長=1.0mm~1.0m）可供選取，可依據(jù)被測(cè)對(duì)象特點(diǎn)選擇不一樣測(cè)量頻率；②在煙霧、粉塵、水汽、化學(xué)氣氛以及高、低溫環(huán)境中對(duì)檢測(cè)信號(hào)傳輸影響極小，所以能夠在惡劣環(huán)境下工作；③時(shí)間常數(shù)小，反應(yīng)速度快，能夠進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)與實(shí)時(shí)處理，便于自動(dòng)控制；7第7頁④測(cè)量信號(hào)本身就是電信號(hào)，無須進(jìn)行非電量轉(zhuǎn)換，從而簡化了傳感器與微處理器間接口，便于實(shí)現(xiàn)遙測(cè)和遙控；⑤微波無顯著輻射公害。微波傳感器存在主要問題是零點(diǎn)漂移和標(biāo)定還未得到很好處理。其次，使用時(shí)外界環(huán)境原因影響較多，如溫度、氣壓、取樣位置等。8第8頁三、微波傳感器應(yīng)用1、微波液位傳感器

微波液位計(jì)9第9頁2、微波濕度傳感器

水分子是極性分子，常態(tài)下成偶極子形式雜亂無章地分布著。在外電場(chǎng)作用下，偶極子會(huì)形成定向排列。當(dāng)微波場(chǎng)中有水分子時(shí)，偶極子受場(chǎng)作用而重復(fù)取向，不停從電場(chǎng)中得到能量（儲(chǔ)能），又不停釋放能量（放能），前者表現(xiàn)為微波信號(hào)相移，后者表現(xiàn)為微波衰減。使用微波傳感器，測(cè)量干燥物體與含一定水分潮濕物體所引發(fā)微波信號(hào)相移與衰減量，就能夠換算出物體含水量。

10第10頁下列圖給出了測(cè)量酒精含水量儀器框圖，圖中，MS產(chǎn)生微波功率經(jīng)分功率器分成兩路，再經(jīng)衰減器A1、A2分別注入到兩個(gè)完全相同轉(zhuǎn)換器T1、T2中。其中，T1放置無水酒精，T2放置被測(cè)樣品。相位與衰減測(cè)定儀（PT、AT）分別重復(fù)接通兩電路（T1和T2）輸出，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)與顯示它們之間相位差與衰減差，從而確定樣品酒精含水量。11第11頁3、微波測(cè)厚儀

微波測(cè)厚儀是利用微波在傳輸過程中碰到被測(cè)物體金屬表面被反射，且反射波波長與速度都不變特征進(jìn)行測(cè)厚。微波測(cè)厚儀原理如圖所表示，在被測(cè)金屬物體上下兩表面各安裝一個(gè)終端器。微波信號(hào)源發(fā)出微波，經(jīng)過環(huán)行器A、上傳輸波導(dǎo)管傳輸?shù)缴辖K端器，由上終端器發(fā)射到被測(cè)物體上表面上，微波在被測(cè)物體上表面全反射后又回到上終端器，再經(jīng)過傳輸導(dǎo)管、環(huán)行器A、下傳輸波導(dǎo)管傳輸?shù)较陆K端器。由下終端器發(fā)射到被測(cè)物體下表面微波，經(jīng)全反射后又回到下終端器，再經(jīng)過傳輸導(dǎo)管回到環(huán)行器A。所以被測(cè)物體厚度與微波傳輸過程中行程長度有親密關(guān)系，當(dāng)被測(cè)物體厚度增加時(shí)，微波傳輸行程長度便減小。12第12頁微波測(cè)厚儀原理圖13第13頁普通情況下，微波傳輸行程長度改變非常微小。為了準(zhǔn)確地測(cè)量出這一微小改變，通常采取微波自動(dòng)平衡電橋法，前面討論微波傳輸行程作為測(cè)量臂，而完全模擬測(cè)量臂微波傳輸行程設(shè)置一個(gè)參考臂（圖右部）。若測(cè)量臂與參考臂行程完全相同，則反相疊加微波經(jīng)過檢波器C檢波后，輸出為零。若兩臂行程長度不一樣，兩路微波疊加后不能相互抵消，經(jīng)檢波器后便有不平衡信號(hào)輸出。此不平衡差值信號(hào)經(jīng)放大后控制可逆電機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)賠償短路器產(chǎn)生位移，改變賠償短路器長度，直到兩臂行程長度完全相同，放大器輸出為零，可逆電機(jī)停頓轉(zhuǎn)動(dòng)為止。14第14頁4、微波無損檢測(cè)

微波無損檢測(cè)是綜合利用微波與物質(zhì)相互作用，首先微波在不連續(xù)界面處會(huì)產(chǎn)生反射、散射、透射，另首先微波還能與被檢材料產(chǎn)生相互作用，此時(shí)微波場(chǎng)會(huì)受到材料中電磁參數(shù)和幾何參數(shù)影響。經(jīng)過測(cè)量微波信號(hào)基本參數(shù)改變即可到達(dá)檢測(cè)材料內(nèi)部缺點(diǎn)目標(biāo)。15第15頁生物傳感器一、生物傳感器基本概念生物傳感器通常是指由一個(gè)生物敏感部件和轉(zhuǎn)化器緊密結(jié)合,對(duì)特定種類化學(xué)物質(zhì)或生物活性物質(zhì)含有選擇性和可逆響應(yīng)分析裝置。它是發(fā)展生物技術(shù)必不可少一個(gè)先進(jìn)檢測(cè)與監(jiān)控方法,也是對(duì)物質(zhì)在分子水平上進(jìn)行快速和微量分析方法。16第16頁1、生物傳感器工作原理生物傳感器工作原理是待測(cè)物質(zhì)經(jīng)擴(kuò)散作用進(jìn)入固定生物膜敏感層，經(jīng)分子識(shí)別而發(fā)生生物學(xué)作用，產(chǎn)生信息如光、熱、音等被對(duì)應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換器變?yōu)榭啥亢吞幚黼娦盘?hào)，再經(jīng)二次儀表放大并輸出，以電極測(cè)定其電流值或電壓值，從而換算出被測(cè)物質(zhì)量或濃度。17第17頁（1）將化學(xué)改變轉(zhuǎn)變成電信號(hào)例,酶催化特定物發(fā)生反應(yīng),從而使特定生成物量有所增減.用能把這類物質(zhì)量改變轉(zhuǎn)換為電信號(hào)裝置和固定化酶耦合,即組成酶傳感器。（2）將熱改變轉(zhuǎn)換成電信號(hào)固定化生物材料與對(duì)應(yīng)被測(cè)物作用時(shí)常伴有熱改變。這類生物傳感器工作原理是把反應(yīng)熱效應(yīng)借熱敏電阻轉(zhuǎn)換為阻值改變。18第18頁（3）將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)比如，過氧化氫酶,能催化過氧化氫發(fā)光,所以如設(shè)法將過氧化氫酶膜附著在光纖或光敏二極管前端,再和光電流測(cè)定裝置相連,即可測(cè)定過氧化氫含量。還有很多細(xì)菌能與特定底物發(fā)生反應(yīng),產(chǎn)生熒光。也能夠用這種方法測(cè)定底物濃度.上述三原理生物傳感器共同點(diǎn)：都是將分子識(shí)別元件中生物敏感物質(zhì)與待測(cè)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng),將反應(yīng)后所產(chǎn)生化學(xué)或物理改變?cè)俳?jīng)過信號(hào)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)進(jìn)行測(cè)量,這種方式統(tǒng)稱為間接測(cè)量方式.19第19頁（4）直接產(chǎn)生電信號(hào)方式這種方式能夠使酶反應(yīng)伴隨電子轉(zhuǎn)移、微生物細(xì)胞氧化直接(或經(jīng)過電子遞體作用)在電極表面上發(fā)生。依據(jù)所得電流量即可得底物濃度。20第20頁二、生物傳感器分類1、依據(jù)傳感器輸出信號(hào)產(chǎn)生方式,可分為生物親合型生物傳感器、代謝型或催化型生物傳感器;2、依據(jù)生物傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換器可分為電化學(xué)生物傳感器、半導(dǎo)體生物傳感器、測(cè)熱型生物傳感器、測(cè)光型生物傳感器、測(cè)聲型生物傳感器等3、依據(jù)生物傳感器中生物分子識(shí)別元件上敏感材料可分為酶傳感器、微生物傳感器、免疫傳感器、組織傳感器、基因傳感器、細(xì)胞及細(xì)胞器傳感器。21第21頁

生物親合型傳感器被測(cè)物質(zhì)與分子識(shí)別元件上敏感物質(zhì)含有生物親合作用，即二者能特異地相結(jié)合，同時(shí)引發(fā)敏感材料分子結(jié)構(gòu)和/或固定介質(zhì)發(fā)生改變。比如：電荷、溫度、光學(xué)性質(zhì)等改變。反應(yīng)式可表示為：

S（底物）+R（受體）=SR22第22頁

代謝型傳感器底物（被測(cè)物）與分子識(shí)別元件上敏感物質(zhì)相作用并生成產(chǎn)物，信號(hào)轉(zhuǎn)換器將底物消耗或產(chǎn)物增加轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲂盘?hào)，這類傳感器稱為代謝型傳感器，其反應(yīng)形式可表示為S（底物）＋R（受體）=SR→P（生成物）

23第23頁每一類又都包含許各種詳細(xì)生物傳感器比如，僅酶電極一類，依據(jù)所用酶不一樣就有幾十種，如葡萄糖電極、尿素電極、尿酸電極、膽固醇電極、乳酸電極、丙酮酸電極等等．就是葡萄糖電極也并非只有一個(gè)，有用pH電極或碘離子電極作為轉(zhuǎn)換器電位型葡萄糖電極，有用氧電極或過氧化氫電極作為轉(zhuǎn)換器電流型葡萄糖電極等．實(shí)際上還可再細(xì)分。24第24頁三、生物傳感器組成部分一是生物分子識(shí)別元件(感受器),是含有分子識(shí)別能力生物活性物質(zhì)(如組織切片、細(xì)胞、細(xì)胞器、細(xì)胞膜、酶、抗體、核酸、有機(jī)物分子等);二是信號(hào)轉(zhuǎn)換器(換能器),主要有電化學(xué)電極(如電位、電流測(cè)量)、光學(xué)檢測(cè)元件、熱敏電阻、場(chǎng)效應(yīng)晶體管、壓電石英晶體及表面等離子共振器件等，當(dāng)待測(cè)物與分子識(shí)別元件特異性結(jié)合后,所產(chǎn)生復(fù)合物(或光、熱等)經(jīng)過信號(hào)轉(zhuǎn)換器變?yōu)槟軌蜉敵鲭娦盘?hào)、光信號(hào)等,從而到達(dá)分析檢測(cè)目標(biāo)。25第25頁敏感器件（分子識(shí)別元件）26第26頁四、生物傳感器優(yōu)點(diǎn)(1)依據(jù)生物反應(yīng)特異性和多樣性,理論上能夠制成測(cè)定全部生物物質(zhì)傳感器,因而測(cè)定范圍廣泛(2)普通不需進(jìn)行樣品預(yù)處理,它利用本身具備優(yōu)異選擇性把樣品中被測(cè)組分分離和檢測(cè)統(tǒng)一為一體，測(cè)定時(shí)普通不需另加其它試劑,使測(cè)定過程簡便快速,輕易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分析(3)體積小、響應(yīng)快、樣品用量少,能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)在位檢測(cè)27第27頁(4)通常其敏感材料是固定化生物元件,可重復(fù)屢次使用(5)準(zhǔn)確度高,普通相對(duì)誤差可到達(dá)1%以內(nèi)(6)可進(jìn)行活體分析(7)傳感器連同測(cè)定儀成本遠(yuǎn)低于大型分析儀,因而便于推廣普及(8)有微生物傳感器能可靠地指示微生物培養(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)供氧情況和副產(chǎn)物產(chǎn)生，能得到許多復(fù)雜物理化學(xué)傳感器綜合作用才能取得信息28第28頁在食品分析應(yīng)用五、應(yīng)用食品成份分析食品添加劑分析農(nóng)藥和抗生素殘留量分析微生物和生物毒素檢驗(yàn)食品鮮度檢測(cè)29第29頁在環(huán)境監(jiān)測(cè)中應(yīng)用水質(zhì)分析：一個(gè)經(jīng)典應(yīng)用是測(cè)定生化需氧量（BOD），傳統(tǒng)方法測(cè)BOD需5天，且操作復(fù)雜。1977年Karube等首次報(bào)道了BOD微生物傳感器，只需15分鐘即能測(cè)出結(jié)果,連續(xù)使用壽命達(dá)17天；廢氣或環(huán)境大氣監(jiān)測(cè)：可用于測(cè)定空氣中SO2、NOX、CO2、NH3、CH4等含量；農(nóng)藥和抗生素殘留量分析：用乙酰膽堿酯酶和丁酰膽堿酯酶為敏感材料制作離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管酶傳感器可用于蔬菜等樣品中有機(jī)磷農(nóng)藥DDVP和伏殺磷等測(cè)定30第30頁在生物醫(yī)學(xué)上應(yīng)用臨床應(yīng)用：用酶、免疫傳感器等生物傳感器來檢測(cè)體液中各種化學(xué)成份，為醫(yī)生診療提出依據(jù)。生物醫(yī)藥：利用生物工程技術(shù)生產(chǎn)藥品時(shí)，將生物傳感器用于生化反應(yīng)監(jiān)視，能夠快速地獲取各種數(shù)據(jù)，有效地加強(qiáng)生物工程產(chǎn)品質(zhì)量管理。

31第31頁在軍事上應(yīng)用當(dāng)代戰(zhàn)爭往往是在核武器、化學(xué)武器、生物武器威脅下進(jìn)行戰(zhàn)爭。偵檢、判定和檢測(cè)是進(jìn)行有效化學(xué)戰(zhàn)和生物戰(zhàn)防護(hù)前提。因?yàn)楹懈叨忍禺愋?、靈敏性和能快速地探測(cè)化學(xué)戰(zhàn)劑和生物戰(zhàn)劑（包含病毒、細(xì)菌和毒素等）特征，生物傳感器將是最主要一類化學(xué)戰(zhàn)劑和生物戰(zhàn)劑偵檢器材。如煙堿乙酰膽堿受體生物傳感器和某種麻醉劑受體生物傳感器能在10s內(nèi)偵檢出10-9濃度級(jí)生化戰(zhàn)劑，包含委內(nèi)瑞拉馬腦炎病毒、黃熱病毒、炭疽桿菌、流感病毒等。32第32頁德國研發(fā)環(huán)境廢水BOD分析儀33第33頁手掌型葡萄糖(glucose)分析儀34第34頁發(fā)酵罐主機(jī)計(jì)算機(jī)SBA-60型生物傳感在線分析系統(tǒng)，

為發(fā)酵自動(dòng)控制提供了新基礎(chǔ)平臺(tái)35第35頁機(jī)器人傳感器36第36頁機(jī)器人37第37頁機(jī)器人大腦——主板機(jī)器人思想——程序機(jī)器人感知——傳感器機(jī)器人手腳——馬達(dá)機(jī)器人骨架——機(jī)械結(jié)構(gòu)機(jī)器人食物——電池機(jī)器人組成38第38頁傳感器在機(jī)器人中應(yīng)用機(jī)器人是由計(jì)算機(jī)控制復(fù)雜機(jī)器，它含有類似人肢體及感官功效；動(dòng)作程序靈活；有一定程度智能；在工作時(shí)能夠不依賴人操縱。機(jī)器人傳感器在機(jī)器人控制中起了非常主要作用，正因?yàn)橛辛藗鞲衅鳎瑱C(jī)器人才具備了類似人類知覺功效和反應(yīng)能力。

39第39頁給機(jī)器人裝備什么樣傳感器，對(duì)這些傳感器有什么要求，這是設(shè)計(jì)機(jī)器人感覺系統(tǒng)時(shí)碰到首要問題。選擇機(jī)器人傳感器應(yīng)該完全取決于機(jī)器人工作需要和應(yīng)用特點(diǎn)。40第40頁機(jī)器人傳感器可分為內(nèi)部檢測(cè)傳感器和外部檢測(cè)傳感器兩大類。內(nèi)部檢測(cè)傳感器是以機(jī)器人本身坐標(biāo)軸來確定其位置。它安裝在機(jī)器人本身中用來感知機(jī)器人自己狀態(tài)，以調(diào)整和控制機(jī)器人行動(dòng)。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)物狀態(tài)特征獲取信息，使機(jī)器人和環(huán)境能發(fā)生交互作用，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)傳感器通常包含觸覺、靠近覺、視覺、聽覺、嗅覺等傳感器。41第41頁類別檢測(cè)內(nèi)容應(yīng)用目標(biāo)傳感器件明暗覺是否有光，亮度多少判斷有沒有對(duì)象，并得到定量結(jié)果光敏管、光電斷續(xù)器色覺對(duì)象色彩及濃度利用顏色識(shí)別對(duì)象場(chǎng)所彩色攝影機(jī)、濾色器、彩色CCD位置覺物體位置、角度、距離物體空間位置，判斷物體移動(dòng)光敏陣列、CCD等形狀覺物體外形提取物體輪廓及固有特征，識(shí)別物體光敏陣列、CCD等接觸覺與對(duì)象是否接觸，接觸位置決定對(duì)象位置，識(shí)別對(duì)象形態(tài)，控制速度，安全保障，異常停頓，尋徑光電傳感器、微動(dòng)開關(guān)、薄膜接點(diǎn)、壓敏高分子材料壓覺對(duì)物體壓力、握力、壓力分布控制握力，識(shí)別握持物，測(cè)量物體彈性壓電元件、導(dǎo)電橡膠、壓敏高分子材料力覺機(jī)器人相關(guān)部件（如手指）所受外力及轉(zhuǎn)矩控制手腕移動(dòng)，伺服控制，正確完成作業(yè)應(yīng)變片、導(dǎo)電橡膠靠近覺對(duì)象物是否靠近，靠近距離，對(duì)象面傾斜控制位置，尋徑，安全保障，異常停頓光傳感器、氣壓傳感器、超聲波傳感器、電渦流傳感器、霍爾傳感器滑覺垂直握持面方向物體位移，重力引發(fā)變形修正握力，預(yù)防打滑，判斷物體重量及表面狀態(tài)球形接點(diǎn)式、光電旋轉(zhuǎn)傳感器、角編碼器、振動(dòng)檢測(cè)器機(jī)器人傳感器分類

42第42頁傳感器在機(jī)器人身上分布

43第43頁能踢球機(jī)器人44第44頁對(duì)運(yùn)動(dòng)球類有正確反應(yīng)機(jī)器人能打網(wǎng)球機(jī)器人機(jī)器人足球比賽45第45頁能行走機(jī)器人46第46頁服務(wù)機(jī)器人機(jī)器人伴舞機(jī)器人奏樂47第47頁可愛小機(jī)器人能上臺(tái)階并避開障礙物機(jī)器人能自己站起來機(jī)器人48第48頁排爆機(jī)器人我國沈陽自動(dòng)化所研制PXJ-2機(jī)器人也加入了公安部隊(duì)行列。49第49頁消防機(jī)器人消防機(jī)器人作為特種消防設(shè)備可代替消防隊(duì)員靠近火場(chǎng)實(shí)施有效滅火救援、化學(xué)檢驗(yàn)和火場(chǎng)偵察。它應(yīng)用將提升消防部隊(duì)撲滅特大惡性火災(zāi)實(shí)戰(zhàn)能力，對(duì)降低國家財(cái)產(chǎn)損失和滅火救援人員傷亡將產(chǎn)生主要作用。50第50頁機(jī)器人輪椅主要有口令識(shí)別與語音合成、機(jī)器人自定位、動(dòng)態(tài)隨機(jī)避障、多傳感器信息融合、實(shí)時(shí)自適應(yīng)導(dǎo)航控制等功能。51第51頁軍事機(jī)器人我國引進(jìn)排爆機(jī)器人進(jìn)攻型機(jī)器人52第52頁工業(yè)機(jī)器人核工業(yè)機(jī)器人汽車噴漆機(jī)器人53第53頁機(jī)器人手54第54頁機(jī)械手在汽車加工中應(yīng)用機(jī)械手能按照程序焊接和安裝汽車部件，是機(jī)器人雛形。55第55頁激光焊接機(jī)械手56第56頁一、智能式傳感器概述

智能式傳感器（Intelligentsensor或Smartsensor）自20世紀(jì)70年代初出現(xiàn)以來，伴隨微處理器技術(shù)迅猛發(fā)展及測(cè)控系統(tǒng)自動(dòng)化、智能化發(fā)展，要求傳感器準(zhǔn)確度高、可靠性高、穩(wěn)定性好，而且具備一定數(shù)據(jù)處理能力，并能夠自檢、自校、自賠償。傳統(tǒng)傳感器已不能滿足這么要求。另外，為制造高性能傳感器，光靠改進(jìn)材料工藝也很困難，需要利用計(jì)算機(jī)技術(shù)與傳感器技術(shù)相結(jié)合來填補(bǔ)其性能不足。計(jì)算機(jī)技術(shù)使傳感器技術(shù)發(fā)生了巨大變革，微處理器(或微計(jì)算機(jī))和傳感器相結(jié)合，產(chǎn)生了功效強(qiáng)大智能式傳感器。所謂智能式傳感器，就是一個(gè)帶有微處理機(jī)，兼有信息檢測(cè)、信號(hào)處理、信息記憶、邏輯思維與判斷功效傳感器。智能傳感器57第57頁傳感器與微處理機(jī)結(jié)合能夠經(jīng)過以下兩個(gè)路徑來實(shí)現(xiàn)：一是采取微處理機(jī)或微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以強(qiáng)化和提升傳統(tǒng)傳感器功效，即傳感器與微處理機(jī)可分為兩個(gè)獨(dú)立部分，傳感器輸出信號(hào)經(jīng)處理和轉(zhuǎn)化后由接口送到微處理機(jī)部分進(jìn)行運(yùn)算處理。這就是我們指普通意義上智能傳感器,又稱傳感器智能化。二是借助于半導(dǎo)體技術(shù)把傳感器部分與信號(hào)預(yù)處理電路、輸入輸出接口、微處理器等制作在同一塊芯片上，即成為大規(guī)模集成電路智能傳感器，簡稱集成智能傳感器。集成智能傳感器含有多功效、一體化、精度高、適宜于大批量生產(chǎn)、體積小和便于使用等優(yōu)點(diǎn)，它是傳感器發(fā)展必定趨勢(shì)，它實(shí)現(xiàn)將取決于半導(dǎo)體集成化工藝水平提升與發(fā)展。58第58頁就當(dāng)前來看，已經(jīng)有不少以組合形式出現(xiàn)智能傳感器作為產(chǎn)品投入市場(chǎng)，如美國Honeywell企業(yè)推出DSTJ-3000型硅壓阻式智能傳感器,ParScientific企業(yè)1000系列數(shù)字式石英智能傳感器。我國也著手智能傳感器開發(fā)與研究，主要是在現(xiàn)有使用傳感器中，采取先進(jìn)微處理機(jī)和微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，使之完成第一類路徑智能化。智能傳感器因其在功效、精度、可靠性上較普通傳感器有很大提升，已經(jīng)成為傳感器研究開發(fā)熱點(diǎn)。近年來，伴隨傳感器技術(shù)和微電子技術(shù)發(fā)展，智能傳感器技術(shù)也發(fā)展很快。發(fā)展高性能以硅材料為主各種智能傳感器已成為必定。59第59頁二、智能傳感器功效和組成

不論是傳感器智能化，還是集成智能化傳感器，都是帶有微機(jī)兼具檢測(cè)信息和處理信息功效傳感器，可統(tǒng)稱為智能式傳感器。和傳統(tǒng)傳感器相比，智能化傳感器含有以下功效：①含有邏輯判斷、統(tǒng)計(jì)處理功效?？蓪?duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì)和修正，還可進(jìn)行線性、非線性、溫度、噪聲、響應(yīng)時(shí)間、交叉感應(yīng)以及遲緩漂移等誤差賠償，提升了測(cè)量準(zhǔn)確度。②含有自診療、自校準(zhǔn)功效?？稍诮油娫磿r(shí)進(jìn)行開機(jī)自檢，可在工作中進(jìn)行運(yùn)行自檢，并可實(shí)時(shí)自行診療測(cè)試，以確定哪一組件有故障，提升了工作可靠性。60第60頁③含有自適應(yīng)、自調(diào)整功效。可依據(jù)待測(cè)物理量數(shù)值大小及改變情況自動(dòng)選擇檢測(cè)量程和測(cè)量方式，提升了檢測(cè)適用性。④含有組態(tài)功效?？蓪?shí)現(xiàn)多傳感器、多參數(shù)復(fù)合測(cè)量，擴(kuò)大了檢測(cè)與使用范圍。⑤含有記憶、存放功效。可進(jìn)行檢測(cè)數(shù)據(jù)隨時(shí)存取，加緊了信息處理速度。⑥含有數(shù)據(jù)通訊功效。智能化傳感器含有數(shù)據(jù)通訊接口，能與計(jì)算機(jī)直接聯(lián)機(jī)，相互交換信息，提升了信息處理質(zhì)量。61第61頁計(jì)算機(jī)軟件在智能傳感器中起著舉足輕重作用。因?yàn)椤半娔X”加入，智能傳感器可經(jīng)過各種軟件對(duì)信息檢測(cè)過程進(jìn)行管理和調(diào)整，使之工作在最正確狀態(tài)，從而增強(qiáng)了傳感器功效，提升了傳感器性能。另外，利用計(jì)算機(jī)軟件能夠?qū)崿F(xiàn)硬件難以實(shí)現(xiàn)功效，因?yàn)橐攒浖娌糠钟布?，可降低傳感器制作難度。智能式傳感器系統(tǒng)普通組成框圖如圖所表示。其中作為系統(tǒng)“大腦”微型計(jì)算機(jī)，能夠是單片機(jī)、單板機(jī)，也能夠是微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。62第62頁智能傳感器結(jié)構(gòu)框圖63第63頁三、傳感器智能化1、傳感器智能化概念

傳感器智能化指傳感器與微處理機(jī)可分為兩個(gè)獨(dú)立部分，傳感器輸出信號(hào)經(jīng)處理和轉(zhuǎn)化后由接口送入微處理機(jī)部分進(jìn)行運(yùn)算處理。這類智能傳感器主要由傳感器、微處理器及其相關(guān)電路組成。傳感器將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)電信號(hào),送到信號(hào)調(diào)理電路中,進(jìn)行濾波、放大、模-數(shù)轉(zhuǎn)換后,送到微處理機(jī)中。微處理機(jī)是智能傳感器關(guān)鍵,它不但能夠?qū)鞲衅鳒y(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、存放、數(shù)據(jù)處理,還能夠經(jīng)過反饋回路對(duì)傳感器進(jìn)行調(diào)整。因?yàn)槲⑻幚頇C(jī)充分發(fā)揮各種軟件功效,能夠完成硬件難以完成任務(wù),從而大大降低了傳感器制造難度,提升了傳感器性能,降低了成本。64第64頁微型計(jì)算機(jī)或微處理機(jī)是智能式傳感器關(guān)鍵。傳感器信號(hào)經(jīng)一定硬件電路處理后，以數(shù)字信號(hào)形式進(jìn)入計(jì)算機(jī)，于是計(jì)算機(jī)即可依據(jù)其內(nèi)存中駐留軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量過程各種控制、邏輯判斷和數(shù)據(jù)處理以及信息輸送等功效，從而使傳感器取得智能。在智能傳感器中，其控制功效、數(shù)據(jù)處理功效和數(shù)據(jù)傳輸功效尤為主要。實(shí)際上，為了使智能式傳感器真正含有智能，控制功效就應(yīng)該包含：鍵盤控制功效、量程自動(dòng)切換功效、多路與多路通道切換功效、數(shù)據(jù)極限判斷與越限報(bào)警功效、自診療與自校正功效。比如為使智能式傳感器含有自校正功效，在傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可考慮預(yù)留一路模擬量輸入通道作自校正用，然后經(jīng)過計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)自校正。65第65頁該程序執(zhí)行步驟為：所用微機(jī)先向Ｄ/Ａ轉(zhuǎn)換口輸出一個(gè)定值(固定代碼)，經(jīng)DAC變換為對(duì)應(yīng)模擬電壓值，再送到Ａ/Ｄ通路自校正輸入端。今后，由微機(jī)開啟ADC，待Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換結(jié)束，再取回轉(zhuǎn)換結(jié)果值，并與原送出代碼進(jìn)行比較。如結(jié)果相符或誤差在允許范圍內(nèi)，則認(rèn)為自校正功效正常。若感覺僅在一點(diǎn)上進(jìn)行自校正還不能說明問題，能夠設(shè)置2～3個(gè)自校正點(diǎn)，如可設(shè)置其零點(diǎn)、中點(diǎn)及滿刻度點(diǎn)為自校正點(diǎn)，并分三次比較。經(jīng)過比較和判斷，確定輸入、輸出以及接口等是否正常。66第66頁2、傳感器智能化實(shí)例

下列圖是智能式應(yīng)力傳感器硬件結(jié)構(gòu)圖。智能式應(yīng)力傳感器用于測(cè)量飛機(jī)機(jī)翼上各個(gè)關(guān)鍵部位應(yīng)力大小，并判斷機(jī)翼工作狀態(tài)是否正常以及故障情況。它共有6路應(yīng)力傳感器和1路溫度傳感器，其中每一路應(yīng)力傳感器由4個(gè)應(yīng)變片組成全橋電路和前級(jí)放大器組成，用于測(cè)量應(yīng)力大小。溫度傳感器用于測(cè)量環(huán)境溫度，從而對(duì)應(yīng)力傳感器進(jìn)行誤差修正。采取8031單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理和控制單元。多路開關(guān)依據(jù)單片機(jī)發(fā)出命令輪番選通各個(gè)傳感器通道，0通道作為溫度傳感器通道，1～6通道分別為6個(gè)應(yīng)力傳感器通道。程控放大器則在單片機(jī)命令下分別選擇不一樣放大倍數(shù)對(duì)各路信號(hào)進(jìn)行放大。該智能式傳感器含有較強(qiáng)自適應(yīng)能力，它能夠判斷工作環(huán)境原因改變，進(jìn)行必要修正，以確保測(cè)量準(zhǔn)確性。67第67頁智能式應(yīng)力傳感器硬件結(jié)構(gòu)圖68第68頁智能式應(yīng)力傳感器含有測(cè)量、程控放大、轉(zhuǎn)換、處理、模擬量輸出、打印鍵盤監(jiān)控及經(jīng)過串口與計(jì)算機(jī)通信功效。其軟件采取模塊化和結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法，軟件結(jié)構(gòu)如圖所表示。主程序模塊完成自檢、初始化、通道選擇以及各個(gè)功效模塊調(diào)用功效。其中信號(hào)采集模塊主要完成數(shù)據(jù)濾波、非線性賠償、信號(hào)處理、誤差修正以及檢索查表等功效。故障診療模塊任務(wù)是對(duì)各個(gè)應(yīng)力傳感器信號(hào)進(jìn)行分析，判斷飛機(jī)機(jī)翼工作狀態(tài)及是否存在損傷或故障。鍵盤輸入及顯示模塊含有以下任務(wù)：69第69頁①查詢是否有鍵按下，若有鍵按下則反饋給主程序模塊，主程序模塊依據(jù)鍵意執(zhí)行或調(diào)用對(duì)應(yīng)功效模塊；②顯示各路傳感器數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)。輸出打印模塊主要控制模擬量輸出以及控制打印機(jī)完成打印任務(wù)。通信模塊主要控制RS232串行通信口和上位微機(jī)發(fā)通信。70第70頁智能式應(yīng)力傳感器軟件結(jié)構(gòu)圖71第71頁四、集成智能傳感器

1、集成智能傳感器發(fā)展方向集成電路和微機(jī)械工藝促進(jìn)了傳感器技術(shù)發(fā)展，改變了傳感器作為單純物理量轉(zhuǎn)換傳統(tǒng)概念。當(dāng)前，傳感器發(fā)展主要集中在集成化和智能化兩個(gè)方面。72第72頁傳感器集成化是指將多個(gè)功效相同或不一樣敏感器件制作在同一個(gè)芯片上組成傳感器陣列。集成化主要有三個(gè)方面含義：一是將多個(gè)功效完全相同敏感單元集成在同一個(gè)芯片上，用來測(cè)量被測(cè)量空間分布信息，比如壓力傳感器陣列或我們熟知CCD器件；二是對(duì)多個(gè)結(jié)構(gòu)相同、功效相近敏感單元進(jìn)行集成，比如將不一樣氣敏傳感元集成在一起組成“電子鼻”，利用各種敏感元對(duì)不一樣氣體交叉敏感效應(yīng)，采取神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識(shí)別等先進(jìn)數(shù)據(jù)處理技術(shù)，能夠?qū)M成混合氣體各種成份同時(shí)監(jiān)測(cè)，得到混合氣體組成信息，同時(shí)提升氣敏傳感器測(cè)量精度;這層含義上集成還有一個(gè)情況是將不一樣量程傳感元集成在一起，能夠依據(jù)待測(cè)量大小在各個(gè)傳感元之間切換，在確保測(cè)量精度同時(shí)，擴(kuò)大傳感器測(cè)量范圍；三是指對(duì)不一樣類型傳感器進(jìn)行集成，比如集成有壓力、溫度、濕度、流量、加速度、化學(xué)等敏感單元傳感器，能同時(shí)測(cè)到環(huán)境中物理特征或化學(xué)參量，用來對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)。73第73頁集成電路和各種傳感器特征尺寸已到達(dá)亞微米和深亞微米量級(jí)，因?yàn)榉请娮釉涌谖茨茏龅酵瘸叽缍拗屏似潴w積、重量、價(jià)格等減小。智能化是將傳感器(或傳感器陣列)與信號(hào)處理電路和控制電路集成在同一芯片上。系統(tǒng)能夠經(jīng)過電路進(jìn)行信號(hào)提取和信號(hào)處理，依據(jù)詳細(xì)情況自主地對(duì)整個(gè)傳感器系統(tǒng)進(jìn)行自檢、自校準(zhǔn)和自診療，并能依據(jù)待測(cè)物理量大小及改變情況自動(dòng)選擇量程和測(cè)量工作方式。和經(jīng)典傳感器相比，集成智能傳感器能夠減小系統(tǒng)體積，降低制造成本，提升測(cè)量精度，增強(qiáng)傳感器功效，是當(dāng)前國際上傳感器研究熱點(diǎn)，也是未來傳感器發(fā)展主流。74第74頁2、智能傳感器研究熱點(diǎn)

1）物理轉(zhuǎn)化機(jī)理理論上講，有很各種物理效應(yīng)能夠?qū)⒋郎y(cè)物理量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量。在智能傳感器出現(xiàn)之前，為了數(shù)據(jù)讀取方便，人們選擇物理轉(zhuǎn)化機(jī)理時(shí)，被迫優(yōu)先選擇那些輸入—輸出傳遞函數(shù)為線性轉(zhuǎn)化機(jī)理，而舍棄掉其它傳遞函數(shù)為非線性，但含有長久穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性等性質(zhì)轉(zhuǎn)換機(jī)理或材料。因?yàn)橹悄軅鞲衅髂軌蚝茌p易對(duì)非線性傳遞函數(shù)進(jìn)行校正，得到一個(gè)線性度非常好輸出結(jié)果，從而消除了非線性傳遞函數(shù)對(duì)傳感器應(yīng)用制約，所以一些科研工作者正在對(duì)這些穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、靈敏度高轉(zhuǎn)換機(jī)理或材料重新進(jìn)行研究。75第75頁

2）數(shù)據(jù)融合理論數(shù)據(jù)融合是智能傳感器理論主要領(lǐng)域，也是各國研究熱點(diǎn)。數(shù)據(jù)融合經(jīng)過分析各個(gè)傳感器信息，來取得更可靠、更有效、更完整信息，并依據(jù)一定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判斷，作出正確結(jié)論。對(duì)于由多個(gè)傳感器組成陣列，數(shù)據(jù)融合技術(shù)能夠充分發(fā)揮各個(gè)傳感器特點(diǎn)，利用其互補(bǔ)性、冗余性，提升測(cè)量信息精度和可靠性，延長系統(tǒng)使用壽命，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)識(shí)別、判斷和決議。76第76頁多傳感器系統(tǒng)融合中心接收各傳感器輸入信息，得到一個(gè)基于多傳感器決議聯(lián)合概率密度函數(shù)，然后按一定準(zhǔn)則作出最終決議。融合中心慣用融合方法有錯(cuò)誤率最小化法、NP法、自適應(yīng)增強(qiáng)學(xué)習(xí)法、廣義證據(jù)處理法等等。傳感器數(shù)據(jù)融合是傳感器技術(shù)、模式識(shí)別、人工智能、含糊理論、概率統(tǒng)計(jì)等交叉新興學(xué)科，當(dāng)前還有許多問題沒有處理，如最優(yōu)分布檢測(cè)方法、數(shù)據(jù)融合分布式處理結(jié)構(gòu)、基于含糊理論融合方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于多傳感器系統(tǒng)、多傳感器信號(hào)之間相互耦合、系統(tǒng)功效配置及冗余優(yōu)化設(shè)計(jì)等，這些問題也是當(dāng)今數(shù)據(jù)融合理論研究熱點(diǎn)。77第77頁

3）CMOS工藝兼容傳感器制造與集成封裝技術(shù)集成式微型智能傳感器是受集成電路制作工藝牽引而發(fā)展起來，怎樣充分利用已經(jīng)行之有效大規(guī)模集成電路制作技術(shù)，是智能傳感器降低成本，提升質(zhì)量，增加效益，批量生產(chǎn)最可行，最有效路徑。但傳統(tǒng)微機(jī)械傳感器制作工藝與CMOS工藝兼容性較差。為了確保加工應(yīng)力能完全松弛，微機(jī)械結(jié)構(gòu)需要長時(shí)間高溫退火；而為了成功地實(shí)施必要曝光，CMOS技術(shù)需要非常平整表面，這就造成了矛盾。因?yàn)榧偃缦韧瓿蓹C(jī)械加工工序，