模块九新型传感器及其应用ppt课件.pptx

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1、模块九新型传感器及其应用传感器技术及应用刘映群 曾海峰 主编 ISBN:978-7-113-21869-0中国铁道出版社2016-10模模块九新型传感器及其应用块九新型传感器及其应用本模块主要了解新型传感器的基本应用情况。新型传感器的概念、分类；新型传感器的结构、工作原理及特点；新型传感器的应用领域。知识点：新型传感器的应用分析。技能点： 本模块以拓宽视野为主。教师主要是将项目的基本知识及应用前景跟学生讲明即可，学生大部分时间自主学习，并进行分析总结。教学法：项目说明项目说明近年来，传感器技术新原理、新材料和新技术的研究更加深入、广泛，新品种、新结构、新应用不断涌现。生物传感器就是其中之一。生

2、物传感器是由固定化的生物敏感材料作为识别元件(包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质)与适当的理化换能器(如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等)及信号放大装置构成的分析工具或系统，具有接受器与转换器的功能。目前，生物传感器已广泛应用于食品毒性检测、医学检测、工业加工和监测、农业应用、环境污染控制等方面。项目一项目一 生生物传感器应用实例分析物传感器应用实例分析生物传感器又称仿生传感器，是一种采用新的检测原理的新型传感器，它采用固定化的细胞、酶或者其他生物活性物质与换能器相配合组成传感器。这种传感器是近年来生物医学和电子学、工程学相互渗透而发展起来的一种新型的信息技术。这

3、种传感器的特点是机能高、寿命长。在仿生传感器中，比较常用的是生体模拟的传感器。生物传感器按照使用的介质不同可以分为：酶传感器、微生物传感器、细胞器传感器、组织传感器等。项目一项目一 生生物传感器应用实例分析物传感器应用实例分析1组成结构生物传感器由分子识别部分（敏感元件）和转换部分（换能器）构成：分子识别部分由敏感元件组成，是可以引起某种物理变化或化学变化的主要功能元件，是以分子识别部分去识别被测目标，它是生物传感器选择性测定的基础。各种生物传感器有以下共同的结构：包括一种或数种相关生物活性材料（生物膜）及能把生物活性表达的信号转换为电信号的物理或化学换能器（传感器），二者组合在一起，用现代微

4、电子和自动化仪表技术进行生物信号的再加工，构成各种可以使用的生物传感器分析装置、仪器和系统。项目一项目一 生生物传感器应用实例分析物传感器应用实例分析生物传感器实现以下三个功能：感受：提取出动植物发挥感知作用的生物材料，包括：生物组织、微生物、细胞器、酶、抗体、抗原、核酸、DNA等。实现生物材料或类生物材料的批量生产，反复利用，降低检测的难度和成本。观察：将生物材料感受到的持续、有规律的信息转换为人们可以理解的信息。反应：将信息通过光学、压电、电化学、温度、电磁等方式展示给人们，为人们的决策提供依据。项目一项目一 生生物传感器应用实例分析物传感器应用实例分析2主要功能生物传感器是对生物物质敏感

5、并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。具有接受器与转换器的功能。生物体中能够选择性地分辩特定物质的物质有酶、抗体、组织、细胞等。这些分子识别功能物质通过识别过程可与被测目标结合成复合物，如抗体和抗原的结合，酶与基质的结合。项目一项目一 生生物传感器应用实例分析物传感器应用实例分析3发展历程第一个生物传感器是1967年S.J.乌普迪克等制出的葡萄糖传感器。现已发展了第二代生物传感器（微生物、免疫、酶免疫和细胞器传感器），研制和开发第三代生物传感器，将系统生物技术和电子技术结合起来的场效应生物传感器，90年代开启了微流控技术，生物传感器的微流控芯片集成为药物筛选与基因诊断等提供了新的技术前景。在未

6、来21世纪知识经济发展中，生物传感器技术必将是介于信息和生物技术之间的新增长点，在国民经济中的临床诊断、工业控制、食品和药物分析（包括生物药物研究开发）、环境保护以及生物技术、生物芯片等研究中有着广泛的应用前景。项目一项目一 生生物传感器应用实例分析物传感器应用实例分析4技术特点（1）采用固定化生物活性物质作催化剂，价值昂贵的试剂可以重复多次使用，克服了过去酶法分析试剂费用高和化学分析繁琐复杂的缺点。（2）专一性强，只对特定的底物起反应，而且不受颜色、浊度的影响。（3）分析速度快，可以在一分钟得到结果。（4）准确度高，一般相对误差可以达到1%（5）操作系统比较简单，容易实现自动分析（6）成本低

7、，在连续使用时，每例测定仅需要几分钱人民币。（7）有的生物传感器能够可靠地指示微生物培养系统内的供氧状况和副产物的产生。在产控制中能得到许多复杂的物理化学传感器综合作用才能获得的信息。同时它们还指明了增加产物得率的方向。项目一项目一 生生物传感器应用实例分析物传感器应用实例分析5设备分类生物传感器主要有下面三种分类命名方式：（1）根据生物传感器中分子识别元件（即敏感元件）不同可分为五类：酶传感器（enzymesensor），微生物传感器（microbialsensor），细胞传感器（organallsensor），组织传感器（tis-suesensor）和免疫传感器（immunolsensor

8、）。显而易见，所应用的敏感材料依次为酶、微生物个体、细胞器、动植物组织、抗原和抗体。（2）根据生物传感器的换能器（即信号转换器）不同分类有：生物电极（bioelectrode）传感器，半导体生物传感器（semiconductbiosensor），光生物传感器（opticalbiosensor），热生物传感器（calorimetricbiosensor），压电晶体生物传感器（piezoelectricbiosensor）等，换能器依次为电化学电极、半导体、光电转换器、热敏电阻、压电晶体等。（3）以被测目标与分子识别元件的相互作用方式不同进行分类有生物亲和型生物传感器（affinitybiosen

9、sor）、代谢型或催化型生物传感器。项目一项目一 生生物传感器应用实例分析物传感器应用实例分析三种分类方法之间实际互相交叉使用。例如便携式心脏监护器就是采用了生物传感器的一种设备。如图9-1所示。监护器内整合了电极、生物传感器、微型计算机芯片和无线发射电路。将监护器安置在患者身上或植入体内，24小时监测心律不齐症状。医生通过无线网络可以及时了解每位病人的病情。这种便捷诊断可以大范围实施，并可降低急救成本。 图9-1 便携式心脏监护器项目一项目一 生生物传感器应用实例分析物传感器应用实例分析6应用分析1）综述生物传感器是一门由生物、化学、物理、医学、电子技术等多种学科互相渗透成长起来的高新技术。

10、因其具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低、在复杂的体系中进行在线连续监测，特别是它的高度自动化、微型化与集成化的特点，使其在近几十年获得蓬勃而迅速的发展。在国民经济的各个部门如食品、制药、化工、临床检验、生物医学、环境监测等方面有广泛的应用前景。特别是分子生物学与微电子学、光电子学、微细加工技术及纳米技术等新学科、新技术结合，正改变着传统医学、环境科学动植物学的面貌。生物传感器的研究开发，已成为世界科技发展的新热点，形成21世纪新兴的高技术产业的重要组成部分，具有重要的战略意义。项目一项目一 生生物传感器应用实例分析物传感器应用实例分析2）食品工业生物传感器在食品分析中的应用包括食品成分

11、、食品添加剂、有害毒物及食品鲜度等的测定分析。（1）食品成分分析（2）食品添加剂的分析（3）农药残留量分析（4）微生物和毒素的检验（5）食品鲜度的检测项目一项目一 生生物传感器应用实例分析物传感器应用实例分析3）环境监测环境污染问题日益严重，人们迫切希望拥有一种能对污染物进行连续、快速、在线监测的仪器，生物传感器满足了人们的要求。已有相当部分的生物传感器应用于环境监测中。（1）水环境监测（2）大气环境监测4）发酵工业在各种生物传感器中，微生物传感器具有成本低、设备简单、不受发酵液混浊程度的限制、可能消除发酵过程中干扰物质的干扰等特点。因此，在发酵工业中广泛地采用微生物传感器作为一种有效的测量工

12、具。（1）原材料及代谢产物的测定（2）微生物细胞数目的测定项目一项目一 生生物传感器应用实例分析物传感器应用实例分析5）医学医学领域的生物传感器发挥着越来越大的作用。生物传感技术不仅为基础医学研究及临床诊断提供了一种快速简便的新型方法，而且因为其专一、灵敏、响应快等特点，在军事医学方面，也具有广的应用前景。（1）临床医学（2）军事医学项目一项目一 生生物传感器应用实例分析物传感器应用实例分析7操作实例下面应用于探测葡萄糖浓度的实例。美国普渡大学等机构的研究人员制成了新型生物传感器，能够以非侵入的方式进行糖尿病测试，探测出人体唾液和眼泪中极低的葡萄糖浓度。这项技术无需过于繁复的生产步骤，从而可降

13、低传感器的制造成本，并可能帮助消除或降低利用针刺进行糖尿病测试的几率。项目一项目一 生生物传感器应用实例分析物传感器应用实例分析8发展前景1）概述随着生物科学、信息科学和材料科学发展成果的推动，生物传感器技术飞速发展。但是，目前，生物传感器的广泛应用仍面临着一些困难，今后一段时间里，生物传感器的研究工作将主要围绕选择活性强、选择性高的生物传感元件；提高信号检测器的使用寿命；提高信号转换器的使用寿命；生物响应的稳定性和生物传感器的微型化、便携式等问题。可以预见，未来的生物传感器将具有以下特点。2）功能多样化3）微型化4）智能化集成化5）低成本高灵敏度高稳定性高寿命6）实用性项目一项目一 生生物传

14、感器应用实例分析物传感器应用实例分析9衍生设备1）DNA生物传感器2）皮肤生物传感器项目一项目一 生生物传感器应用实例分析物传感器应用实例分析项目说明项目说明随着传感器技术的推广应用，机器人的发展也备受关注，同时也因为传感器技术的进步，使得工业机器人的发展有了支持。传感器为推动中国机器人产业快速有序发展立下了汗马功劳。传感器是用来检测机器人自身的工作状态，以及机器人智能探测外部工作环境和对象状态的核心部件。能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。项项目二目二 机器人传感器应用实例分析机器人传感器应用实例分析为了检测作业对象及环境或机器人与它们的关系，在机器人上安装了

15、触觉传感器、视觉传感器、倾角传感器(或倾角模块)、力觉传感器、近觉传感器、超声波传感器和听觉传感器，大大改善了机器人工作状况，使其能够更充分地完成复杂的工作。同样的，为了实现在复杂、动态及不确定性环境下的自主性，目前各国研制人员逐渐将视觉、听觉、压觉、热觉、力觉传感器等多种不同功能的传感器合理地组合在一起，形成机器人的感知系统，为机器人提供更为详细的外界环境信息，进而促使机器人对外界环境变化做出实时、准确、灵活的行为响应。项目二项目二 机器人传感器应用实例分析机器人传感器应用实例分析根据传感器在机器人中的作用，一般传感器分为：内部传感器（体内传感器）：主要测量机器人内部系统，比如温度，电机速度

16、，电机载荷，电池电压等。外部传感器（外界传感器）：主要测量外界环境，比如距离测量，声音，光线。根据传感器的运行方式，可以分为：被动式传感器：传感器本身不发出能量，比如CCD，CMOS摄像头传感器，靠捕获外界光线来获得信息。主动式传感器：传感器会发出探测信号。比如超声波，红外，激光。但是此类传感器的反射信号会受到很多物质的影响，从而影响准确的信号获得。同时，信号还狠容易受到干扰，比如相邻两个机器人都发出超声波，这些信号就会产生干扰。项目二项目二 机器人传感器应用实例分析机器人传感器应用实例分析下面介绍机器人常用的传感器，主要有以下几种。1.碰撞传感器碰撞传感器是使机器人有感知碰撞环上的碰撞信息能

17、力的传感器。通常在机器人的前、左前、右前设置有三个碰撞开关（常开），它们与碰撞环一起构成了碰撞传感器，如图9-2所示，可以通过扩展在机器人的后、左后、右后设置三个碰撞开关。碰撞环与底盘柔性连接，在受力后与底盘产生相对位移，触发固连在底盘上相应的碰撞开关，使之闭合。碰撞传感器方位如图9-3所示。项项目二目二 机器人传感器应用实例分析机器人传感器应用实例分析项项目二目二 机器人传感器应用实例分析机器人传感器应用实例分析机器人的前后挡板上放置了碰撞系统，保证机器人的正常活动。机器人的碰撞机构能够检测到来自前后各120范围内物体的碰撞，使机器人遭遇到来自不同方向的碰撞后，能够转弯避开并保持正常活动。前

18、后的碰撞系统各由一个被弹性固定到机器人主体上的半环状金属片和碰撞开关组成。来自不同方向的碰撞将使不同的碰撞开关闭合，从而可以判断出障碍物的方向，从而进行避障。碰撞传感器结构如图9-4所示。项项目二目二 机器人传感器应用实例分析机器人传感器应用实例分析项项目二目二 机器人传感器应用实例分析机器人传感器应用实例分析2.红外传感器机器人的红外传感器共包含两种器件：红外发射管和红外接收管，由图9-5就可以发现红外接收管可以安装于机器人的正前方，两只红外发射管安装于红外接收管的两侧；同时红外发射管也可以安装于机器人的正前方，两只红外接受管安装于红外发射管两侧。它们也可以安装到灭火风扇支架上面，可以说机器

19、人给用户提供了更多的自主创新空间去发挥。项项目二目二 机器人传感器应用实例分析机器人传感器应用实例分析项项目二目二 机器人传感器应用实例分析机器人传感器应用实例分析红外发射管可以发出红外线，红外线在遇到障碍后被反射回来，红外接收管接收到被反射回来的红外线以后，通过A-D转换送入CPU进行处理。机器人的红外传感器能够看到前方1080cm，90范围内的比210mm150mm面积大的障碍物，如果障碍物太小太细、或者在它的可视范围以外，它可就没法看到了。一般机器人标准配置上采用2只远红外光电接收二极管（7001000nm）构成红外传感系统，如图9-6所示，主要用来检测左前方和右前方的热源，检测距离范围

20、为01m。用户可以通过调节电位器来调节远红外传感器灵敏度。项项目二目二 机器人传感器应用实例分析机器人传感器应用实例分析远红外传感器将外界红外光的变化转化为电流的变化，在电阻上产生电压，通过A-D转换器反映为01023范围内的数值。外界红外光越强，数值越小。因此越靠近热源，机器人显示读数越小。根据函数返回值的变化能判断红外光线的强弱，从而能大致判别出热源的远近。注意：由于远红外火焰探头工作温度为25+85,存放温度为30100，超过以上温度范围，远红外火焰探头可能会出现工作失常甚至损坏，所以在使用过程中应注意火焰探头离热源的距离不能太近，以免造成损坏。远红外传感器探测角度为60，如图9-7所示

21、，测试时最好让热源处于探头的检测范围内。项项目二目二 机器人传感器应用实例分析机器人传感器应用实例分析3.光敏传感器光敏传感器是由两个光敏电阻组成，它可以安装在机器人的传感器支架、灭火风扇支架上的任意位置。光敏传感器能够探测光线，我们在机器人的光敏传感器上罩了一层滤光纸，通过滤纸的颜色来决定机器人所能探测到的光线颜色，使它能看见的颜色特定化。机器人上有2个光敏传感器，如图9-8所示，它可以检测到光线的强弱。光敏传感器其实是一个光敏电阻，光敏电阻的电极如图9-9所示，它的阻值受照射在它上面的光线强弱的影响。机器人所用的光敏电阻的阻值在很暗的环境下为75k，室内照度下为几千欧姆，阳光或强光下为几十

22、欧姆。项项目二目二 机器人传感器应用实例分析机器人传感器应用实例分析项项目二目二 机器人传感器应用实例分析机器人传感器应用实例分析4传声器机器人的传声器可以感受到声音的强弱。我们知道我们自己的耳朵并不是所有声音都可以听见的，当声音的频率在一定范围内时我们才能听见，机器人的“耳朵”也是这样，它的功能较强，能听见的声音频率范围跟人能听到的范围大致是一样的，大约是1620000Hz的机械波。机器人在听到声音命令后，会根据指示（由程序事先输入）采取行动。机器人上的传声器（microphone）是能够识别声音声强大小的声音传感器，如图9-10所示。传声器采集到的信号通过LM386进行放大，放大倍数为20

23、0，输出信号接至MIC（AD8）。返回值为01023。电路原理如图9-11所示。项项目二目二 机器人传感器应用实例分析机器人传感器应用实例分析项项目二目二 机器人传感器应用实例分析机器人传感器应用实例分析5.光电编码器在机器人里装有码盘和光耦（光电编码器）。光电编码器主要用于产生控制的反馈信号。码盘随轮轴一起转动，光耦通过对码盘转动角度的测定，得出轮子所转动的圈数，从而测定距离。光电编码器是一种能够传递位置信息的传感器，它由光电编码模块及码盘组成，如图9-12所示。机器人有2个光电编码器，运用反射式红外发射接收模块。反射器（即码盘）是黑白相间的铝合金制成的圆片，40等分。当码盘随轮子旋转时，黑

24、条和白条交替经过光电编码器，反馈的信号状态不同，即构成一个脉冲。因此360共产生20个脉冲，因为这里的码盘是A、B相的，两相相差1/4个周期，所以实际一个周期得到的是40个脉冲，经过2倍频后，一周得到的脉冲数目80，所以轮子转一周，我们读到的编码器数据为80。机器人轮子直径为64mm。 项项目二目二 机器人传感器应用实例分析机器人传感器应用实例分析项项目二目二 机器人传感器应用实例分析机器人传感器应用实例分析6.地面灰度传感器地面灰度传感器也叫寻迹传感器，它由一个红外光发射管和一个红外接受管组成。地面的灰度不同，接收管接收到的反射信号也不同，从而可以得到地面上灰度的信息。如图9-13所示。项项

25、目二目二 机器人传感器应用实例分析机器人传感器应用实例分析7.金属接近开关金属接近开关为一种反射式接近传感器，可以探测到一定距离内的金属物体。其安装方式如图9-14所示。项项目二目二 机器人传感器应用实例分析机器人传感器应用实例分析8其他传感器机器人还能集成很多其他的传感器，下面仅作简单介绍。1）热释电传感器热释电传感器对移动的人体热源敏感，可以探测几米外的人体。机器人装上1个或几个热释电传感器后，你可以让他一看见你，就向你迎过来，让他跟着你走。2）超声传感器超声传感器是机器人测距的专业传感器，测量距离一般为0.26m，测量精度为1%，是测量声波发射与收到回波之间的时间差来测量距离的。运用机器

26、人本体上带的传感器在房间里找到门不容易，但运用声纳对房间扫描一周后，就能较方便找到房门。项项目二目二 机器人传感器应用实例分析机器人传感器应用实例分析3）连续测距红外传感器SHARP公司推出了创新的GP2D02/GP2D12连续测距红外传感器，测量范围为1080cm，参加灭火比赛时，用它来找房间门非常棒。4）数字指南针自主机器人的导航至今仍是世界性难题，借助数字指南针，可以使机器人辨别方向。5）温度传感器可以想让机器人动态告诉当前气温是多少。6）无线视觉传感器用机器人来作移动的监视平台。你可以在机器人上安装无线摄像头，把视频信号发射出来，用PC机接收后进行图像处理。项项目二目二 机器人传感器应

27、用实例分析机器人传感器应用实例分析项目说明微型传感器是目前最为成功并最具实用性的微型机电器件，主要包括利用微型膜片的机械形变产生电信号输出的微型压力传感器和微型加速度传感器；此外，还有微型温度传感器、磁场传感器、气体传感器等，这些微型传感器的面积大多在1mm2以下。随着微电子技术的进步，微处理器、存储器等电子器件日益微型化，而传感器、执行器的微型化程度却远远落后，成了信息系统微型化的“瓶颈”。将传感器、微处理器、执行器合为一体，构成微电子机械系统，是人们很久的愿望。于是，“MEMS技术”应运而生。（Micro Electro Mechanical System）MEMS是“微机械电子系统”的英

28、文缩写。微机电系统是采用微机械加工技术，将微型传感器、微型执行器、微型机构和相应的处理电路集成在一起的微型器件或微型系统。项目三项目三 微型传感器实例分析微型传感器实例分析 1概念 （1）就单一传感器而言，微传感器是指尺寸微小的传感器，如敏感元件的尺寸从微米级到毫米级、甚至达到纳米级，主要采用精密加工、微电子以及微机电系统技术，实现传感器尺寸的缩小。如图9-14所示。 图9-14 微型传感器 （2）就集成的传感器而言，微传感器是指将微小的敏感元件、信号处理器、数据处理装置封装在一块芯片上而形成的集成的传感器。 （3）就传感器系统而言，微传感器是指传感系统中不但包括微传感器，还包括微执行器，可以

29、独立工作，甚至由多个微传感器组成传感器网络，或者可实现异地联网。项目三项目三 微型传感器实例分析微型传感器实例分析 2特点 （1）体积小、重量轻 （2）功耗低 （3）性能好 （4）易于批量生产、成本低 （5）便于集成化和多功能化 （6）提高传感器化智能化水平项目三项目三 微型传感器实例分析微型传感器实例分析 3分类 按照被测量的物理性质，将微型传感器分为化学微传感器、生物微传感器、物理微传感器等，简要介绍一下每种类型中典型的微传感器： （1）离子传感器化学型 离子传感器是将溶液中的离子活度转换为电信号的传感器。基本原理是利用固定在敏感膜上的离子识别材料有选择性的结合被传感的离子，从而发生膜电位

30、或膜电压的改变，达到检测目的。离子敏传感器广泛用在化学、医药、食品以及生物工程等行业中。项目三项目三 微型传感器实例分析微型传感器实例分析 （2）基因传感器生物型 基因传感器通过固定在感受器表面上的已知核苷酸序列的单链脱氧核糖核酸（Deoxyribo Nucleic Acid，DNA）分子（也称为SS-DNA探针），和另一条互补的SS-DNA分子（也称为目称DNA或靶DNA）杂交，形成双链DNA（dsDNA），换能器将杂交过程或结果所产生的变化转换成电、光、声等物理信号，通过解析这些响应信号，给出相关基因的信息。基因传感器也称DNA传感器。 （3）声表面波传感器物理型 声表面波(Surface

31、 Acoustic Wave，SAW)传感器是利用声表面波技术和微机电系统技术，将各种非电量信息，如压力、温度、流量、磁场强度、加速度、角速度等的变化转换为声表面波振器振荡频率的变化的装置。项目三项目三 微型传感器实例分析微型传感器实例分析 4应用 微型传感器是目前最为成功并最具实用性的微型机电器件，主要包括利用微型膜片的机械形变产生电信号输出的微型压力传感器和微型加速度传感器；此外，还有微型温度传感器、磁场传感器、气体传感器等，这些微型传感器的面积大多在1mm2以下。 随着微电子加工技术，特别是纳米加工技术的进一步发展，传感器技术还将从微型传感器进化到纳米传感器。这些微型传感器体积小，可实现

32、许多全新的功能，便于大批量和高精度生产，单件成本低，易构成大规模和多功能阵列，这些特点使得它们非常适合于汽车方面的应用。项目三项目三 微型传感器实例分析微型传感器实例分析 汽车用传感器是用于汽车显示和电控系统的各种传感器的统称。它涉及到很多的物理量传感器和化学量传感器。这些传感器要么是使司机了解汽车各部分状态的；要么是用于控制汽车各部分状态的。 微型传感器应用于提高员工工作效率，传感器通常内置于徽章，或者放在办公家具上，它们会记录员工从办公桌起立、咨询其它团队和举行会议的频率。让数据带来了难以从其它途径获得的有关员工工作情况的见解。为了推动协作和提高员工工作效率，它们正利用相关信息作出大大小小的改变，从确定休息时间，到编排工作小组。传感器还能够揭示员工对办公空间的使用方式。项目三项目三 微型传感器实例分析微型传感器实例分析