微波及生物传感器第十二章.ppt

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1、微波传感器微波传感器 一、一、微波概述微波概述 微微波波是是波波长长为为1 mm1 m的的电电磁磁波波，可可以以细细分分为为三三个个波波段段：分分米米波波、厘厘米米波波、毫毫米米波波。微微波波既既具具有有电电磁磁波波的的性性质质，又又不不同同于于普通无线电波和光波的性质，是一种相对波长较长的电磁波。普通无线电波和光波的性质，是一种相对波长较长的电磁波。具有下列特点：具有下列特点：定向辐射的装置容易制造；定向辐射的装置容易制造；遇到各种障碍物易于反射；遇到各种障碍物易于反射；绕射能力差；绕射能力差；传输特性好，传输过程中受灰尘、强光的影响小；传输特性好，传输过程中受灰尘、强光的影响小；介质对微波

2、的吸收与介质的介电常数成比例。介质对微波的吸收与介质的介电常数成比例。1二、微波传感器的原理和组成二、微波传感器的原理和组成 1 1、微波传感器的测量原理及分类、微波传感器的测量原理及分类 微微波波传传感感器器由由发发射射天天线线发发出出微微波波，遇遇到到被被测测物物体体时将被时将被吸收吸收或或反射反射，使微波功率发生变化。，使微波功率发生变化。若若利利用用接接收收天天线线，接接收收到到通通过过被被测测物物体体或或由由被被测测物物体体反反射射回回来来的的微微波波，并并将将它它转转换换为为电电信信号号，再再经经过过信号调理电路，即可以显示出被测量信号调理电路，即可以显示出被测量 根根据据微微波波

3、传传感感器器的的原原理理，微微波波传传感感器器可可以以分分为为反反射式射式和和遮断式遮断式两类。两类。2（1 1）反射式微波传感器）反射式微波传感器 反反射射式式微微波波传传感感器器是是通通过过检检测测被被测测物物反反射射回回来来的的微微波波功功率率或或经经过过的的时时间间间间隔隔来来测测量量被被测测量量的的。通通常常它它可以测量物体的位置、位移、厚度等参数。可以测量物体的位置、位移、厚度等参数。（2 2）遮断式微波传感器）遮断式微波传感器 遮遮断断式式微微波波传传感感器器是是通通过过检检测测接接收收天天线线收收到到的的微微波波功功率率大大小小来来判判断断发发射射天天线线与与接接收收天天线线之

4、之间间有有无无被被测测物体或被测物体的厚度、物体或被测物体的厚度、含水量等参数的。含水量等参数的。32 2、微波传感器的组成、微波传感器的组成 微微波波传传感感器器通通常常由由微微波波发发射射器器（即即微微波波振振荡荡器器）、微波天线及微波检测器三部分组成。微波天线及微波检测器三部分组成。（1 1）微波振荡器及微波天线）微波振荡器及微波天线 微微波波振振荡荡器器是是产产生生微微波波的的装装置置。由由于于微微波波波波长长很很短短，即即频频率率很很高高（300 300 MHzMHz300 300 GHzGHz），要要求求振振荡荡回回路路中中具具有有非非常常微微小小的的电电感感与与电电容容，因因此此

5、不不能能用用普普通通的的电电子子管管与与晶晶体体管管构构成成微微波波振振荡荡器器。构构成成微微波波振振荡荡器器的的器器件件有有调调速管、磁控管或某些固态器件速管、磁控管或某些固态器件.4 由由微微波波振振荡荡器器产产生生的的振振荡荡信信号号需需要要用用波波导导管管传传输输，并并通通过过天天线线发发射射出出去去。为为了了使使发发射射的的微微波波具具有有尖尖锐锐的的方方向向性性，天天线线要要具有特殊的结构。常用的天线如图所示。具有特殊的结构。常用的天线如图所示。常用的微波天线常用的微波天线(a)(a)扇形喇叭天线扇形喇叭天线;(b);(b)圆锥形喇叭天线圆锥形喇叭天线;(b)(b)(c)(c)旋转

6、抛物面天线旋转抛物面天线;(d);(d)抛物柱面天抛物柱面天线线 5（2 2）微波检测器）微波检测器 电电磁磁波波作作为为空空间间的的微微小小电电场场变变动动而而传传播播，所所以以使使用用电电流流-电电压压特特性性呈呈现现非非线线性性的的电电子子元元件件作作为为探探测测它它的的敏敏感感探探头头,敏敏感感探探头头在在其其工工作作频频率率范范围围内内必必须须有有足足够够快快的的响应速度响应速度。几兆赫以下可用半导体几兆赫以下可用半导体PNPN结结;频率比较高的可使用肖特基结频率比较高的可使用肖特基结;灵灵敏敏度度要要求求特特别别高高的的可可使使用用超超导导材材料料的的约约瑟瑟夫夫逊逊结结检检测测器

7、器、SISSIS检测器等超导隧道结元件检测器等超导隧道结元件;接近光的频率可使用由金属接近光的频率可使用由金属-氧化物氧化物-金属构成的隧道结元件。金属构成的隧道结元件。63 3、微波传感器的特点、微波传感器的特点 微微波波传传感感器器作作为为一一种种新新型型的的非非接接触触传传感感器器具具有有如如下特点：下特点：有有极极宽宽的的频频谱谱（波波长长=1.0=1.0 mm1.0mmm1.0m）可可供供选选用，可根据被测对象的特点选择不同的测量频率；用，可根据被测对象的特点选择不同的测量频率；在在烟烟雾雾、粉粉尘尘、水水汽汽、化化学学气气氛氛以以及及高高、低低温温环环境境中中对对检检测测信信号号的

8、的传传播播影影响响极极小小，因因此此可可以以在在恶劣环境下工作；恶劣环境下工作；时间常数小，时间常数小，反应速度快，反应速度快，可以进行动态检可以进行动态检测与实时处理，测与实时处理，便于自动控制；便于自动控制；7 测测量量信信号号本本身身就就是是电电信信号号，无无须须进进行行非非电电量量的的转转换换，从从而而简简化化了了传传感感器器与与微微处处理理器器间间的的接接口口，便便于于实现遥测和遥控；实现遥测和遥控；微波无显著辐射公害。微波无显著辐射公害。微微波波传传感感器器存存在在的的主主要要问问题题是是零零点点漂漂移移和和标标定定尚尚未未得得到到很很好好的的解解决决。其其次次，使使用用时时外外界

9、界环环境境因因素素影影响响较多，如温度、气压、取样位置等。较多，如温度、气压、取样位置等。8三、微波传感器的应用三、微波传感器的应用 1 1、微波液位传感器、微波液位传感器 微波液位计微波液位计 92 2、微波湿度传感器、微波湿度传感器 水水分分子子是是极极性性分分子子，常常态态下下成成偶偶极极子子形形式式杂杂乱乱无无章章地地分分布布着着。在在外外电电场场作作用用下下，偶偶极极子子会会形形成成定定向向排排列列。当当微微波波场场中中有有水水分分子子时时，偶偶极极子子受受场场的的作作用用而而反反复复取取向向，不不断断从从电电场场中中得得到到能能量量（储储能能），又又不不断断释释放放能能量量（放放能

10、能），前前者者表表现现为为微微波波信信号号的的相相移移，后后者者表现为微波衰减。表现为微波衰减。使用微波传感器，测量干燥物体与含一定水分的潮使用微波传感器，测量干燥物体与含一定水分的潮湿物体所引起的微波信号的相移与衰减量，湿物体所引起的微波信号的相移与衰减量，就可以换就可以换算出物体的含水量。算出物体的含水量。10 下下图图给给出出了了测测量量酒酒精精含含水水量量的的仪仪器器框框图图，图图中中，MSMS产产生生的的微微波波功功率率经经分分功功率率器器分分成成两两路路，再再经经衰衰减减器器A A1 1、A A2 2分分别别注注入入到到两两个个完完全全相相同同的的转转换换器器T T1 1、T T2

11、 2中中。其其中中，T T1 1放放置置无无水水酒酒精精，T T2 2放放置置被被测测样样品品。相相位位与与衰衰减减测测定定仪仪（PTPT、ATAT）分分别别反反复复接接通通两两电电路路（T T1 1和和T T2 2）输输出出，自自动动记记录录与与显显示示它它们们之之间间的的相相位位差差与与衰衰减减差差，从而确定样品酒精的含水量。从而确定样品酒精的含水量。113 3、微波测厚仪微波测厚仪 微微波波测测厚厚仪仪是是利利用用微微波波在在传传播播过过程程中中遇遇到到被被测测物物体体金金属属表表面被反射，且反射波的波长与速度都不变的特性进行测厚的。面被反射，且反射波的波长与速度都不变的特性进行测厚的。

12、微微波波测测厚厚仪仪原原理理如如图图所所示示，在在被被测测金金属属物物体体上上下下两两表表面面各各安安装装一一个个终终端端器器。微微波波信信号号源源发发出出的的微微波波，经经过过环环行行器器A A、上上传传输输波波导导管管传传输输到到上上终终端端器器，由由上上终终端端器器发发射射到到被被测测物物体体上上表表面面上上，微微波波在在被被测测物物体体上上表表面面全全反反射射后后又又回回到到上上终终端端器器，再再经经过过传传输输导导管管、环环行行器器A A、下下传传输输波波导导管管传传输输到到下下终终端端器器。由由下下终终端端器器发发射射到到被被测测物物体体下下表表面面的的微微波波，经经全全反反射射后

13、后又又回回到到下下终终端端器器，再再经经过过传传输输导导管管回回到到环环行行器器A A。因因此此被被测测物物体体的的厚厚度度与与微微波波传传输输过过程程中中的的行行程程长长度度有有密密切切关关系系，当当被被测测物物体体厚厚度度增增加加时时，微波传输的行程长度便减小。微波传输的行程长度便减小。12微波测厚仪原理图微波测厚仪原理图 13 一一般般情情况况下下，微微波波传传输输的的行行程程长长度度的的变变化化非非常常微微小小。为为了了精精确确地地测测量量出出这这一一微微小小变变化化，通通常常采采用用微微波波自自动动平平衡衡电电桥桥法法，前前面面讨讨论论的的微微波波传传输输行行程程作作为为测测量量臂臂

14、，而而完完全全模模拟拟测测量量臂臂微微波波的的传传输输行行程程设设置置一一个个参参考考臂臂（图图右右部部）。若若测测量量臂臂与与参参考考臂臂行行程程完完全全相相同同，则则反反相相叠叠加加的的微微波波经经过过检检波波器器C C检检波波后后，输输出出为为零零。若若两两臂臂行行程程长长度度不不同同，两两路路微微波波叠叠加加后后不不能能相相互互抵抵消消，经经检检波波器器后后便便有有不不平平衡衡信信号号输输出出。此此不不平平衡衡差差值值信信号号经经放放大大后后控控制制可可逆逆电电机机旋旋转转，带带动动补补偿偿短短路路器器产产生生位位移移，改改变变补补偿偿短短路路器器的的长长度度，直直到到两两臂臂行行程程

15、长长度度完完全全相相同同，放放大大器器输输出出为为零零，可可逆逆电电机机停止转动为止。停止转动为止。144 4、微波无损检测、微波无损检测 微微波波无无损损检检测测是是综综合合利利用用微微波波与与物物质质的的相相互互作作用用，一一方方面面微微波波在在不不连连续续界界面面处处会会产产生生反反射射、散散射射、透透射射，另另一一方方面面微微波波还还能能与与被被检检材材料料产产生生相相互互作作用用，此此时时的的微微波波场场会会受受到到材材料料中中的的电电磁磁参参数数和和几几何何参参数数的的影影响响。通通过过测测量量微微波波信信号号基基本本参参数数的的改改变变即即可可达达到到检检测测材材料料内部缺陷的目

16、的。内部缺陷的目的。15生物传感器生物传感器 一、生物传感器的基本概念一、生物传感器的基本概念n生物传感器通常是指由一种生物传感器通常是指由一种生物敏感部件生物敏感部件和和转化器转化器紧密结合紧密结合,对特定种类化学物质或生物对特定种类化学物质或生物活性物质具有选择性和可逆响应的分析装置。活性物质具有选择性和可逆响应的分析装置。n它是发展生物技术必不可少的一种先进的检它是发展生物技术必不可少的一种先进的检测与监控方法测与监控方法,也是对物质在分子水平上进行也是对物质在分子水平上进行快速和微量分析的方法。快速和微量分析的方法。161 1、生物传感器工作原理、生物传感器工作原理n生物传感器的工作原

17、理是待测物质经扩散作用进入固生物传感器的工作原理是待测物质经扩散作用进入固定生物膜敏感层，经分子识别而发生生物学作用，产定生物膜敏感层，经分子识别而发生生物学作用，产生的信息如光、热、音等被相应的信号转换器变为可生的信息如光、热、音等被相应的信号转换器变为可定量和处理的电信号，再经二次仪表放大并输出，以定量和处理的电信号，再经二次仪表放大并输出，以电极测定其电流值或电压值，从而换算出被测物质的电极测定其电流值或电压值，从而换算出被测物质的量或浓度。量或浓度。17（1 1）将化学变化转变成电信号将化学变化转变成电信号例例,酶催化特定物发生反应酶催化特定物发生反应,从而使特定生成物的量有所从而使特

18、定生成物的量有所增减增减.用能把这类物质的量的改变转换为电信号的装置用能把这类物质的量的改变转换为电信号的装置和固定化酶耦合和固定化酶耦合,即组成酶传感器。即组成酶传感器。（2 2）将热变化转换成电信号将热变化转换成电信号固定化的生物材料与相应的被测物作用时常伴有热的固定化的生物材料与相应的被测物作用时常伴有热的变化。变化。这类生物传感器的工作原理是把反应的热效应这类生物传感器的工作原理是把反应的热效应借热敏电阻转换为阻值的变化。借热敏电阻转换为阻值的变化。18（3 3）将光信号转变为电信号）将光信号转变为电信号 例如，过氧化氢酶例如，过氧化氢酶,能催化过氧化氢发光能催化过氧化氢发光,因此如因

19、此如设法将过氧化氢酶膜附着在光纤或光敏二极管的前端设法将过氧化氢酶膜附着在光纤或光敏二极管的前端,再和光电流测定装置相连再和光电流测定装置相连,即可测定过氧化氢含量。即可测定过氧化氢含量。还有很多细菌能与特定底物发生反应还有很多细菌能与特定底物发生反应,产生荧光。产生荧光。也可以用这种方法测定底物浓度也可以用这种方法测定底物浓度.n上述三原理的生物传感器共同点：上述三原理的生物传感器共同点：都是将分子识别元件中的生物敏感物质与待测都是将分子识别元件中的生物敏感物质与待测物发生化学反应物发生化学反应,将反应后所产生的化学或物理变化将反应后所产生的化学或物理变化再通过信号转换器转变为电信号进行测量

20、再通过信号转换器转变为电信号进行测量,这种方式这种方式统称为统称为间接测量方式间接测量方式.19（4 4）直接产生电信号方式）直接产生电信号方式n这种方式可以使酶反应伴随的电子转移、这种方式可以使酶反应伴随的电子转移、微生物细胞的氧化直接微生物细胞的氧化直接(或通过电子递体或通过电子递体的作用的作用)在电极表面上发生。根据所得的在电极表面上发生。根据所得的电流量即可得底物浓度。电流量即可得底物浓度。20二、生物传感器分类二、生物传感器分类 1 1、根据传感器根据传感器输出信号的产生方式输出信号的产生方式,可分为可分为生物生物亲合型亲合型生物传感器、生物传感器、代谢型或催化型代谢型或催化型生物传

21、感器生物传感器;2 2、根据生物传感器的根据生物传感器的信号转换器信号转换器可分为可分为电化学电化学生物传感器、生物传感器、半导体半导体生物传感器、生物传感器、测热型测热型生物传感器、生物传感器、测光型测光型生物传感器、生物传感器、测声型测声型生物传感器等生物传感器等 3 3、根据生物传感器中根据生物传感器中生物分子识别元件上的敏生物分子识别元件上的敏感材料感材料可分为可分为酶酶传感器传感器、微生物、微生物传感器传感器、免疫、免疫传感器传感器、组织组织传感器传感器、基因、基因传感器传感器、细胞及细胞器、细胞及细胞器传感器。传感器。21 生物亲合型传感器生物亲合型传感器 被测物质与分子识别元件上

22、的敏感物质具被测物质与分子识别元件上的敏感物质具有生物亲合作用，即二者能特异地相结合，同有生物亲合作用，即二者能特异地相结合，同时引起敏感材料的分子结构和时引起敏感材料的分子结构和/或固定介质发生或固定介质发生变化。例如：电荷、温度、光学性质等的变化。变化。例如：电荷、温度、光学性质等的变化。反应式可表示为：反应式可表示为：S S（底物）（底物）+R+R（受体）（受体）=SR=SR22 代谢型传感器代谢型传感器 底物（被测物）与分子识别元件上的敏感底物（被测物）与分子识别元件上的敏感物质相作用并生成产物，信号转换器将底物的消物质相作用并生成产物，信号转换器将底物的消耗或产物的增加转变为输出信号

23、，这类传感器称耗或产物的增加转变为输出信号，这类传感器称为代谢型传感器，其反应形式可表示为为代谢型传感器，其反应形式可表示为 S S（底物）（底物）R R（受体）（受体）=SR P=SR P（生成物）（生成物）23每一类又都包含许多种具体的生物传感器每一类又都包含许多种具体的生物传感器例例如如，仅仅酶酶电电极极一一类类，根根据据所所用用酶酶的的不不同同就就有有几几十十种种，如如葡葡萄萄糖糖电电极极、尿尿素素电电极极、尿尿酸酸电电极极、胆胆固醇电极、乳酸电极、丙酮酸电极等等固醇电极、乳酸电极、丙酮酸电极等等就就是是葡葡萄萄糖糖电电极极也也并并非非只只有有一一种种，有有用用pHpH电电极极或或碘碘

24、离离子子电电极极作作为为转转换换器器的的电电位位型型葡葡萄萄糖糖电电极极，有有用用氧氧电电极极或或过过氧氧化化氢氢电电极极作作为为转转换换器器的的电电流流型型葡葡萄糖电极等实际上还可再细分。萄糖电极等实际上还可再细分。24三、生物传感器组成部分三、生物传感器组成部分n一是生物分子一是生物分子识别元件识别元件(感受器感受器),),是具有分子识别是具有分子识别能力的生物活性物质能力的生物活性物质(如组织切片、细胞、细胞器、如组织切片、细胞、细胞器、细胞膜、酶、抗体、核酸、有机物分子等细胞膜、酶、抗体、核酸、有机物分子等););n二是二是信号转换器信号转换器(换能器换能器),),主要有主要有电电化学

25、电极化学电极(如电如电位、电流的测量位、电流的测量)、光光学检测元件、学检测元件、热热敏电阻、场敏电阻、场效应晶体管、压电石英晶体及表面等离子共振器件效应晶体管、压电石英晶体及表面等离子共振器件等，当待测物与分子识别元件特异性结合后等，当待测物与分子识别元件特异性结合后,所产所产生的复合物生的复合物(或光、热等或光、热等)通过信号转换器变为可以通过信号转换器变为可以输出的电信号、光信号等输出的电信号、光信号等,从而达到分析检测的目从而达到分析检测的目的。的。25敏感器件（分子识别元件）敏感器件（分子识别元件）26四、生物传感器优点四、生物传感器优点n(1)(1)根据生物反应的特异性和多样性根据

26、生物反应的特异性和多样性,理论上可以制理论上可以制成测定所有生物物质的传感器成测定所有生物物质的传感器,因而因而测定范围广泛测定范围广泛n(2)(2)一般不需进行样品的预处理一般不需进行样品的预处理,它利用本身具备的它利用本身具备的优异选择性把样品中被测组分的分离和检测统一为优异选择性把样品中被测组分的分离和检测统一为一体，测定时一般不需另加其他试剂一体，测定时一般不需另加其他试剂,使测定过程使测定过程简便迅速简便迅速,容易实现自动分析容易实现自动分析n(3)(3)体积小、响应快、样品用量少体积小、响应快、样品用量少,可以实现连续在可以实现连续在位检测位检测27n(4)(4)通常其敏感材料是固

27、定化生物元件通常其敏感材料是固定化生物元件,可反复多次可反复多次使用使用n(5)(5)准确度高准确度高,一般相对误差可达到一般相对误差可达到1%1%以内以内n(6)(6)可进行活体分析可进行活体分析n(7)(7)传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪,因而便于推广普及因而便于推广普及n(8)(8)有的微生物传感器能可靠地指示微生物培养系统有的微生物传感器能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，能得到许多复杂的内的供氧状况和副产物的产生，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物理化学传感器综合作用才能获得的信息28在食品分析的

28、应用在食品分析的应用五、应用五、应用n食品成分分析食品成分分析n食品添加剂的分析食品添加剂的分析n农药和抗生素残留量分析农药和抗生素残留量分析n微生物和生物毒素的检验微生物和生物毒素的检验n食品鲜度的检测食品鲜度的检测29在环境监测中的应用在环境监测中的应用水质分析水质分析：一个典型应用是测定生化需氧量：一个典型应用是测定生化需氧量（BODBOD），），传统方法测传统方法测BODBOD需需5 5天，且操作复杂。天，且操作复杂。19771977年年KarubeKarube等首次报道了等首次报道了BODBOD微生物传感器，只微生物传感器，只需需1515分钟即能测出结果分钟即能测出结果,连续使用寿命

29、达连续使用寿命达1717天；天；废气或环境大气的监测废气或环境大气的监测 ：可用于测定空气中：可用于测定空气中SOSO2 2、NONOX X、COCO2 2、NHNH3 3、CHCH4 4等的含量；等的含量；农药和抗生素残留量的分析农药和抗生素残留量的分析 ：用乙酰胆碱酯酶：用乙酰胆碱酯酶和丁酰胆碱酯酶为敏感材料制作的离子敏场效应和丁酰胆碱酯酶为敏感材料制作的离子敏场效应晶体管酶传感器可用于蔬菜等样品中有机磷农药晶体管酶传感器可用于蔬菜等样品中有机磷农药DDVPDDVP和伏杀磷等的测定和伏杀磷等的测定30在生物医学上的应用在生物医学上的应用临床应用临床应用：用酶、免疫传感器等生物传感器来检：用

30、酶、免疫传感器等生物传感器来检测体液中的各种化学成分，为医生的诊断提出依测体液中的各种化学成分，为医生的诊断提出依据。据。生物医药生物医药：利用生物工程技术生产药物时，将利用生物工程技术生产药物时，将生物传感器用于生化反应的监视，可以迅速地获生物传感器用于生化反应的监视，可以迅速地获取各种数据，有效地加强生物工程产品的质量管取各种数据，有效地加强生物工程产品的质量管理。理。31在军事上的应用在军事上的应用 现代战争往往是在核武器、化学武器、生物武器现代战争往往是在核武器、化学武器、生物武器威胁下进行的战争。侦检、鉴定和检测是进行有效化威胁下进行的战争。侦检、鉴定和检测是进行有效化学战和生物战防

31、护的前提。由于具有高度特异性、灵学战和生物战防护的前提。由于具有高度特异性、灵敏性和能快速地探测化学战剂和生物战剂（包括病毒、敏性和能快速地探测化学战剂和生物战剂（包括病毒、细菌和毒素等）的特性，细菌和毒素等）的特性，生物传感器将是最重要的一生物传感器将是最重要的一类化学战剂和生物战剂侦检器材类化学战剂和生物战剂侦检器材。如烟碱乙酰胆碱受。如烟碱乙酰胆碱受体生物传感器和某种麻醉剂受体生物传感器能在体生物传感器和某种麻醉剂受体生物传感器能在10s10s内内侦检出侦检出1010-9-9浓度级的生化战剂，包括委内瑞拉马脑炎浓度级的生化战剂，包括委内瑞拉马脑炎病毒、黄热病毒、炭疽杆菌、流感病毒等。病毒

32、、黄热病毒、炭疽杆菌、流感病毒等。32德国研发的环境废水德国研发的环境废水BODBOD分析仪分析仪33手掌型葡萄糖手掌型葡萄糖(glucose)(glucose)分析仪分析仪34发酵罐发酵罐主机主机计算机计算机SBA-60型生物传感在线分析系统，型生物传感在线分析系统，为发酵自动控制提供了新的基础平台为发酵自动控制提供了新的基础平台35机器人传感器机器人传感器 36机器人机器人37机器人大脑机器人大脑主板主板机器人思想机器人思想程序程序机器人感知机器人感知传感器传感器机器人手脚机器人手脚马达马达机器人骨架机器人骨架机械结构机械结构机器人食物机器人食物电池电池机器人的组成机器人的组成38传感器在

33、机器人中的应用传感器在机器人中的应用 机器人是由计算机控制的复杂机器，机器人是由计算机控制的复杂机器，它具有类似人的肢体及感官功能；动作它具有类似人的肢体及感官功能；动作程序灵活；有一定程度的智能；在工作程序灵活；有一定程度的智能；在工作时可以不依赖人的操纵。机器人传感器时可以不依赖人的操纵。机器人传感器在机器人的控制中起了非常重要的作用，在机器人的控制中起了非常重要的作用，正因为有了传感器，机器人才具备了类正因为有了传感器，机器人才具备了类似人类的知觉功能和反应能力。似人类的知觉功能和反应能力。39n给给机机器器人人装装备备什什么么样样的的传传感感器器，对对这这些些传传感感器器有有什什么么要

34、要求求，这这是是设设计计机机器器人人感感觉觉系系统统时时遇遇到到的的首首要要问问题题。选选择择机机器器人人传传感感器器应应当当完完全全取取决决于于机器人的机器人的工作需要工作需要和和应用特点应用特点。40 机器人传感器可分为内部检测传感器和外部检测机器人传感器可分为内部检测传感器和外部检测传感器两大类。传感器两大类。内部检测传感器是以机器人本身的坐标轴来确定内部检测传感器是以机器人本身的坐标轴来确定其位置。它安装在机器人自身中用来感知机器人自己其位置。它安装在机器人自身中用来感知机器人自己的状态，以调整和控制机器人的行动。它通常由位置、的状态，以调整和控制机器人的行动。它通常由位置、加速度、速

35、度及压力传感器组成。加速度、速度及压力传感器组成。外界检测传感器用于机器人对周围环境、目标物外界检测传感器用于机器人对周围环境、目标物的状态特征获取信息，使机器人和环境能发生交互作的状态特征获取信息，使机器人和环境能发生交互作用，从而使机器人对环境有自校正和自适应能力。外用，从而使机器人对环境有自校正和自适应能力。外界检测传感器通常包括触觉、接近觉、视觉、听觉、界检测传感器通常包括触觉、接近觉、视觉、听觉、嗅觉等传感器。嗅觉等传感器。41类别类别检测内容检测内容应用目的应用目的传感器件传感器件明暗觉明暗觉是否有光，亮度多少是否有光，亮度多少判判断断有有无无对对象象，并并得得到到定定量结果量结果

36、光敏管、光电断续器光敏管、光电断续器色觉色觉对象的色彩及浓度对象的色彩及浓度利用颜色识别对象的场合利用颜色识别对象的场合彩彩色色摄摄影影机机、滤滤色色器器、彩彩色色CCDCCD位置觉位置觉物物体体的的位位置置、角角度度、距距离离物物体体空空间间位位置置，判判断断物物体体移动移动光敏阵列、光敏阵列、CCDCCD等等形状觉形状觉物体的外形物体的外形提提取取物物体体轮轮廓廓及及固固有有特特征征，识别物体识别物体光敏阵列、光敏阵列、CCDCCD等等接触觉接触觉与与对对象象是是否否接接触触，接接触触的位置的位置决决定定对对象象位位置置，识识别别对对象象形形态态，控控制制速速度度，安安全全保保障障，异常停

37、止，寻径异常停止，寻径光光电电传传感感器器、微微动动开开关关、薄薄膜接点、压敏高分子材料膜接点、压敏高分子材料压觉压觉对对物物体体的的压压力力、握握力力、压力分布压力分布控控制制握握力力，识识别别握握持持物物，测量物体弹性测量物体弹性压压电电元元件件、导导电电橡橡胶胶、压压敏敏高分子材料高分子材料力觉力觉机机器器人人有有关关部部件件（如如手手指）所受外力及转矩指）所受外力及转矩控控制制手手腕腕移移动动，伺伺服服控控制制，正确完成作业正确完成作业应变片、导电橡胶应变片、导电橡胶接近觉接近觉对对象象物物是是否否接接近近，接接近近距离，对象面的倾斜距离，对象面的倾斜控控制制位位置置，寻寻径径，安安全

38、全保保障，异常停止障，异常停止光光传传感感器器、气气压压传传感感器器、超超声声波波传传感感器器、电电涡涡流流传传感感器器、霍霍尔尔传传感器感器滑觉滑觉垂垂直直握握持持面面方方向向物物体体的的位移，重力引起的变形位移，重力引起的变形修修正正握握力力，防防止止打打滑滑，判判断物体重量及表面状态断物体重量及表面状态球球形形接接点点式式、光光电电旋旋转转传传感感器、角编码器、振动检测器器、角编码器、振动检测器机器人传感器分类机器人传感器分类 42传感器在机器人传感器在机器人身上的分布身上的分布 43能踢球的机器人能踢球的机器人44对运动的球类有正确反应的机器人对运动的球类有正确反应的机器人能打网球的机

39、器人能打网球的机器人机器人足球比赛机器人足球比赛45能行走的机器人能行走的机器人46服务机器人服务机器人机器人伴舞机器人伴舞机器人奏乐机器人奏乐47可爱的小机器人可爱的小机器人能上台阶并避开能上台阶并避开障碍物的机器人障碍物的机器人能自己站起来能自己站起来的机器人的机器人48排爆机器人我国沈阳自动化所研制的PXJ-2机器人也加入了公安部队的行 列。49消防机器人 消防机器人作为特种消防设备可代替消防队员接近火场实施有效的灭火救援、化学检验和火场侦察。它的应用将提高消防部队扑灭特大恶性火灾的实战能力，对减少国家财产损失和灭火救援人员的伤亡将产生重要的作用。50 机器人轮椅主要有口令识别与语音合成

40、、机器人自定位、动态随机避障、多传感器信息融合、实时自适应导航控制等功能。51军事机器人军事机器人我国引进的排我国引进的排爆机器人爆机器人进攻型机器人进攻型机器人52工业机器人工业机器人核工业机器人核工业机器人汽车喷漆机器人汽车喷漆机器人53机器人的手机器人的手54机械手在汽车加工中的应用机械手在汽车加工中的应用机械手能按照程序焊接和安装汽车部件，是机器人的雏形。机械手能按照程序焊接和安装汽车部件，是机器人的雏形。55激光焊接机械手激光焊接机械手56一、一、智能式传感器的概述智能式传感器的概述 智智能能式式传传感感器器（Intelligent sensor或或Smart sensor）自自20

41、世世纪纪70年年代代初初出出现现以以来来，随随着着微微处处理理器器技技术术的的迅迅猛猛发发展展及及测测控控系系统统自自动动化化、智智能能化化的的发发展展，要要求求传传感感器器准准确确度度高高、可可靠靠性性高高、稳稳定定性性好好，而而且且具具备备一一定定的的数数据据处处理理能能力力，并并能能够够自自检检、自自校校、自自补补偿偿。传传统统的的传传感感器器已已不不能能满满足足这这样样的的要要求求。另另外外，为为制制造造高高性性能能的的传传感感器器，光光靠靠改改进进材材料料工工艺艺也也很很困困难难，需需要要利利用用计计算算机机技技术术与与传传感感器器技技术术相相结结合合来来弥弥补补其其性性能能的的不不

42、足足。计计算算机机技技术术使使传传感感器器技技术术发发生生了了巨巨大大的的变变革革，微微处处理理器器(或或微微计计算算机机)和和传传感感器器相相结结合合，产产生生了了功功能能强强大大的的智智能能式式传传感感器器。所所谓谓智智能能式式传传感感器器，就就是是一一种种带带有有微微处处理理机机的的，兼兼有有信信息息检检测测、信信号号处处理理、信信息息记记忆忆、逻逻辑辑思思维维与与判断功能判断功能的传感器。的传感器。智能传感器智能传感器 57 传传感感器器与与微微处处理理机机结结合合可可以以通通过过以以下下两两个个途途径径来来实实现现：一一是是采采用用微微处处理理机机或或微微型型计计算算机机系系统统以以

43、强强化化和和提提高高传传统统传传感感器器的的功功能能，即即传传感感器器与与微微处处理理机机可可分分为为两两个个独独立立部部分分，传传感感器器的的输输出出信信号号经经处处理理和和转转化化后后由由接接口口送送到到微微处处理理机机部部分分进进行行运运算算处处理理。这这就就是是我我们们指指的的一一般般意意义义上上的的智智能能传传感感器器,又又称称传传感感器器的的智智能能化化。二二是是借借助助于于半半导导体体技技术术把把传传感感器器部部分分与与信信号号预预处处理理电电路路、输输入入输输出出接接口口、微微处处理理器器等等制制作作在在同同一一块块芯芯片片上上，即即成成为为大大规规模模集集成成电电路路智智能能

44、传传感感器器，简简称称集集成成智智能能传传感感器器。集集成成智智能能传传感感器器具具有有多多功功能能、一一体体化化、精精度度高高、适适宜宜于于大大批批量量生生产产、体体积积小小和和便便于于使使用用等等优优点点，它它是是传传感感器器发发展展的的必必然然趋趋势势，它它的的实实现现将将取取决决于于半半导导体体集集成成化化工工艺水平的提高与发展。艺水平的提高与发展。58 就就目目前前来来看看，已已有有不不少少以以组组合合形形式式出出现现的的智智能能传传感感器器作作为为产产品品投投入入市市场场，如如美美国国Honeywell公公司司推推出出的的DSTJ-3000型型硅硅压压阻阻式式智智能能传传感感器器,

45、Par Scientific 公公司司的的1000系系列列数数字字式式石石英英智智能能传传感感器器。我我国国也也着着手手智智能能传传感感器器的的开开发发与与研研究究，主主要要是是在在现现有有使使用用的的传传感感器器中中，采采用用先先进进的的微微处处理理机机和和微微型型计计算算机机系系统统，使使之完成第一类途径的智能化。之完成第一类途径的智能化。智智能能传传感感器器因因其其在在功功能能、精精度度、可可靠靠性性上上较较普普通通传传感感器器有有很很大大提提高高，已已经经成成为为传传感感器器研研究究开开发发的的热热点点。近近年年来来，随随着着传传感感器器技技术术和和微微电电子子技技术术的的发发展展，智

46、智能能传传感感器器技技术术也也发发展展很很快快。发展高性能的以硅材料为主的各种智能传感器已成为必然。发展高性能的以硅材料为主的各种智能传感器已成为必然。59二、二、智能传感器的功能和构成智能传感器的功能和构成 无无论论是是传传感感器器的的智智能能化化，还还是是集集成成智智能能化化传传感感器器，都都是是带带有有微微机机的的兼兼具具检检测测信信息息和和处处理理信信息息功功能能的的传传感感器器，可可统统称称为为智智能能式式传感器。传感器。和传统的传感器相比，和传统的传感器相比，智能化传感器具有以下功能：智能化传感器具有以下功能：具具有有逻逻辑辑判判断断、统统计计处处理理功功能能。可可对对检检测测数数

47、据据进进行行分分析析、统统计计和和修修正正，还还可可进进行行线线性性、非非线线性性、温温度度、噪噪声声、响响应应时时间间、交叉感应以及缓慢漂移等的误差补偿，提高了测量准确度。交叉感应以及缓慢漂移等的误差补偿，提高了测量准确度。具具有有自自诊诊断断、自自校校准准功功能能。可可在在接接通通电电源源时时进进行行开开机机自自检检，可可在在工工作作中中进进行行运运行行自自检检，并并可可实实时时自自行行诊诊断断测测试试，以以确确定定哪哪一一组件有故障，提高了工作可靠性。组件有故障，提高了工作可靠性。60 具具有有自自适适应应、自自调调整整功功能能。可可根根据据待待测测物物理理量量的的数数值值大大小小及及变

48、变化化情情况况自自动动选选择择检检测测量量程程和和测测量量方方式式，提提高高了了检检测测适适用用性。性。具具有有组组态态功功能能。可可实实现现多多传传感感器器、多多参参数数的的复复合合测测量量，扩大了检测与使用范围。扩大了检测与使用范围。具具有有记记忆忆、存存储储功功能能。可可进进行行检检测测数数据据的的随随时时存存取取，加加快了信息的处理速度。快了信息的处理速度。具具有有数数据据通通讯讯功功能能。智智能能化化传传感感器器具具有有数数据据通通讯讯接接口口，能与计算机直接联机，相互交换信息，提高了信息处理的质量。能与计算机直接联机，相互交换信息，提高了信息处理的质量。61 计计算算机机软软件件在

49、在智智能能传传感感器器中中起起着着举举足足轻轻重重的的作作用用。由由于于“电电脑脑”的的加加入入，智智能能传传感感器器可可通通过过各各种种软软件件对对信信息息检检测测过过程程进进行行管管理理和和调调节节，使使之之工工作作在在最最佳佳状状态态，从从而而增增强强了了传传感感器器的的功功能能，提提升升了了传传感感器器的的性性能能。此此外外，利利用用计计算算机机软软件件能能够够实实现现硬硬件件难难以以实实现现的的功功能能，因因为为以以软软件件代代替替部部分分硬硬件件，可可降降低低传传感感器器的制作难度。的制作难度。智智能能式式传传感感器器系系统统一一般般构构成成框框图图如如图图所所示示。其其中中作作为

50、为系系统统“大大脑脑”的的微微型型计计算算机机，可可以以是是单单片片机机、单单板板机机，也也可可以以是是微微型计算机系统。型计算机系统。62智能传感器的结构框图智能传感器的结构框图 63三、三、传感器的智能化传感器的智能化 1、传感器的智能化概念传感器的智能化概念 传传感感器器的的智智能能化化指指传传感感器器与与微微处处理理机机可可分分为为两两个个独独立立部部分分，传传感感器器的的输输出出信信号号经经处处理理和和转转化化后后由由接接口口送送入入微微处处理理机机部部分分进进行行运运算算处处理理。这这类类智智能能传传感感器器主主要要由由传传感感器器、微微处处理理器器及及其其相相关关电电路路组组成成