第12章-新型傳感器課件

檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化儀表12新型傳感器河南理工大學(xué)精品課程檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化儀表12新型傳感器河南理工大學(xué)精品課程概述

從20世紀(jì)80年代以來(lái)，基于新型傳感效應(yīng)、新型敏感材料、新加工工藝的各種新型傳感器陸續(xù)出現(xiàn)，各種實(shí)用型器件也在不斷涌現(xiàn)和改善之中。新型傳感器如生物傳感器、微波傳感器、超聲波傳感器、機(jī)器人傳感器等等，已經(jīng)成為當(dāng)今信息技術(shù)中信息獲取的重要器件，在各種特定環(huán)境和特殊要求下，發(fā)揮巨大的作用。概述從20世紀(jì)80年代以來(lái)，基于新型傳感效應(yīng)、新12.1生物傳感器一、基本概念生物傳感器通常是指由一種生物敏感部件和轉(zhuǎn)化器緊密結(jié)合,對(duì)特定種類(lèi)化學(xué)物質(zhì)或生物活性物質(zhì)具有選擇性和可逆響應(yīng)的分析裝置。它是發(fā)展生物技術(shù)必不可少的一種先進(jìn)的檢測(cè)與監(jiān)控方法,也是對(duì)物質(zhì)在分子水平上進(jìn)行快速和微量分析的方法。12.1生物傳感器一、基本概念生物傳感器通常是指由一種生工作原理生物傳感器的工作原理是待測(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)生的信息如光、熱、音等被相應(yīng)的信號(hào)轉(zhuǎn)換器變?yōu)榭啥亢吞幚淼碾娦盘?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)的量或濃度。12.1生物傳感器工作原理生物傳感器的工作原理是待測(cè)物質(zhì)經(jīng)擴(kuò)散作用進(jìn)入固定生物（1）將化學(xué)變化轉(zhuǎn)變成電信號(hào)例,酶催化特定物發(fā)生反應(yīng),從而使特定生成物的量有所增減.用能把這類(lèi)物質(zhì)的量的改變轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置和固定化酶耦合,即組成酶?jìng)鞲衅?。?）將熱變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)固定化的生物材料與相應(yīng)的被測(cè)物作用時(shí)常伴有熱的變化。這類(lèi)生物傳感器的工作原理是把反應(yīng)的熱效應(yīng)借熱敏電阻轉(zhuǎn)換為阻值的變化。12.1生物傳感器（1）將化學(xué)變化轉(zhuǎn)變成電信號(hào)例,酶催化特定物發(fā)生反應(yīng),從而（3）將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)

例如，過(guò)氧化氫酶,能催化過(guò)氧化氫發(fā)光,因此如設(shè)法將過(guò)氧化氫酶膜附著在光纖或光敏二極管的前端,再和光電流測(cè)定裝置相連,即可測(cè)定過(guò)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。也可以用這種方法測(cè)定底物濃度.上述三原理的生物傳感器共同點(diǎn)：都是將分子識(shí)別元件中的生物敏感物質(zhì)與待測(cè)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng),將反應(yīng)后所產(chǎn)生的化學(xué)或物理變化再通過(guò)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(chēng)為間接測(cè)量方式.12.1生物傳感器（3）將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)例如，過(guò)氧化氫酶,能催化（4）直接產(chǎn)生電信號(hào)方式這種方式可以使酶反應(yīng)伴隨的電子轉(zhuǎn)移、微生物細(xì)胞的氧化直接(或通過(guò)電子遞體的作用)在電極表面上發(fā)生。根據(jù)所得的電流量即可得底物濃度。12.1生物傳感器（4）直接產(chǎn)生電信號(hào)方式這種方式可以使酶反應(yīng)伴隨的電子轉(zhuǎn)移、二、生物傳感器分類(lèi)

1、根據(jù)輸出信號(hào)的產(chǎn)生方式,可分為生物親合型、代謝型或催化型;2、根據(jù)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、根據(jù)生物分子識(shí)別元件上的敏感材料可分為酶?jìng)鞲衅鳌⑽⑸飩鞲衅?、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。12.1生物傳感器二、生物傳感器分類(lèi)1、根據(jù)輸出信號(hào)的產(chǎn)生方式,可分為

被測(cè)物質(zhì)與分子識(shí)別元件上的敏感物質(zhì)具有生物親合作用，即二者能特異地相結(jié)合，同時(shí)引起敏感材料的分子結(jié)構(gòu)和/或固定介質(zhì)發(fā)生變化。例如：電荷、溫度、光學(xué)性質(zhì)等的變化。反應(yīng)式可表示為：

S（底物）+R（受體）=SR生物親合型傳感器12.1生物傳感器被測(cè)物質(zhì)與分子識(shí)別元件上的敏感物質(zhì)具有生物親合作用

底物（被測(cè)物）與分子識(shí)別元件上的敏感物質(zhì)相作用并生成產(chǎn)物，信號(hào)轉(zhuǎn)換器將底物的消耗或產(chǎn)物的增加轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲂盘?hào)，這類(lèi)傳感器稱(chēng)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）

代謝型傳感器12.1生物傳感器代謝型傳感器12.1生物傳感器生物傳感器的分類(lèi)12.1生物傳感器生物傳感器的分類(lèi)12.1生物傳感器三、組成部分一是生物分子識(shí)別元件(感受器),是具有分子識(shí)別能力的生物活性物質(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、電流的測(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)生的復(fù)合物(或光、熱等)通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換器變?yōu)榭梢暂敵龅碾娦盘?hào)、光信號(hào)等,從而達(dá)到檢測(cè)的目的。12.1生物傳感器三、組成部分一是生物分子識(shí)別元件(感受器),是具有分子識(shí)別能敏感器件（分子識(shí)別元件）12.1生物傳感器敏感器件（分子識(shí)別元件）12.1生物傳感器四、生物傳感器優(yōu)點(diǎn)(1)根據(jù)生物反應(yīng)的特異性和多樣性,理論上可以制成測(cè)定所有生物物質(zhì)的傳感器,因而測(cè)定范圍廣泛(2)一般不需進(jìn)行樣品的預(yù)處理,它利用本身具備的優(yōu)異選擇性把樣品中被測(cè)組分的分離和檢測(cè)統(tǒng)一為一體，測(cè)定時(shí)一般不需另加其他試劑,使測(cè)定過(guò)程簡(jiǎn)便迅速,容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分析(3)體積小、響應(yīng)快、樣品用量少,可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)在位檢測(cè)12.1生物傳感器四、生物傳感器優(yōu)點(diǎn)(1)根據(jù)生物反應(yīng)的特異性和多樣性,理論上(4)通常其敏感材料是固定化生物元件,可反復(fù)多次使用(5)準(zhǔn)確度高,一般相對(duì)誤差可達(dá)到1%以?xún)?nèi)(6)可進(jìn)行活體分析(7)傳感器連同測(cè)定儀的成本遠(yuǎn)低于大型的分析儀,因而便于推廣普及(8)有的微生物傳感器能可靠地指示微生物培養(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)的供氧狀況和副產(chǎn)物的產(chǎn)生，能得到許多復(fù)雜的物理化學(xué)傳感器綜合作用才能獲得的信息12.1生物傳感器(4)通常其敏感材料是固定化生物元件,可反復(fù)多次使用12.11.食品分析五、應(yīng)用食品成分分析食品添加劑的分析農(nóng)藥和抗生素殘留量分析微生物和生物毒素的檢驗(yàn)食品鮮度的檢測(cè)12.1生物傳感器1.食品分析五、應(yīng)用食品成分分析12.1生物傳感器2.環(huán)境監(jiān)測(cè)水質(zhì)分析：一個(gè)典型應(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)境大氣的監(jiān)測(cè)：可用于測(cè)定空氣中SO2、NOX、CO2、NH3、CH4等的含量；農(nóng)藥和抗生素殘留量的分析：用乙酰膽堿酯酶和丁酰膽堿酯酶為敏感材料制作的離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管酶?jìng)鞲衅骺捎糜谑卟说葮悠分杏袡C(jī)磷農(nóng)藥DDVP和伏殺磷等的測(cè)定12.1生物傳感器2.環(huán)境監(jiān)測(cè)水質(zhì)分析：一個(gè)典型應(yīng)用是測(cè)定生化需氧量（BOD）3.生物醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)用：用酶、免疫傳感器等生物傳感器來(lái)檢測(cè)體液中的各種化學(xué)成分，為醫(yī)生的診斷提出依據(jù)。生物醫(yī)藥：利用生物工程技術(shù)生產(chǎn)藥物時(shí)，將生物傳感器用于生化反應(yīng)的監(jiān)視，可以迅速地獲取各種數(shù)據(jù)，有效地加強(qiáng)生物工程產(chǎn)品的質(zhì)量管理。12.1生物傳感器3.生物醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)用：用酶、免疫傳感器等生物傳感器來(lái)檢測(cè)體液4.軍事應(yīng)用

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)往往是在核武器、化學(xué)武器、生物武器威脅下進(jìn)行的戰(zhàn)爭(zhēng)。偵檢、鑒定和檢測(cè)是進(jìn)行有效化學(xué)戰(zhàn)和生物戰(zhàn)防護(hù)的前提。由于具有高度特異性、靈敏性和能快速地探測(cè)化學(xué)戰(zhàn)劑和生物戰(zhàn)劑（包括病毒、細(xì)菌和毒素等）的特性，生物傳感器將是最重要的一類(lèi)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)的生化戰(zhàn)劑，包括委內(nèi)瑞拉馬腦炎病毒、黃熱病毒、炭疽桿菌、流感病毒等。

12.1生物傳感器4.軍事應(yīng)用現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)往往是在核武器、化學(xué)武器、生物武環(huán)境廢水BOD分析儀12.1生物傳感器環(huán)境廢水BOD分析儀12.1生物傳感器手掌型葡萄糖分析儀12.1生物傳感器手掌型葡萄糖分析儀12.1生物傳感器發(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)12.1生物傳感器發(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)12.112.2微波傳感器一、微波概述

微波是波長(zhǎng)為1mm～1m的電磁波，可以細(xì)分為三個(gè)波段：分米波、厘米波、毫米波。微波既具有電磁波的性質(zhì)，又不同于普通無(wú)線電波和光波的性質(zhì)，是一種相對(duì)波長(zhǎng)較長(zhǎng)的電磁波。微波特點(diǎn)：①定向輻射的裝置容易制造；②遇到各種障礙物易于反射；③繞射能力差；④傳輸特性好，傳輸過(guò)程中受影響很?。虎萁橘|(zhì)對(duì)微波的吸收與介質(zhì)的介電常數(shù)成比例，水對(duì)微波的吸收作用最強(qiáng)。

12.2微波傳感器一、微波概述微波是二、微波傳感器的原理和組成

1、微波傳感器的測(cè)量原理及分類(lèi)微波傳感器是利用微波特性來(lái)檢測(cè)某些物理量的器件或裝置。由發(fā)射天線發(fā)出微波，此波遇到被測(cè)物體時(shí)將被吸收或反射，使微波功率發(fā)生變化。若利用接收天線，接收到通過(guò)被測(cè)物體或由被測(cè)物體反射回來(lái)的微波，并將它轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路，即可以顯示出被測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了微波檢測(cè)。根據(jù)微波傳感器的原理，微波傳感器可以分為反射式和遮斷式兩類(lèi)。

12.2微波傳感器二、微波傳感器的原理和組成1、微波傳感器的測(cè)量原理及分類(lèi)（1）反射式微波傳感器反射式微波傳感器是通過(guò)檢測(cè)被測(cè)物反射回來(lái)的微波功率或經(jīng)過(guò)的時(shí)間間隔來(lái)測(cè)量被測(cè)量的。通常它可以測(cè)量物體的位置、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通過(guò)檢測(cè)接收天線收到的微波功率大小來(lái)判斷發(fā)射天線與接收天線之間有無(wú)被測(cè)物體或被測(cè)物體的厚度、含水量等參數(shù)的。12.2微波傳感器（1）反射式微波傳感器12.2微波傳感器

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)生微波的裝置。由于微波波長(zhǎng)很短，即頻率很高（300MHz～300GHz），要求振蕩回路中具有非常微小的電感與電容，因此不能用普通的電子管與晶體管構(gòu)成微波振蕩器。構(gòu)成微波振蕩器的器件有調(diào)速管、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。2、微波傳感器的組成12.2微波傳感器微波傳感器通常由微波發(fā)射器（即微波振蕩器）、微波天由微波振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號(hào)需要用波導(dǎo)管（管長(zhǎng)為10cm以上，可用同軸電纜）傳輸，并通過(guò)天線發(fā)射出去。為了使發(fā)射的微波具有尖銳的方向性，天線要具有特殊的結(jié)構(gòu)。常用的天線如圖所示，其中有喇叭形天線（圖（a）、（b））、拋物面天線（圖（c）、（d））、介質(zhì)天線與隙縫天線等。（a）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12.2微波傳感器由微波振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號(hào)需要用波導(dǎo)管（管長(zhǎng)為10（2）微波檢測(cè)器

電磁波作為空間的微小電場(chǎng)變動(dòng)而傳播，所以使用電流-電壓特性呈現(xiàn)非線性的電子元件作為探測(cè)它的敏感探頭。與其它傳感器相比，敏感探頭在其工作頻率范圍內(nèi)必須有足夠快的響應(yīng)速度。作為非線性的電子元件，在幾兆赫以下的頻率通?？捎冒雽?dǎo)體PN結(jié)，而對(duì)于頻率比較高的可使用肖特基結(jié)。在靈敏度特性要求特別高的情況下可使用超導(dǎo)材料的約瑟夫遜結(jié)檢測(cè)器、SIS檢測(cè)器等超導(dǎo)隧道結(jié)元件，而在接近光的頻率區(qū)域可使用由金屬-氧化物-金屬構(gòu)成的隧道結(jié)元件。

2、微波傳感器的組成（2）微波檢測(cè)器2、微波傳感器的組成

微波傳感器作為一種新型的非接觸傳感器具有如下特點(diǎn)：①有極寬的頻譜（波長(zhǎng)=1.0mm-1.0m）可供選用，可根據(jù)被測(cè)對(duì)象的特點(diǎn)選擇不同的測(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)的傳播影響極小，因此可以在惡劣環(huán)境下工作；③時(shí)間常數(shù)小，反應(yīng)速度快，可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)與實(shí)時(shí)處理，便于自動(dòng)控制；3、微波傳感器的特點(diǎn)12.2微波傳感器微波傳感器作為一種新型的非接觸傳感器具有如下特點(diǎn)：④測(cè)量信號(hào)本身就是電信號(hào)，無(wú)須進(jìn)行非電量的轉(zhuǎn)換，從而簡(jiǎn)化了傳感器與微處理器間的接口，便于實(shí)現(xiàn)遙測(cè)和遙控；⑤微波無(wú)顯著輻射公害。微波傳感器存在的主要問(wèn)題是零點(diǎn)漂移和標(biāo)定尚未得到很好的解決。其次，使用時(shí)外界環(huán)境因素影響較多，如溫度、氣壓、取樣位置等。12.2微波傳感器④測(cè)量信號(hào)本身就是電信號(hào)，無(wú)須進(jìn)行非電量的轉(zhuǎn)換，從三、微波傳感器的應(yīng)用1、微波液位傳感器

微波液位計(jì)

12.2微波傳感器三、微波傳感器的應(yīng)用1、微波液位傳感器微波液位計(jì)12.水分子是極性分子，常態(tài)下成偶極子形式雜亂無(wú)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)的作用而反復(fù)取向，不斷從電場(chǎng)中得到能量（儲(chǔ)能），又不斷釋放能量（放能），前者表現(xiàn)為微波信號(hào)的相移，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的潮濕物體所引起的微波信號(hào)的相移與衰減量，就可以換算出物體的含水量。2、微波濕度傳感器12.2微波傳感器使用微波傳感器，測(cè)量干燥物體與含一定水分的潮濕物體下圖給出了測(cè)量酒精含水量的儀器框圖，圖中，MS產(chǎn)生的微波功率經(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)完全相同的轉(zhuǎn)換器T1、T2中。其中，T1放置無(wú)水酒精，T2放置被測(cè)樣品。相位與衰減測(cè)定儀（PT、AT）分別反復(fù)接通兩電路（T1和T2）輸出，自動(dòng)記錄與顯示它們之間的相位差與衰減差，從而確定樣品酒精的含水量。2、微波濕度傳感器12.2微波傳感器下圖給出了測(cè)量酒精含水量的儀器框圖，圖中，MS產(chǎn)生的微波測(cè)厚儀是利用微波在傳播過(guò)程中遇到被測(cè)物體金屬表面被反射，且反射波的波長(zhǎng)與速度都不變的特性進(jìn)行測(cè)厚的。微波測(cè)厚儀原理如圖所示，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)出的微波，經(jīng)過(guò)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(guò)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)物體下表面的微波，經(jīng)全反射后又回到下終端器，再經(jīng)過(guò)傳輸導(dǎo)管回到環(huán)行器A。因此被測(cè)物體的厚度與微波傳輸過(guò)程中的行程長(zhǎng)度有密切關(guān)系，當(dāng)被測(cè)物體厚度增加時(shí)，微波傳輸?shù)男谐涕L(zhǎng)度便減小。3、微波測(cè)厚儀12.2微波傳感器3、微波測(cè)厚儀12.2微波傳感器微波測(cè)厚儀原理圖3、微波測(cè)厚儀12.2微波傳感器微波測(cè)厚儀原理圖3、微波測(cè)厚儀12.2微波傳感器一般情況下，微波傳輸?shù)男谐涕L(zhǎng)度的變化非常微小。為了精確地測(cè)量出這一微小變化，通常采用微波自動(dòng)平衡電橋法，前面討論的微波傳輸行程作為測(cè)量臂，而完全模擬測(cè)量臂微波的傳輸行程設(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，則反相疊加的微波經(jīng)過(guò)檢波器C檢波后，輸出為零。若兩臂行程長(zhǎng)度不同，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)補(bǔ)償短路器產(chǎn)生位移，改變補(bǔ)償短路器的長(zhǎng)度，直到兩臂行程長(zhǎng)度完全相同，放大器輸出為零，可逆電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)為止。3、微波測(cè)厚儀12.2微波傳感器一般情況下，微波傳輸?shù)男谐涕L(zhǎng)度的變化非常微小。為了精

微波無(wú)損檢測(cè)是綜合利用微波與物質(zhì)的相互作用，一方面微波在不連續(xù)界面處會(huì)產(chǎn)生反射、散射、透射，另一方面微波還能與被檢材料產(chǎn)生相互作用，此時(shí)的微波場(chǎng)會(huì)受到材料中的電磁參數(shù)和幾何參數(shù)的影響。通過(guò)測(cè)量微波信號(hào)基本參數(shù)的改變即可達(dá)到檢測(cè)材料內(nèi)部缺陷的目的。

4、微波無(wú)損檢測(cè)12.2微波傳感器4、微波無(wú)損檢測(cè)12.2微波傳感器

1.次聲波次聲波是頻率低于20赫茲的聲波，人耳聽(tīng)不到，但可與人體器官發(fā)生共振，7~8Hz的次聲波會(huì)引起人的恐怖感，動(dòng)作不協(xié)調(diào)，甚至導(dǎo)致心臟停止跳動(dòng)。聲波的分類(lèi)12.3超聲波傳感器

1.次聲波次聲波是頻率低于20赫茲的聲波，人耳聽(tīng)不2.可聞聲波美妙的音樂(lè)可使人陶醉。頻率在16~20KHz之間，能為人耳所聞的機(jī)械波，稱(chēng)為聲波12.3超聲波傳感器2.可聞聲波美妙的音樂(lè)可使人陶醉。頻率在16~203.超聲波蝙蝠能發(fā)出和聽(tīng)見(jiàn)超聲波。高于20KHz的機(jī)械波，稱(chēng)為超聲波12.3超聲波傳感器3.超聲波蝙蝠能發(fā)出和聽(tīng)見(jiàn)超聲波。高于20KHz的機(jī)械波，一、超聲波物理基礎(chǔ)

頻率高于20kHz的機(jī)械振動(dòng)波稱(chēng)為超聲波。它的指向性很好，能量集中，因此穿透本領(lǐng)大，能穿透幾米厚的鋼板，而能量損失不大。在遇到兩種介質(zhì)的分界面（例如鋼板與空氣的交界面）時(shí)，能產(chǎn)生明顯的反射和折射現(xiàn)象，超聲波的頻率越高，其聲場(chǎng)指向性就愈好。超聲波的傳播波型主要可分為縱波、橫波、表面波等幾種。12.3超聲波傳感器一、超聲波物理基礎(chǔ)頻率高于20kHz的機(jī)械振動(dòng)波稱(chēng)為超聲波縱波縱波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致的波，它能在固體、液體和氣體介質(zhì)中傳播；12.3超聲波傳感器縱波縱波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致的波，它能在固體、液橫波橫波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波，它只能在固體介質(zhì)中傳播；12.3超聲波傳感器橫波橫波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波，它只能在固體介質(zhì)表面波表面波：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于橫波與縱波之間，沿著介質(zhì)表面?zhèn)鞑?，其振幅隨深度增加而迅速衰減的波，表面波只在固體的表面?zhèn)鞑ァ?2.3超聲波傳感器表面波表面波：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于橫波與縱波之間，沿著介質(zhì)表面?zhèn)鞑コ暡ǖ膫鞑ニ俣扰c介質(zhì)密度和彈性特性有關(guān)。超聲波在氣體和液體中傳播時(shí)，由于不存在剪切應(yīng)力，所以?xún)H有縱波的傳播，其傳播速度c為式中：ρ——介質(zhì)的密度；Ba——絕對(duì)壓縮系數(shù)。上述的ρ、Ba都是溫度的函數(shù)，使超聲波在介質(zhì)中的傳播速度隨溫度的變化而變化。超聲波的傳播12.3超聲波傳感器超聲波的傳播速度與介質(zhì)密度和彈性特性有關(guān)。超在固體中，縱波、橫波及其表面波三者的聲速有一定的關(guān)系，通?？烧J(rèn)為橫波聲速為縱波的一半，表面波聲速為橫波聲速的90%。氣體中縱波聲速為344m/s，液體中縱波聲速在900～1900m/s。12.3超聲波傳感器傳播速度在固體中，縱波、橫波及其表面波三者的聲速有一定的關(guān)系，通常超聲波在液體、固體中衰減很小，穿透能力強(qiáng)，特別是不透光的固體能穿透幾十米；當(dāng)超聲波從一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時(shí)，在界面上會(huì)產(chǎn)生反射、折射和波形轉(zhuǎn)換。超聲波為直線傳播方式，頻率越高繞射越弱，但反射越強(qiáng)，利用這種性質(zhì)可以制成超聲波測(cè)距傳感器。超聲波在空氣中傳播速度較慢，為340m/s，這一特點(diǎn)使得超聲波應(yīng)用變得非常簡(jiǎn)單，可以通過(guò)測(cè)量波的傳播時(shí)間，測(cè)量距離、厚度等。12.3超聲波傳感器超聲波在液體、固體中衰減很小，穿透能力強(qiáng)，特別是不透光的固體聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減，其衰減的程度與聲波的擴(kuò)散、散射及吸收等因素有關(guān)。其聲壓和聲強(qiáng)的衰減規(guī)律為式中：Px、Ix——距聲源x處的聲壓和聲強(qiáng)；x——聲波與聲源間的距離；α——衰減系數(shù)，單位為Np/cm（奈培/厘米）。超聲波的衰減12.3超聲波傳感器聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，能量聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，能量的衰減決定于聲波的擴(kuò)散、散射和吸收。在理想介質(zhì)中，聲波的衰減僅來(lái)自于聲波的擴(kuò)散，即隨聲波傳播距離增加而引起聲能的減弱。散射衰減是指超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，固體介質(zhì)中的顆粒界面或流體介質(zhì)中的懸浮粒子使聲波產(chǎn)生散射，其中一部分聲能不再沿原來(lái)傳播方向運(yùn)動(dòng)，而形成散射。散射衰減與散射粒子的形狀、尺寸、數(shù)量、介質(zhì)的性質(zhì)和散射粒子的性質(zhì)有關(guān)。吸收衰減是由于介質(zhì)粘滯性，使超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)造成質(zhì)點(diǎn)間的內(nèi)摩擦，從而使一部分聲能轉(zhuǎn)換為熱能，通過(guò)熱傳導(dǎo)進(jìn)行熱交換，導(dǎo)致聲能的損耗。12.3超聲波傳感器聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，能量的衰減決定于聲波的擴(kuò)散、散射和吸收。二、超聲波傳感器（換能器）

超聲波換能器又稱(chēng)超聲波探頭。超聲波換能器的工作原理有壓電式、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。超聲波探頭又分為直探頭、斜探頭、雙探頭、表面波探頭、聚焦探頭、沖水探頭、水浸探頭、高溫探頭、空氣傳導(dǎo)探頭以及其他專(zhuān)用探頭等。

12.3超聲波傳感器二、超聲波傳感器（換能器）超聲波換能器又稱(chēng)超

超聲波傳感器使用時(shí)的兩種形式：反射式、直射式c)反射式ＲＸＴＸＴＸＲＸa）兼用型ＴＸＲＸ專(zhuān)用型

直射式發(fā)射探頭（TX）接收探頭（RX）工作方式12.3超聲波傳感器c)反射式ＲＸＴＸＴＸa）兼用型ＴＸＲＸ專(zhuān)用型等效電路C’CLR等效電路電感性電容性頻率frfafr:L、C、R產(chǎn)生的串聯(lián)諧振頻率fa：L、C、C’產(chǎn)生的并聯(lián)諧振頻率電抗特性超聲波傳感器可等效為一個(gè)RLC的串并聯(lián)諧振電路。由電抗特性可見(jiàn)中間是電感性，兩邊是電容性，這是超聲波傳感器所特有的。其中頻率低的fr：L、C、R產(chǎn)生的串聯(lián)諧振頻率；頻率高的fa：L、C、C’產(chǎn)生的并聯(lián)諧振頻率超聲波傳感器在串聯(lián)諧振頻率時(shí)阻抗最小。12.3超聲波傳感器等效電路C’CLR等效電路電感性頻率frfafr:L、C各種超聲波探頭常用頻率范圍：0.5~10MHz，常見(jiàn)晶片直徑：5~30mm接觸式直探頭（縱波垂直入射到被檢介質(zhì)）外殼用金屬制作，保護(hù)膜用硬度很高的耐磨材料制作，防止壓電晶片磨損。保護(hù)膜接插件12.3超聲波傳感器各種超聲波探頭常用頻率范圍：0.5~10MHz，常見(jiàn)晶片直徑接觸式斜探頭

壓電晶片粘貼在與底面成一定角度（如30、45等）的有機(jī)玻璃斜楔塊上，當(dāng)斜楔塊與不同材料的被測(cè)介質(zhì)（試件）接觸時(shí)，超聲波將產(chǎn)生一定角度的折射，傾斜入射到試件中去，可產(chǎn)生多次反射，而傳播到較遠(yuǎn)處去。底部耐磨材料接插件12.3超聲波傳感器接觸式斜探頭壓電晶片粘貼在與底面成一定各種接觸式斜探頭常用頻率范圍：1-5MHz12.3超聲波傳感器各種接觸式斜探頭常用頻率范圍：1-5MHz12.3超聲超聲波探頭中的壓電陶瓷芯片

將數(shù)百伏的超聲電脈沖加到壓電晶片上，利用逆壓電效應(yīng)，使晶片發(fā)射出持續(xù)時(shí)間很短的超聲振動(dòng)波。當(dāng)超聲波經(jīng)被測(cè)物反射回到壓電晶片時(shí)，利用壓電效應(yīng)，將機(jī)械振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成同頻率的交變電荷和電壓。12.3超聲波傳感器超聲波探頭中的壓電陶瓷芯片將數(shù)百伏的超聲電脈沖加空氣超聲探頭12.3超聲波傳感器空氣超聲探頭12.3超聲波傳感器空氣超聲探頭外形12.3超聲波傳感器空氣超聲探頭外形12.3超聲波傳感器空氣超聲探頭外形12.3超聲波傳感器空氣超聲探頭外形12.3超聲波傳感器三、超聲波傳感器的應(yīng)用

當(dāng)超聲發(fā)射器與接收器分別置于被測(cè)物兩側(cè)時(shí)，這種類(lèi)型稱(chēng)為透射型。透射型可用于遙控器、防盜報(bào)警器、接近開(kāi)關(guān)等。超聲發(fā)射器與接收器置于同側(cè)的屬于反射型，反射型可用于接近開(kāi)關(guān)、測(cè)距、測(cè)液位或物位、金屬探傷以及測(cè)厚等。

12.3超聲波傳感器三、超聲波傳感器的應(yīng)用當(dāng)超聲發(fā)射器1、超聲波流量計(jì)12.3超聲波傳感器F1發(fā)射的超聲波先到達(dá)T11、超聲波流量計(jì)12.3超聲波傳感器F1發(fā)射的超聲波測(cè)量流量原理分類(lèi)

時(shí)間差法測(cè)量流量原理：

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。由于這兩束超聲波在液體中傳播速度的不同，測(cè)量?jī)山邮仗筋^上超聲波傳播的時(shí)間差t，可得到流體的平均速度及流量。12.3超聲波傳感器測(cè)量流量原理分類(lèi)時(shí)間差法測(cè)量流量原理：12.3超聲波F1發(fā)射的超聲波到達(dá)F2的時(shí)間較短時(shí)間差法測(cè)量流量原理：12.3超聲波傳感器F1發(fā)射的超聲波到達(dá)F2的時(shí)間較短時(shí)間差法測(cè)量流量原理：F1、F2是完全相同的超聲探頭，安裝在管壁外面，通過(guò)電子開(kāi)關(guān)的控制，交替地作為超聲波發(fā)射器與接收器用。首先由F1發(fā)射出第一個(gè)超聲脈沖，它通過(guò)管壁、流體及另一側(cè)管壁被F2接收，此信號(hào)經(jīng)放大后再次觸發(fā)F1的驅(qū)動(dòng)電路，使F1發(fā)射第二個(gè)聲脈沖。緊接著，由F2發(fā)射超聲脈沖，而F1作接收器，可以測(cè)得F1的脈沖重復(fù)頻率為f1。同理可以測(cè)得F2的脈沖重復(fù)頻率為f2。順流發(fā)射頻率f1與逆流發(fā)射頻率f2的頻率差

f與被測(cè)流速v成正比。F2F1頻率差法測(cè)量流量原理

12.3超聲波傳感器F1、F2是完全相同的超聲探頭，安裝在管壁外面，通過(guò)電子開(kāi)頻率差法測(cè)量流量原理

12.3超聲波傳感器頻率差法測(cè)量流量原理

12.3超聲波傳感器同側(cè)式超聲波流量計(jì)的使用（參考北京菲波儀表有限公司資料）12.3超聲波傳感器同側(cè)式超聲波流量計(jì)的使用（參考北京菲波儀表有限公司資料）超聲波流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)使用12.3超聲波傳感器超聲波流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)使用12.3超聲波傳感器2、超聲波多普勒測(cè)量車(chē)速12.3超聲波傳感器2、超聲波多普勒測(cè)量車(chē)速12.3超聲波傳感器多普勒效應(yīng)

前進(jìn)方向的頻率升高如果波源和觀察者之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，那么觀察者接收到的頻率和波源的頻率就不相同了，這種現(xiàn)象叫做多普勒效應(yīng)。測(cè)出f就可得到運(yùn)動(dòng)速度。12.3超聲波傳感器多普勒效應(yīng)前進(jìn)方向的頻率升高如果波源和觀察者之間有相超聲波多普勒測(cè)量風(fēng)速風(fēng)

風(fēng)引起超聲波的頻率變大或變小12.3超聲波傳感器超聲波多普勒測(cè)量風(fēng)速風(fēng)風(fēng)引起超聲波的3.超聲波測(cè)距

空氣超聲探頭發(fā)射超聲脈沖，到達(dá)被測(cè)物時(shí)，被反射回來(lái)，并被另一只空氣超聲探頭所接收。測(cè)出從發(fā)射超聲波脈沖到接收超聲波脈沖所需的時(shí)間t，再乘以空氣的聲速（340m/s），就是超聲脈沖在被測(cè)距離所經(jīng)歷的路程，除以2就得到距離。

12.3超聲波傳感器3.超聲波測(cè)距空氣超聲探頭發(fā)射超聲脈沖，到達(dá)被測(cè)發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路：

由反向器①②組成RC振蕩器經(jīng)門(mén)電路完成功率放大，經(jīng)CP耦合傳送給超聲波振子產(chǎn)生超聲發(fā)射信號(hào)。超聲波傳感器發(fā)射基本電路超聲波傳感器測(cè)距基本電路主要由

振蕩發(fā)射電路、檢測(cè)電路兩部分組成：振蕩器頻率調(diào)整12.3超聲波傳感器發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路：超聲波傳感器發(fā)射基本電路超聲波傳感器測(cè)距基超聲波傳感器接收電路檢測(cè)電路：

超聲波信號(hào)極微弱，需要增益高的放大電路用于檢測(cè)反射波，輸出的高頻信號(hào)電壓接檢波、放大、開(kāi)關(guān)電路輸出或報(bào)警。100倍放大12.3超聲波傳感器超聲波傳感器接收電路檢測(cè)電路：100倍放大12.3超超聲波測(cè)距模塊：最大距離600cm，最小距離2cm

功放40KHzOSC

定時(shí)器前置放大檢波平方放大輸出VCC12V三位顯示器被測(cè)物發(fā)送，由555構(gòu)成多諧振蕩器，RC電路產(chǎn)生40KHz等幅波放大送功放輸出；接收，放大、檢波，信號(hào)處理根據(jù)被測(cè)物體的基準(zhǔn)距離設(shè)定反射脈沖時(shí)間，調(diào)整振蕩器觸發(fā)時(shí)間。定時(shí)器控制觸發(fā)電路和門(mén)電路。12.3超聲波傳感器超聲波測(cè)距模塊：最大距離600cm，最小距離2cm功放44、超聲波測(cè)厚雙晶直探頭中的壓電晶片發(fā)射超聲振動(dòng)脈沖，超聲脈沖到達(dá)試件底面時(shí)，被反射回來(lái)，并被另一只壓電晶片所接收。只要測(cè)出從發(fā)射超聲波脈沖到接收超聲波脈沖所需的時(shí)間t，再乘以被測(cè)體的聲速常數(shù)c，就是超聲脈沖在被測(cè)件中所經(jīng)歷的來(lái)回距離，再除以2，就得到厚度：12.3超聲波傳感器4、超聲波測(cè)厚雙晶直探頭中的壓電晶片發(fā)射超聲振動(dòng)手持式超聲波測(cè)厚儀12.3超聲波傳感器手持式超聲波測(cè)厚儀12.3超聲波傳感器某超聲波測(cè)厚儀指標(biāo)

顯示方法∶128*32LCD點(diǎn)陣液晶顯示（帶背光）

顯示位數(shù)：四位

測(cè)量范圍：0.8~200mm

示值精度：0.1mm

聲速范圍：1000-9999m/s

測(cè)量周期：2次/秒

自動(dòng)關(guān)機(jī)時(shí)間：90秒

電源：二節(jié)七號(hào)（AAA）電池，可連續(xù)工作不少于72小時(shí)

使用溫度：-10°C-40°C

存儲(chǔ)溫度：-20°C-70°C

外形尺寸：108x61x25mm

重量：230g（含電池）12.3超聲波傳感器某超聲波測(cè)厚儀指標(biāo)顯示方法∶128*32LCD超聲波測(cè)厚石料測(cè)厚12.3超聲波傳感器超聲波測(cè)厚石料測(cè)厚12.3超聲波傳感器超聲波手持式測(cè)厚混凝土測(cè)厚木材測(cè)厚小提琴木料測(cè)厚12.3超聲波傳感器超聲波手持式測(cè)厚混凝土測(cè)厚木材測(cè)厚小提琴木料測(cè)厚12.3雙晶超聲波測(cè)厚探頭12.3超聲波傳感器雙晶超聲波測(cè)厚探頭12.3超聲波傳感器雙晶超聲波測(cè)厚探頭12.3超聲波傳感器雙晶超聲波測(cè)厚探頭12.3超聲波傳感器5、測(cè)量液位和物位

在液罐上方安裝空氣傳導(dǎo)型超聲發(fā)射器和接收器，根據(jù)超聲波的往返時(shí)間，就可測(cè)得液體的液面。

12.3超聲波傳感器5、測(cè)量液位和物位在液罐上方安裝空氣傳導(dǎo)型超聲發(fā)超聲波測(cè)液位hhsh2ah2as超聲波在液體中傳播測(cè)量超聲波在空氣中傳播測(cè)量單換能器從發(fā)射到接收的時(shí)間：t=2h/C傳感器到液面的距離：h=ct/2雙換能器經(jīng)過(guò)的路程：2S=ct液位高度：C：超聲波在介質(zhì)中傳播速度12.3超聲波傳感器超聲波測(cè)液位hhsh2ah2as超聲波在液體中傳播測(cè)量超聲波超聲波測(cè)量液位和物位喇叭形超聲發(fā)生器12.3超聲波傳感器超聲波測(cè)量液位和物位喇叭形超聲6、超聲防盜報(bào)警器

圖中的上半部分為發(fā)射電路，下面為接收電路。發(fā)射器發(fā)射出頻率f=40kHz左右的超聲波。如果有人進(jìn)入信號(hào)的有效區(qū)域，相對(duì)速度為v，從人體反射回接收器的超聲波將由于多普勒效應(yīng)，而發(fā)生頻率偏移f。

12.3超聲波傳感器6、超聲防盜報(bào)警器圖中的上半部分為發(fā)射電路，下7、無(wú)損探傷

對(duì)缺陷的檢測(cè)手段有破壞性試驗(yàn)和無(wú)損探傷。由于無(wú)損探傷以不損壞被檢驗(yàn)對(duì)象為前提，所以得到廣泛應(yīng)用。無(wú)損檢測(cè)的方法有磁粉檢測(cè)法、電渦流法、熒光染色滲透法、放射線（x光、中子）照相檢測(cè)法、超聲波探傷法等。

12.3超聲波傳感器7、無(wú)損探傷對(duì)缺陷的檢測(cè)手段有破壞性試驗(yàn)和無(wú)損探傷磁粉檢測(cè)法磁懸液磁粉檢測(cè)儀將磁懸液噴灑在工件表面，將磁粉檢測(cè)頭夾持在被測(cè)工件上，通以數(shù)百安培的電流，工件中將產(chǎn)生磁場(chǎng)，工件表面的裂紋可因磁粉的不均勻分布而顯示出來(lái)。12.3超聲波傳感器磁粉檢測(cè)法磁懸液磁粉檢測(cè)儀將磁懸液噴灑在工件表面，將磁粉檢測(cè)X光探傷

將x光發(fā)生器對(duì)準(zhǔn)被測(cè)位置，將感光片貼在物體背面，人離開(kāi)后通上高壓電，再將感光片沖洗出影像，即可觀察到缺陷。12.3超聲波傳感器X光探傷將x光發(fā)生器對(duì)準(zhǔn)被測(cè)位置，將感光片貼在物12.4機(jī)器人傳感器

“Ｒobot”一詞源出自捷克語(yǔ)“robota”，意謂“強(qiáng)迫勞動(dòng)”。1920年捷克斯洛伐克作家薩佩克寫(xiě)了一個(gè)名為《洛桑萬(wàn)能機(jī)器人公司》的劇本,他把在洛桑萬(wàn)能機(jī)器人公司生產(chǎn)勞動(dòng)的那些家伙取名“Robot”,漢語(yǔ)音譯為“羅伯特”，捷克語(yǔ)意為“奴隸”——薩佩克把機(jī)器人的地位確定為只管埋頭干活、任由人類(lèi)壓榨的奴隸，它們存在的價(jià)值只是服務(wù)于人類(lèi)。一個(gè)極其偶然的原因,機(jī)器人開(kāi)始有了知覺(jué),它們不堪忍受人類(lèi)的統(tǒng)治,向人類(lèi)發(fā)動(dòng)攻擊,最后徹底毀滅了人類(lèi)?！皺C(jī)器人”的名字也正式由此而生。12.4機(jī)器人傳感器“Ｒobot”一詞源出自捷能踢球的機(jī)器人12.4機(jī)器人傳感器能踢球的機(jī)器人12.4機(jī)器人傳感器對(duì)運(yùn)動(dòng)的球類(lèi)有正確反應(yīng)的機(jī)器人能打網(wǎng)球的機(jī)器人機(jī)器人足球比賽12.4機(jī)器人傳感器對(duì)運(yùn)動(dòng)的球類(lèi)有正確反應(yīng)的機(jī)器人能打網(wǎng)球的機(jī)器人機(jī)器人足球比賽能行走的機(jī)器人12.4機(jī)器人傳感器能行走的機(jī)器人12.4機(jī)器人傳感器服務(wù)機(jī)器人機(jī)器人伴舞機(jī)器人奏樂(lè)12.4機(jī)器人傳感器服務(wù)機(jī)器人機(jī)器人伴舞機(jī)器人奏樂(lè)12.4機(jī)器人傳感器可愛(ài)的小機(jī)器人能上臺(tái)階并避開(kāi)障礙物的機(jī)器人能自己站起來(lái)的機(jī)器人12.4機(jī)器人傳感器可愛(ài)的小機(jī)器人能上臺(tái)階并避開(kāi)障礙物的機(jī)器人能自己站起來(lái)的機(jī)器排爆機(jī)器人我國(guó)沈陽(yáng)自動(dòng)化所研制的PXJ-2機(jī)器人也加入了公安部隊(duì)的行列。12.4機(jī)器人傳感器排爆機(jī)器人我國(guó)沈陽(yáng)自動(dòng)化所研制的PXJ-2機(jī)器人也加入了公安消防機(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)員接近火場(chǎng)實(shí)施有效的滅火救援、化學(xué)檢驗(yàn)和火場(chǎng)偵察。它的應(yīng)用將提高消防部隊(duì)撲滅特大惡性火災(zāi)的實(shí)戰(zhàn)能力，對(duì)減少?lài)?guó)家財(cái)產(chǎn)損失和滅火救援人員的傷亡將產(chǎn)生重要的作用。12.4機(jī)器人傳感器消防機(jī)器人消防機(jī)器人作為特種消防設(shè)備可代替消防

機(jī)器人輪椅主要有口令識(shí)別與語(yǔ)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。12.4機(jī)器人傳感器機(jī)器人輪椅主要12.4機(jī)器人傳感器軍事機(jī)器人我國(guó)引進(jìn)的排爆機(jī)器人進(jìn)攻型機(jī)器人12.4機(jī)器人傳感器軍事機(jī)器人我國(guó)引進(jìn)的排爆機(jī)器人進(jìn)攻型機(jī)器人12.4機(jī)器人傳工業(yè)機(jī)器人核工業(yè)機(jī)器人汽車(chē)噴漆機(jī)器人12.4機(jī)器人傳感器工業(yè)機(jī)器人核工業(yè)機(jī)器人汽車(chē)噴漆機(jī)器人12.4機(jī)器人傳感器機(jī)器人的手12.4機(jī)器人傳感器機(jī)器人的手12.4機(jī)器人傳感器機(jī)械手在汽車(chē)加工中的應(yīng)用機(jī)械手能按照程序焊接和安裝汽車(chē)部件，是機(jī)器人的雛形。12.4機(jī)器人傳感器機(jī)械手在汽車(chē)加工中的應(yīng)用機(jī)械手能按照程序焊接和安裝汽車(chē)部件，激光焊接機(jī)械手12.4機(jī)器人傳感器激光焊接機(jī)械手12.4機(jī)器人傳感器機(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1.機(jī)器人的組成12.4機(jī)器人傳感器機(jī)器人大腦——主板1.機(jī)器人的組成12.4機(jī)器人傳感器2.傳感器在機(jī)器人中的應(yīng)用機(jī)器人是由計(jì)算機(jī)控制的復(fù)雜機(jī)器，它具有類(lèi)似人的肢體及感官功能；動(dòng)作程序靈活；有一定程度的智能；在工作時(shí)可以不依賴(lài)人的操縱。機(jī)器人傳感器在機(jī)器人的控制中起了非常重要的作用，正因?yàn)橛辛藗鞲衅?，機(jī)器人才具備了類(lèi)似人類(lèi)的知覺(jué)功能和反應(yīng)能力。

12.4機(jī)器人傳感器2.傳感器在機(jī)器人中的應(yīng)用機(jī)器人是由計(jì)算機(jī)控制的給機(jī)器人裝備什么樣的傳感器，對(duì)這些傳感器有什么要求，這是設(shè)計(jì)機(jī)器人感覺(jué)系統(tǒng)時(shí)遇到的首要問(wèn)題。選擇機(jī)器人傳感器應(yīng)當(dāng)完全取決于機(jī)器人的工作需要和應(yīng)用特點(diǎn)。12.4機(jī)器人傳感器給機(jī)器人裝備什么樣的傳感器，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(lèi)。內(nèi)部檢測(cè)傳感器是以機(jī)器人本身的坐標(biāo)軸來(lái)確定其位置。它安裝在機(jī)器人自身中用來(lái)感知機(jī)器人自己的狀態(tài)，以調(diào)整和控制機(jī)器人的行動(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?chē)h(huán)境、目標(biāo)物的狀態(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)傳感器通常包括觸覺(jué)、接近覺(jué)、視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)等傳感器。12.4機(jī)器人傳感器機(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(lèi)為得到更擬人的觸覺(jué)傳感器，進(jìn)行“人工皮膚”的研究，實(shí)際上也是一種由單個(gè)觸覺(jué)傳感器按一定形狀(如矩陣)組合在一起的陣列式觸覺(jué)傳感器。這種傳感器的密度較大、體積較小、精度較高，特別是接觸材料本身就是敏感材料，這些都是其它結(jié)構(gòu)的觸覺(jué)傳感器很難達(dá)到的?！叭斯てつw”傳感器可用于表面形狀和表面特性的檢測(cè)。12.4機(jī)器人傳感器為得到更擬人的觸覺(jué)傳感器，進(jìn)行“人工皮膚”的研究，實(shí)際上也目前的“皮膚”觸覺(jué)傳感器的研究主要在兩個(gè)方面：一是選擇更為合適的敏感材料，現(xiàn)有的材料主要有導(dǎo)電橡膠、壓電材料、光纖等；二是將集成電路工藝應(yīng)用到傳感器的設(shè)計(jì)和制造中，使傳感器和處理電路—體化，得到大規(guī)模或超大規(guī)模陣列式觸覺(jué)傳感器。如圖12.22所示，為PVF2陣列式觸覺(jué)傳感器。12.4機(jī)器人傳感器目前的“皮膚”觸覺(jué)傳感器的研究主要在兩個(gè)方面：一是選擇更為合PVF2陣列式觸覺(jué)傳感器

1—電氣接線2—PVF2膜3—識(shí)別對(duì)象4—底座盒5—印刷電路板12.4機(jī)器人傳感器PVF2陣列式觸覺(jué)傳感器

1—電氣接線2—PVF2膜3—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，為此設(shè)計(jì)的滑動(dòng)檢測(cè)器，叫做滑覺(jué)傳感器。12.4機(jī)器人傳感器機(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)值該傳感器的主要部件是一個(gè)如同棋盤(pán)一樣，相間地用絕緣材料蓋住的小導(dǎo)體球。球表面的任意兩個(gè)地方安上接觸器。接觸器觸頭接觸面積小于球面上露出的導(dǎo)體面積。球與被握物體相接觸，無(wú)論滑動(dòng)方向如何，只要球—轉(zhuǎn)動(dòng)，傳感器就會(huì)產(chǎn)生脈沖輸出。應(yīng)用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)，球的尺寸可以變得很小，減小球的尺寸和傳導(dǎo)面積可以提高檢測(cè)靈敏度。12.4機(jī)器人傳感器該傳感器的主要部件是一個(gè)如同棋盤(pán)一樣，相間地用絕緣材料蓋住的1-被夾持物體

2-觸點(diǎn)

3—柔軟覆層球形滑覺(jué)傳感器12.4機(jī)器人傳感器1-被夾持物體2-觸點(diǎn)3—柔軟覆層12.4機(jī)器人傳一、智能式傳感器的概述智能式傳感自20世紀(jì)70年代初出現(xiàn)以來(lái)，隨著微處理器技術(shù)的迅猛發(fā)展及測(cè)控系統(tǒng)自動(dòng)化、智能化的發(fā)展，要求傳感器準(zhǔn)確度高、可靠性高、穩(wěn)定性好，而且具備一定的數(shù)據(jù)處理能力，并能夠自檢、自校、自補(bǔ)償。傳統(tǒng)的傳感器已不能滿(mǎn)足這樣的要求。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(lái)彌補(bǔ)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)生了功能強(qiáng)大的智能式傳感器。所謂智能式傳感器，就是一種帶有微處理機(jī)的，兼有信息檢測(cè)、信號(hào)處理、信息記憶、邏輯思維與判斷功能的傳感器。

12.5智能傳感器一、智能式傳感器的概述12.5智能傳感器二、智能傳感器的功能和構(gòu)成

無(wú)論是傳感器的智能化，還是集成智能化傳感器，都是帶有微機(jī)的兼具檢測(cè)信息和處理信息功能的傳感器，可統(tǒng)稱(chēng)為智能式傳感器。和傳統(tǒng)的傳感器相比，智能化傳感器具有以下功能：①具有邏輯判斷、統(tǒng)計(jì)處理功能?？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)以及緩慢漂移等的誤差補(bǔ)償，提高了測(cè)量準(zhǔn)確度。②具有自診斷、自校準(zhǔn)功能?？稍诮油娫磿r(shí)進(jìn)行開(kāi)機(jī)自檢，可在工作中進(jìn)行運(yùn)行自檢，并可實(shí)時(shí)自行診斷測(cè)試，以確定哪一組件有故障，提高了工作可靠性。

12.5智能傳感器二、智能傳感器的功能和構(gòu)成12.5智能傳感器

③具有自適應(yīng)、自調(diào)整功能?？筛鶕?jù)待測(cè)物理量的數(shù)值大小及變化情況自動(dòng)選擇檢測(cè)量程和測(cè)量方式，提高了檢測(cè)適用性。④具有組態(tài)功能。可實(shí)現(xiàn)多傳感器、多參數(shù)的復(fù)合測(cè)量，擴(kuò)大了檢測(cè)與使用范圍。⑤具有記憶、存儲(chǔ)功能。可進(jìn)行檢測(cè)數(shù)據(jù)的隨時(shí)存取，加快了信息的處理速度。⑥具有數(shù)據(jù)通訊功能。智能化傳感器具有數(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，提高了信息處理的質(zhì)量。12.5智能傳感器③具有自適應(yīng)、自調(diào)整功能。可根據(jù)待測(cè)物理量計(jì)算機(jī)軟件在智能傳感器中起著舉足輕重的作用。由于“電腦”的加入，智能傳感器可通過(guò)各種軟件對(duì)信息檢測(cè)過(guò)程進(jìn)行管理和調(diào)節(jié)，使之工作在最佳狀態(tài)，從而增強(qiáng)了傳感器的功能，提升了傳感器的性能。此外，利用計(jì)算機(jī)軟件能夠?qū)崿F(xiàn)硬件難以實(shí)現(xiàn)的功能，因?yàn)橐攒浖娌糠钟布?，可降低傳感器的制作難度。智能式傳感器系統(tǒng)一般構(gòu)成框圖如圖所示。其中作為系統(tǒng)“大腦”的微型計(jì)算機(jī)，可以是單片機(jī)、單板機(jī)，也可以是微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。12.5智能傳感器計(jì)算機(jī)軟件在智能傳感器中起著舉足輕重的作用。由智能傳感器的結(jié)構(gòu)框圖12.5智能傳感器智能傳感器的結(jié)構(gòu)框圖12.5智能傳感器