第九章新型傳感器本章學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容：9.1機(jī)器人傳感器

9.2生物傳感器

9.1機(jī)器人傳感器

機(jī)器人是由計算機(jī)控制的復(fù)雜機(jī)器，他具有類似人的肢體及感官功能，動作靈活，有一定的智能化，在工作中可以不依賴人的操縱。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，正因為有了傳感器，機(jī)器人才具備了類似人類的知覺功能和反應(yīng)能力。9.1.1機(jī)器人傳感器的分類

智能機(jī)器人的研究都是以人或動物作為模仿對象。人類通過五官，即視覺、聽覺、嗅覺、味覺、觸覺來接收外界信息并通過神經(jīng)傳遞給大腦。大腦對多種不同的信息進(jìn)行加工、綜合并作出適當(dāng)?shù)臎Q策。但計算機(jī)、電子電路卻只能處理電子信號，不能像人類那樣直接從外界獲取信息。而傳感器卻具有類似人類五官感覺的功能，它們是將外界信息轉(zhuǎn)換成電子信號的電子元器件。9.1.2常用的機(jī)器人傳感器1.聽覺傳感器圖9-1家用服務(wù)型智能機(jī)器人

家用服務(wù)型機(jī)器人，如圖9-1所示，它在為我們服務(wù)的時候，需要聽懂主人的吩咐，按照主人的指令完成預(yù)定的工作。給智能機(jī)器人安裝“耳朵”是很有必要的。智能機(jī)器人的“耳朵”首先要具有接收聲音信號的“器官”，其次需要語音識別系統(tǒng)。語音識別技術(shù)是人工智能和智能機(jī)器人的重要研究領(lǐng)域，隨著IBMViaVioce的成功，一些基于該成果的識別產(chǎn)品相繼問世。1）動圈式傳聲器動圈式傳聲器的結(jié)構(gòu)原理如圖9-2所示。線圈貼于振膜上并懸于兩磁極之間．聲波通過空氣使振膜振動，從而導(dǎo)致線圈在兩磁鐵間運(yùn)動。線圈切割磁力線，產(chǎn)生微弱的感應(yīng)電流，該電流信號與聲波的頻率相同。較高檔的話筒，就采用動圈式傳聲器。圖9-2動圈式傳感器的結(jié)構(gòu)原理示意圖2）光纖聲波傳感器光纖聲波傳感器有兩種類型。一種是利用光纖傳輸光的相位變化和利用傳輸光的傳輸損耗等特性制成的聲波傳感器，另一種是將光纖僅作為傳輸手段的聲波傳感器。雙光纖干涉儀是典型的光纖聲波傳感器。圖9-3雙光纖干涉儀聲波傳感器1—聲源2—光纖線圈3—干涉鏡2.視覺傳感器視覺傳感器以光電變換為壁礎(chǔ)，是利用光敏元件將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器件。激光視覺傳感器、CCD視覺傳感器和CMOS圖像傳感器可以作為機(jī)器人的視覺系統(tǒng)，監(jiān)控機(jī)器人的運(yùn)行。1）激光視覺傳感器激光束以恒定的速度掃描被測物體，由于激光方向性好、亮度高，因此光束在物體邊緣形成強(qiáng)對比度的光強(qiáng)分布，經(jīng)光電器件轉(zhuǎn)換成脈沖電信號，脈沖寬度與被測尺寸成正比，從而實現(xiàn)了機(jī)器人對物體尺寸的非接觸測量。

a)激光視覺傳感器工作原理b)正反射光檢測c)漫反射光檢測圖9-4激光視覺傳感器構(gòu)成原理示意圖2）紅外CCD視覺傳感器混合型紅外CCD視覺傳感器構(gòu)成原理如圖9-5所示。使用固體電子掃描的紅外攝像傳感器，一般稱為紅外CCD，其成像原理與熱電型紅外光成像原理基本相同。紅外光熱電敏感元件和固體電子掃描部分均用相同半導(dǎo)體材料，經(jīng)過一系列處理而制成單片型紅外CCD。也可用不同的半導(dǎo)體材料經(jīng)不同處理而制造、組裝成混合型紅外CCD。信號處理芯片用Si材料制作，柔軟銦緩沖器保證對溫度變化和沖擊的可靠性。圖9-5混合型紅外CCD構(gòu)成原理3）CMOS圖像傳感器CCD和CMOS在工作原理上沒有本質(zhì)的區(qū)別，主要區(qū)別是讀取圖像數(shù)據(jù)的方法。CMOS在每一個像素上采用有源像素傳感器及幾個晶體管，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后直接產(chǎn)生電壓信號，以實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的讀取，信號讀取十分簡單，還能同時處理各單元的圖像信息，使CMOS器件能較CCD傳感器更快地轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。3.觸覺傳感器

機(jī)器人觸覺可分為壓覺、滑覺和接觸覺等幾種。1）壓覺傳感器壓覺傳感器位于手指握持面上，用來檢測機(jī)器人手指握持面上承受的壓力大小和分布。如圖9-6所示，硅電容壓覺傳感器陣列結(jié)構(gòu)示意圖。圖9-6硅電容壓覺傳感器陣列剖面圖1—柔性電片層2—表皮層3—硅片4—襯底5—SiO26—電容極板2）滑覺傳感器機(jī)器人的手爪要抓住屬性未知的物體，必須對物體作用最佳大小的握持力，以保證既能握住物體不產(chǎn)生滑動，而又不使被抓物滑落，還不至于因用力過大而使物體變形而損壞。在手爪間安裝滑覺傳感器就能檢測出手爪與物體接觸面之間相對運(yùn)動（滑動）的大小和方向。圖9-7球形滑覺傳感器1—滑動球2—被抓物3—軟襯4—接觸器該傳感器有一個可自由滾動的球，球的表面是用導(dǎo)體和絕緣體按一定規(guī)格布置的網(wǎng)格，在球表面安裝有接觸器。當(dāng)球與被握持物體相接觸時，如果物體滑動，將帶動球隨之滾動，接觸器與球的導(dǎo)電區(qū)交替接觸從而發(fā)出一系列的脈沖信號Uf，脈沖信號的個數(shù)及頻率與滑動的速度有關(guān)。球形滑覺傳感器所測量的滑動不受滑動方向的限制，能檢測全方位滑動。在這種滑覺傳感器中，也可將兩個接觸器改用光電傳感器代替，滾球表面制成反光和不反光的網(wǎng)格，可提高可靠性，減少磨損。3）PVDF接觸覺傳感器

有機(jī)高分子聚二氟乙烯（PVDF）是一種具有壓電效應(yīng)和熱釋電效應(yīng)的敏感材料，使用該材料可制成接觸覺、滑覺、熱覺的傳感器，是人們用來研制仿生皮膚的主要材料，如圖9-8所示。PVDF薄膜厚度只有幾十微米，具有優(yōu)良的柔性及壓電特性。a)接觸/滑覺傳感器的人工皮膚b)接觸/滑覺/溫度傳感器的人工皮膚結(jié)構(gòu)圖9-8人工皮膚結(jié)構(gòu)的剖面圖4.接近覺傳感器

接近覺傳感器用于感知一定距離內(nèi)的場景狀況，所感應(yīng)的距離范圍一般為幾毫米至幾十毫米，也有可達(dá)幾米，如圖9-9所示。接近覺為機(jī)器人的后續(xù)動作提供必要的信息，供機(jī)器人決定以怎么樣的速度接近或避讓對象。常用的接近覺傳感器有電磁式、光電式、電容式、超聲波式、紅外式、微波式等多種類型。圖9-9光學(xué)接近傳感器1）電磁式接近覺傳感器常用的電磁式接近覺傳感器有電渦流式傳感器和霍爾式傳感器。這類傳感器用以感知近距離的、靜止物體的接近情況。電渦流式對非金屬材料的物體無法感知，霍爾式對非磁性材料的物體無法感知，選用時需根據(jù)具體情況而定。2）光電式接近覺傳感器光電式接近覺傳感器采用發(fā)射-反射式原理，如圖9-10所示。這種傳感器適合于判斷有無物體接近，而難于感知物體距離的數(shù)值。另外，物體表面的反射率等因素對傳感器的靈敏度有較大影響。圖9-10安裝在機(jī)器人抓爪上的接近覺傳感器3）超聲波接近覺傳感器超聲波接近覺傳感器既可以用一個超聲波換能器兼做發(fā)射和接收器件；也可以用兩只超聲波換能器，一只作為發(fā)射器，另一只作為接收器。超聲波接近覺傳感器除了能感知物體有無外，還能感知物體的遠(yuǎn)近距離，距離與聲速c、時間t的關(guān)系為：

超聲波傳感器最大的優(yōu)點是不受環(huán)境因素的影響，也不受物體材料、表面特性等的限制，因此適用范圍較大。

力覺是指機(jī)器人的指、肢和關(guān)節(jié)等運(yùn)動中所受力的感知，主要包括腕力覺、關(guān)節(jié)力覺和支座力覺等，需要力或力矩傳感器。常用的機(jī)器人力傳感器和力矩傳感器有電阻應(yīng)變式力傳感器、壓電式力傳感器、電容式力傳感器、電感式力傳感器以及各種外力傳感器等。力覺傳感器的共同特點是，首先通過彈性敏感元件將被測力(或力矩)轉(zhuǎn)換成某種位移量或變形量，然后通過各自的敏感介質(zhì)把位移量轉(zhuǎn)換成能夠輸出的電量。5.力覺傳感器

20世紀(jì)70年代中期美國斯坦福大學(xué)研制的六維力和力矩傳感器，如圖9-11所示。該傳感器利用一段鋁管巧妙地加工成串聯(lián)的彈性梁，在梁上粘貼一對應(yīng)變片，其中一片用于溫度補(bǔ)償。由圖可知，有八個具有四個取向的窄梁，其中四個的長軸在z方向用PX+、PY+、PX-、PY-表示，其余四個的軸垂直于z方向，用QX+、QY+、QX-、QY-表示。一對應(yīng)變片由R1、R2表示并取向，使得由后者的中心通過前者中心的矢量沿止x、y或z方向，例如，在粱PX+和PY-的應(yīng)變片垂直于y方向。梁一端的預(yù)部在應(yīng)變片處有放大應(yīng)變的作用，而彎曲轉(zhuǎn)矩忽略不計。

圖9-11機(jī)器人用六維力和力矩傳感器應(yīng)變片可以由上圖所示的電位計進(jìn)行溫度補(bǔ)償。鋁具有良好的導(dǎo)熱性，環(huán)境溫度的變化導(dǎo)致兩個應(yīng)變片的電阻變化幾乎相同，從而使電路的輸出不變。為了防止過載造成傳感器的失效，傳感器上設(shè)有過載保護(hù)針。該傳感器的缺點在于彈性粱的剛性差，加工困難。9.1.3機(jī)器人傳感器的應(yīng)用

研制機(jī)器人的最初目的是為了幫助人們擺脫繁重勞動、簡單的重復(fù)勞動，以及代替人到有輻射等危險環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)。因此，機(jī)器人最早在汽車制造業(yè)和核工業(yè)領(lǐng)域得以應(yīng)用。隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)領(lǐng)域的焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配、鑄造等場合，已經(jīng)開始大量使用機(jī)器人。另外在軍事、海洋探測、航天、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、林業(yè)，甚至服務(wù)娛樂行業(yè)，也都開始使用機(jī)器人。圖9-13弧焊機(jī)器人圖9-14噴涂機(jī)器人應(yīng)用于汽車9.2生物傳感器

生物傳感器是用生物活性材料（酶、蛋白質(zhì)、DNA、抗體、抗原、生物膜等）與物理化學(xué)換能器有機(jī)結(jié)合的一門交叉學(xué)科，用以檢測和識別生物體內(nèi)的化學(xué)成分，是發(fā)展生物技術(shù)必不可少的一種先進(jìn)的檢測方法與監(jiān)控方法，也是物質(zhì)分子水平的快速、微量分析方法。

生物傳感器的原理，如下圖所示。待測物質(zhì)經(jīng)擴(kuò)散作用進(jìn)入生物活性材料，經(jīng)分子識別，發(fā)生生物學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的信息繼而被相應(yīng)的物理或化學(xué)換能器轉(zhuǎn)變成可定量和可處理的電信號，再經(jīng)二次儀表放大并輸出，便可知道待測物濃度。9.2.1生物傳感器的分類1.按所用生物活性物質(zhì)分類酶傳感器、微生物傳感器、免疫傳感器、組織傳感器和細(xì)胞傳感器。2.按所用變換器器件分類半導(dǎo)體生物傳感器、光生物傳感器、熱生物傳感器、壓電晶體生物傳感器和介體生物傳感器。3.其他分類方法微型生物傳感器、親和生物傳感器、多功能生物傳感器、復(fù)合生物傳感器。9.2.2常用的生物傳感器1.酶傳感器酶傳感器是問世最早、成熟度最高的一類生物傳感器。它是利用酶的催化作用，在常溫常壓下將糖類、醇類、有機(jī)酸、氨基酸等生物分子氧化或分解，然后通過換能器將反應(yīng)過程中化學(xué)物質(zhì)的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栍涗浵聛?，進(jìn)而推出相應(yīng)的生物分子濃度。因此，酶傳感器是間接型傳感器，它不是直接測定待測物質(zhì)，而是通過對反應(yīng)后有關(guān)物質(zhì)濃度的測定，來推斷被測物質(zhì)的濃度。分類：1）電流型酶傳感器將酶催化反應(yīng)產(chǎn)生的物質(zhì)，通過電極反應(yīng)產(chǎn)生電流，作為測量信號。在一定條件下，利用測得的電流信號與被測物活度或濃度的函數(shù)關(guān)系，來測定樣品中某一生物組成的活度或濃度。常用電極：氧電極、H2O2電極。2）電位型酶傳感器通過電化學(xué)傳感器，測量敏感膜電位，確定與催化反應(yīng)有關(guān)的各種物質(zhì)濃度。電位型一般用NH3電極、CO2電極、H2電極，以離子作為檢測方式，表9-2給出了酶傳感器的種類。2.微生物傳感器

用微生物作為分子識別元件制成的傳感器稱為微生物傳感器。微生物傳感器與酶傳感器相比，有價格便宜、性能穩(wěn)定的優(yōu)點，但其響應(yīng)時間較長（數(shù)分鐘），選擇性較差。目前微生物傳感器已成功地應(yīng)用于發(fā)酵工業(yè)和環(huán)境檢測中，例如測定江水及廢水污染程度，在醫(yī)學(xué)中可測量血清中微量氨基酸，有效地診斷尿毒癥和糖尿病等。

微生物本身就是具有生命活性的細(xì)胞，有各種生理機(jī)能，其主要機(jī)能是呼吸機(jī)能（O2的消耗）和新陳代謝機(jī)能（物質(zhì)的合成與分解），還有菌體內(nèi)的復(fù)合酶、能量再生系統(tǒng)等。因此在不損壞微生物機(jī)能情況下，可將微生物用固定化技術(shù)固定在載體上，就可制作出微生物敏感膜，而采用的載體一般是多孔醋酸纖維膜和膠原膜。微生物傳感器從工作原理上可分為兩種類型，即呼吸機(jī)能型和代謝機(jī)能型，微生物傳感器結(jié)構(gòu)如圖9-16所示。O2O2底物鉑陰極固定化微生物O2

氧電極陽極a）呼吸機(jī)能型燃料電池型電極CO2電極NH3電極pH電極H2CO2NH3

H+底物固定化微生物b）代謝機(jī)能型圖9-16微生物傳感器結(jié)構(gòu)3.免疫傳感器

利用抗體能識別抗原，并與抗原結(jié)合的生物傳感器稱為免疫傳感器。它利用固定化抗體（或抗原膜）與相應(yīng)的抗原（或抗體）的特異反應(yīng)，此反應(yīng)的結(jié)果使生物敏感膜的電位發(fā)生變化。免疫傳感器的基本原理是免疫反應(yīng)。從生理學(xué)可知，抗原是能夠刺激動物機(jī)體產(chǎn)生免疫反應(yīng)的物質(zhì)。但從廣義的生物學(xué)觀點看，凡是能夠引起免疫反應(yīng)性能的物質(zhì)，都可稱為抗原?？乖袃煞N性能：刺激機(jī)體產(chǎn)生免疫應(yīng)答反應(yīng)；與相應(yīng)免疫反應(yīng)產(chǎn)物發(fā)生特異性結(jié)合反應(yīng)?？乖坏┍涣馨颓蝽憫?yīng)就形成抗體。而微生物病毒等也是抗原。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。圖9-17免疫傳感器結(jié)構(gòu)原理

在圖9-17中，2、3兩室間有固定化抗原膜，1、3兩室間沒有固定化抗原膜。1、2室內(nèi)注入0.9%的生理鹽水，當(dāng)3室內(nèi)導(dǎo)入食鹽水時，1、2室內(nèi)電極間無電位差。若3室內(nèi)注入含有抗體的鹽水時，由于抗體和固定化抗原膜上的抗原相結(jié)合，使膜表面吸附了特異的抗體，而抗體是有電荷的蛋白質(zhì)，從而使固定化抗原膜帶電狀態(tài)發(fā)生變化，于是1、2室內(nèi)的電極間有電位差產(chǎn)生。電位差信號放大可檢測超微量的抗體。9

.2.3生物傳感器的應(yīng)用

生物傳感器在發(fā)酵工藝、環(huán)境監(jiān)測、食品工程、臨床醫(yī)學(xué)、軍事及軍事醫(yī)學(xué)等方面得到了深度重視和廣泛應(yīng)用。1.在發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用在各種生物傳感器中，微生物傳感器具有成本低、設(shè)備簡單、不受發(fā)酵液渾濁程度的限制、能消除發(fā)酵過程中干擾物質(zhì)的干擾等特點。因此，在發(fā)酵工業(yè)中廣泛地采用微生物傳感器作為一種有效的測量工具。微生物傳感器可用于測量發(fā)酵工業(yè)中的原材料和代謝產(chǎn)物；另外，還用于微生物細(xì)胞數(shù)目的測定。利用這種電化學(xué)微生物細(xì)胞數(shù)傳感器可以實現(xiàn)菌體濃度的連續(xù)、在線測定。2.在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用近年來，環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，生物傳感器即可用于環(huán)境監(jiān)測中。利用環(huán)境中的微生物細(xì)胞如細(xì)菌、酵母、真菌作為識別元件，這些微生物通?？蓮幕钚阅酄畛练e物、河水、瓦礫和土壤中分離出來。生物傳感器在環(huán)境監(jiān)測中應(yīng)用最多的是水質(zhì)分析。例如，在河流中放入特制的傳感器及其附件可進(jìn)行現(xiàn)場檢測。

微生物傳感器是快速準(zhǔn)確測定焦化、煉油、化工等企業(yè)廢水中酚的有效方法。這種方法以微生物膜電極為傳感器測酚，其儀器結(jié)構(gòu)見圖9-18。由極譜型氧電極和緊貼于其透氣薄膜表面的微生物膜構(gòu)成。當(dāng)酚物質(zhì)與氧一起擴(kuò)散進(jìn)入微生物膜時，由于微生物對酚的同化作用而耗氧，致使進(jìn)入氧電極的氧分子速率下降，傳感器輸出電流減小，并在幾分鐘內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定。在一定的酚濃度范圍內(nèi)，電流降低值ΔI與酚濃度呈線性關(guān)系，由此來測定酚的濃度。圖9-18測酚儀器結(jié)構(gòu)示意圖3.在食品分析中的應(yīng)用生物傳感器可廣泛用于食品工業(yè)生產(chǎn)中，如對食品原料、半成品和產(chǎn)品質(zhì)量的檢測等。鮮度是評價食品品質(zhì)的重要指標(biāo)，對食品鮮度進(jìn)行快速分析檢測，及時對有問題食物進(jìn)行處理，以防止變質(zhì)食品進(jìn)一步擴(kuò)散，這對減少沒必要的損失至關(guān)重要。以戊二醛為交聯(lián)劑，將黃嘌呤氧化酶直接固定在絲蛋白做成的孔膜上，以平面圓盤鉑電極為基礎(chǔ)電極，制成黃嘌呤氧化酶電極，用于測定魚的鮮度。通過