盤(pán)點(diǎn)機器人制造中常用的傳感器技術(shù)

　　傳感器（Sensor）是一種常見(jiàn)的卻又很重要的器件，它是感受規定的被測量的各種量并按一定規律將其轉換為有用信號的器件或裝置。對于傳感器來(lái)說(shuō)，按照輸入的狀態(tài)，輸入可以分成靜態(tài)量和動(dòng)態(tài)量。我們可以根據在各個(gè)值的穩定狀態(tài)下，輸出量和輸入量的關(guān)系得到傳感器的靜態(tài)特性。

　　傳感器的靜態(tài)特性的主要指標有線(xiàn)性度、遲滯、重復性、靈敏度和準確度等。傳感器的動(dòng)態(tài)特性則指的是對于輸入量隨著(zhù)時(shí)間變化的響應特性。動(dòng)態(tài)特性通常采用傳遞函數等自動(dòng)控制的模型來(lái)描述。通常，傳感器接收到的信號都有微弱的低頻信號，外界的干擾有的時(shí)候的幅度能夠超過(guò)被測量的信號，因此消除串入的噪聲就成為了一項關(guān)鍵的傳感器技術(shù)。

　　物理傳感器

　　物理傳感器是檢測物理量的傳感器。它是利用某些物理效應，把被測量的物理量轉化成為便于處理的能量形式的信號的裝置。其輸出的信號和輸入的信號有確定的關(guān)系。主要的物理傳感器有光電式傳感器、壓電傳感器、壓阻式傳感器、電磁式傳感器、熱電式傳感器、光導纖維傳感器等。

　　作為例子，讓我們看看比較常用的光電式傳感器。這種傳感器把光信號轉換成為電信號，它直接檢測來(lái)自物體的輻射信息，也可以轉換其他物理量成為光信號。其主要的原理是光電效應：當光照射到物質(zhì)上的時(shí)候，物質(zhì)上的電效應發(fā)生改變，這里的電效應包括電子發(fā)射、電導率和電位電流等。

　　顯然，能夠容易產(chǎn)生這樣效應的器件成為光電式傳感器的主要部件，比如說(shuō)光敏電阻。這樣，我們知道了光電傳感器的主要工作流程就是接受相應的光的照射，通過(guò)類(lèi)似光敏電阻這樣的器件把光能轉化成為電能，然后通過(guò)放大和去噪聲的處理，就得到了所需要的輸出的電信號。這里的輸出電信號和原始的光信號有一定的關(guān)系，通常是接近線(xiàn)性的關(guān)系，這樣計算原始的光信號就不是很復雜了。其它的物理傳感器的原理都可以類(lèi)比于光電式傳感器。

　　物理傳感器的應用范圍是非常廣泛的，我們僅僅就生物醫學(xué)的角度來(lái)看看物理傳感器的應用情況，之后不難推測物理傳感器在其他的方面也有重要的應用。

　　比如血壓測量是醫學(xué)測量中的最為常規的一種。我們通常的血壓測量都是間接測量，通過(guò)體表檢測出來(lái)的血流和壓力之間的關(guān)系，從而測出脈管里的血壓值。測量血壓所需要的傳感器通常都包括一個(gè)彈性膜片，它將壓力信號轉變成為膜片的變形，然后再根據膜片的應變或位移轉換成為相應的電信號。在電信號的峰值處我們可以檢測出來(lái)收縮壓，在通過(guò)反相器和峰值檢測器后，種傳感器外形我們可以得到舒張壓，通過(guò)積分器就可以得到平均壓。

　　讓我們再看看呼吸測量技術(shù)。呼吸測量是臨床診斷肺功能的重要依據，在外科手術(shù)和病人監護中都是必不可少的。比如在使用用于測量呼吸頻率的熱敏電阻式傳感器時(shí)，把傳感器的電阻安裝在一個(gè)夾子前端的外側，把夾子夾在鼻翼上，當呼吸氣流從熱敏電阻表面流過(guò)時(shí)，就可以通過(guò)熱敏電阻來(lái)測量呼吸的頻率以及熱氣的狀態(tài)。

　　再比如最常見(jiàn)的體表溫度測量過(guò)程，雖然看起來(lái)很容易，但是卻有著(zhù)復雜的測量機理。體表溫度是由局部的血流量、下層組織的導熱情況和表皮的散熱情況等多種因素決定的，因此測量皮膚溫度要考慮到多方面的影響。熱電偶式傳感器被較多的應用到溫度的測量中，通常有桿狀熱電偶傳感器和薄膜熱電偶傳感器。

　　由于熱電偶的尺寸非常小，精度比較高的可做到微米的級別，所以能夠比較精確地測量出某一點(diǎn)處的溫度，加上后期的分析統計，能夠得出比較全面的分析結果。這是傳統的水銀溫度計所不能比擬的，也展示了應用新的技術(shù)給科學(xué)發(fā)展帶來(lái)的廣闊前景。

　　從以上的介紹可以看出，僅僅在生物醫學(xué)方面，物理傳感器就有著(zhù)多種多樣的應用。傳感器的發(fā)展方向是多功能、有圖像的、有智能的傳感器。傳感器測量作為數據獲得的重要手段，是工業(yè)生產(chǎn)乃至家庭生活所必不可少的器件，而物理傳感器又是最普通的傳感器家族，靈活運用物理傳感器必然能夠創(chuàng )造出更多的產(chǎn)品，更好的效益。

　　光纖傳感器

　　近年來(lái)，傳感器在朝著(zhù)靈敏、精確、適應性強、小巧和智能化的方向發(fā)展。在這一過(guò)程中，光纖傳感器這個(gè)傳感器家族的新成員倍受青睞。光纖具有很多優(yōu)異的性能，例如：抗電磁干擾和原子輻射的性能，徑細、質(zhì)軟、重量輕的機械性能，絕緣、無(wú)感應的電氣性能，耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學(xué)性能等，它能夠在人達不到的地方（如高溫區），或者對人有害的地區（如核輻射區），起到人的耳目的作用，而且還能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。

　　光纖傳感器是最近幾年出現的新技術(shù)，可以用來(lái)測量多種物理量，比如聲場(chǎng)、電場(chǎng)、壓力、溫度、角速度、加速度等，還可以完成現有測量技術(shù)難以完成的測量任務(wù)。在狹小的空間里，在強電磁干擾和高電壓的環(huán)境里，光纖傳感器都顯示出了獨特的能力。目前光纖傳感器已經(jīng)有70多種，大致上分成光纖自身傳感器和利用光纖的傳感器。

　　所謂光纖自身的傳感器，就是光纖自身直接接收外界的被測量。外接的被測量物理量能夠引起測量臂的長(cháng)度、折射率、直徑的變化，從而使得光纖內傳輸的光在振幅、相位、頻率、偏振等方面發(fā)生變化。測量臂傳輸的光與參考臂的參考光互相干涉（比較），使輸出的光的相位（或振幅）發(fā)生變化，根據這個(gè)變化就可檢測出被測量的變化。光纖中傳輸的相位受外界影響的靈敏度很高，利用干涉技術(shù)能夠檢測出10的負4 次方弧度的微小相位變化所對應的物理量。利用光纖的繞性和低損耗，能夠將很長(cháng)的光纖盤(pán)成直徑很小的光纖圈，以增加利用長(cháng)度，獲得更高的靈敏度。

　　光纖聲傳感器就是一種利用光纖自身的傳感器。當光纖受到一點(diǎn)很微小的外力作用時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生微彎曲，而其傳光能力發(fā)生很大的變化。聲音是一種機械波，它對光纖的作用就是使光纖受力并產(chǎn)生彎曲，通過(guò)彎曲就能夠得到聲音的強弱。光纖陀螺也是光纖自身傳感器的一種，與激光陀螺相比，光纖陀螺靈敏度高，體積小，成本低，可以用于飛機、艦船、導彈等的高性能慣性導航系統。如圖就是光纖傳感器渦輪流量計的原理。

　　另外一個(gè)大類(lèi)的光纖傳感器是利用光纖的傳感器。其結構大致如下：傳感器位于光纖端部，光纖只是光的傳輸線(xiàn)，將被測量的物理量變換成為光的振幅，相位或者振幅的變化。在這種傳感器系統中，傳統的傳感器和光纖相結合。光纖的導入使得實(shí)現探針化的遙測提供了可能性。這種光纖傳輸的傳感器適用范圍廣，使用簡(jiǎn)便，但是精度比第一類(lèi)傳感器稍低。

　　光纖在傳感器家族中是后期之秀，它憑借著(zhù)光纖的優(yōu)異性能而得到廣泛的應用，是在生產(chǎn)實(shí)踐中值得注意的一種傳感器。

　　仿生傳感器

　　仿生傳感器，是一種采用新的檢測原理的新型傳感器，它采用固定化的細胞、酶或者其他生物活性物質(zhì)與換能器相配合組成傳感器。這種傳感器是近年來(lái)生物醫學(xué)和電子學(xué)、工程學(xué)相互滲透而發(fā)展起來(lái)的一種新型的信息技術(shù)。這種傳感器的特點(diǎn)是機能高、壽命長(cháng)。在仿生傳感器中，比較常用的是生體模擬的傳感器。

　　仿生傳感器按照使用的介質(zhì)可以分為：酶傳感器、微生物傳感器、細胞器傳感器、組織傳感器等。在圖中我們可以看到，仿生傳感器和生物學(xué)理論的方方面面都有密切的聯(lián)系，是生物學(xué)理論發(fā)展的直接成果。在生體模擬的傳感器中，尿素傳感器是最近開(kāi)發(fā)出來(lái)的一種傳感器。下面就以尿素傳感器為例子介紹仿生傳感器的應用。

　　尿素傳感器，主要是由生體膜及其離子通道兩部分構成。生體膜能夠感受外部刺激影響，離子通道能夠接收生體膜的信息，并進(jìn)行放大和傳送。當膜內的感受部位受到外部刺激物質(zhì)的影響時(shí)，膜的透過(guò)性將產(chǎn)生變化，使大量的離子流入細胞內，形成信息的傳送。其中起重要作用的是生體膜的組成成分膜蛋白質(zhì)，它能產(chǎn)生保形網(wǎng)絡(luò )變化，使膜的透過(guò)性發(fā)生變化，進(jìn)行信息的傳送及放大。生體膜的離子通道，由氨基酸的聚合體構成，可以用有機化學(xué)中容易合成的聚氨酸的聚合物（L一谷氨酸，PLG）為替代物質(zhì)，它比酶的化學(xué)穩定性好。PLG是水溶性的，本不適合電機的修飾，但PLG和聚合物可以合成嵌段共聚物，形成傳感器使用的感應膜。

　　生體膜的離子通道的原理基本上與生體膜一樣，在電極上將嵌段共聚膜固定后，如果加感應PLG保性網(wǎng)絡(luò )變化的物質(zhì)，就會(huì )使膜的透過(guò)性發(fā)生變化，從而產(chǎn)生電流的變化，由電流的變化，便可以進(jìn)行對刺激性物質(zhì)的檢測。

　　尿素傳感器經(jīng)試驗證明是穩定性好的一種生體模擬傳感器，檢測下限為10的負3次方的數量級，還可以檢測刺激性物質(zhì)，但是暫時(shí)還不適合生體的計測。

　　目前，雖然已經(jīng)發(fā)展成功了許多仿生傳感器，但仿生傳感器的穩定性、再現性和可批量生產(chǎn)性明顯不足，所以仿生傳感技術(shù)尚處于幼年期，因此，以后除繼續開(kāi)發(fā)出新系列的仿生傳感器和完善現有的系列之外，生物活性膜的固定化技術(shù)和仿生傳感器的固態(tài)化值得進(jìn)一步研究。

　　在不久的將來(lái)，模擬生體功能的嗅覺(jué)、味覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)仿生傳感器將出現，有可能超過(guò)人類(lèi)五官的敏感能力，完善目前機器人的視覺(jué)、味覺(jué)、觸覺(jué)和對目的物進(jìn)行操作的能力。我們能夠看到仿生傳感器應用的廣泛前景，但這些都需要生物技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，我們拭目以待這一天的到來(lái)。

　　紅外傳感器

　　紅外技術(shù)發(fā)展到現在，已經(jīng)為大家所熟知，這種技術(shù)已經(jīng)在現代科技、國防和工農業(yè)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應用。紅外傳感系統是用紅外線(xiàn)為介質(zhì)的測量系統，按照功能能夠分成五類(lèi)：（1）輻射計，用于輻射和光譜測量；（2）搜索和跟蹤系統，用于搜索和跟蹤紅外目標，確定其空間位置并對它的運動(dòng)進(jìn)行跟蹤；（3）熱成像系統，可產(chǎn)生整個(gè)目標紅外輻射的分布圖象；（4）紅外測距和通信系統；（5）混合系統，是指以上各類(lèi)系統中的兩個(gè)或者多個(gè)的組合。

　　紅外系統的核心是紅外探測器，按照探測的機理的不同，可以分為熱探測器和光子探測器兩大類(lèi)。下面以熱探測器為例子來(lái)分析探測器的原理。

　　熱探測器是利用輻射熱效應，使探測元件接收到輻射能后引起溫度升高，進(jìn)而使探測器中依賴(lài)于溫度的性能發(fā)生變化。檢測其中某一性能的變化，便可探測出輻射。多數情況下是通過(guò)熱電變化來(lái)探測輻射的。當元件接收輻射，引起非電量的物理變化時(shí)，可以通過(guò)適當的變換后測量相應的電量變化。

　　電磁傳感器

　　磁傳感器是最古老的傳感器，指南針是磁傳感器的最早的一種應用。但是作為現代的傳感器，為了便于信號處理，需要磁傳感器能將磁信號轉化成為電信號輸出。應用最早的是根據電磁感應原理制造的磁電式的傳感器。這種磁電式傳感器曾在工業(yè)控制領(lǐng)域作出了杰出的貢獻，但是到今天已經(jīng)被以高性能磁敏感材料為主的新型磁傳感器所替代。

　　在今天所用的電磁效應的傳感器中，磁旋轉傳感器是重要的一種。磁旋轉傳感器主要由半導體磁阻元件、永久磁鐵、固定器、外殼等幾個(gè)部分組成。典型結構是將一對磁阻元件安裝在一個(gè)永磁體的刺激上，元件的輸入輸出端子接到固定器上，然后安裝在金屬盒中，再用工程塑料密封，形成密閉結構，這個(gè)結構就具有良好的可靠性。磁旋轉傳感器有許多半導體磁阻元件無(wú)法比擬一款電磁傳感器的外形的優(yōu)點(diǎn)。除了具備很高的靈敏度和很大的輸出信號外，而且有很強的轉速檢測范圍，這是由于電子技術(shù)發(fā)展的結果。另外，這種傳感器還能夠應用在很大的溫度范圍中，有很長(cháng)的工作壽命、抗灰塵、水和油污的能力強，因此耐受各種環(huán)境條件及外部噪聲。所以，這種傳感器在工業(yè)應用中受到廣泛的重視。

　　磁旋轉傳感器在工廠(chǎng)自動(dòng)化系統中有廣泛的應用，因為這種傳感器有著(zhù)令人滿(mǎn)意的特性，同時(shí)不需要維護。其主要應用在機床伺服電機的轉動(dòng)檢測、工廠(chǎng)自動(dòng)化的機器人臂的定位、液壓沖程的檢測、工廠(chǎng)自動(dòng)化相關(guān)設備的位置檢測、旋轉編碼器的檢測單元和各種旋轉的檢測單元等。

　　現代的磁旋轉傳感器主要包括有四相傳感器和單相傳感器。在工作過(guò)程中，四相差動(dòng)旋轉傳感器用一對檢測單元實(shí)現差動(dòng)檢測，另一對實(shí)現倒差動(dòng)檢測。這樣，四相傳感器的檢測能力是單元件的四倍。而二元件的單相旋轉傳感器也有自己的優(yōu)點(diǎn)，也就是小巧可靠的特點(diǎn)，并且輸出信號大，能檢測低速運動(dòng)，抗環(huán)境影響和抗噪聲能力強，成本低。因此單相傳感器也將有很好的市場(chǎng)。

　　磁旋轉傳感器在家用電器中也有大的應用潛力。在盒式錄音機的換向機構中，可用磁阻元件來(lái)檢測磁帶的終點(diǎn)。家用錄像機中大多數有變速與高速重放功能，這也可用磁旋轉傳感器檢測主軸速度并進(jìn)行控制，獲得高畫(huà)面的質(zhì)量。洗衣機中的電機的正反轉和高低速旋轉功能都可以通過(guò)伺服旋轉傳感器來(lái)實(shí)現檢測和控制。

　　這種開(kāi)關(guān)可以感應到進(jìn)入自己檢驗區域的金屬物體，控制自己內部電路的開(kāi)或關(guān)。開(kāi)關(guān)自己產(chǎn)生磁場(chǎng)，當有金屬物體進(jìn)入到磁場(chǎng)會(huì )引起磁場(chǎng)的變化。這種變化通過(guò)開(kāi)關(guān)內部電路可以變成電信號。

　　更加突出電磁傳感器是一門(mén)應用很廣的高新技術(shù)，國內、國外都投入了一定的科研力量在進(jìn)行研究，這種傳感器的應用正在滲透入國民經(jīng)濟、國防建設和人們日常生活的各個(gè)領(lǐng)域，隨著(zhù)信息社會(huì )的到來(lái)，其地位和作用必將。

　　磁光效應傳感器

　　現代電測技術(shù)日趨成熟，由于具有精度高、便于微機相連實(shí)現自動(dòng)實(shí)時(shí)處理等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應用在電氣量和非電氣量的測量中。然而電測法容易受到干擾，在交流測量時(shí)，頻響不夠寬及對耐壓、絕緣方面有一定要求，在激光技術(shù)迅速發(fā)展的今天，已經(jīng)能夠解決上述的問(wèn)題。

　　磁光效應傳感器就是利用激光技術(shù)發(fā)展而成的高性能傳感器。激光，是本世紀六十年代初迅速發(fā)展起來(lái)的又一新技術(shù)，它的出現標志著(zhù)人們掌握和利用光波進(jìn)入了一個(gè)新的階段。由于以往普通光源單色度低，故很多重要的應用受到限制，而激光的出現，使無(wú)線(xiàn)電技術(shù)和光學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)、相互滲透、相互補充?，F在，利用激光已經(jīng)制成了許多傳感器，解決了許多以前不能解決的技術(shù)難題，使它適用于煤礦、石油、天然氣貯存等危險、易燃的場(chǎng)所。

　　比如說(shuō)用激光制成的光導纖維傳感器，能測量原油噴射、石油大罐龜裂的情況參數。在實(shí)測地點(diǎn)，不必電源供電，這對于安全防爆措施要求很?chē)栏竦氖突ぴO備群尤為適用，也可用來(lái)在大型鋼鐵廠(chǎng)的某些環(huán)節實(shí)現光學(xué)方法的遙測化學(xué)技術(shù)。

　　磁光效應傳感器的原理主要是利用光的偏振狀態(tài)來(lái)實(shí)現傳感器的功能。當一束偏振光通過(guò)介質(zhì)時(shí)，若在光束傳播方向存在著(zhù)一個(gè)外磁場(chǎng)，那么光通過(guò)偏振面將旋轉一個(gè)角度，這就是磁光效應。也就是可以通過(guò)旋轉的角度來(lái)測量外加的磁場(chǎng)。在特定的試驗裝置下，偏轉的角度和輸出的光強成正比，通過(guò)輸出光照射激光二極管 LD，就可以獲得數字化的光強，用來(lái)測量特定的物理量。

　　自六十年代末開(kāi)始，RCLecraw提出有關(guān)磁光效應的研究報告后，引起大家的重視。日本，蘇聯(lián)等國家均開(kāi)展了研究，國內也有學(xué)者進(jìn)行探索。磁光效應的傳感器具有優(yōu)良的電絕緣性能和抗干擾、頻響寬、響應快、安全防爆等特性，因此對一些特殊場(chǎng)合電磁參數的測量，有獨特的功效，尤其在電力系統中高壓大電流的測量方面、更顯示它潛在的優(yōu)勢。同時(shí)通過(guò)開(kāi)發(fā)處理系統的軟件和硬件，也可以實(shí)現電焊機和機器人控制系統的自動(dòng)實(shí)時(shí)測量。在磁光效應傳感器的使用中，最重要的是選擇磁光介質(zhì)和激光器，不同的器件在靈敏度、工作范圍方面都有不同的能力。隨著(zhù)近幾十年來(lái)的高性能激光器和新型的磁光介質(zhì)的出現，磁光效應傳感器的性能越來(lái)越強，應用也越來(lái)越廣泛。

　　磁光效應傳感器做為一種特定用途的傳感器，能夠在特定的環(huán)境中發(fā)揮自己的功能，也是一種非常重要的工業(yè)傳感器。

　　壓力傳感器

　　壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐中最為常用的一種傳感器，而我們通常使用的壓力傳感器主要是利用壓電效應制造而成的，這樣的傳感器也稱(chēng)為壓電傳感器。

　　我們知道，晶體是各向異性的，非晶體是各向同性的。某些晶體介質(zhì)，當沿著(zhù)一定方向受到機械力作用發(fā)生變形時(shí)，就產(chǎn)生了極化效應；當機械力撤掉之后，又會(huì )重新回到不帶電的狀態(tài)，也就是受到壓力的時(shí)候，某些晶體可能產(chǎn)生出電的效應，這就是所謂的極化效應?？茖W(xué)家就是根據這個(gè)效應研制出了壓力傳感器。

　　壓電傳感器中主要使用的壓電材料包括有石英、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫胺。其中石英（二氧化硅）是一種天然晶體，壓電效應就是在這種晶體中發(fā)現的，在一定的溫度范圍之內，壓電性質(zhì)一直存在，但溫度超過(guò)這個(gè)范圍之后，壓電性質(zhì)完全消失（這個(gè)高溫就是所謂的“居里點(diǎn)”）。由于隨著(zhù)應力的變化電場(chǎng)變化微?。ㄒ簿驼f(shuō)壓電系數比較低），所以石英逐漸被其他的壓電晶體所替代。而酒石酸鉀鈉具有很大的壓電靈敏度和壓電系數，但是它只能在室溫和濕度比較低的環(huán)境下才能夠應用。磷酸二氫胺屬于人造晶體，能夠承受高溫和相當高的濕度，所以已經(jīng)得到了廣泛的應用。

　　在現在壓電效應也應用在多晶體上，比如現在的壓電陶瓷，包括鈦酸鋇壓電陶瓷、PZT、鈮酸鹽系壓電陶瓷、鈮鎂酸鉛壓電陶瓷等等。

　　壓電效應是壓電傳感器的主要工作原理，壓電傳感器不能用于靜態(tài)測量，因為經(jīng)過(guò)外力作用后的電荷，只有在回路具有無(wú)限大的輸入阻抗時(shí)才得到保存。實(shí)際的情況不是這樣的，所以這決定了壓電傳感器只能夠測量動(dòng)態(tài)的應力。

　　壓電傳感器主要應用在加速度、壓力和力等的測量中。壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計。它具有結構簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、使用壽命長(cháng)等優(yōu)異的特點(diǎn)。壓電式加速度傳感器在飛機、汽車(chē)、船舶、橋梁和建筑的振動(dòng)和沖擊測量中已經(jīng)得到了廣泛的應用，特別壓電傳感器的外形是航空和宇航領(lǐng)域中更有它的特殊地位。壓電式傳感器心乂

　　也可以用來(lái)測量發(fā)動(dòng)機內部燃燒壓力的測量與真空度的測量。也可以用于軍事工業(yè)，例如用它來(lái)測量槍炮子彈在膛中擊發(fā)的一瞬間的膛壓的變化和炮口的沖擊波壓力。它既可以用來(lái)測量大的壓力，也可以用來(lái)測量微小的壓力。

　　壓電式傳感器也廣泛應用在生物醫學(xué)測量中，比如說(shuō)心室導管式微音器就是由壓電傳感器制成的，因為測量動(dòng)態(tài)壓力是如此普遍，所以壓電傳感器的應用就非常廣泛。

　　除了壓電傳感器之外，還有利用壓阻效應制造出來(lái)的壓阻傳感器，利用應變效應的應變式傳感器等，這些不同的壓力傳感器利用不同的效應和不同的材料，在不同的場(chǎng)合能夠發(fā)揮它們獨特的用途。