机器人制造中常用的7大传感器技术

1、机器人制造中常用的7大传感器技术 机器人制造中常用的7大传感器 技术 传感器（Sensor）是一种常见的却又很重要的器 件，它是感受规定的被测量的各种量并按一定规 律将其转换为有用信号的器件或装置。 对于传感 器来说，按照输入的状态，输入可以分成静态量 和动态量。我们可以根据在各个值的稳定状态 下，输出量和输入量的关系得到传感器的静态特 性。 传感器的静态特性的主要指标有线性度、 迟 滞、重复性、灵敏度和准确度等。传感器的动态 特性则指的是对于输入量随着时间变化的响应 特性。动态特性通常采用传递函数等自动控制的 模型来描述。通常，传感器接收到的信号都有微 弱的低频信号，夕卜界的干扰有的时候的幅

2、度能够 超过被测量的信号，因此消除串入的噪声就成为 了一项关键的传感器技术。 物理传感器 物理传感器是检测物理量的传感器。它是利 用某些物理效应，把被测量的物理量转化成为便 于处理的能量形式的信号的装置。其输出的信号 和输入的信号有确定的关系。主要的物理传感器 有光电式传感器、压电传感器、压阻式传感器、 电磁式传感器、热电式传感器、光导纤维传感器 等。 作为例子，让我们看看比较常用的光电式传 感器。这种传感器把光信号转换成为电信号， 它 直接检测来自物体的辐射信息，也可以转换其他 物理量成为光信号。其主要的原理是光电效应： 当光照射到物质上的时候，物质上的电效应发生 改变，这里的电效应包括电子

3、发射、 电导率和电 位电流等。 显然，能够容易产生这样效应的器件成为光 电式传感器的主要部件，比如说光敏电阻。这样, 我们知道了光电传感器的主要工作流程就是接 受相应的光的照射，通过类似光敏电阻这样的器 件把光能转化成为电能，然后通过放大和去噪声 的处理，就得到了所需要的输出的电信号。 这里 的输出电信号和原始的光信号有一定的关系， 通 常是接近线性的关系，这样计算原始的光信号就 不是很复杂了。其它的物理传感器的原理都可以 类比于光电式传感器。 物理传感器的应用范围是非常广泛的，我们 仅仅就生物医学的角度来看看物理传感器的应 用情况，之后不难推测物理传感器在其他的方面 也有重要的应用。 比如血

4、压测量是医学测量中的最为常规的 一种。我们通常的血压测量都是间接测量，通过 体表检测出来的血流和压力之间的关系，从而测 出脉管里的血压值。测量血压所需要的传感器通 常都包括一个弹性膜片，它将压力信号转变成为 膜片的变形，然后再根据膜片的应变或位移转换 成为相应的电信号。在电信号的峰值处我们可以 检测出来收缩压，在通过反相器和峰值检测器 后，种传感器外形我们可以得到舒张压， 通过积 分器就可以得到平均压。 让我们再看看呼吸测量技术。呼吸测量是临 床诊断肺功能的重要依据，在外科手术和病人监 护中都是必不可少的。比如在使用用于测量呼吸 频率的热敏电阻式传感器时，把传感器的电阻安 装在一个夹子前端的外

5、侧，把夹子夹在鼻翼上， 当呼吸气流从热敏电阻表面流过时， 就可以通过 热敏电阻来测量呼吸的频率以及热气的状态。 再比如最常见的体表温度测量过程，虽然看 起来很容易，但是却有着复杂的测量机理。体表 温度是由局部的血流量、下层组织的导热情况和 表皮的散热情况等多种因素决定的，因此测量皮 肤温度要考虑到多方面的影响。热电偶式传感器 被较多的应用到温度的测量中，通常有杆状热电 偶传感器和薄膜热电偶传感器。 由于热电偶的尺寸非常小，精度比较高的可 做到微米的级别，所以能够比较精确地测量出某 一点处的温度，加上后期的分析统计，能够得出 比较全面的分析结果。这是传统的水银温度计所 不能比拟的，也展示了应用新

6、的技术给科学发展 带来的广阔前景。 从以上的介绍可以看出，仅仅在生物医学方 面，物理传感器就有着多种多样的应用。 传感器 的发展方向是多功能、有图像的、有智能的传感 器。传感器测量作为数据获得的重要手段，是工 业生产乃至家庭生活所必不可少的器件，而物理 传感器又是最普通的传感器家族，灵活运用物理 传感器必然能够创造出更多的产品，更好的效 光纤传感器 近年来，传感器在朝着灵敏、精确、适应性 强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程中， 光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。 光纤具有很多优异的性能，例如：抗电磁干扰和 原子辐射的性能，径细、质软、重量轻的机械性 能，绝缘、无感应的电气性能，耐水

7、、耐高温、 耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方 （如高温区），或者对人有害的地区（如核辐射 区），起到人的耳目的作用，而且还能超越人的 生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信 丿息、。 光纤传感器是最近几年出现的新技术， 可以 用来测量多种物理量，比如声场、电场、压力、 温度、角速度、加速度等，还可以完成现有测量 技术难以完成的测量任务。在狭小的空间里，在 强电磁干扰和高电压的环境里，光纤传感器都显 示出了独特的能力。目前光纤传感器已经有70 多种，大致上分成光纤自身传感器和利用光纤的 传感器。 所谓光纤自身的传感器，就是光纤自身直接 接收外界的被测量。外接的被测量物理量能够引 起测

8、量臂的长度、折射率、直径的变化，从而使 得光纤内传输的光在振幅、相位、频率、偏振等 方面发生变化。测量臂传输的光与参考臂的参考 光互相干涉（比较），使输出的光的相位发生变 化，根据这个变化就可检测出被测量的变化。 光 纤中传输的相位受外界影响的灵敏度很高，利用 干涉技术能够检测出10的负4次方弧度的微小 相位变化所对应的物理量。利用光纤的绕性和低 损耗，能够将很长的光纤盘成直径很小的光纤 圈，以增加利用长度，获得更高的灵敏度。 光纤声传感器就是一种利用光纤自身的传 感器。当光纤受到一点很微小的外力作用时，就 会产生微弯曲，而其传光能力发生很大的变化。 声音是一种机械波，它对光纤的作用就是使光纤

9、 受力并产生弯曲，通过弯曲就能够得到声音的强 弱。光纤陀螺也是光纤自身传感器的一种， 与激 光陀螺相比，光纤陀螺灵敏度高，体积小，成本 低，可以用于飞机、舰船、导弹等的高性能惯性 导航系统。如图就是光纤传感器涡轮流量计的原 理。 另外一个大类的光纤传感器是利用光纤的 传感器。其结构大致如下：传感器位于光纤端部， 光纤只是光的传输线，将被测量的物理量变换成 为光的振幅，相位或者振幅的变化。在这种传感 器系统中，传统的传感器和光纤相结合。光纤的 导入使得实现探针化的遥测提供了可能性。 这种 光纤传输的传感器适用范围广，使用简便，但是 精度比第一类传感器稍低。 光纤在传感器家族中是后期之秀，它凭借着

10、 光纤的优异性能而得到广泛的应用，是在生产实 践中值得注意的一种传感器。 仿生传感器 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。 仿生传感器按照使用的介质可以分为： 酶传 感器、微生物传感器、细胞器传感器、组织传感 器等。在图中我们可以看到，仿生传感器和生物 学理论的方方面面都有密切的联系，是生物学理 论发展的直接成果。在生体模拟的传感器中，尿 素传

11、感器是最近开发出来的一种传感器。 下面就 以尿素传感器为例子介绍仿生传感器的应用。 尿素传感器，主要是由生体膜及其离子通道 两部分构成。生体膜能够感受外部刺激影响，离 子通道能够接收生体膜的信息，并进行放大和传 送。当膜内的感受部位受到外部刺激物质的影响 时，膜的透过性将产生变化，使大量的离子流入 细胞内，形成信息的传送。其中起重要作用的是 生体膜的组成成分膜蛋白质，它能产生保形网络 变化，使膜的透过性发生变化，进行信息的传送 及放大。生体膜的离子通道，由氨基酸的聚合体 构成，可以用有机化学中容易合成的聚氨酸的聚 合物（L 一谷氨酸，PLG）为替代物质，它比酶 的化学稳定性好。PLG是水溶性的

12、，本不适合 电机的修饰，但PLG和聚合物可以合成嵌段共 聚物，形成传感器使用的感应膜。 生体膜的离子通道的原理基本上与生体膜 一样，在电极上将嵌段共聚膜固定后，如果加感 应PLG保性网络变化的物质，就会使膜的透过 性发生变化，从而产生电流的变化，由电流的变 化，便可以进行对刺激性物质的检测。 尿素传感器经试验证明是稳定性好的一种 生体模拟传感器，检测下限为10的负3次方的数 量级，还可以检测刺激性物质，但是暂时还不适 合生体的计测。 目前，虽然已经发展成功了许多仿生传感 器，但仿生传感器的稳定性、再现性和可批量生 产性明显不足，所以仿生传感技术尚处于幼年 期，因此，以后除继续开发出新系列的仿生

13、传感 器和完善现有的系列之外，生物活性膜的固定化 技术和仿生传感器的固态化值得进一步研究。 在不久的将来，模拟生体功能的嗅觉、味觉、 听觉、触觉仿生传感器将出现，有可能超过人类 五官的敏感能力，完善目前机器人的视觉、味觉、 触觉和对目的物进行操作的能力。我们能够看到 仿生传感器应用的广泛前景，但这些都需要生物 技术的进一步发展，我们拭目以待这一天的到 来。 红外传感器 红外技术发展到现在，已经为大家所熟知， 这种技术已经在现代科技、国防和工农业等领域 获得了广泛的应用。红外传感系统是用红外线为 介质的测量系统，按照功能能够分成五类：（1） 辐射计，用于辐射和光谱测量；（2）搜索和跟踪 系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位 置并对它的运动进行跟踪；（3）热成像系统，可 产生整个目标红外辐射的分布图象；（4）红外测 距和通信系统；混合系统，是指以上各类系统中 的两个或者多个的组合。 红外系统