第5章新型传感器

1、传感器与检测技术传感器与检测技术（第（第2 2版）版）电子工业出版社电子工业出版社传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）第第5 5章章 新型传感器新型传感器u内容提要及学习要求：内容提要及学习要求：现代科学技术飞速发展使人类进入了信息时代。计算机技术，通讯技术和传感技术，是我国电子信息产业的三大支柱。传感器处于自动检测与控制系统之首，是感知、获取信息的窗口，是人类感觉器官的延伸。为了能够与信息时代信息量激增、要求捕获和处理信息的能力日益增强的技术发展趋势保持一致，对于传感器性能指标（包括精确性、可靠性、灵敏度等）的要求越来越严格。近年来，传感器在朝着灵敏度高、精确度好、适应性强、小

2、巧和智能化的方向发展。在这一过程中，随着材料科学、信息科学、生命科学等高科技技术的发展，出现了激光、生物分子、仿生学、机器人及各种智能技术为支撑的新型传感器。如光纤传感器、仿生传感器、超声波传感器和生物分子传感器等。本章主要介绍光纤传感器、仿生传感器和微型传感器。传感器与检测技术传感器与检测技术（第（第2 2版）版）传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）u 5.1 5.1 仿生传感器仿生传感器一般认为，现代生物技术（一般认为，现代生物技术（BiotechnologyBiotechnology）兴起于）兴起于2020世纪世纪的的7070年代，它是以生命科学为基础，运用先进的工程技术手

3、段年代，它是以生命科学为基础，运用先进的工程技术手段与其他基础科学的原理，利用生物或生物组织、细胞及其他组与其他基础科学的原理，利用生物或生物组织、细胞及其他组成部分的特性和功能，设计、构建或将生物体改造为具有人类成部分的特性和功能，设计、构建或将生物体改造为具有人类预期性状的新物种或新品系，从而为社会提供产品和服务的综预期性状的新物种或新品系，从而为社会提供产品和服务的综合性技术体系。它主要包括基因工程、细胞工程、酶工程、发合性技术体系。它主要包括基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程和仿生生物工程等。相对应地形成了基因技术、生物生酵工程和仿生生物工程等。相对应地形成了基因技术、生物生产技术、

4、生物分子工程技术、定向发送技术、生物耦合技术、产技术、生物分子工程技术、定向发送技术、生物耦合技术、纳米生物技术和仿生技术等。最初的生物传感器，就是通过这纳米生物技术和仿生技术等。最初的生物传感器，就是通过这些技术，采用固定化的细胞、酶或者其他生物活性物质与换能些技术，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的传感器。如酶传感器、微生物传感器、细胞传器相配合组成的传感器。如酶传感器、微生物传感器、细胞传感器、组织传感器等。利用仿生技术开发出来的传感器，就是感器、组织传感器等。利用仿生技术开发出来的传感器，就是仿生传感器。在生物体模拟的传感器中，尿素传感器是最近开仿生传感器。在

5、生物体模拟的传感器中，尿素传感器是最近开发出来的一种新型仿生传感器。发出来的一种新型仿生传感器。传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）随着现代仿生技术的进步，人类已经制造出仿视觉传感器、随着现代仿生技术的进步，人类已经制造出仿视觉传感器、仿听觉传感器、仿嗅觉传感器以及仿听觉传感器、仿嗅觉传感器以及DNADNA芯片等仿生传感器。这些芯片等仿生传感器。这些传感器能自动捕获信息、处理信息、模仿人类的行为。其最典传感器能自动捕获信息、处理信息、模仿人类的行为。其最典型的代表是就是机器人所用的传感器。下面就以机器人传感器型的代表是就是机器人所用的传感器。下面就以机器人传感器为例，介绍仿生传感

6、器。为例，介绍仿生传感器。机器人传感器一般分为机器人外部传感器（感觉传感器）机器人传感器一般分为机器人外部传感器（感觉传感器）和机器内部传感器两种类型。和机器内部传感器两种类型。 传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）u5.1.1 5.1.1 机器人内部传感器概述机器人内部传感器概述机器人内部传感器包括位移传感器、力觉传感器、温度传机器人内部传感器包括位移传感器、力觉传感器、温度传感器、速度传感器、平衡传感器等。主要用来检测机器人内部感器、速度传感器、平衡传感器等。主要用来检测机器人内部状态的各种参量，掌握机器人的适时状态，以便使机器人按规状态的各种参量，掌握机器人的适时状态，以便

7、使机器人按规定的位置、轨迹、速度、加速度和受力大小进行工作。这类传定的位置、轨迹、速度、加速度和受力大小进行工作。这类传感器用于机器人方面时，一方面要求其输出稳定，在恶劣环境感器用于机器人方面时，一方面要求其输出稳定，在恶劣环境下能连续使用，可靠性高，体积小；另一方面要求其精度高，下能连续使用，可靠性高，体积小；另一方面要求其精度高，能使机器人的动作灵敏等。能使机器人的动作灵敏等。传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）u1 1机器人用位置检测传感器机器人用位置检测传感器机器人用位置检测传感器主要有微型限位开关、光电断路机器人用位置检测传感器主要有微型限位开关、光电断路器和电磁式接近

8、开关等。器和电磁式接近开关等。微型限位开关的实现原理是在移动体上安装一挡块，该物微型限位开关的实现原理是在移动体上安装一挡块，该物体移至一定位置后，挡块碰上机械开关，引起开关触点的开闭，体移至一定位置后，挡块碰上机械开关，引起开关触点的开闭，从而通过控制电路，控制机器人的动作。从而通过控制电路，控制机器人的动作。光电断路器由发光二极管、光电三极管组成，当被测物体光电断路器由发光二极管、光电三极管组成，当被测物体移动，隔断其移动，隔断其“光路光路”，引起光电三极管输出电位的变化。，引起光电三极管输出电位的变化。电磁式接近开关是利用感应线圈靠近磁性物体，从而产生电磁式接近开关是利用感应线圈靠近磁性

9、物体，从而产生感应信号。感应信号。传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）u2 2机器人用位移检测传感器机器人用位移检测传感器机器人用位移检测传感器主要有直线电位器、可调变压器、机器人用位移检测传感器主要有直线电位器、可调变压器、磁性传感器和磁尺等。磁性传感器和磁尺等。可调变压器如图可调变压器如图5.15.1所示。它由连接于移动物体的铁芯所示。它由连接于移动物体的铁芯3 3和和线圈线圈1 1、2 2所组成，所组成，u u1 1为交流电源，为交流电源，u u2 2为感应电压，其幅值大小随为感应电压，其幅值大小随铁芯移动而变化。铁芯移动而变化。磁性传感器如图磁性传感器如图5.25.2所示

10、。它是将磁化为所示。它是将磁化为N N、S S的微小磁铁固的微小磁铁固定于移动物体上，磁铁随物体移动，在带有感应磁头的磁信号定于移动物体上，磁铁随物体移动，在带有感应磁头的磁信号检测器上将能得到相应位置的输出信号。检测器上将能得到相应位置的输出信号。图5.1 可调变压器 图 5.2 磁性传感器 传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）u3 3机器人用角位移检测传感器机器人用角位移检测传感器机器人用角位移检测传感器除了有旋转式电位器、旋转式机器人用角位移检测传感器除了有旋转式电位器、旋转式可调变压器外，还有鉴相器、光电式编码器等。可调变压器外，还有鉴相器、光电式编码器等。鉴相器由互相正

11、交的两个线圈组成定子和转子，它们之间鉴相器由互相正交的两个线圈组成定子和转子，它们之间的磁耦合在互为平行时最大，垂直时为零，因而产生的电压信的磁耦合在互为平行时最大，垂直时为零，因而产生的电压信号随转子和定子相对角度变化而变化。这种角度检测器在激磁号随转子和定子相对角度变化而变化。这种角度检测器在激磁频率为频率为1 12kHz2kHz时，角分辨精度达时，角分辨精度达0.120.120.340.34。u4 4机器人用速度检测传感器机器人用速度检测传感器机器人用速度检测传感器常用的有测速电机及脉冲发生器机器人用速度检测传感器常用的有测速电机及脉冲发生器两类，它不仅可以测试速度，还可以测试动态响应补

12、偿。两类，它不仅可以测试速度，还可以测试动态响应补偿。测速发电机的输出是与转速成正比的连续信号，脉冲发生测速发电机的输出是与转速成正比的连续信号，脉冲发生器是一种数字型速度传感器，其结构与光电编码器类似，同时器是一种数字型速度传感器，其结构与光电编码器类似，同时检测输出脉冲数和脉冲频率，便能确定旋转速度值。检测输出脉冲数和脉冲频率，便能确定旋转速度值。传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）u5 5机器人用加速度检测传感器机器人用加速度检测传感器机器人用加速度检测传感器主要有差动变压器型和应变仪机器人用加速度检测传感器主要有差动变压器型和应变仪型。型。差动变压器型加速度传感器，由弹簧

13、支撑的铁芯和转轴构差动变压器型加速度传感器，由弹簧支撑的铁芯和转轴构成，当速度变化时，由于惯性，铁芯产生位移，由于铁芯处于成，当速度变化时，由于惯性，铁芯产生位移，由于铁芯处于差动变压器中，差动变压器线圈中将产生相应的信号，用以检差动变压器中，差动变压器线圈中将产生相应的信号，用以检测加速度。测加速度。应变仪型加速度传感器是由质量块和粘贴有应变片的弹簧应变仪型加速度传感器是由质量块和粘贴有应变片的弹簧片构成，加速度的变化将引起应变片的直径和长度产生微小变片构成，加速度的变化将引起应变片的直径和长度产生微小变化，因而可得到所需要的速度信号。化，因而可得到所需要的速度信号。u6 6机器人用力检测传

14、感器机器人用力检测传感器机器人用力检测传感器主要有应变电阻型、半导体体型、机器人用力检测传感器主要有应变电阻型、半导体体型、磁电型、光电式等等，可参看有关章节。磁电型、光电式等等，可参看有关章节。传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）u5.1.2 5.1.2 机器人外部传感器机器人外部传感器机器人外部传感器主要包括听觉传感器、视觉传感器、力机器人外部传感器主要包括听觉传感器、视觉传感器、力觉传感器、触觉传感器、压觉传感器、滑动觉传感器、距离传觉传感器、触觉传感器、压觉传感器、滑动觉传感器、距离传感器、接近传感器等，其主要功能是识别工作环境，为机器人感器、接近传感器等，其主要功能是识

15、别工作环境，为机器人提供信息，其目的是检测机器人所处的对象物体以及环境周围提供信息，其目的是检测机器人所处的对象物体以及环境周围所具有的各种物理量，从而对这些对象和环境进行认识和处理，所具有的各种物理量，从而对这些对象和环境进行认识和处理，它们相对应于人的视、听、味、嗅和触觉等，常被称为感觉传它们相对应于人的视、听、味、嗅和触觉等，常被称为感觉传感器。目前，主要分为视觉和广义触觉两大类。广义触觉指的感器。目前，主要分为视觉和广义触觉两大类。广义触觉指的是与对象接触的各种感觉，其又可分为接触觉、压觉、力觉、是与对象接触的各种感觉，其又可分为接触觉、压觉、力觉、接近觉、滑觉等五种；而视觉传感器也可

16、细分为明暗觉、色觉、接近觉、滑觉等五种；而视觉传感器也可细分为明暗觉、色觉、位置觉、形状觉等几类。如表位置觉、形状觉等几类。如表5.15.1所示。所示。传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版） 类型检 测 内 容应 用 目 的传 感 器 件明暗觉是否有光、亮度多少判断有无对象，并检测之光电管，光电断流器色觉对象色彩及浓度利用颜色识别对象的场合彩色摄影机，滤色器，彩色光管位置觉物体的位置、角度、距离物体空间位置、检测物体移动摄像管形状觉物体的外形提取物体轮廓及固有特征、识别物体光电晶体管阵列，CCD，图像传感器，SPD等接触觉与对象是否接触，接触位置决定对象位置，识别对象形态，控制速度

17、，安全保障，异常停止，寻径电位计，光电传感器，微型开关，薄膜接点，针式接点压觉对物体的压力、握力、压力分布控制握力，识别握持物，测量物体弹性压电元件，导电橡胶，压每半导体，感压高分子材料，应变针力觉机器人有关部件（如手指）所受外力及转矩控制手腕移动，伺服控制，正确完成作业应变针，负载单元，转矩检测接近觉与对象物是否接近，接近距离对象面的倾斜控制位置，寻径、安全保障，民常停止光传感器，气压传感器，超声波传感器，磁传感器滑觉垂直于握持面方向物体的位移、旋转重力引起的变形修正握力，防止打滑，测量物体的重量及表面，进行多层作业球形接点，旋转传感器，微型开关，振动检测器，圆筒状光电旋转传感器传感器与检测

18、技术（第传感器与检测技术（第2版）版）u1 1视觉传感器视觉传感器视觉传感器是机器人传感器中最重要的一种外部传感器，视觉传感器是机器人传感器中最重要的一种外部传感器，它包括信息获取和信息处理两部分，通过这两部分，能把对象它包括信息获取和信息处理两部分，通过这两部分，能把对象物体特征通过分析处理、描绘后识别出来。从一定意义上说，物体特征通过分析处理、描绘后识别出来。从一定意义上说，一个典型视觉传感器的组成原理可如图一个典型视觉传感器的组成原理可如图5.35.3所示，它属于智能传所示，它属于智能传感器的范畴。其工作过程可分为检测、分析、描绘和识别四个感器的范畴。其工作过程可分为检测、分析、描绘和识

19、别四个过程。过程。图5.3 视觉传感器的典型结构传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）视觉检测主要利用图像信号输入设备，将视觉信息转换成视觉检测主要利用图像信号输入设备，将视觉信息转换成电信号；描绘是为了识别的目的而从图像中提取特征；识别是电信号；描绘是为了识别的目的而从图像中提取特征；识别是根据描绘的结果为其赋一个标志。现在最常用的视觉检测设备根据描绘的结果为其赋一个标志。现在最常用的视觉检测设备是摄像管摄像机和固态摄像机，它们都是对景物进行扫描，把是摄像管摄像机和固态摄像机，它们都是对景物进行扫描，把一幅幅图像变成电信号，再由计算机对这些信号进行相应处理，一幅幅图像变成电信号，

20、再由计算机对这些信号进行相应处理，提取所需信息，进行识别。早期常用的是光导摄像机，由于固提取所需信息，进行识别。早期常用的是光导摄像机，由于固体摄像机具有重量轻、体积小、偏转变形小、残像少等优点，体摄像机具有重量轻、体积小、偏转变形小、残像少等优点，现在几乎都采用固体摄像机，但固体摄像机的清晰度低，成本现在几乎都采用固体摄像机，但固体摄像机的清晰度低，成本高。高。一般的摄像机其工作原理简单：光线透过摄像管前的透镜一般的摄像机其工作原理简单：光线透过摄像管前的透镜后，物体在光导电膜构成的靶上成像，靶上各点的导电性能与后，物体在光导电膜构成的靶上成像，靶上各点的导电性能与该点所受光强成比例。因而可

21、以看成是在靶上有一幅电子图像，该点所受光强成比例。因而可以看成是在靶上有一幅电子图像，摄像管阴极发出的射线经聚焦后射在靶上，然后通过靶及覆盖摄像管阴极发出的射线经聚焦后射在靶上，然后通过靶及覆盖于靶前的透明导电膜及限流电阻与电源阳极闭合，从而产生与于靶前的透明导电膜及限流电阻与电源阳极闭合，从而产生与该聚焦点相对应的电流。通过摄像偏转扫描系统，对靶逐点扫该聚焦点相对应的电流。通过摄像偏转扫描系统，对靶逐点扫描，通过电容器取出各点变化电流，即得到该图像的时间序列描，通过电容器取出各点变化电流，即得到该图像的时间序列信号。信号。传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）视觉检测主要利用图像

22、信号输入设备，将视觉信息转换成视觉检测主要利用图像信号输入设备，将视觉信息转换成电信号；描绘是为了识别的目的而从图像中提取特征；识别是电信号；描绘是为了识别的目的而从图像中提取特征；识别是根据描绘的结果为其赋一个标志。现在最常用的视觉检测设备根据描绘的结果为其赋一个标志。现在最常用的视觉检测设备是摄像管摄像机和固态摄像机，它们都是对景物进行扫描，把是摄像管摄像机和固态摄像机，它们都是对景物进行扫描，把一幅幅图像变成电信号，再由计算机对这些信号进行相应处理，一幅幅图像变成电信号，再由计算机对这些信号进行相应处理，提取所需信息，进行识别。早期常用的是光导摄像机，由于固提取所需信息，进行识别。早期常

23、用的是光导摄像机，由于固体摄像机具有重量轻、体积小、偏转变形小、残像少等优点，体摄像机具有重量轻、体积小、偏转变形小、残像少等优点，现在几乎都采用固体摄像机，但固体摄像机的清晰度低，成本现在几乎都采用固体摄像机，但固体摄像机的清晰度低，成本高。高。传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）一般的摄像机其工作原理简单：光线透过摄像管前的透镜一般的摄像机其工作原理简单：光线透过摄像管前的透镜后，物体在光导电膜构成的靶上成像，靶上各点的导电性能与后，物体在光导电膜构成的靶上成像，靶上各点的导电性能与该点所受光强成比例。因而可以看成是在靶上有一幅电子图像，该点所受光强成比例。因而可以看成是在靶

24、上有一幅电子图像，摄像管阴极发出的射线经聚焦后射在靶上，然后通过靶及覆盖摄像管阴极发出的射线经聚焦后射在靶上，然后通过靶及覆盖于靶前的透明导电膜及限流电阻与电源阳极闭合，从而产生与于靶前的透明导电膜及限流电阻与电源阳极闭合，从而产生与该聚焦点相对应的电流。通过摄像偏转扫描系统，对靶逐点扫该聚焦点相对应的电流。通过摄像偏转扫描系统，对靶逐点扫描，通过电容器取出各点变化电流，即得到该图像的时间序列描，通过电容器取出各点变化电流，即得到该图像的时间序列信号。信号。若将光电二极管构成一维或二维阵列，外来光线同样通过若将光电二极管构成一维或二维阵列，外来光线同样通过透镜照在该阵列上，形成一幅图像，每一只

25、光电二极管即为一透镜照在该阵列上，形成一幅图像，每一只光电二极管即为一个像素，顺序逐点取出各个光电二极管的信号，也能得到该图个像素，顺序逐点取出各个光电二极管的信号，也能得到该图像的时间序列信号。其取出信号的方法一般有像的时间序列信号。其取出信号的方法一般有MOSMOS型和型和CCDCCD型。型。传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）MOSMOS型的原理是：首先给光电二极管加一负脉冲，使光电二型的原理是：首先给光电二极管加一负脉冲，使光电二极管导通，随后用一合适的负偏压对其充电。充电结束后，入极管导通，随后用一合适的负偏压对其充电。充电结束后，入射光线以脉冲形式照至光电二极管，其电

26、荷将与入射光量成比射光线以脉冲形式照至光电二极管，其电荷将与入射光量成比例减少，最后再次给光电二极管加负脉冲，使光电二极管再次例减少，最后再次给光电二极管加负脉冲，使光电二极管再次导通，由于各光电二极管上电荷数由光照量决定，所以各点相导通，由于各光电二极管上电荷数由光照量决定，所以各点相应补充电荷引起的充电电流将反映出各点光量的数值。顺序对应补充电荷引起的充电电流将反映出各点光量的数值。顺序对各光电二极管进行处理，可得到图像的时间序列信号。各光电二极管进行处理，可得到图像的时间序列信号。CCDCCD是电荷耦合器件的意思，它也是一种半导体器件，具有是电荷耦合器件的意思，它也是一种半导体器件，具有

27、将电荷以耦合的方式逐次移动至外部的功能。其具体的电荷移将电荷以耦合的方式逐次移动至外部的功能。其具体的电荷移动机理请读者参阅有关书籍。由于各点光线不同，光电二极管动机理请读者参阅有关书籍。由于各点光线不同，光电二极管上所具电荷也不同，我们可以把光电二极管上所具电荷移动至上所具电荷也不同，我们可以把光电二极管上所具电荷移动至CCDCCD上，再通过移动操作，将它作为图像表示信号取出。上，再通过移动操作，将它作为图像表示信号取出。传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）线型线型CCDCCD图像传感器，主要用来测量工作尺寸等一维量。具图像传感器，主要用来测量工作尺寸等一维量。具体的体的CCD

28、CCD图像传感器由一列光敏元件和一列图像传感器由一列光敏元件和一列CCDCCD集成在一块基片集成在一块基片上构成，光敏元件与上构成，光敏元件与CCDCCD之间并行对应，它们之间设有一个转移之间并行对应，它们之间设有一个转移控制栅，感光元件阵列具有一个梳状公共电极呈高电压时，入控制栅，感光元件阵列具有一个梳状公共电极呈高电压时，入射光照在光敏元件实现光积分，各光敏元件实现光积分，各光射光照在光敏元件实现光积分，各光敏元件实现光积分，各光敏元件中所积累电荷与光照强度成比例，光积分结束时，转移敏元件中所积累电荷与光照强度成比例，光积分结束时，转移栅电压升高，栅电压升高，CCDCCD的电极也处于高电压

29、，然后降低梳状电极电压，的电极也处于高电压，然后降低梳状电极电压，光敏元件中积累的光电荷并行转移至光敏元件中积累的光电荷并行转移至CCDCCD中。转移完毕，转移栅中。转移完毕，转移栅电压降低，梳状电极电压回升，以开始下一次积分周期，同时电压降低，梳状电极电压回升，以开始下一次积分周期，同时在在CCDCCD上加时钟脉冲，将存储电荷串行移出，从而读出电荷图形。上加时钟脉冲，将存储电荷串行移出，从而读出电荷图形。为获取二维图像，要采用面型为获取二维图像，要采用面型CCDCCD图像传感器，这种形图像传感器，这种形式的传感器需要在水平和垂直两个方向上进行电荷转移，式的传感器需要在水平和垂直两个方向上进行

30、电荷转移，经过适当的组合，可获得一幅画面的图像信号。经过适当的组合，可获得一幅画面的图像信号。传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）u2 2听觉传感器听觉传感器听觉传感器是机器人的耳朵，它是利用语音信息处理技术听觉传感器是机器人的耳朵，它是利用语音信息处理技术制成的。若仅要求它对声音产生反应，可选用一个开关量输出制成的。若仅要求它对声音产生反应，可选用一个开关量输出形式的听觉传感器。这种传感器是比较简单的，只需用一个声形式的听觉传感器。这种传感器是比较简单的，只需用一个声- -电转换器就能办到。但一个高级的机器人不仅能够听懂人的语电转换器就能办到。但一个高级的机器人不仅能够听懂人的

31、语言指令，而且能讲出人能听懂的语言，前者为语音识别技术，言指令，而且能讲出人能听懂的语言，前者为语音识别技术，后者为语音合成技术。具有语音识别功能的传感器称为听觉传后者为语音合成技术。具有语音识别功能的传感器称为听觉传感器。感器。语音识别实质上是通过模式识别技术识别未知的输入声音，语音识别实质上是通过模式识别技术识别未知的输入声音，通常分为特定话者和非特定话者两种语音识别方式。后者为自通常分为特定话者和非特定话者两种语音识别方式。后者为自然语音识别，比特定语音识别要困难得多。特定语音识别是预然语音识别，比特定语音识别要困难得多。特定语音识别是预先提取特定说话者发音的单词或音节的各种特征参数并记

32、录在先提取特定说话者发音的单词或音节的各种特征参数并记录在存储器中，要识别的输入声音属于哪一类，决定于待识别特征存储器中，要识别的输入声音属于哪一类，决定于待识别特征参数与存储器中预先登录的声音特征参数之间的差。实现这种参数与存储器中预先登录的声音特征参数之间的差。实现这种技术的大规模集成电路的声音识别电路已经在技术的大规模集成电路的声音识别电路已经在2020世纪世纪8080年代末年代末就商品化了，其代表型有：就商品化了，其代表型有：TMS320C25FNLTMS320C25FNL、TMS320C25GBLTMS320C25GBL和和TMS320C25PQTMS320C25PQ等。等。传感器与

33、检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）由于人类的语言非常复杂，词汇量相当丰富，即使是同一由于人类的语言非常复杂，词汇量相当丰富，即使是同一个人，其发音也会随环境及身体状况变化而变化，因此，自然个人，其发音也会随环境及身体状况变化而变化，因此，自然语音识别有相当的难度。现在的研究水平只是通过语音处理及语音识别有相当的难度。现在的研究水平只是通过语音处理及辨识技术识别讲话人，还可以正确理解一些极简单的语句。如辨识技术识别讲话人，还可以正确理解一些极简单的语句。如最近索尼公司推出了第三代机器玩具狗（最近索尼公司推出了第三代机器玩具狗（LATTELATTE和和MACARONMACARON）。）。就

34、以前的机器玩具狗（就以前的机器玩具狗（AIBOAIBO）来说，它的强项是肢体语言，而）来说，它的强项是肢体语言，而在这个新版本中，在这个新版本中，AIBOAIBO特别增强了他的听觉和回话功能，特别增强了他的听觉和回话功能，AIBOAIBO将能听懂更多的语言并且进行一些简单的、基本的回答或者做将能听懂更多的语言并且进行一些简单的、基本的回答或者做一些动作。实现这个功能需要记忆棒中的一些动作。实现这个功能需要记忆棒中的AIBO-wareAIBO-ware来实现。同来实现。同时时AIBO-wareAIBO-ware还可以决定还可以决定AIBOAIBO的性格。目前有两种类型的的性格。目前有两种类型的A

35、IBO-AIBO-wareware，分别是，分别是“AIBO Pal”AIBO Pal”和和“AIBO Life”AIBO Life”。传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）u3 3接触觉传感器接触觉传感器接触觉传感器就是仿真人或动物的接触觉，感知被接触物接触觉传感器就是仿真人或动物的接触觉，感知被接触物体的特性。现在常用的接触觉传感器有机械式（例如微动开体的特性。现在常用的接触觉传感器有机械式（例如微动开关）、针式差动变压器、含碳海绵及导电橡胶等几种。通过这关）、针式差动变压器、含碳海绵及导电橡胶等几种。通过这些接触觉传感器，不仅可以对被接触物体产生感性认识，而且些接触觉传感器，

36、不仅可以对被接触物体产生感性认识，而且还可反映传感器接触对象物体后自身的状况，如：是否握牢对还可反映传感器接触对象物体后自身的状况，如：是否握牢对象物体和对象物体在传感器何部位等。象物体和对象物体在传感器何部位等。图图5.45.4所示为针式变压器矩阵接触觉传感器，它由若干个触所示为针式变压器矩阵接触觉传感器，它由若干个触针式触觉传感器构成矩阵形状，每个触针传感器由钢针、塑料针式触觉传感器构成矩阵形状，每个触针传感器由钢针、塑料套筒以及给每针杆加复位力的磷青铜弹簧等构成，如图套筒以及给每针杆加复位力的磷青铜弹簧等构成，如图5.45.4（a a）所示，并在各触针上绕着激励线圈，用以将感知的信息转换

37、成所示，并在各触针上绕着激励线圈，用以将感知的信息转换成电信号，由计算机判定接触程度、接触部位等。电信号，由计算机判定接触程度、接触部位等。传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）当针杆与物体接触而产生位移时，其根部的磁极将随之运当针杆与物体接触而产生位移时，其根部的磁极将随之运动，从而增强了两个线圈间的耦合系数。通过控制电路使各行动，从而增强了两个线圈间的耦合系数。通过控制电路使各行激励线圈加上交流电压，检测线圈则有感应电压，该电压随针激励线圈加上交流电压，检测线圈则有感应电压，该电压随针杆位移增加而增大。通过扫描电路轮流读出各列检测线圈上的杆位移增加而增大。通过扫描电路轮流读出各

38、列检测线圈上的感应电压（感应电压实际上标明了针杆的位移量），电压量通感应电压（感应电压实际上标明了针杆的位移量），电压量通过计算机运算判断，即可知道对象物体的特征或传感器自射的过计算机运算判断，即可知道对象物体的特征或传感器自射的感知特性。感知特性。最近，美国伊利诺斯大学的研究人员正在研制一种像头发最近，美国伊利诺斯大学的研究人员正在研制一种像头发一样的触觉传感器。众所周知，许多动物和昆虫都能用其毛发一样的触觉传感器。众所周知，许多动物和昆虫都能用其毛发辨别不同事物，包括方向、平衡、速度、声音和压力等。这种辨别不同事物，包括方向、平衡、速度、声音和压力等。这种人造毛发是利用性能很好的玻璃和多晶

39、硅制造的，通过光刻工人造毛发是利用性能很好的玻璃和多晶硅制造的，通过光刻工艺由硅基底刻蚀出来的。这种人造发毛的大型阵列可用于空间艺由硅基底刻蚀出来的。这种人造发毛的大型阵列可用于空间探测器上，其探测周围环境的能力远远超出当今已有的任何系探测器上，其探测周围环境的能力远远超出当今已有的任何系统，美国宇航局目前正积极参与这项研究。统，美国宇航局目前正积极参与这项研究。传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）这种传感器面临的最大挑战是产生的数据量太大。为避开这种传感器面临的最大挑战是产生的数据量太大。为避开这一问题，研究人员首先研究和模仿了我们自身触觉系统的工这一问题，研究人员首先研究和模

40、仿了我们自身触觉系统的工作。他们知道每个手指大约有作。他们知道每个手指大约有200200根神经，而且还有错综复杂的根神经，而且还有错综复杂的表皮纹理，所以它产生的数据量之多连大脑都难以处理。但是表皮纹理，所以它产生的数据量之多连大脑都难以处理。但是由于皮肤的弹性就像一个低通滤波器，它能滤掉一些细枝末节，由于皮肤的弹性就像一个低通滤波器，它能滤掉一些细枝末节，所以才使大脑的这项处理简化可行。研究员正借鉴这一事实解所以才使大脑的这项处理简化可行。研究员正借鉴这一事实解决人造毛发数据量过大的问题。决人造毛发数据量过大的问题。图5.4 针式变压器矩阵接触传感器传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2

41、版）版）u4 4接近觉传感器接近觉传感器接近觉传感器是机器人用以探测自身与周围物体之间相对接近觉传感器是机器人用以探测自身与周围物体之间相对位置和距离的传感器。位置和距离的传感器。机器人安装接近觉传感器主要目的有以下三个：其一，在机器人安装接近觉传感器主要目的有以下三个：其一，在接触对象物体之前，获得必要的信息，为下一步运动做好准备接触对象物体之前，获得必要的信息，为下一步运动做好准备工作；其二，探测机器人手和足的运动空间中有无障碍物，如工作；其二，探测机器人手和足的运动空间中有无障碍物，如发现有障碍，则及时采取一定措施，避免发生碰撞；其三，为发现有障碍，则及时采取一定措施，避免发生碰撞；其三

42、，为获取对象物体表面形状的大致信息。目前使用的接近觉传感器获取对象物体表面形状的大致信息。目前使用的接近觉传感器主要有电磁感应式（涡流式）、光电式、超声波式三种。金属主要有电磁感应式（涡流式）、光电式、超声波式三种。金属型的对象物体一般采用涡流式传感器，而塑料、木质器物等可型的对象物体一般采用涡流式传感器，而塑料、木质器物等可采用光电式、超声波等。采用光电式、超声波等。传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）u（1 1）光电式接近觉传感器是一种比较简单有效的传感器，）光电式接近觉传感器是一种比较简单有效的传感器，把它装在机器人手（或足）上，能够检测机器人手臂（或腿）把它装在机器人手（

43、或足）上，能够检测机器人手臂（或腿）运动路线上的各种物体。这种传感器一般用红外发光二极管作运动路线上的各种物体。这种传感器一般用红外发光二极管作发送体，向物体发射一束红外光，红外光通过透镜照射于物体发送体，向物体发射一束红外光，红外光通过透镜照射于物体上；物体反射红外光，然后通过接收电路进行接收和处理。上；物体反射红外光，然后通过接收电路进行接收和处理。u（2 2）超声波是人耳听不见的一种机械波，频率在）超声波是人耳听不见的一种机械波，频率在20kHz20kHz以以上。人耳能听到的声音，振动频率范围只是上。人耳能听到的声音，振动频率范围只是202020 000Hz20 000Hz。超。超声波因

44、其波长较短，绕射小，而能成为声波射线并定向传播。声波因其波长较短，绕射小，而能成为声波射线并定向传播。机器人采用超声波传感器的目的是用来探测周围物体的存在与机器人采用超声波传感器的目的是用来探测周围物体的存在与测量物体的距离。一般用来探测周围环境中较大的物体，这种测量物体的距离。一般用来探测周围环境中较大的物体，这种传感器不能测量距离小于传感器不能测量距离小于30mm30mm的物体。的物体。传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）超声波传感器包括超声波发射器、超声波接收器、定时电超声波传感器包括超声波发射器、超声波接收器、定时电路和控制电路四个主要部分。它的工作原理大致是这样的：首路

45、和控制电路四个主要部分。它的工作原理大致是这样的：首先由超声波发射器向被测物体方向发射脉冲式的超声波。发射先由超声波发射器向被测物体方向发射脉冲式的超声波。发射器发出一连串超声波后即自行关闭，停止发射，同时超声波接器发出一连串超声波后即自行关闭，停止发射，同时超声波接收器开始检测回声信号，定时电路也开始计时。当超声波遇到收器开始检测回声信号，定时电路也开始计时。当超声波遇到物体后，就被反射回来。等到超声波接收器收到回声信号后，物体后，就被反射回来。等到超声波接收器收到回声信号后，定时电路停止计时，此时定时电路所记录的时间，是从发射超定时电路停止计时，此时定时电路所记录的时间，是从发射超声波开始

46、到收到回声波信号的传播时间。利用传播时间值，可声波开始到收到回声波信号的传播时间。利用传播时间值，可以换算出被测物体到超声波传感器之间的距离。这个换算的公以换算出被测物体到超声波传感器之间的距离。这个换算的公式很简单，即声波传播时间的一半与声波在介质中传播速度的式很简单，即声波传播时间的一半与声波在介质中传播速度的乘积。超声波传感器整个工作过程都是在控制电路控制下按顺乘积。超声波传感器整个工作过程都是在控制电路控制下按顺序进行的。序进行的。传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）u（3 3）电涡流传感器主要用于检测由金属材料制成的对象物）电涡流传感器主要用于检测由金属材料制成的对象物

47、体。它是利用一个导体在非均匀磁场中移动或处在交变磁场内，体。它是利用一个导体在非均匀磁场中移动或处在交变磁场内，导体内就会出现感应电流这一基本电学原理工作的。这种感应导体内就会出现感应电流这一基本电学原理工作的。这种感应电流称为电涡流。通过电涡流的大小可以检测物体的有无和距电流称为电涡流。通过电涡流的大小可以检测物体的有无和距离，电涡流传感器的尺寸小，检测精度高，能检测到离，电涡流传感器的尺寸小，检测精度高，能检测到0.02mm0.02mm，工作可靠，价格便宜。缺点是作用距离小，一般不超过工作可靠，价格便宜。缺点是作用距离小，一般不超过13mm13mm。传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第

48、2版）版）u5 5嗅觉传感器嗅觉传感器人鼻是嗅觉器官，嗅觉传感器就是仿真人鼻功能的一种传人鼻是嗅觉器官，嗅觉传感器就是仿真人鼻功能的一种传感器。给机器人装上嗅觉传感器，它就能感受各种气味，从而感器。给机器人装上嗅觉传感器，它就能感受各种气味，从而用来识别其所在环境中的有害气体，并测定有害气体的含量。用来识别其所在环境中的有害气体，并测定有害气体的含量。目前还做不到让机器人像人一样闻出多种气味的机器鼻子。常目前还做不到让机器人像人一样闻出多种气味的机器鼻子。常用的嗅觉传感器是半导体气体传感器，它是利用半导体气敏元用的嗅觉传感器是半导体气体传感器，它是利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体的物理

49、性质变化，借以测定某种特件同气体接触，造成半导体的物理性质变化，借以测定某种特定的气体成分及其含量的。大气中的气味各种各样，而目前研定的气体成分及其含量的。大气中的气味各种各样，而目前研制出的气体传感器只能识别如制出的气体传感器只能识别如H H2 2、COCO2 2、COCO、NONO等少数气体。因等少数气体。因此，除特殊需要安装探测特定气体的气体传感器外，一般的机此，除特殊需要安装探测特定气体的气体传感器外，一般的机器人基本上没有嗅觉。器人基本上没有嗅觉。传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）嗅觉传感器中开发应用最广泛的当属电子鼻，它是由传感嗅觉传感器中开发应用最广泛的当属电子鼻

50、，它是由传感器阵列构成的。阵列中的每个传感器覆盖着不同的具有选择性器阵列构成的。阵列中的每个传感器覆盖着不同的具有选择性吸附化学物质能力的导电聚合物。吸附作用将改变材料的电导吸附化学物质能力的导电聚合物。吸附作用将改变材料的电导率，从而产生一个能测量的电信号。阵列中所有不同传感器产率，从而产生一个能测量的电信号。阵列中所有不同传感器产生的信号模式代表了特定的气味图谱，通过与已知气味数据库生的信号模式代表了特定的气味图谱，通过与已知气味数据库相比较可识别出各种气味来。大多数嗅觉系统都使用类似的原相比较可识别出各种气味来。大多数嗅觉系统都使用类似的原理。英国一家公司推出一种在线实时系统，这种系统标

51、志着电理。英国一家公司推出一种在线实时系统，这种系统标志着电子鼻已经走出实验室，进入了实际工作环境。它能适应各种不子鼻已经走出实验室，进入了实际工作环境。它能适应各种不同的传感器技术，从导电聚合物到金属氧化物半导体（同的传感器技术，从导电聚合物到金属氧化物半导体（MOSMOS）技）技术以及体声波和表面声波器件等，除了可用于机器人外，还可术以及体声波和表面声波器件等，除了可用于机器人外，还可应用于食品加工发酵和酿造业，以及在线水质监测，医学系统应用于食品加工发酵和酿造业，以及在线水质监测，医学系统和火检测等。英国诺丁汉大学食品科学系另僻蹊径，研制了一和火检测等。英国诺丁汉大学食品科学系另僻蹊径，

52、研制了一种基于质谱原理的新的电子嗅觉系统，这种系统能分析人吃东种基于质谱原理的新的电子嗅觉系统，这种系统能分析人吃东西时鼻子中嗅到的香味，用于解决如何生产出不同种类的好食西时鼻子中嗅到的香味，用于解决如何生产出不同种类的好食品。品。传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）另一种最近开发的电子鼻是由美国加里福尼亚工学院研制另一种最近开发的电子鼻是由美国加里福尼亚工学院研制的，这是一种手持式的由的，这是一种手持式的由3232个传感器组成的单元。经过个传感器组成的单元。经过“培培训训”，它能嗅出特定种类的稻米，不但能说出其种类，而且可，它能嗅出特定种类的稻米，不但能说出其种类，而且可指出其

53、产地。指出其产地。传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）u5.2 5.2 光纤传感器光纤传感器光纤最早在光学行业中用于传光和传像，在光纤最早在光学行业中用于传光和传像，在2020世纪世纪7070年代年代初生产出低损耗光纤后，光纤在通信技术中用于长距离传递信初生产出低损耗光纤后，光纤在通信技术中用于长距离传递信息。由于光纤不仅可以作为光波的传输媒质，而且光波在光纤息。由于光纤不仅可以作为光波的传输媒质，而且光波在光纤中传播时，表征光波的特征参量（振幅、相位、偏振态、波长中传播时，表征光波的特征参量（振幅、相位、偏振态、波长等）因外界因素（如温度、压力、磁场、电场和位移等）的作等）因外

54、界因素（如温度、压力、磁场、电场和位移等）的作用而间接或直接地发生变化，从而可将光纤作为传感器元件来用而间接或直接地发生变化，从而可将光纤作为传感器元件来探测各种待测量（物理量、化学量和生物量）。探测各种待测量（物理量、化学量和生物量）。传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）u5.2.1 5.2.1 光纤结构光纤结构光纤是一种多层介质结构的圆柱体，其结构如图光纤是一种多层介质结构的圆柱体，其结构如图5.55.5所示，所示，该圆柱体由纤芯、包层和护层组成。该圆柱体由纤芯、包层和护层组成。图5.5 光纤结构传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）纤芯材料的主体是二氧化硅或塑料

55、，制成很细的圆柱体，纤芯材料的主体是二氧化硅或塑料，制成很细的圆柱体，其直径在其直径在5 57575 m m内。有时在主体材料中掺入极微量的其他材料内。有时在主体材料中掺入极微量的其他材料如二氧化锗或五氧化二磷等，以便提高光的折射率。围绕纤芯如二氧化锗或五氧化二磷等，以便提高光的折射率。围绕纤芯的是一层圆柱形套层（包层），包层可以是单层，也可以是多的是一层圆柱形套层（包层），包层可以是单层，也可以是多层结构，层数取决于光纤的应用场所，但总直径控制在层结构，层数取决于光纤的应用场所，但总直径控制在100100200200 m m范围内。包层材料一般为范围内。包层材料一般为SiOSiO2 2，也有

56、的掺入极微量的三氧，也有的掺入极微量的三氧化二硼或四氧化硅，但包层掺杂的目的却是为了降低其对光的化二硼或四氧化硅，但包层掺杂的目的却是为了降低其对光的折射率。包层外面还要涂上如硅铜或丙烯酸盐等涂料，其作用折射率。包层外面还要涂上如硅铜或丙烯酸盐等涂料，其作用是保护光纤不受外来的损害，增加光纤的机械强度。光纤最外是保护光纤不受外来的损害，增加光纤的机械强度。光纤最外层是一层塑料保护管，其颜色用以区分光缆中各种不同的光纤。层是一层塑料保护管，其颜色用以区分光缆中各种不同的光纤。光缆是由多根光纤组成，并在光纤间填入阻水油膏以此保证光光缆是由多根光纤组成，并在光纤间填入阻水油膏以此保证光缆传光性能。光

57、缆主要用于光纤通信。缆传光性能。光缆主要用于光纤通信。传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）u5.2.2 5.2.2 光纤传感器的工作原理光纤传感器的工作原理光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位和偏振态等）发的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位和偏振态等）发生变化，成为被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器，经生变化，成为被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器，经解调器

58、解调后，获得被测参数。根据工作原理，光纤传感器可解调器解调后，获得被测参数。根据工作原理，光纤传感器可以分为传感型和传光型两大类。以分为传感型和传光型两大类。利用外界因素改变光纤中光的特征参量，从而对外界因素利用外界因素改变光纤中光的特征参量，从而对外界因素进行计量和数据传输的，称为传感型光纤传感器，它具有传、进行计量和数据传输的，称为传感型光纤传感器，它具有传、感合一的特点，信息的获取和传输都在光纤之中。感合一的特点，信息的获取和传输都在光纤之中。传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）传光型光纤传感器是指利用其他敏感元件测得的特征量，传光型光纤传感器是指利用其他敏感元件测得的特征

59、量，由光纤进行数据传输，它的特点是充分利用现有的传感器，便由光纤进行数据传输，它的特点是充分利用现有的传感器，便于推广应用。于推广应用。光纤对许多外界参数有一定的效应，如电流、温度、速度光纤对许多外界参数有一定的效应，如电流、温度、速度和射线等。光纤传感器原理的核心是如何利用光纤的各种效应，和射线等。光纤传感器原理的核心是如何利用光纤的各种效应，实现对外界被测参数的实现对外界被测参数的“传传”和和“感感”的功能。光纤传感器的的功能。光纤传感器的核心就是光被外界参数的调制原理，调制的原理就能代表光纤核心就是光被外界参数的调制原理，调制的原理就能代表光纤传感器的机理。研究光纤传感器的调制器就是研究

60、光在调制区传感器的机理。研究光纤传感器的调制器就是研究光在调制区与外界被测参数的相互作用，外界信号可能引起光的特性（强与外界被测参数的相互作用，外界信号可能引起光的特性（强度、波长、频率、相位、偏振态等）变化，从而构成强度、波度、波长、频率、相位、偏振态等）变化，从而构成强度、波长、频率、相位和偏振态调制原理。长、频率、相位和偏振态调制原理。传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）利用被测量的因素改变光纤中光的强度，再通过光强的变利用被测量的因素改变光纤中光的强度，再通过光强的变化来测量外界物理量，称为强度调制。强度调制是光纤传感器化来测量外界物理量，称为强度调制。强度调制是光纤传感