现代传感器技术.ppt

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1、现代传感器技术,电力1101班：姚立东 2014年3月,南华大学,传感器的基本概念,光纤传感器,生物传感器,机器人传感器,传感器的基本概念,1、什么是传感器？ 传感器（英文名称：transducer/sensor）能感受规定的被测量件并按照一定的规律(数学函数法则)转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。,超声波传感器,微差压传感器,温度传感器,压力传感器,2、传感器的组成,被测信号,敏感元件,转换元件,转换电路,辅助电源,电量,传感器的组成框图,3、传感器的分类 传感器的种类很多，目前尚没有统一的分类方法，一般常采用的分类方法有如下几种：,4、传感器的结构 直接结构,

2、传感元件,变 换 电 路,输入,输出,电 源, 补偿结构,传感元件,传感元件,变换电路,传感元件,传感元件,变换电路,电 源,电 源,输入,输入,输出,输出,环境扰动n, 差动结构,输入,传感元件1,传感元件2,变换电路,输出,电 源,+, 闭环结构,被测量,敏感元件,传感器,伺服电路,电量,反向传感器,光纤传感器,1、光纤传感器的组成及分类 按工作原理分 按检测对象分； 按调制原理分；,功能型光纤传感器,非功能型光纤传感器,功能型光纤传感器又称敏感型传感器，其传感器中的光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素（如温度、压力、电场、磁场等）作用下，使其传光特性发生变化以实现敏感测量。 非功

3、能型光纤传感器又称传光型传感器，其传感器中的光纤仅仅作为传光媒介，光纤是不连续的，期间有中断，且中断部分要加上其他敏感元件才能构成传感器。,光 源,光敏元件,被测对象,光导纤维,光 源,光敏元件,光导纤维,敏感元件,光敏元件,敏感元件发光元件,光导纤维,测得信息,测得信息,测得信息,被测对象,被测对象,功能型光纤传感器,非功能型光纤传感器,2、光纤传感器的原理,光导纤维简称光纤，光纤是用石英玻璃或塑料等光透射率高的电介质的材料制作的极细的纤维，在结构上是由纤芯、包层和护套三部分组成。 纤芯和包层由不同掺杂的石英玻璃制作，纤芯的折射率 大于包层的折射率 ；护套一般为带色的尼龙外套以增加其机械强度

4、。,光在光纤中的传输 全反射原理,按照光线理论，光在纤芯中折射率的不同分为阶跃光纤和梯度光纤。,根据光的全反射原理以及不同的光纤材料将会有一下几种光的传输情况： 子午光线 阶跃光纤中 斜光线 子午光线 梯度光纤中 斜光线,子午光线：指与纤芯轴线相交的反射线。 斜光线：指在纤芯中传输时并不保持在同一平面，且不与纤芯轴线相交的反射线,传输光的调制技术 传输光的调制技术主要分为：光强度调制、光相位调 制、偏振调制以及频率调制等。 其中光强度调制的调制方式主要有：微弯调制、投射 调制和反射调制3种。,微弯调制 当光纤发生弯曲时，将引起其光线的入射角发生变化，若当 时，将不能满足全反射发生的条件，使光产

5、生折射而形成辐射模，引起纤芯中的传导模减小，从而进行光强度调制。,透射调制 在发射光纤和接收光纤之间插入被测对象，当发射光的强度一定时，被测对象的变化将引起接受光强度的变化，因此被测对象起到了光强度透射调制的作用。,反射调制 在反射调制中，接收光纤接收到的光强度，将直接受被测物端面对光的反射特性调制。通常被测物表面涂有反光物而形成反光面，当发射光强度一定时，接收光强度的大小将由反光面到光纤端面的距离x来调制。,由以上分析可知，微弯调制属于功能型光纤调制，透射调制和反射调制都属于非功能型光纤调制，它们广泛运用于测力、位移、温度等光纤传感器中。,3、光纤传感器的应用 在光纤传感器的应用十分的广泛，

6、根据调制原理、测量对象等的不同，光纤传感的种类也多种多样。下面将介绍两种十分简单的光纤传感器。,半导体透射式光纤温度传感器 半导体透射式光纤温度传感器由半导体吸收器、光源、光纤、光检测器、以及信号处理系统组成。其特点是探头体积小、灵敏度高、工作可靠，适用于高压电力系统中的高温测量等。 该传感器利用了半导体材料吸收光谱随温度变化的特性。, 反射式光纤位移传感器,如右图所示，该传感器利用反射调制原理制成的最基本的位移传感器。当激光源发出一定强度的光经发射光纤向反射面发射时，反光面反射的光有一部分进入接收光纤。待测距离X越小，接收的反射光越多，根据此原理实现位移量的检测,生物传感器,1、生物传感器概

7、述 定义： 生物传感器是生物活性材料与相应的换能器的结合体，能测定特定的化学物质（主要是生物物质）的装置。 生物传感器是一种精致的分析器件，它结合一种生物的或生物衍生物的敏感元件与一只理化换能器，能够产生间断或连续的电信号，信号强度与被分析物成比例。,应用范围：,医疗检验,环境检测,发酵工业,食品工业,其 他,生物传感器,血液筛选分析、传染病检验等,水污染检测、病源微生物检测等,原材料及代谢产物测定、代谢实验等,特定成分监测、品质保证与管制等,生物学研究、新型药物的开发检测等,生物传感器的分类 以分子识别元件分类：酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞器传感器、免疫传感器、DNA生物传感器等

8、。 以信号转换原理分类：电化学生物传感器、热敏电阻生物传感器、压电晶体生物传感器、光电生物传感器、声学生物传感器等。 其他分类：亲和型生物传感器、代谢型或催化型生物传感器,2、生物传感器的组成及工作原理 生物传感器主要由两大部分组成，一是生物功能物质识别部分；二是信号变换部分。 生物传感器的分子识别部分的作用是识别被测物质，是生物传感器的关键部分，其结构是把能识别被测物的功能物质，如酶、抗体、原核生物细胞、真核生物细胞、核酸等用固定化技术固定在一种膜上，从而形成了可识别被测物的功能性膜。,分子识别元件 生物活性材料 酶膜 各种酶类 全细胞膜 细菌、真菌、动植物细胞 组织膜 动植物切片组织 细胞

9、器膜 线粒体、叶绿体 免疫功能膜 抗体、抗原、酶标抗原 生物分子识别膜具有专一性和选择亲和性，它直接决定着传感器的功能和质量,生物传感器分子识别膜及材料,工作原理： 被测物经扩散作用进入生物功能性膜层，经过分子识别，发生生物学反应（物理、化学变化），产生物理、化学现象或产生新的化学物质，使相应的信号变换器将其转换成可定量和可传输、处理的电信号。,生物识别机理：,生物识别机理,酶 反 应,微生物反应,免疫学反应,其 他,催化反应,同化异化,自养异样,好气厌气,抗原抗体,核酸反应,催化抗体,膜固定技术： 夹心法 吸附法 包埋法,共价结合法,交联法,微胶囊法,3、常见生物传感器 酶传感器： 由于酶的

10、种类多种多样，因此酶传感器的种类也十分繁多。 以测定葡萄糖为例： 葡萄糖 + 葡萄糖酸内酯 + 反应式中起催化作用的是葡萄糖氧化酶，而产物 与氧化电极将发生 反应，因此可以通过测定电流来得到 的量，从而测定被测物葡萄糖的量。,葡萄糖氧化酶,DNA生物传感器： 该传感器将一条还有几十到上千个核苷酸的单链DNA固定在电极上，通过DNA分子杂交，对另外一条含有互补碱基序列的DNA进行识别，结合成双链DNA，杂交反应在敏感元件上直接完成，换能器能将杂交过程所产生的变化转变为电信号。根据杂交前后电信号的变化量，推断出被检测DNA的量。 其所利用的生物识别原理是DNA分子间的特异性互补配对原则，为分子生物

11、学研究提供了全新的基因检测技术。,机器人传感器,1、什么是机器人？ 美国机器人协会给机器人下的定义：“一种可编程和多功能的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可用电脑改变和可编程动作的专门系统。” 机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统和复杂机械等组成。 而检测装置作为机器人的主要组成部分，是机器人能够实现自主运行的必备单元。因此机器人传感器也将必然成为未来机器人研究的重要方向。,2、机器人传感器的组成与分类 通过上述的内容我们可以知道，机器人传感器并不是单纯的一个传感器，而是一个许多功能传感器（如编码器、测距传感器、力觉传感器等等）所组成的传感器系统，可以为机器人提供必要的信息，

12、是机器人主要的信息来源。 按照传感器获取信息的来源不同，可将机器人传感器分为内部传感器和外部传感器两类。顾名思义，内部传感器主要用于测量机器人自身的信息，如电机转速、电池电压、自身负重等。外部传感器则用于获取外界环境信息，包括机器人与外界某物的相对距离、外界某物发出的声、光、热、气味等信息。,3、机器人常用内部传感器编码器 编码器是机器人最常用的传感器之一，它主要用来检测运动部件的位置、速度、方向等信息。按照测量方式不同，可分为旋转编码器和直线编码器。 旋转编码器测量物体的旋转角度并转化为脉冲电信号输出，而直线编码器测量物体的直线行程长度并将结果转化为脉冲电信号。 应用最多的是旋转型编码器，它

13、通常被安装在轮轴上或与旋转电机固连，用来测量轮轴的角位置、转速和旋转方向，从而间接计算出机器人的运动速度、位置和姿态等信息。,光学旋转编码器 光学编码器由分度盘、光电发射和接收装置组成。其主要分为增量型光学编码器和绝对型光学编码器。 增量型光学编码器 简易的增量型光学编码 器在日常生活中随处可见，比 如机械鼠标和电机的调速系统 中。其测速方法我们在电力拖 动的课程中也学习过一些，包 括M法、T法、和M/T法。,因为我们以前学习过增量型光学编码器的原理，在这就不做介绍了，为了区别两者的不同，接下来我们看一下绝对型光学编码器。 绝对型光学编码器 增量型光学编码器记录的是相对于参考位置的相对值，其缺

14、点是脉冲计数值断电以后会丢失。而绝对编码器保证了任何时刻我们可以知道轮轴的绝对位置。 我们以二进制码盘为例简要介绍其工作原理。,如右下图，该二进制码盘由9个同心圆环组成，第0环是不透明的，第1环由明暗两个圆弧段组成，第2环由明暗相间的四个圆弧段组成，以此类推，第8环由 =256个圆弧段组成。和增量型编码器相同，同样有其分辨率，若机械系统的行程范围 是1 m，则其 分辨率为 0.4cm ，而且 绝对型编码器 的每一个同心 圆环都需要一 对光电发射接 收装置。,从二进制编码盘上我们可以看出每当码盘旋转一个角度都会对应一个二进制的编码，在一定的分辨率范围内，每个二进制编码都是独一无二的，从而可以确定

15、码盘的绝对位置。为了保证在机械系统整个行程内输出唯一的编码，一般采用齿轮减速的方式，即机械系统旋转多圈才使绝对码盘旋转一圈。或者采用两个绝对码盘，一个用于粗记录，另一个用于精细记录。,4、机器人常用的外部传感器视觉传感器 对于机器人的视觉系统来说，实用的视觉系统应该具有实时性，即要减少计算机识别一帧图像的时间，以满足机器人的视觉系统需求；其次应该具有可靠性，因为如果视觉系统做出错误识别，则可能导致各种事故产生；再次是要有柔性，可以适应不同物体和环境的变化，使其工作范围更大；而且要价格适中，约占整个机器人总体价格的10%20%较为合适。 在空间中判断物体的位置和形状一般需要两类信息：距离信息和明暗信息。距离信息可以由超声波来测的，而明暗信息则主要由CCD固态摄像机等来获得