模块十传感器新技术应用解析

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1、模块十 传感器新技术应用 课题一 生物传感器 任务目标 了解生物传感器的定义和工作原理； 了解生物传感器的特点及应用。 一、生物传感器的工作原理 生物传感器是将各种生物分子探针表面的生化反应转 变成可定量测定的物理信号的一种电子元件，可以用 于检测生物分子的存在与浓度等。 生物传感器主要有两种分类方式： 根据敏感物质的不同，生物传感器可分为酶传感 器、微生物传感器、组织传感器、细胞传感器和免疫 传感器等。生物学工作者习惯于采用这种分类方法； 根据生物传感器的信号转换器分类，生物传感器可 以利用电化学电极、场效应晶体管、热敏电阻、光电 器件、声学装置等作为生物传感器的信号转换器。 生物传感器的工

2、作原理如图10-1所示。 图10-1 生物传感器的工作原理 生物传感器一般是在基础传感器上再耦合一个生物敏 感膜，或者说生物传感器是半导体技术与生物工程技 术的结合，生物敏感物质附着于膜上，或包含于膜中 ，被测量的物质经扩散作用进入生物敏感膜层，经分 子识别，发生生物学反应（物理、化学变化），其所 产生的信息可通过相应的化学或物理换能器转变成可 定量、可处理、可显示的电信号，就可知道被测物质 的浓度。 二、生物敏感膜 生物敏感膜又称分子识别元件，是利用生物体内具有 奇特功能的物质制成的膜，它与被测物质相接触时伴 有物理、化学变化的生化反应，可以进行分子识别。 生物敏感膜是生物传感器的关键元件，

3、直接决定着传 感器的功能与质量。生物敏感膜是被一件半透明膜包 着的生物细胞，许多生命现象与膜的物质对信息感受 及物质交换有关，如生物电产生，细胞间相互作用， 肌肉的收缩，神经的兴奋，各种感觉器官的工作等。 三、生物传感器的特点 1根据生物反应的奇异和多样性 从理论上可以制造出测定所有生物物质的多种多样 的生物传感器。 2生物传感器是在无试剂条件下工作的（缓冲液除 外） 比各种传统的生物学和化学分析法操作简便、快 速、准确。 3可连续测量 可联机操作直接显示与读出测试结果。 四、生物传感器的分类 按所用生物活性物质不同 可以将生物传感器分为五 大类： 酶传感器； 微生物传感器； 免疫传感器； 组

4、织传感器； 细胞传感器。 按器件分类是依据所用变 换器件不同对生物传感器 进行分类，包括： 生物电极； 半导体生物传感器； 光生物传感器； 热生物传感器； 压电晶体生物传感 器。 五、生物传感器主要应用领域 课题二 机器人传感器 任务目标 了解机器人传感器的定义和组成方框图； 了解机器人传感器的特点及应用。 一、机器人传感器概述 关于机器人的概念，我们都不感到陌生，那什么叫机器 人呢？可以给它下个定义即：计算机控制的能模拟人的感 觉、手工操纵，具有自动行走能力而又足以完成有效工作 的装置，称为机器人。按照其功能机器人已经发展到第三 代，而传感器在机器人的发展过程中起着举足轻重的作 用。 第三代

5、机器人为高一级的智能机器人，“电脑化”是这 一代机器人的重要标志。然而计算机处理的信息，必须要 通过各种传感器来获取，因而这一代机器人需要有更多的 性能更好的、功能更强的和集成度更高的传感器。 机器人传感器可以被定义为一种能把机器人目标特性（ 或参量）变换为电量的输出装置。机器人通过传感器实现 类似于人类的知觉作用。 二、机器人传感器的特点 机器人传感器可分为机器人内部传感器和机器人外部 传感器两大类。 机器人内部传感器的功能是测量运动学及动力学参数 ，其提供信息的目的是控制机器人按规定的位置、轨 迹、速度、加速度和受力大小来工作，以便调整和控 制机器人的行为。 机器人外部传感器和人的视、听、

6、嗅、味、触五官感 觉相对应，故也称感觉传感器。 机器人感觉传感器的特点是： 传感器包括信息获取和处理两部分，并密切结合 ； 传感器检测的信息直接用于控制，以决定机器人 的行动； 与过程控制传感器不同，感觉传感器具有既能检 测信息又能随环境状态大幅度变化的功能，因此收 集新信息能力强。 传感器对敏感材料的柔性和功能有特定要求。 由此可见感觉传感器不仅包括传感器装置本身，而 且必须包含传感器信息处理装置。 三、机器人传感器的分类 1触觉传感器 机器人的触觉，实际上是人的触觉的某些模仿。它是 有关机器人和对象之间直接接触的感觉。 2接近觉传感器 接近觉传感器是检测对象物体与传感器距离信息的一 种传感

7、器，它能感知相距几毫米至几十厘米的距离， 利用距离信息测出对象物体的表面状态。 3视觉传感器 视觉传感器工作过程可分为视觉检测、视图图像分 析、描绘和识别四个主要步骤。 （1）视觉检测 视觉检测主要利用图像信号输入设备，将视觉信息 转换成电信号常用的图像信号，输入设备有摄像管 和固态图像传感器。 （2）视觉图像分析 视觉图像分析是把摄取到的所有信息去掉杂波及无 价值像素，重新把有价值的像素按线段或区域等排 列成有效象素集合。被测图像被划分为各个组成部 分的预处理过程称为视觉图像分析。 （3）描绘 图像信息的描绘是利用求取平面图形的面积、周长、 直径、孔数、顶点数二阶矩，周长平方与总面积之比 ，

8、以及直线数目、弧的数目，最大惯性矩和最小惯性 矩之比等方法，把这些方法中所隐含的图像特征提取 出来的过程。因此，描绘的目的是从物体图像中提取 特征。 （4）识别 识别是对描绘过程的物体给予标志，如钳子、螺帽等 名称。它必须包括信息获取和处理两部分，才能把物 体特征通过分析处理，描绘后识别出来。 4听觉传感器 听觉也是机器人的重要感觉器官之一，用计算机技术 通过语音处理及识别技术已能识别讲话的人，还能正 确理解一些简单的语句。但是要想使机器人完全正确 识别复杂的语言，尽可能地接近人耳还相差甚远。 5嗅觉传感器 嗅觉传感器主要采用气体传感器、射线传感器，用于 检测空气中的化学成分、浓度等，在放射线

9、、高温煤 气、可燃性气体及其他有毒气体的恶劣环境中，开发 机器人嗅觉传感器，对于检测上述有害成分是非常重 要的。 6味觉传感器 模仿人的味觉感受器，我们要做出一个好的机器人 的味觉传感器还要通过不懈的努力，在发展离子传 感器与生物传感器的基础上配合微型计算机进行信 息的组合来识别各种味道。通常味觉是指对液体进 行化学成分分析。实用的味觉方法有pH计和化学分 析器等。 课题三 汽车用传感器 任务目标 了解汽车传感器的特点及应用； 掌握传感器的分类； 了解传感器的主要参数。 一、汽车常用传感器的分类及工作原理 随着电子技术的发展，汽车电子化程度不断提高，传 统的机械系统已经难以解决某些与汽车功能要

10、求有关 的问题，而逐渐被电子控制系统代替。传感器的作用 就是根据规定的被测量的大小，定量提供有用的电输 出信号的部件。传感器作为汽车电控系统的关键部件 ，直接影响汽车技术性能的发挥。目前，一辆普通家 用轿车上大约安装几十到近百只传感器，而豪华轿车 上的传感器数量可多达二百余只。汽车传感器在汽车 上主要用在发动机控制系统、底盘控制系统、车身控 制系统和导航系统中。 1发动机控制用传感器 发动机控制系统用传感器是整个汽车传感器的核心， 种类很多。包括温度传感器、压力传感器、转速和角 度传感器、流量传感器、位置传感器、气体浓度传感 器、爆震传感器等。这些传感器向发动机的电子控制 单元（ECU）提供发

11、动机的工作状况信息，供ECU对 发动机工作状况进行精确控制，以提高发动机的动力 性、降低油耗、减少废气排放和进行故障检测。 （1）温度传感器 温度传感器主要用于检测发动机温度、进气温度、 冷却水温度、燃油温度及催化温度等。温度用传感 器有线绕电阻式、热敏电阻式和热偶电阻式三种主 要类型。三种类型传感器各有特点，其应用场合也 略有区别。 （2）压力传感器 压力传感器主要用于检测汽缸负压、大气压、涡轮 发动机的升压比、汽缸内压、油压等。吸气负压式 传感器主要用于吸气压、负压、油压检测。汽车用 压力传感器应用较多的有电容式、压阻式、差动变 压器式（LVDT）和表面弹性波式（SAW）等。 （3）角度和

12、车速传感器 主要用于检测曲轴转角、发动机转速和车速等。主 要有发电机式、磁阻式、霍尔效应式、光学式和振 动式等。 （4）氧传感器 氧传感器安装在排气管内，测量排气管中的含氧量 ，确定发动机的实际空燃比与理论值的偏差，控制 系统根据反馈信号，调节可燃混合气的浓度，使空 燃比接近于理论值，从而提高经济性，降低排气污 染。实际应用的是氧化锆和氧化钛传感器。 （5）流量传感器 流量传感器主要用于发动机空气流量和燃料流量的 测量。 （6）爆震传感器 爆震传感器用于检测发动机的振动，通过调整点火 提前角控制来避免发动机发生爆震。可以通过检测 汽缸压力、发动机机体振动和燃烧噪声三种方法来 检测爆震。 2底盘

13、控制用传感器 底盘控制用传感器是指分布在变速器控制系统、悬架 控制系统、动力转向系统、防抱死制动系统中的传感 器。在不同系统中作用不同，但工作原理与发动机中 传感器是相同的，主要有以下几种形式传感器： （1）变速器控制传感器 多用于电控自动变速器的控制。它是根据车速传感 器、加速度传感器、发动机负荷传感器、发动机转速 传感器、水温传感器、油温传感器检测所获得的信息 经处理使电控装置控制换挡点和液力变矩器锁止，实 现最大动力和最佳燃油经济性。 （2）悬架系统控制传感器 主要有车速传感器、节气门开度传感器、加速度传感 器、车身高度传感器、转向盘转角传感器等。根据检 测到的信息自动调整车高，抑制车辆

14、姿势的变化，实 现对车辆舒适性、操纵稳定性和行车稳定性的控制。 （3）动力转向系统传感器 它是根据车速传感器、发动机转速传感器、转矩传感 器等使动力转向电控系统实现转向操纵轻便，提高响 应特性，减少发动机损耗，增大输出功率，节省燃油 等。 （4）防抱死制动传感器 它是根据车轮角速度传感器，检测车轮转速，在各车 轮的滑移率为20%时，控制制动油压、改善制动性能， 确保车辆的操纵性和稳定性。 3车身控制用传感器 采用这类传感器的主要目的是提高汽车安全性、可靠 性、舒适性等，主要有应用于自动空调系统中的多种 温度传感器、风量传感器、日照传感器等；安全气囊 系统中加速度传感器；亮度自控中光传感器；死角

15、报 警系统中超声波传感器及图像传感器等。 4车用传感器研究开发趋势 未来的汽车用传感器技术，总的发展趋势是多功能 化、集成化、智能化。 课题四 超导传感器简介 1911年荷兰莱顿大学的卡茂林昂尼斯意外发现， 将汞冷到-268.98时，汞的电阻突然消失，后来他 发现许多金属和合金都具有与上述汞相似的低温失 去电阻的特性。由于它的特殊导电性能，卡茂林 昂尼斯称之为超导态。这一发现引起了世界范围内 的震动。在他之后，人们开始把处于超导状态的导 体称之为“超导体”。超导体的直流电阻率在一定 的低温下突然消失，被称作零电阻效应。 1987年人们又发现在14下存在超导现象，高温超 导体取得了巨大突破，使超

16、导技术走向大规模应 用。 一、超导红外传感器 超导红外传感器是根据红外光照射到超导体上产生 大量的所谓“准粒子”而使电特性改变这一原理制 成的。 超导红外传感器与一般半导体红外探测器工作原理 完全不同，其检测频带也比半导体红外探测器宽许 多。超导存在能隙，当红外辐射照射到超导体上时 ，“对粒子”分裂变为“准粒子”，又因红外辐射 的能量高于能隙，所以可产生大量的准粒子，因此 导致超导体能隙变小，电特性改变。这样根据超导 体电特性的变化，可以检测红外辐射能量。 二、超导微波传感器 若两个超导体之间存在能量差，则在超导隧道结元 件内存在准粒子流。当受到微波辐射时，准粒子流 发生变化，其隧道结器件的电流电压特性将发生 改变。因此，可以利用这个特性检测微波，而且具 有超高灵敏度性能。 课题五 液晶传感器简介 一、液晶及其性质 液晶是1988年人们发现的一件新的物质，它既具有 液体的流动性，又具有晶体的光学异向性。其分子 呈长形或其他规则形状，