传感器课程论文Word文档下载推荐.docx

1、 Smell; Touch; Hearing; Taste; Respiratory Sensors: Electrode Sensor目录前言： 4一、机器人传感器的分类 51.内部传感器 51规定位置、规定角度的测量 52速度、角速度测量 63加速度测量 64其他内部传感器 62.外部传感器 7触觉传感器 7力觉传感器 7距离传感器 8其他外部传感器 8二、传统机器人传感器的发展 81. 激光传感器视觉 8工作原理 9先进的数字控制系统 9激光视觉检测站的应用 102.气敏传感器嗅觉 113.压敏、温敏、流体传感器触觉 11三、非传统传感器的发展 131.呼吸传感器 132.电极传感器 1

2、4结论： 15参考文献：最广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。国际电工委员会（IEC:International Electrotechnical Committee）的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。按照Gopel等的说法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系统则是组合有某种信息处理（模拟或数字）能力的传感器”。传感器是传感器系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。信息处理技术取得的进展以及微处理器和计算机技术的高速发展，都需要在传感器的开发方面有相应的进展。微处理器现在已经

3、在测量和控制系统中得到了广泛的应用。随着这些系统能力的增强，作为信息采集系统的前端单元，传感器的作用越来越重要。传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件，作为系统中的一个结构组成，其重要性变得越来越明显。图1 传感器系统的框图传感器系统的框图示于图1，进入传感器的信号幅度是很小的，而且混杂有干扰信号和噪声。为了方便随后的处理过程，首先要将信号整形成具有最佳特性的波形，有时还需要将信号线性化，该工作是由放大器、滤波器以及其他一些模拟电路完成的。在某些情况下，这些电路的一部分是和传感器部件直接相邻的。成形后的信号随后转换成数字信号，并输入到微处理器。机器人是由计算机控制的复杂机器，它具有类似

4、人的肢体及感官功能；动作程序灵活；有一定程度的智能；在工作时可以不依赖人的操纵。机器人传感器在机器人的控制中起了非常重要的作用，正因为有了传感器，机器人才具备了类似人类的知觉功能和反应能力。一、机器人传感器的分类根据传感器在机器人中的作用，机器人传感器分为内部传感器和外部传感器。1.内部传感器在有关工业机器人功能的术语中，“内部”测量功能定义为测量机器人自身状态的功能，所谓内部传感器，就是实现该功能的元件，具体检测的对象有关节的线位移和角位移等几何量，速度、角速度和加速度等运动量，还有倾斜角、方位角和振动等物理量，对各种传感器要求精度高、响应速度快、测量范围宽。内部传感器中，位置传感器和速度传

5、感器是当今机器人反馈控制中不可缺少的元件。现已有多种传感器大量生产，但倾斜角传感器、方位角传感器及振动传感器等用作机器人内部传感器的时间不长，其性能尚需进一步改进。内部传感器按功能分为规定位置、规定角度的测量，速度、角速度测量，加速度测量等传感器。规定位置、规定角度的测量检测预先规定的位置或角度，可以用ON/OFF两个状态值，这种方法用于检测机器人的起始原点、越限位置或确定位置。（1） 微型开关：规定的位移或力作用到微型开关的可动部分（称为执行器）时，开关的电气触点断开或接通。限位开关通常装在盒里，以防外力的作用和水、油、尘埃的侵蚀。（2） 光电开关：光电开关是由LED光源和光敏二极管或光敏晶

6、体管等光敏元件组成，相隔一定距离而构成的透光式开关。当光由基准位置的遮光片通过光源和光敏元件的缝隙时，光射不到光敏元件上，而起到开关的作用。（3） 编码器。编码器输出表示位移增量的编码器脉冲信号，并带有符号。根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度方法及信号输出形式，分为增量式编码器和绝对式编码器。作为机器人位移传感器，光电编码器应用最为广泛。绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对式编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。编码的设计可采用二进制码、循环码和二进制补码等。磁编码器在强磁性材料表面上记录等间隔的磁化刻度标尺

7、，标尺旁边相对放置磁阻效应元件或霍尔元件，即能检测出磁通的变化。与光电编码器相比，磁编码器的刻度间隔大，但它具有耐油污和抗冲击等特点。人们期待着磁编码器和高分辨率的光电编码器能尽早地用作机器人的内传感器。速度、角速度测量速度、角速度测量是驱动器反馈控制中必不可少的环节，有时也利用测位移传感器测量速度及检测单位采样时间位移量，然后用F/V转换器变成模拟电压，但这种方法有其局限性，在低速时，存在着不稳定的危险；而高速时，只能获得较低的测量精度。最通用的速度、角速度传感器是测速发电机或成为转速表的传感器、比率发电机。恒定磁场中的线圈发生位移，线圈两端的感应电压E与线圈内交链磁通的变化率成正比，输出电

8、压为E=-d/dt根据这个原理，测量角速度的测速发电机，可按其构造分为直流测速发电机、交流测速发电机和感应式交流测速发电机。加速度测量随着机器人的高速比、高精度化，由机械运动部分刚性不足所引起的振动问题开始提到日程上来了。为了解决振动问题，有时在机器人的运动手臂等位置安装加速度传感器，测量振动加速度，并把它反馈到驱动器上。加速度传感器分为以下几种。（1） 应变片加速度传感器。应变片加速度传感器是由一个板簧支承重锤所构成的振动系统。在板簧两面分别贴两个应变片，应变片受振动产生应变，其电阻值的变化通过电桥电路的输出电压被检测出来。（2） 伺服加速度传感器。伺服加速度传感器中振动系统重锤位移变换成成

9、正比的电流，把电流反馈到恒定磁场中的线圈，使重锤返回到原来的零位移状态。由F=ma=ki，根据检测的电流可以求出加速度。（3） 压电感应加速度传感器。压电感应加速度传感器是利用具有压电效应的物质将加速度转换为电压即U=Q/ACP=dijF/CP（9-6）a=UCP/dijFm 式中：CP压电元件电容；dij压电常数；U电压；m质量。其他内部传感器除以上介绍的常用内部传感器外，还有一些根据机器人不同要求而安装的不同功能的内部传感器，如用于倾斜角测量的液体式倾斜角传感器、电解液式倾斜角传感器、垂直振子式倾斜角传感器，用于方位角测量的陀螺仪和地磁传感器。这些传感器有待于进一步完善，从而更好地用于机器

10、人上。2.外部传感器为了检测作业对象及环境或机器人与它们的关系，在机器人上安装了触觉传感器、视觉传感器、力觉传感器、接近觉传感器、超声波传感器和听觉传感器，大大改善了机器人工作状况，使其能够更充分地完成复杂的工作。由于外部传感器为集多种学科于一身的产品，有些方面还在探索之中，随着外部传感器的进一步完善，机器人的功能越来越强大，将在许多领域为人类作出更大贡献。触觉传感器触觉是接触、冲击和压迫等机械刺激感觉的综合，触觉可以用来进行机器人抓取，利用触觉可进一步感知物体的形状和软硬等物理性质。对机器人触觉的研究，只能集中于扩展机器人能力所必需的触觉功能，一般把检测感知和外部直接接触而产生的接触觉、压力

11、、触觉及接近觉的传感器称为机器人触觉传感器。 （1） 接触觉。接触觉是通过与对象物体彼此接触而产生的，所以最好使用手指表面高密度分布触觉传感器阵列，它柔软、易于变形，可增大接触面积，并且有一定的强度，便于抓握。接触觉传感器可检测机器人是否接触目标或环境，用于寻找物体或感知碰撞。1） 机械式传感器：利用触点的接触断开获取信息，通常采用微动开关来识别（物体的二维轮廓，由于结构关系无法高密度列阵。2） 弹性式传感器：这类传感器都由弹性元件、导电触点和绝缘体构成。3） 光纤传感器：这种传感器包括由一束光纤构成的光缆和一个可变形的反射表面。光通过光纤束投射到可变形的反射材料上，反射光按相反方向通过光纤束

12、返回。（2） 接近觉。接近觉是一种粗略的距离感觉，接近觉传感器的主要作用是在接触对象之前获得必要的信息，用来探测在一定距离范围内是否有物体接近、物体的接近距离和对象的表面形状及倾斜等状态，一般用1和0两种状态表示。在机器人中，主要用于对物体的抓取和躲避。接近觉一般用非接触式测量元件，如霍尔效应传感器、电磁式接近开关和光学接近传感器。（3） 滑觉。机器人在抓取不知属性的物体时，其自身应能确定最佳握紧力的给定值。当握紧力不够时，要检测被握紧物体的滑动，利用该检测信号，在不损害物体的前提下，考虑最可靠的夹持方法，实现此功能的传感器称为滑觉传感器。滑觉传感器有滚动式和球式，还有一种通过振动检测滑觉的传

13、感器。物体在传感器表面上滑动时，和滚轮或环相接触，把滑动变成转动。力觉传感器力觉是指对机器人的指、肢和关节等运动中所受力的感知，主要包括腕力觉、关节力觉和支座力觉等，根据被测对象的负载，可以把力传感器分为测力传感器（单轴力传感器）、力矩表（单轴力矩传感器）、手指传感器（检测机器人手指作用力的超小型单轴力传感器）和六轴力觉传感器。力觉传感器根据力的检测方式不同，可以分为：（1）检测应变或应力的应变片式；（2）利用压电效应的压电元件式；（3）用位移计测量负载产生的位移的差动变压器、电容位移计式其中应变片被机器人广泛采用。在选用力传感器时，首先要特别注意额定值，其次在机器人通常的力控制中，力的精度意

14、义不大，重要的是分辨率。另外，在机器人上实际安装使用力觉传感器时，一定要事先检查操作区域，清除障碍物。这对实验者的人身安全、对保证机器人及外围设备不受损害有重要意义。距离传感器距离传感器可用于机器人导航和回避障碍物，也可用于机器人对空间内的物体进行定位及确定其一般形状特征。目前最常用的测距法有两种。（1） 超声波测距法。（2） 激光测距法。其他外部传感器除以上介绍的机器人外部传感器外，还可根据机器人特殊用途安装听觉传感器、味觉传感器及电磁波传感器，而这些机器人主要用于科学研究、海洋资源探测或食品分析、救火等特殊用途。这些传感器多数属于开发阶段，有待于更进一步完善，以丰富机器人专用功能。二、传统

15、机器人传感器的发展1. 激光传感器视觉先进的激光在线检测系统在汽车制造中不同领域的应用，在某种程度上改变了汽车制造中的某些传统工艺流程，它对于推动汽车制造业的发展有着及其重要意义。车身的关键尺寸主要是风挡玻璃窗尺寸、车门安装处棱边位置、定位孔位置及各分总成的位置关系等，因此视觉传感器主要分布于这些位置附近，测量其相应的棱边、孔、表面的空间位置尺寸等，一般为固定式测量系统。在生产线上设计一个测量工位，将定位好后的车身置于一框架内，框架由纵、横分布的金属柱、杆构成，可根据需要在框架上灵活安装视觉传感器。传感器的数量通常由被测点的数量来确定。工作原理在实际应用中，通常是将多个视觉传感器组成一个视觉检

16、测站，每个传感器首先计算出被测点在当前的传感器坐标系中的坐标，然后将所有视觉传感器坐标系汇聚在系统坐标系下，从而完成测量。系统的工作主要建立在摄像机模型和立体视觉传感器三维测量模型的基础上。为了得到被测点在车身定位坐标系中的坐标，需要以标准坐标系为中介，把被测点在传感器坐标系中的坐标转换到被测点在车身定位坐标系中，这就需要把传感器坐标系、车身定位坐标系与标准坐标系统一起来，称为中介坐标统一法。完成上述工作是通过局部标定和全局标定的过程来实现的。局部标定是利用透镜透视原理，标定出从世界坐标系到传感器三维坐标系的12个外部参数；全局标定采用的是中介坐标系方案（图2），通过采用靶标，求出测量传感器所

17、对应的传感器坐标系到经纬仪坐标系的转换矩阵，完成坐标系的统一。图2 全局标定示意图先进的数字控制系统激光视觉检测系统采用先进的CBVM测控软件，可以通过图形化的操作界面实现检测站的所有功能，即使不熟练的操作者也可以方便使用。同时，数据管理与分析软件负责测量数据的管理以及完成局域网用户对测量数据的查询和分析。激光视觉检测站的应用随着汽车制造水平的不断提高，激光视觉检测站逐渐得到应用，一汽大众汽车有限公司每一个总成均采用该系统进行尺寸控制，出现问题的部件会被及时发现、报警并放回返修区。这样可以保证每一级总成部件均由尺寸合格的下级总成组合而成。不仅如此，由于数据实行实时检测、存储，当发现问题时，制造

18、部门可以快速发现工装夹具的问题所在，在最短的时间内进行调整。（图3）图3 视觉检测系统在焊装各级总成中的应用除此之外，激光视觉检测系统还被广泛应用于焊装生产中，如门盖装配、前端切削焊接以及车身后部后尾灯定位孔的形成等。传统工艺中灯安装孔采用多个冲压件焊接而成，其累计误差较大、且难以控制，导致后尾灯安装后与侧围匹配质量较差、尺寸不稳定。采用激光视觉检测技术，冲孔在各部件拼焊完成后进行，通过使用激光在线测量，将后尾灯左右的型面形成数模，并与已经存储于控制器中的数模相对照，找出最佳匹配尺寸并调整机器人完成冲孔工艺。激光在线检测技术在白车身车门装配中的应用实例。其中机器人控制下的抓拾器与激光在线检测系

19、统通过总线控制，形成一个闭环系统，通过激光在线检测系统在门盖装配过程中的实时动态测量，实时地把所测量数据与处理器中的标准数模数据对比，给出测量值与理论值的偏差，实时调整抓拾器的安装位置，使其达到一个设计的最佳值，此时门与侧围的平度和间隙均会达到一个最佳值。2.气敏传感器嗅觉日前，日本科学家使用基因改良青蛙卵细胞建立一种高精密传感器，能分辨气味和探测气体。该高精密传感器可用于设计灵敏分辨气体的机器人。日本科学家使用基因改良非洲爪蛙卵细胞建造复杂的传感器日本科学家使用基因改良青蛙卵细胞建立一种高精密传感器，能分辨气味和探测气体。如何赋予机器人灵敏的嗅觉呢？日本东京大学工业科学学会生物工程师Shoj

20、i Takeuchi声称借助基因改良青蛙卵细胞可以实现。现今的电子鼻用途十分局限，虽然它们能够暂时地用于探测污染环境中腐烂食物，但缺乏精确性。传统的电子鼻当遇到目标物质时，其内部设计的石英棒可以不同频率发生震颤，这种方法并不是十分有效，当带有类似分子重量的不同物质与石英棒发生交互时，很容易产生错误的响应。然而，Shoji Takeuchi认为没有比生物体更能分辨不同生物分子之间的区别，比如：人类气息中存在的疾病标志物。因此，他和同事们研制出一种活细胞传感器，并希望使用这项技术发明能够探测到二氧化碳等污染气体。Shoji Takeuchi将三种昆虫（丝蛾、菱形斑纹蛾和果蝇）的DNA分子分别注入非

21、洲爪蛙未成熟的卵细胞中，然后他将这三种表达不同蛋白质的基因改良卵细胞作为气味受体，放置一个特殊设计的暗盒中，再将这个暗盒放在电极之间。他们发现这种由基因改良细胞构成的传感器可精确地测量分辨相应的生物分子，例如：在实验室中对他们建造了注入蛾虫DNA分子的基因改良青蛙卵细胞作为嗅觉受体的机器人，当机器人的“鼻子”探测到蛾虫信息素时就会摇头。日本东京大学的Shoji Takeuchi称，这项突破性技术对于环境研究非常重要。他将非洲爪蛙的改良基因比作“平台”，声称过去的研究发现这三种昆虫体内某些DNA片断对于分辨气味和探测气体非常有效。他说：“我们将不同DNA分子注入青蛙卵细胞内，我们便可以获得非常有

22、用廉价的传感器。”目前，这项研究发表在近期出版的美国国家科学院学报上。该研究小组希望未来使用相同的方法探测二氧化碳等气体。Shoji Takeuchi说：“蚊子能够探测发现人类，这是由于人体所释放的二氧化碳，因此蚊子具有二氧化碳受体。当我们提取蚊子体内的DNA分子，再将这些DNA分子注入青蛙卵细胞中作为活细胞传感器，可用于探测二氧化碳气体。3.压敏、温敏、流体传感器触觉据英国新科学家杂志 报道，机器人装配皮肤不仅可以使它们更具审美感，同时也更让社会公众所接纳。触摸感应式皮肤还可以 避免机器人出现意外伤害。目前，意大利科学家最新研制一种机器人皮肤，可灵敏地感应到1克重物体的压力。这种最新机器人皮

23、肤是由三角状柔性印刷电路板构成，它的作用相当于传感器，能够覆盖在iCub机器人表面（图4）。每个三角状柔性印刷电路板的边长 各3厘米，并包含12个电容铜触点。图4 iCub机器人皮肤iCub今年5月份，意大利科技协会一支研究小组将在iCub机器人上首次装配触摸式皮肤，据悉，这种新型 机器人皮肤包含着柔韧压力传感器，可以协助机器人触摸物体。意大利科技协会机器人专家乔治欧-梅塔（Giorgio Metta）说：“皮肤是仿真机器人一项有待突破的技术难题，我们的目标就是让仿真机器人更加接近人类！”目 前，科学家们正试图用各种方法制造具有灵敏感应能力的机器人皮肤。例如：日本大阪大学研制的CB2机器人，在

24、其硅有机树脂皮肤上安装了数百个传感器，现在更多地增加传感器的方法正在出现。虽然许多机 器人采用了机器人皮肤，但很难确定所采用的技术是最适合的，毕竟机器人将从事许多特殊应用。梅塔说：“机器人皮肤需要符合许多的标准和要求，它们必须有弹性，能够覆盖机器人身体较大的表面积，皮肤表面能够感应轻微的接触。同时，许多灵 敏性要求却又彼此存在冲突。iCub是一种体形像3.5岁儿童的仿真机器人，科学家设计这款机器人是为了研究人类肢体、肌腱和触觉感应是如何对智力提供帮 助，iCub机器人设计的技术规范是公开的， 欧洲15个机器人实验室都已“克隆”这项机器 人制造技术，因此，意大利科技协会制造的机器人皮肤适合于许多

25、款机器人。这种机器人皮肤是由三角状柔性印刷电路板构成， 它的作用相当于传感器，能够覆盖在iCub机 器人表面。每个三角状柔性印刷电路板的边长各3厘 米，并包含12个电容铜触点。一层硅橡胶层作为间距位于电路板和外层合力纤维之间，该橡胶层在每个电路板的电容铜触点上 都有相对应的铜触点。外层合力纤维层和柔性印刷电路板正反两面都带有压力感应电容器。经测试这种机器人皮肤的每个柔性印刷电路板可感应到重量1克物体的压力。三、非传统传感器的发展1.呼吸传感器伴着计算机科技进步而进步的医疗器械、个人保健器具的革命性突破尽管高科技保健面临资金窘迫等困境，但无法遮挡未来的辉煌远景。微芯片被植入人脑；模拟人体器官可以

26、预测药物反应；呼吸传感器能够观测癌细胞的发展；机器人可以完成繁难的外科手术；不会说话的人用舌头下的装置完成交流并控制轮椅这些听上去好像科幻小说中的场景。的确，这些高科技的医疗手段不仅不是现实，也不可能在短期内实现。 微软公司日前在欧洲设立了一个创新项目用于展示高科技手段如何运用于保健领域，并探索疑难重症的治疗方法。该项目的一个引人瞩目之处在于：参与这个项目的科学家都是在数字时代成长起来的年轻人。现在，这些被无数科技进步簇拥着成长起来的年轻人也将踏上征程，开辟属于他们的全新疆域。 项目的团队如朝阳般年轻而蓬勃，项目的渊源却可溯之久远。早在1960年，丹尼斯诺贝尔（DenisNoble）教授便创立

27、了心脏的计算机模型。现在他在牛津大学的团队已经能够精准地预测在心绞痛情况下人体对药物的反应。这种进步完全有赖于计算机科技的进步一个新的可以模拟人体心脏对药物反应的软件。现在，这个软件已经被五个主要的大型制药公司运用。然而，这个由100多人一起参与开发的软件的真正目的远不止此，更加确切地了解心脏的机能才是科学家更为野心勃勃的目的所在“现在，在了解心脏机能方面，我们还有漫长的路要走。事实上，我们对心脏的了解仅仅只有2%而已。”诺贝尔博士如是说。现在，一些组织团体已经轰轰烈烈地开启了人造器官，甚至人造“人”的大幕。开始于2002年并由欧盟生物医学研究机构资助的“仿真人计划（LivingHumanPr

28、oject）”就是其中的杰出代表，他们正在朝着制造人体所有器官的道路上大步迈进。不过，迄今为止，和所有这些人造器官的项目相比，人造心脏技术仍然是最为成熟的。加拿大的卡尔加里大学（UniversityofCalgary）是生物研究领域的另一位领跑者。去年，学校附属的诊所完成了一次机器人手术。在外科医师的操控下，运用机械手（NeuroArm）为一个病人摘除了脑部肿瘤。这项技术创新带来的一个潜在好处便是：医生可以在病人处于核磁共振检测器的检测之下对其进行手术，以便医生确定脑瘤游移的脉络。不仅如此，“这套设备（机械手）还使远程医疗成为可能，从此之后，医生和病人便不用同在一个房间了。”细胞生物学教授纳威

29、德赛德博士评价说。新技术的发明总是如铁链一般，环环相扣，步步推进；又像投入水中的石子，激起一圈圈涟漪。也许是受到机械手大获成功的刺激，马里兰大学（UniversityMaryland）也正着手研制一种能够检测和杀伤乳腺癌细胞的机器人。虽然，这个项目现在仍然处于试验阶段，但不久之后就可以在研究室中得见。马里兰大学研制的机器人并不是唯一一项癌症检测手段上的新进展：基于狗能够凭借嗅觉来判断癌症的存在与否这一事实，俄克拉何马大学（UniversityOklahoma）发明的呼吸检测器大大方便了癌症的检查。除此之外，科学家们还期望着能够弄清癌症的疑似率与呼出气体的成分关系。2.电极传感器 4月15日消息，近日，在全球著名电子技术期刊EETIMES的2010年“全球十大新兴技术”的评选中，美国爱默提系统公司发明的一项名为“生物反馈和思想控制电子装置”的技术排在了第一位。据了解，这一技术通过一种像耳机或者头盔的装置来实现人脑与电脑的对接，有人称之为“读心”耳机（图5）。