盤(pán)點(diǎn)機(jī)器人制造中常用的傳感器技術(shù)

　　傳感器（Sensor）是一種常見(jiàn)的卻又很重要的器件，它是感受規(guī)定的被測(cè)量的各種量并按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換為有用信號(hào)的器件或裝置。對(duì)于傳感器來(lái)說(shuō)，按照輸入的狀態(tài)，輸入可以分成靜態(tài)量和動(dòng)態(tài)量。我們可以根據(jù)在各個(gè)值的穩(wěn)定狀態(tài)下，輸出量和輸入量的關(guān)系得到傳感器的靜態(tài)特性。

　　傳感器的靜態(tài)特性的主要指標(biāo)有線性度、遲滯、重復(fù)性、靈敏度和準(zhǔn)確度等。傳感器的動(dòng)態(tài)特性則指的是對(duì)于輸入量隨著時(shí)間變化的響應(yīng)特性。動(dòng)態(tài)特性通常采用傳遞函數(shù)等自動(dòng)控制的模型來(lái)描述。通常，傳感器接收到的信號(hào)都有微弱的低頻信號(hào)，外界的干擾有的時(shí)候的幅度能夠超過(guò)被測(cè)量的信號(hào)，因此消除串入的噪聲就成為了一項(xiàng)關(guān)鍵的傳感器技術(shù)。

　　物理傳感器

　　物理傳感器是檢測(cè)物理量的傳感器。它是利用某些物理效應(yīng)，把被測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)化成為便于處理的能量形式的信號(hào)的裝置。其輸出的信號(hào)和輸入的信號(hào)有確定的關(guān)系。主要的物理傳感器有光電式傳感器、壓電傳感器、壓阻式傳感器、電磁式傳感器、熱電式傳感器、光導(dǎo)纖維傳感器等。

　　作為例子，讓我們看看比較常用的光電式傳感器。這種傳感器把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)，它直接檢測(cè)來(lái)自物體的輻射信息，也可以轉(zhuǎn)換其他物理量成為光信號(hào)。其主要的原理是光電效應(yīng)：當(dāng)光照射到物質(zhì)上的時(shí)候，物質(zhì)上的電效應(yīng)發(fā)生改變，這里的電效應(yīng)包括電子發(fā)射、電導(dǎo)率和電位電流等。

　　顯然，能夠容易產(chǎn)生這樣效應(yīng)的器件成為光電式傳感器的主要部件，比如說(shuō)光敏電阻。這樣，我們知道了光電傳感器的主要工作流程就是接受相應(yīng)的光的照射，通過(guò)類似光敏電阻這樣的器件把光能轉(zhuǎn)化成為電能，然后通過(guò)放大和去噪聲的處理，就得到了所需要的輸出的電信號(hào)。這里的輸出電信號(hào)和原始的光信號(hào)有一定的關(guān)系，通常是接近線性的關(guān)系，這樣計(jì)算原始的光信號(hào)就不是很復(fù)雜了。其它的物理傳感器的原理都可以類比于光電式傳感器。

　　物理傳感器的應(yīng)用范圍是非常廣泛的，我們僅僅就生物醫(yī)學(xué)的角度來(lái)看看物理傳感器的應(yīng)用情況，之后不難推測(cè)物理傳感器在其他的方面也有重要的應(yīng)用。

　　比如血壓測(cè)量是醫(yī)學(xué)測(cè)量中的最為常規(guī)的一種。我們通常的血壓測(cè)量都是間接測(cè)量，通過(guò)體表檢測(cè)出來(lái)的血流和壓力之間的關(guān)系，從而測(cè)出脈管里的血壓值。測(cè)量血壓所需要的傳感器通常都包括一個(gè)彈性膜片，它將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變成為膜片的變形，然后再根據(jù)膜片的應(yīng)變或位移轉(zhuǎn)換成為相應(yīng)的電信號(hào)。在電信號(hào)的峰值處我們可以檢測(cè)出來(lái)收縮壓，在通過(guò)反相器和峰值檢測(cè)器后，種傳感器外形我們可以得到舒張壓，通過(guò)積分器就可以得到平均壓。

　　讓我們?cè)倏纯春粑鼫y(cè)量技術(shù)。呼吸測(cè)量是臨床診斷肺功能的重要依據(jù)，在外科手術(shù)和病人監(jiān)護(hù)中都是必不可少的。比如在使用用于測(cè)量呼吸頻率的熱敏電阻式傳感器時(shí)，把傳感器的電阻安裝在一個(gè)夾子前端的外側(cè)，把夾子夾在鼻翼上，當(dāng)呼吸氣流從熱敏電阻表面流過(guò)時(shí)，就可以通過(guò)熱敏電阻來(lái)測(cè)量呼吸的頻率以及熱氣的狀態(tài)。

　　再比如最常見(jiàn)的體表溫度測(cè)量過(guò)程，雖然看起來(lái)很容易，但是卻有著復(fù)雜的測(cè)量機(jī)理。體表溫度是由局部的血流量、下層組織的導(dǎo)熱情況和表皮的散熱情況等多種因素決定的，因此測(cè)量皮膚溫度要考慮到多方面的影響。熱電偶式傳感器被較多的應(yīng)用到溫度的測(cè)量中，通常有桿狀熱電偶傳感器和薄膜熱電偶傳感器。

　　由于熱電偶的尺寸非常小，精度比較高的可做到微米的級(jí)別，所以能夠比較精確地測(cè)量出某一點(diǎn)處的溫度，加上后期的分析統(tǒng)計(jì)，能夠得出比較全面的分析結(jié)果。這是傳統(tǒng)的水銀溫度計(jì)所不能比擬的，也展示了應(yīng)用新的技術(shù)給科學(xué)發(fā)展帶來(lái)的廣闊前景。

　　從以上的介紹可以看出，僅僅在生物醫(yī)學(xué)方面，物理傳感器就有著多種多樣的應(yīng)用。傳感器的發(fā)展方向是多功能、有圖像的、有智能的傳感器。傳感器測(cè)量作為數(shù)據(jù)獲得的重要手段，是工業(yè)生產(chǎn)乃至家庭生活所必不可少的器件，而物理傳感器又是最普通的傳感器家族，靈活運(yùn)用物理傳感器必然能夠創(chuàng)造出更多的產(chǎn)品，更好的效益。

　　光纖傳感器

　　近年來(lái)，傳感器在朝著靈敏、精確、適應(yīng)性強(qiáng)、小巧和智能化的方向發(fā)展。在這一過(guò)程中，光纖傳感器這個(gè)傳感器家族的新成員倍受青睞。光纖具有很多優(yōu)異的性能，例如：抗電磁干擾和原子輻射的性能，徑細(xì)、質(zhì)軟、重量輕的機(jī)械性能，絕緣、無(wú)感應(yīng)的電氣性能，耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學(xué)性能等，它能夠在人達(dá)不到的地方（如高溫區(qū)），或者對(duì)人有害的地區(qū)（如核輻射區(qū)），起到人的耳目的作用，而且還能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。

　　光纖傳感器是最近幾年出現(xiàn)的新技術(shù)，可以用來(lái)測(cè)量多種物理量，比如聲場(chǎng)、電場(chǎng)、壓力、溫度、角速度、加速度等，還可以完成現(xiàn)有測(cè)量技術(shù)難以完成的測(cè)量任務(wù)。在狹小的空間里，在強(qiáng)電磁干擾和高電壓的環(huán)境里，光纖傳感器都顯示出了獨(dú)特的能力。目前光纖傳感器已經(jīng)有70多種，大致上分成光纖自身傳感器和利用光纖的傳感器。

　　所謂光纖自身的傳感器，就是光纖自身直接接收外界的被測(cè)量。外接的被測(cè)量物理量能夠引起測(cè)量臂的長(zhǎng)度、折射率、直徑的變化，從而使得光纖內(nèi)傳輸?shù)墓庠谡穹?、相位、頻率、偏振等方面發(fā)生變化。測(cè)量臂傳輸?shù)墓馀c參考臂的參考光互相干涉（比較），使輸出的光的相位（或振幅）發(fā)生變化，根據(jù)這個(gè)變化就可檢測(cè)出被測(cè)量的變化。光纖中傳輸?shù)南辔皇芡饨缬绊懙撵`敏度很高，利用干涉技術(shù)能夠檢測(cè)出10的負(fù)4 次方弧度的微小相位變化所對(duì)應(yīng)的物理量。利用光纖的繞性和低損耗，能夠?qū)⒑荛L(zhǎng)的光纖盤(pán)成直徑很小的光纖圈，以增加利用長(zhǎng)度，獲得更高的靈敏度。

　　光纖聲傳感器就是一種利用光纖自身的傳感器。當(dāng)光纖受到一點(diǎn)很微小的外力作用時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生微彎曲，而其傳光能力發(fā)生很大的變化。聲音是一種機(jī)械波，它對(duì)光纖的作用就是使光纖受力并產(chǎn)生彎曲，通過(guò)彎曲就能夠得到聲音的強(qiáng)弱。光纖陀螺也是光纖自身傳感器的一種，與激光陀螺相比，光纖陀螺靈敏度高，體積小，成本低，可以用于飛機(jī)、艦船、導(dǎo)彈等的高性能慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。如圖就是光纖傳感器渦輪流量計(jì)的原理。

　　另外一個(gè)大類的光纖傳感器是利用光纖的傳感器。其結(jié)構(gòu)大致如下：傳感器位于光纖端部，光纖只是光的傳輸線，將被測(cè)量的物理量變換成為光的振幅，相位或者振幅的變化。在這種傳感器系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的傳感器和光纖相結(jié)合。光纖的導(dǎo)入使得實(shí)現(xiàn)探針化的遙測(cè)提供了可能性。這種光纖傳輸?shù)膫鞲衅鬟m用范圍廣，使用簡(jiǎn)便，但是精度比第一類傳感器稍低。

　　光纖在傳感器家族中是后期之秀，它憑借著光纖的優(yōu)異性能而得到廣泛的應(yīng)用，是在生產(chǎn)實(shí)踐中值得注意的一種傳感器。

　　仿生傳感器

　　仿生傳感器，是一種采用新的檢測(cè)原理的新型傳感器，它采用固定化的細(xì)胞、酶或者其他生物活性物質(zhì)與換能器相配合組成傳感器。這種傳感器是近年來(lái)生物醫(yī)學(xué)和電子學(xué)、工程學(xué)相互滲透而發(fā)展起來(lái)的一種新型的信息技術(shù)。這種傳感器的特點(diǎn)是機(jī)能高、壽命長(zhǎng)。在仿生傳感器中，比較常用的是生體模擬的傳感器。

　　仿生傳感器按照使用的介質(zhì)可以分為：酶?jìng)鞲衅鳌⑽⑸飩鞲衅?、?xì)胞器傳感器、組織傳感器等。在圖中我們可以看到，仿生傳感器和生物學(xué)理論的方方面面都有密切的聯(lián)系，是生物學(xué)理論發(fā)展的直接成果。在生體模擬的傳感器中，尿素傳感器是最近開(kāi)發(fā)出來(lái)的一種傳感器。下面就以尿素傳感器為例子介紹仿生傳感器的應(yīng)用。

　　尿素傳感器，主要是由生體膜及其離子通道兩部分構(gòu)成。生體膜能夠感受外部刺激影響，離子通道能夠接收生體膜的信息，并進(jìn)行放大和傳送。當(dāng)膜內(nèi)的感受部位受到外部刺激物質(zhì)的影響時(shí)，膜的透過(guò)性將產(chǎn)生變化，使大量的離子流入細(xì)胞內(nèi)，形成信息的傳送。其中起重要作用的是生體膜的組成成分膜蛋白質(zhì)，它能產(chǎn)生保形網(wǎng)絡(luò)變化，使膜的透過(guò)性發(fā)生變化，進(jìn)行信息的傳送及放大。生體膜的離子通道，由氨基酸的聚合體構(gòu)成，可以用有機(jī)化學(xué)中容易合成的聚氨酸的聚合物（L一谷氨酸，PLG）為替代物質(zhì)，它比酶的化學(xué)穩(wěn)定性好。PLG是水溶性的，本不適合電機(jī)的修飾，但PLG和聚合物可以合成嵌段共聚物，形成傳感器使用的感應(yīng)膜。

　　生體膜的離子通道的原理基本上與生體膜一樣，在電極上將嵌段共聚膜固定后，如果加感應(yīng)PLG保性網(wǎng)絡(luò)變化的物質(zhì)，就會(huì)使膜的透過(guò)性發(fā)生變化，從而產(chǎn)生電流的變化，由電流的變化，便可以進(jìn)行對(duì)刺激性物質(zhì)的檢測(cè)。

　　尿素傳感器經(jīng)試驗(yàn)證明是穩(wěn)定性好的一種生體模擬傳感器，檢測(cè)下限為10的負(fù)3次方的數(shù)量級(jí)，還可以檢測(cè)刺激性物質(zhì)，但是暫時(shí)還不適合生體的計(jì)測(cè)。

　　目前，雖然已經(jīng)發(fā)展成功了許多仿生傳感器，但仿生傳感器的穩(wěn)定性、再現(xiàn)性和可批量生產(chǎn)性明顯不足，所以仿生傳感技術(shù)尚處于幼年期，因此，以后除繼續(xù)開(kāi)發(fā)出新系列的仿生傳感器和完善現(xiàn)有的系列之外，生物活性膜的固定化技術(shù)和仿生傳感器的固態(tài)化值得進(jìn)一步研究。

　　在不久的將來(lái)，模擬生體功能的嗅覺(jué)、味覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)仿生傳感器將出現(xiàn)，有可能超過(guò)人類五官的敏感能力，完善目前機(jī)器人的視覺(jué)、味覺(jué)、觸覺(jué)和對(duì)目的物進(jìn)行操作的能力。我們能夠看到仿生傳感器應(yīng)用的廣泛前景，但這些都需要生物技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，我們拭目以待這一天的到來(lái)。