机器人要想准确感知和实时察觉自身内部情况和外部环境信息，就必须借助于“电五官”——传感器，那什么是传感器呢？
1.传感器的定义
传感器（transducer/sensor）是一种检测装置，它能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息按一定规律变换成电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息在传输、处理、存储、显示、记录和控制等方面的要求[175]。
传感器是实现自动检测和自动控制的关键因素。使用了传感器，就让物体拥有了触觉、味觉、嗅觉、力觉、滑动觉、接近觉，就让物体变得活了起来。根据传感器的基本感知功能，可将其分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等传感器。
2.传感器的分类
机器人使用的传感器通常包括视觉、听觉、触觉、力觉和接近觉五大类[176]。人的感觉可分为内部感觉和外部感觉，与之类似，机器人所用传感器也可分为内部传感器和外部传感器。机器人内部传感器主要用来测量运动学和动力学参数，使机器人能够按照规定的位置、轨迹和速度等参数进行工作，感知自身状态并加以调整和控制。位置传感器（见图6-10）、角度传感器（见图6-11）、速度传感器（见图6-12）和加速度传感器（见图6-13）都可作为机器人的内部传感器使用。机器人外部传感器主要用来检测机器人所处环境及目标的状况，如对象是什么物体？机器人离物体的距离有多远？机器人抓取的物体是否会滑落？它们帮助机器人准确了解外部情况，促使机器人与环境发生交互作用，并使机器人对环境具有自校正和自适应的能力。视觉传感器（见图6-14）、听觉传感器（见图6-15）、触觉传感器（见图6-16）和接近觉传感器（见图6-17）都可作为机器人的外部传感器使用。
图6-10 位置传感器
图6-11 角度传感器
图6-12 速度传感器
图6-13 加速度传感器
图6-14 视觉传感器
图6-15 听觉传感器
图6-16 触觉传感器
图6-17 接近觉传感器
简而言之，机器人的外部传感器就是具有人类五官感知能力的传感器。为了检测作业对象及环境状况或机器人与它们的关系，人们在机器人上安装了视觉传感器、听觉传感器、触觉传感器、接近觉传感器，等等，大大改善了机器人的工作状况，使其能够更为出色地完成复杂工作。
3.传感器的基本组成
传感器一般由敏感元件、转换元件、变换电路和辅助电源四部分组成，其具体组成如图6-18所示。
图6-18 传感器的基本组成
在传感器中，敏感元件是指传感器能直接或间接感受被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受到的被测量转换成适合于传输或测量的电信号部分；变换电路是指将电路参数量（如电阻、电容、电感）转换成便于测量的电量（如电压、电流、频率等）的电路部分；辅助电源是指为转换元件和转换电路供电的电源部分[177]。
敏感元件直接感受被测量，并输出与被测量有确定关系的物理量信号；转换元件将敏感元件输出的物理量信号转换为电信号；变换电路负责对转换元件输出的电信号进行放大调制；转换元件和变换电路一般还需要辅助电源供电。
4.传感器的主要作用
人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。可是外部世界纷繁复杂，单靠人们自身的感觉器官就想在自然研究和科技创新方面大显身手，似乎心有余而力不足。为了适应或改善这种情况，就需要使用传感器。毫不夸张地说，传感器是人类五官功能的延长，故称之为电五官。
目前，人类社会已经进入了信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的问题就是要能够获取准确、可靠的信息，而传感器就是人们从生产、生活领域中获得准确、可靠信息的主要途径与重要手段[178]。
在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，人们使用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量[179]。因此可以说，没有众多优良的传感器加盟，现代化生产也就失去了基础。
在基础学科的研究中，传感器的地位与作用更加突出。当前，现代科学技术已渗透进了许多新领域。例如，在宏观上要观察远到上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到纳米级的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到瞬间反应[180]。此外，还出现了对开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术的研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁场，等等。显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相应的传感器是不行的。基础科学研究的许多障碍，首先就在于对象信息的获取十分困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内疑难问题的突破。一些传感器的发展往往成了一些基础学科开发的先驱。(www.xing528.com)
时至今日，传感器早已渗透进了工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、文物保护等极其广泛的领域[181]。人们有理由相信，从茫茫的太空到浩瀚的海洋，以及到各种复杂的工程系统，每一个现代化项目都离不开各种各样的传感器。
5.传感器的发展特点
近年来，传感器正朝着微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化的方向发展，这些特点给人们带来了更多的便利，它们不仅促进了传统产业的自我改造和更新换代，而且还可能建立新工业，发展新业态，从而成为21世纪新的经济增长点。
6.传感器的主要特性
①传感器的静态特性。
传感器的静态特性是指针对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有的相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程来描述，或以一条以输入量为横坐标，以与其对应的输出量为纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移分辨力及阈值等。
a.线性度：指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。定义为在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值与满量程输出值之比[182]。
b.灵敏度：它是传感器静态特性的一个重要指标。其定义为输出量的增量与引起该增量的相应输入量增量之比。
c.迟滞：指传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象。对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。
d.重复性：是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。
e.漂移：是指在输入量不变的情况下，传感器输出量会随着时间变化的现象。产生漂移的原因有两个方面：一是传感器自身结构参数的影响所致；二是周围环境（如温度、湿度等）的影响所致[183]。
f.分辨力：当传感器的输入从非零值缓慢增加时，在超过某一增量后输出发生可观测的变化，这个输入增量称为传感器的分辨力，即最小输入增量。
g.阈值：当传感器的输入从零值开始缓慢增加时，在达到某一值后输出发生可观测的变化，这个输入值称为传感器的阈值[184]。
②传感器的动态特性。
所谓动态特性是指传感器在输入变化时其输出的特性[185]。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。
7.传感器的选型原则
要进行一个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定[186]。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用。哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：
①量程的大小；
②被测位置对传感器体积的要求；
③测量方式为接触式还是非接触式；
④信号的引出方法，有线或是非接触测量；
⑤传感器的来源，国产还是进口，或是自行研制。
在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。
①灵敏度的选择。
在传感器的线性范围内，通常是希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度越高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会同时被放大系统放大，影响测量精度[187]。因此，要求传感器本身应当具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入的干扰信号。
传感器的灵敏度有方向性。当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高时，应选择其他方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。
②频率响应特性的选择。
传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真。实际上传感器的响应总有延迟，希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应越高，可测的信号频率范围就越宽。在动态测量中，应根据信号的特点（稳态、瞬态、随机等）确定响应特性，以免产生过大的误差。
③线性范围的选择。
传感器的线性范围是指输出与输入成正比的范围[188]。理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，其量程越大，并能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大方便。
④稳定性的选择。
传感器使用一段时间后，其性能保持不变的能力称为稳定性[189]。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身的结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新对所用传感器进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或重新标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。
⑤精度的选择。
精度是传感器的一个重要性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节[190]。但传感器的精度越高，其价格就越昂贵。因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器[191]。如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的传感器；如果是为了作定量分析之用，必须获得精确的测量值，这时才需要选用精度等级能满足要求的传感器。
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