探究服务机器人的嗅觉传感器——鼻子

嗅觉传感器能够将气体或气味信息转换成能够识别的电信号，相当于机器人的“鼻子”，即机器嗅觉。机器嗅觉是模拟生物嗅觉的一种仿生检测技术，机器嗅觉系统通常由交叉敏感的化学传感器阵列、各种类型的气体传感器和信号处理系统构成，可用于检测、分析和鉴别各种气味和气体。

服务机器人通常工作在家庭及办公环境，为了预防灾害的发生，要求服务机器人对周围有毒有害易燃易爆气体及火灾发生时的异味具备很高的灵敏度。不但如此，服务机器人还要能够随时监测周围环境中的空气状况，如氧气、二氧化碳浓度等。

1.机器嗅觉系统工作原理

机器嗅觉是一种模拟生物嗅觉工作原理的新颖仿生检测技术。机器嗅觉系统通常由交叉敏感的化学传感器阵列和相应的计算机模式识别算法组成，可用于检测、分析和鉴别各种气味。机器嗅觉系统工作时，气体或气味分子被系统中的嗅觉传感器阵列吸附，产生电信号；生成的电信号滤除噪声，经信号预处理；处理后的信号再经计算机模式识别系统做出判断。其系统工作原理如图4-4所示。

图4-4　机器嗅觉系统工作原理示意图(www.xing528.com)

嗅觉传感器阵列对特定气体具有特别的敏感性，由一些不同敏感对象的传感器构成的嗅觉传感器阵列可以测量气味的整体信息，这就与人的鼻子一样，闻到的是样品的总体气味。常见的嗅觉传感器按材料分为：金属氧化物半导体传感器、导电聚合物传感器、质量传感器、红外气体传感器、光纤气体传感器等。机器嗅觉是人体嗅觉的模拟，两者原理相似，但也存在显著差异。人体嗅觉主要依靠神经元和神经中枢，而机器嗅觉则依靠气体敏感传感器、信息处理单元及计算机模式识别系统。两者的对照如图4-5所示。

图4-5　机器嗅觉与人体嗅觉对照图

2.嗅觉传感器

嗅觉传感器又称为“电子鼻”，是机器嗅觉系统的关键部件。嗅觉传感器主要通过气敏效应实现对气体的识别。嗅觉传感器主要有两种类型：一类是金属氧化物型半导体传感器，如SnO2、ZnO、WO3等，当其吸附某种气体时导致氧化物的电阻下降产生信号。另一类是导电聚合物传感器，如吡咯、苯胺、噻吩、吲哚等碱性有机物的聚合物及衍生物，当他们与带气味的物质反应后通常引起电阻增加产生信号。