傳感器與機(jī)器視覺 課件 一章 認(rèn)識(shí)傳感器

傳感器與機(jī)器人視覺湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院楊利第一章認(rèn)識(shí)傳感器1.1傳感器的外形和作用 1.2傳感器的結(jié)構(gòu)、分類和命名1.3傳感器的測量誤差 1.4傳感器的特性指標(biāo) 1.5選擇合適的傳感器 目

錄1.1傳感器的外形和作用

1.2傳感器的結(jié)構(gòu)、分類和命名1.3傳感器的測量誤差 1.4傳感器的特性指標(biāo) 1.5選擇合適的傳感器 目

錄1.無傳感不智能在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，傳感器技術(shù)對(duì)系統(tǒng)各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)起著至關(guān)重要的作用，系統(tǒng)的自動(dòng)化程序越高，對(duì)傳感器的依賴性也越高。據(jù)統(tǒng)計(jì)：大型發(fā)電機(jī)組約有3000臺(tái)傳感器及其配套檢測儀表；大型石油工廠約有6000臺(tái)傳感器及其配套檢測儀表；鋼鐵廠約有20000臺(tái)傳感器及其配套檢測儀表；電站約有5000臺(tái)傳感器及其配套檢測儀表；一架飛機(jī)約有3600只傳感器及其配套檢測儀表；一輛汽車約有30-100只傳感器及其配套檢測儀表。傳感器檢測內(nèi)容檢測器件應(yīng)用視覺平面位置距離形狀缺陷ITV攝像機(jī)，位置傳感器測距器線圖像傳感器面圖像傳感器位置決定、控制移動(dòng)控制物體識(shí)別、判別檢查、異常檢測

觸覺接觸把握力荷重分布?jí)毫Χ鄩毫α鼗瑒?dòng)限制開關(guān)應(yīng)變計(jì)、半導(dǎo)體感壓元件簧變位測量器導(dǎo)電橡膠、感壓高分子材料應(yīng)變片、半導(dǎo)體感壓元件壓阻元件、馬達(dá)電流計(jì)光學(xué)旋轉(zhuǎn)檢測器動(dòng)作順序控制把握力控制張力控制、指壓控制姿勢、形狀判別裝配力控制協(xié)調(diào)控制滑動(dòng)判定、力控制接近覺接近間隔傾斜光電開關(guān)、LED、激光光電晶體管、光電二極管電磁線圈、超聲波傳感器動(dòng)作順序控制障礙物躲避軌跡移動(dòng)控制、探索聽覺聲音超聲波麥克風(fēng)超聲波傳感器語音控制（人機(jī)接口）移動(dòng)控制嗅覺氣體成分氣體傳感器、射線傳感器化學(xué)成分探測味覺味道離子敏感器、PH計(jì)化學(xué)成分探測機(jī)器人身上的傳感器2.傳感器外形：千差萬別3.傳感器作用人類通過感官從外界獲取刺激或信息，再將信息輸入大腦進(jìn)行分析判斷，由大腦指揮肢體作出相應(yīng)的動(dòng)作。傳感器在機(jī)器系統(tǒng)或自動(dòng)控制系統(tǒng)中的作用就相當(dāng)于感官在人體系統(tǒng)中的作用，發(fā)揮著信息的收集、信息數(shù)據(jù)的交換和控制信息的采集。比如空調(diào)中的溫度傳感器的作用就是接收外界溫度信息，并將其傳送給空調(diào)的主控中心，實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)的目的。傳感器Transducer：Sensor：感受外界信息，并能按照一定規(guī)律將這些信息轉(zhuǎn)換為可用的輸出信號(hào)的器件或裝置。定義4.傳感器定義感知外界信息將外界信息轉(zhuǎn)換為可用的信號(hào)1.1傳感器的外形和作用 1.2傳感器的結(jié)構(gòu)、分類和命名1.3傳感器的測量誤差 1.4傳感器的特性指標(biāo) 1.5選擇合適的傳感器 目

錄1.傳感器結(jié)構(gòu)(1)敏感元件：敏感元件是傳感器中能直接感受被測量的部分，即直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理或化學(xué)量。例如應(yīng)變式壓力傳感器中的彈性敏感元件就是敏感元件，它將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為位移信號(hào)，且壓力信號(hào)與位移信號(hào)之間保持一定的函數(shù)關(guān)系。(2)轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件是傳感器中將敏感元件輸出量轉(zhuǎn)換為適于傳輸和測量的電信號(hào)部分。例如，應(yīng)變式壓力傳感器中的電阻應(yīng)變片就是轉(zhuǎn)換元件，它將敏感元件輸出的位移信號(hào)轉(zhuǎn)換成電阻信號(hào)。(3)測量轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路將電量參數(shù)轉(zhuǎn)換成便于測量的電壓、電流、頻率等電量信號(hào)。例如，應(yīng)變片式壓力傳感器中的測量電橋就是轉(zhuǎn)換電路，它將轉(zhuǎn)換元件輸出的電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。關(guān)于傳感器的結(jié)構(gòu)有幾個(gè)說明：(1)并不是所有的傳感器必須同時(shí)包括敏感元件和轉(zhuǎn)換元件。比如：熱電偶溫度傳感器，因?yàn)槊舾性苯虞敵龅氖请娏浚屯瑫r(shí)兼為轉(zhuǎn)換元件；又比如壓電式傳感器，因?yàn)檗D(zhuǎn)換元件能直接感受被測量而輸出與之成一定關(guān)系的電量，傳感器就沒有敏感元件。(2)并不是所有的傳感器都能明顯分出敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和測量轉(zhuǎn)換電路，傳感器的三部分也可能是三者合一，隨著半導(dǎo)體器件與集成技術(shù)在傳感器中的應(yīng)用，傳感器的各部分可以集成在同一芯片上。例如半導(dǎo)體溫度傳感器，它們一般都是將感受的被測量直接轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，沒有中間環(huán)節(jié)，外表上看就是一塊小芯片，如圖1-3（g）所示。(3)并不是所有的傳感器只包含出敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和測量轉(zhuǎn)換電路這三部分。比如微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS，Micro-electroMechanicalSystems）是當(dāng)今高科技發(fā)展的熱點(diǎn)之一。MEMS系統(tǒng)主要包括微型傳感器、執(zhí)行器和相應(yīng)的處理電路三部分。MEMS系統(tǒng)的主要特征之一就是它的微型化結(jié)構(gòu)尺寸，典型尺寸僅幾毫米甚至更小，但它并不是傳統(tǒng)傳感器按比例縮小的產(chǎn)物，功能更加地強(qiáng)大。2.傳感器分類按工作原理分電阻式、電容式、電感式、壓電式、熱電式、光電式………按被測量分溫度傳感器（第2章）壓力傳感器（第3章）速度傳感器（第4章）位移傳感器（第5章）視覺傳感器（第6章）………………3.傳感器命名及代號(hào)國標(biāo)命名：（國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T7666-2005）命名法則：主題詞+四級(jí)修飾語被測量。

轉(zhuǎn)換原理，一般可后續(xù)以“式”字。特征描述：傳感器結(jié)構(gòu)、性能、材料特征等，一般可后續(xù)以“型”字。

主要技術(shù)指標(biāo)(量程、精確度、靈敏度等)。如：100-160dB電容式聲壓傳感器即“傳感器”主題詞第一級(jí)修飾語——被測量第二級(jí)修飾語——轉(zhuǎn)換原理第三級(jí)修飾語——特征描述第四級(jí)修飾語——技術(shù)指標(biāo)范圍（量程、精確度、靈敏度）單位

傳感器壓力壓阻式[單晶]硅0~2.5MPa力應(yīng)變式[柱式]結(jié)構(gòu)0~100kN重量（稱重）應(yīng)變式[懸臂梁式]結(jié)構(gòu)0~10kN力矩應(yīng)變式[靜扭式]結(jié)構(gòu)0~500N·m速度磁電式--600cm/s加速度電容式[單晶]硅±5g振動(dòng)磁電式--5~1000Hz流量電磁式插入式[結(jié)構(gòu)]0.5~10m2/h位移電渦流式非接觸式[結(jié)構(gòu)]25mm液位壓阻式投入式[結(jié)構(gòu)]0-100m厚度超聲波式--1.5~99.99mm角度伺服式--±1~±90（度）°密度諧振式--0.3~3.0g/mL溫度光纖式--800~2500℃（紅外）光光纖式--20mA磁場強(qiáng)度霍爾式砷化鎵0~2T電流霍爾式砷化鎵或銻化銦0~1200A電壓電感式--0~1000V噪聲----40~120dB氣體電化學(xué)--0~25%VOL濕度電容式高分子薄膜-10-90%RH結(jié)露----94~100%RHpH--參比電極型-2~+16（pH）注意：（）內(nèi)的為可替換詞，即同義詞傳感器命名構(gòu)成傳感器代號(hào)（國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T7666-2005）

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自定義d.序號(hào)：字母數(shù)字國標(biāo)提供c.轉(zhuǎn)換原理：拼音首字母國標(biāo)提供b.被測量：國際通用標(biāo)志或拼音首字母固定a.主稱：C（傳感器拼音首字母）（共四部分）如：CY-YZ-ST1100：

傳感器壓力-壓阻-ST1100(序號(hào))CZS-HE-SPRKE10000:傳感器轉(zhuǎn)速-霍爾-SPRKE10000(序號(hào))習(xí)慣命名：工作原理用途如：電容式壓力傳感器

長光柵位移傳感器歐姆龍數(shù)字壓力傳感器E8F2企業(yè)命名：歐姆龍傳感器命名規(guī)則：光電開關(guān)是以E3開頭

接近開關(guān)是以E2開頭

溫控器是以E5開頭

旋轉(zhuǎn)編碼器以E6開頭壓力傳感器以E8打頭

微型光電是以EE開頭………1.1傳感器的外形和作用 1.2傳感器的結(jié)構(gòu)、分類和命名1.3傳感器的測量誤差

1.4傳感器的特性指標(biāo) 1.5選擇合適的傳感器 目

錄1.測量誤差的表達(dá)形式真值L：被測物理量客觀存在的實(shí)際值（truevalue)，通常取多次測量的平均值；絕對(duì)誤差（absoluteerror）：測量值與真值之間的差值。實(shí)際相對(duì)誤差（relativeerror）:測量值的絕對(duì)誤差與其實(shí)際真值的百分比。示值（標(biāo)稱）相對(duì)誤差：測量值的絕對(duì)誤差與測量值的百分比。例如：某指針式電壓表的準(zhǔn)確度為2.5級(jí)，用它來測量電壓時(shí)可能產(chǎn)生的引用相對(duì)誤差為儀表：精度等級(jí)與測量量程選擇1.5V干電池的電壓測量：10V量程、

2.5V量程測量？問示值相對(duì)誤差哪一個(gè)大？(已知儀表精度為1.5)儀表：測量量程選擇△x=10X1.5%=0.15V△x=2.5X1.5%=0.0375V儀表：測量量程選擇10V量程2.5V量程測量△x=6

℃儀表：精度等級(jí)確定例題：某溫度計(jì)的量程范圍為0-500℃，校驗(yàn)時(shí)要求該溫度計(jì)的最大絕對(duì)誤差為6

℃，試確定該溫度計(jì)的精度等級(jí)。Am=500℃

溫度計(jì)精度等級(jí)為1.52.測量誤差來源及分類誤差來源：系統(tǒng)誤差：固定不變或按一定規(guī)律變化的誤差，如稱偏輕、測量角度誤差；隨機(jī)誤差：大小隨機(jī)變化的誤差，如溫度變化引起的誤差；粗大誤差：測量結(jié)果明顯偏離其實(shí)際值的誤差；緩變誤差：數(shù)值隨時(shí)間緩慢變化的誤差，如儀表老化引起的誤差；1、如何發(fā)現(xiàn)誤差并盡量相除呢？2、隨機(jī)誤差可以消除嗎？1.1傳感器的外形和作用 1.2傳感器的結(jié)構(gòu)、分類和命名1.3傳感器的測量誤差 1.4傳感器的特性指標(biāo)

1.5選擇合適的傳感器 目

錄1.傳感器的靜態(tài)特性傳感器基本特性：

傳感器的輸入、輸出關(guān)系特性；

可用數(shù)字函數(shù)、坐標(biāo)曲線、圖表等表示；包含靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性；靜態(tài)特性：

表征檢測系統(tǒng)在被測參量處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的輸出－輸入關(guān)系。

衡量檢測系統(tǒng)靜態(tài)特性的主要參數(shù)是指測量范圍、精度等級(jí)、靈敏度、線性度、遲滯性、重復(fù)性、分辨力、可靠性等。測量范圍

按規(guī)定精度對(duì)被測變量進(jìn)行測量的允許范圍。測量范圍的最小值和最大值分別稱為測量下限和測量上限，簡稱下限和上限。量程=|測量上限-測量下限|量程相等，測量范圍一定相等嗎？滿量程輸出==量程？精密度：隨機(jī)誤差大小的標(biāo)志，精密度高，意味著隨機(jī)誤差小。準(zhǔn)確度：輸出值與真值的偏離程度，準(zhǔn)確度高則系統(tǒng)誤差小。精確度：精密度和準(zhǔn)確度兩者的總和，常用儀表的基本誤差表示。精確度

精度等級(jí)為1.0的儀表精確度一定高于精度等級(jí)為1.5的儀表？穩(wěn)定性4.傳感器的基本特性穩(wěn)定度：

規(guī)定工作條件范圍和時(shí)間內(nèi)，傳感器性能保持不變的能力。影響系數(shù)：

外界環(huán)境變化引起傳感器輸出值變化的量。穩(wěn)定度的單位是什么？靈敏度輸入增量△x與由它引起的輸出增量△y之間的函數(shù)關(guān)系。即靈敏度S等于傳感器輸出增量與被測增量之比，它是傳感器在穩(wěn)態(tài)輸出輸入特性曲線上各點(diǎn)的斜率。Δxxyx10切點(diǎn)傳感器特性曲線Δy靈敏度的量綱是輸出、輸入量的量綱之比。例如，某位移傳感器，在位移變化1mm時(shí)，輸出電壓變化為100mV，則其靈敏度應(yīng)表示為100mV/mm。

靈敏度越高越好嗎？

靈敏度高，即靈敏閾值?。ǚ直媛市。５`敏度愈高，測量范圍愈窄，穩(wěn)定性也往往愈差，而且費(fèi)時(shí)、費(fèi)錢。靈敏度域只要小于允許測量絕對(duì)誤差的三分之一即可。

靈敏度理想靜態(tài)特性曲線是一條直線，但是實(shí)際測的輸入輸出曲線往往不是直線。線性度反映測量系統(tǒng)實(shí)際輸出、輸入關(guān)系曲線與據(jù)此擬合的理想直線y(x)=a0+a1x的偏離程度。通常用最大非線性引用誤差來表示：線性范圍：傳感器在線性工作時(shí)的可測量范圍。非線性誤差越小越好線性度傳感器或檢測系統(tǒng)的正向(輸入量增大)和反向(輸入量減少)時(shí)輸出特性的不一致程度。即對(duì)應(yīng)于同一大小的輸入信號(hào)，傳感器或檢測系統(tǒng)在正、反行程時(shí)的輸出信號(hào)的數(shù)值不相等的程度。遲滯遲滯越小，越不需要考慮被測量的變化方向。規(guī)定工作條件和規(guī)定時(shí)間內(nèi)具有正常工作性能的能力?？煽慷龋哼_(dá)到規(guī)定性能的概率。平均無故障工作時(shí)間：相鄰兩次故障期間正常工作時(shí)間的平均值。平均修復(fù)時(shí)間：排除故障所花費(fèi)時(shí)間的平均值。失效率或故障率：連續(xù)單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生失效的概率。可靠性實(shí)例請(qǐng)解讀各特性參數(shù)時(shí)間常數(shù)上升時(shí)間調(diào)節(jié)時(shí)間最大超調(diào)量震蕩次數(shù)穩(wěn)態(tài)誤差動(dòng)態(tài)特性：動(dòng)態(tài)測量時(shí)，輸出量與隨時(shí)間變化的輸入量之間的關(guān)系。2.傳感器的動(dòng)態(tài)特性傳感器的標(biāo)定是利用精度高一級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備對(duì)傳感器進(jìn)行定度的過程，從而確定傳感器的輸出量和輸入量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。傳感器的標(biāo)定分靜態(tài)標(biāo)定和動(dòng)態(tài)標(biāo)定。3.傳感器的標(biāo)定靜態(tài)標(biāo)定步驟：(1)將傳感器的測量范圍分成若干個(gè)等間距的點(diǎn)。(2)根據(jù)傳感器測量范圍分點(diǎn)情況，由小到大等間距遞增方式輸入相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)量，并記錄與各輸入值相對(duì)應(yīng)的輸出值。(3)將輸入值從大到小一點(diǎn)點(diǎn)地遞減，同時(shí)記錄與各輸入值相對(duì)應(yīng)的輸出值。(4)按照(2)和(3)步驟，對(duì)傳感器進(jìn)行正、反行程往復(fù)循環(huán)多次測試，將得到的輸出/輸入測試數(shù)據(jù)用表格列出或繪制成曲線。(5)對(duì)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的整理，根據(jù)處理結(jié)果就可以計(jì)算出傳感器的線性度、靈敏度、滯后和重復(fù)性等靜態(tài)特性指標(biāo)了。靜態(tài)標(biāo)定是為了確定傳感器的靜態(tài)特性指標(biāo)，如精度、靈敏度、穩(wěn)定度等3.傳感器的標(biāo)定1.動(dòng)態(tài)標(biāo)定

通常采用正弦變化和階躍變化的輸入信號(hào)。采用階躍輸入信號(hào)研究傳感器時(shí)域動(dòng)態(tài)性能時(shí)，常用上升