《傳感器與傳感器網(wǎng)絡(luò)》全套教學(xué)課件

目錄第1章傳感器基礎(chǔ)第2章典型傳感器第3章聽覺傳感系統(tǒng)第4章視覺傳感系統(tǒng)第5章神經(jīng)傳感系統(tǒng)第6章傳感器網(wǎng)絡(luò)第7章傳感系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)第8章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事上的應(yīng)用全套可編輯PPT課件第1章傳感器基礎(chǔ)1.1信息1.2傳感技術(shù)與傳感器1.3智能傳感器

1.1-信息

“信息”的概念出自古代的“消息”一詞,是語音、文字、圖像系統(tǒng)傳輸和處理的對象。一般來講,信息指在人類社會中傳輸?shù)乃袃?nèi)容。人們通過對存在的不同信息進(jìn)行劃分,將事物區(qū)別開來,從而達(dá)到了認(rèn)識世界以及改造世界的目的。信息的表現(xiàn)形式是多種多樣的,比如文字、語音、圖片、視頻等。傳統(tǒng)的信息傳遞方式主要有兩種:通信和廣播,可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)、可選擇的點(diǎn)到點(diǎn)、一點(diǎn)到多點(diǎn)和點(diǎn)到面等不同范圍的傳播。

信息主要具有如下幾個特征:

(1)依附性。

信息的表示、傳播以及存儲要通過某種載體才能進(jìn)行,它并不能脫離載體。各種形式的媒介都會承載著一定數(shù)量的信息。

(2)感知性。

人類可以通過各種感覺器官接收和識別各種載體形式的信息。

(3)可傳遞性。

信息需要通過一定的媒介進(jìn)行傳遞,才能發(fā)揮最大的作用。傳遞的形式多種多樣。

(4)可加工性。

要想從繁雜零散的信息中獲得需要的內(nèi)容,使原本無效的信息具有一定的條理性和系統(tǒng)性,就必須對其進(jìn)行程序化的處理。信息的一般處理過程包括:收集、整理、歸納和總結(jié)。

(5)可共享性。

信息可以被不同地點(diǎn)的個體或群體同時接收或利用,其有效性并不會因?yàn)榻邮照邤?shù)量的變化或傳播次數(shù)的增加而發(fā)生內(nèi)容或時效性上的損耗。

(6)時效性。

信息的有效性會受到客觀條件變化的影響。

(7)價值相對性。

同一條信息對不同的人有不同的使用價值,其價值大小取決于接收者的需求度以及對信息的分析與利用能力。

(8)偽裝性。

常言道“眼見為實(shí)”,但隨著計算機(jī)視覺技術(shù)的不斷發(fā)展,人們也不得不開始質(zhì)疑這句話,即“眼見”的信息不一定都是真實(shí)的。

信息技術(shù)在商業(yè)、科研、工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)通信、管理、醫(yī)療健康、文化娛樂等領(lǐng)域或行業(yè)都發(fā)揮著巨大的作用。隨著5G通信技術(shù)的普及、互聯(lián)網(wǎng)平臺的不斷發(fā)展和成熟,大量數(shù)據(jù)、資源獲得了開源和共享,人們可以隨時隨地獲得需要的信息,極大地提高了學(xué)習(xí)、生活、工作效率。特別是隨著近幾年各種形式的線上交流和互動日益盛行和豐富,人們更加深切地體會到信息技術(shù)對我們的工作、生活乃至世界發(fā)展所產(chǎn)生的促進(jìn)作用。

1.2傳感技術(shù)與傳感器

1.2.1-傳感技術(shù)傳感技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)并稱信息技術(shù)的三大支柱,代表著一個國家的信息化程度。伴隨著5G技術(shù)的推廣和應(yīng)用,全世界向著萬物互聯(lián)的時代不斷發(fā)展,傳感技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一,始終在互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)承擔(dān)著舉足輕重的作用。

傳感技術(shù)是一種對周圍想要獲取的信息進(jìn)行感知的技術(shù)(如感知溫度、濕度等信息),該技術(shù)通過傳感器將收集到的物理信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字信號,再經(jīng)處理得到針對該物理信號的數(shù)字表達(dá)結(jié)果。傳感技術(shù)的起步較晚,相比計算機(jī)技術(shù),其發(fā)展要慢一些,其技術(shù)體系仍需完善。

1.2.2傳感器

1.傳感器發(fā)展現(xiàn)狀

傳感器是一種總稱,是指對那些被測對象的某一確定的信息具有感受(或響應(yīng)與檢出)功能,并使之按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的可輸出信號的元器件或裝置。傳感器處于研

究對象與測控系統(tǒng)的接口位置,一切科學(xué)研究和生產(chǎn)過程需要獲取的信息都要通過它轉(zhuǎn)換為容易傳輸和處理的電信號。如果把計算機(jī)比作處理和識別信息的“大腦”,把通信系統(tǒng)比作傳遞信息的“神經(jīng)系統(tǒng)”,那么傳感器就是感知和獲取信息的“感覺器官”。

1)國外發(fā)展現(xiàn)狀

美、日、英、法、德等國家都把傳感器技術(shù)列為國家重點(diǎn)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。美國早在20世紀(jì)80年代就提出,世界已經(jīng)進(jìn)入了傳感器時代,并成立了國家技術(shù)小組(BTG)幫

助政府組織和領(lǐng)導(dǎo)各大公司與國家企事業(yè)部門開展傳感器技術(shù)的開發(fā)工作。

第二。日本把開發(fā)和利用傳感器技術(shù)作為關(guān)系國家重點(diǎn)發(fā)展的六大核心技術(shù)之一,日本工商界人士甚至聲稱“支配了傳感器技術(shù)就能夠支配新時代”,日本科學(xué)技術(shù)廳制定的20世紀(jì)90年代的70個重點(diǎn)科研項(xiàng)目中有18項(xiàng)是與傳感器技術(shù)密切相關(guān)的。

德國一直視軍用傳感器為優(yōu)先發(fā)展技術(shù),該技術(shù)充分發(fā)揮老牌工業(yè)強(qiáng)國的固有優(yōu)勢,德國制造商依托在自有品牌聲譽(yù)、技術(shù)研發(fā)和質(zhì)量管理方面的優(yōu)勢,使產(chǎn)品保持技術(shù)上的領(lǐng)先地位,在傳感器市場上始終保有較高的市場份額。

2)國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

目前國內(nèi)傳感器企業(yè)仍然面臨著六大突出短板,與國外傳感器產(chǎn)業(yè)相比仍存在較大的差距。

(1)核心產(chǎn)品和技術(shù)依賴進(jìn)口。

(2)自主研發(fā)率低。

(3)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理。

(4)企業(yè)能力較弱。

(5)人才資源匱乏。

(6)統(tǒng)籌規(guī)劃及投資不足。

2.傳感器的組成

如圖1-1所示,傳感器一般包括敏感元件、轉(zhuǎn)換元件以及轉(zhuǎn)換電路三個部分,由于采用的敏感材料不同,某些傳感器的組成可能比圖中的更簡單或更復(fù)雜。圖1-1-傳感器的組成

3.傳感器的分類與特性

1)傳感器的分類

傳感器種類繁多,可以從不同的維度進(jìn)行分類,圖1-2為比較詳細(xì)的傳感器分類圖。從圖中可以看到,傳感器可以從物理原理、被測量類型、制造工藝、用途和敏感元件功能等

維度進(jìn)行劃分。圖1-2傳感器分類圖

2)傳感器的特性

傳感器的特性是指傳感器的輸入輸出關(guān)系特性,即傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)作用關(guān)系的外部特性表現(xiàn)。不同的傳感器有不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù),決定了它們具有不同的外部特性。

傳感器所測量的物理量基本上有兩種形式:穩(wěn)態(tài)(靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài))和動態(tài)(周期變化或瞬態(tài))。前者的信號不隨時間變化(或變化很緩慢),后者的信號是隨時間變化而變化的。因此,傳感器所表現(xiàn)出來的輸入輸出關(guān)系特性存在靜態(tài)特性和動態(tài)特性兩種。

(1)靜態(tài)特性。

傳感器的靜態(tài)特性是指,對于靜態(tài)的輸入信號,傳感器的輸出量與輸入量之間的相互關(guān)系。因?yàn)檫@時的輸入量和輸出量與時間無關(guān),所以它們之間的關(guān)系可用一個不含時間變量的代數(shù)方程來表示,或者以特性曲線描述,曲線橫坐標(biāo)為輸入量,縱坐標(biāo)為與輸入量對應(yīng)的輸出量。

當(dāng)傳感器的輸入量恒定或緩慢變化,而輸出量也達(dá)到相應(yīng)穩(wěn)定值的工作狀態(tài)時,輸出量可以由輸入量的確定函數(shù)來表示。在忽略滯后和蠕變的影響,或者雖然有遲滯及蠕變等

情況但僅需考慮理想的平均特性時,可以將這一確定的函數(shù)表示為如下形式:

式中,x為傳感器的被測量,Y為傳感器的輸出量,a0為零位輸出,a1-為傳感器的靈敏度,a2,a3,…,an為非線性項(xiàng)待定常數(shù),其數(shù)值由具體的傳感器的非線性特性決定。

但是在實(shí)際應(yīng)用中,由于受到隨機(jī)變化量等因素的影響,

不可能達(dá)到理想的線性關(guān)系,所以需要設(shè)定一系列技術(shù)指標(biāo),來衡量一個傳感器檢測系統(tǒng)的靜態(tài)特性。常見的傳感器靜態(tài)特性指標(biāo)有:線性度、靈敏度、遲滯、重復(fù)性、漂移、分辨

率、閾值。

?線性度:傳感器輸出量與輸入量之間的實(shí)際關(guān)系曲線偏離擬合直線的程度,其定義為全量程范圍內(nèi)實(shí)際特性曲線與擬合直線之間的最大偏差值與滿量程輸出值之比。

?靈敏度:傳感器靜態(tài)特性的一個重要指標(biāo),定義為輸出量的增量與引起該增量的相應(yīng)輸入量的增量之比。

?遲滯:傳感器在輸入量由小到大(正行程)及輸入量由大到小(反行程)變化期間,其輸入輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象。對于同一大小的輸入信號,傳感器的正反行程輸出信號大小不相等,其差值就稱為遲滯差值。

?重復(fù)性:傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變化時,所得的特性曲線不一致的程度。

?漂移:在輸入量不變的情況下,傳感器輸出量隨時間變化的現(xiàn)象。產(chǎn)生漂移的原因一般有兩個:一是傳感器自身結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響,二是周圍環(huán)境(如溫度、濕度等)的影響。

?分辨率:當(dāng)傳感器的輸入從非零值緩慢增加時,在超過某一增量后輸出會發(fā)生可觀測的變化,這個輸入增量就稱為傳感器的分辨率,即最小輸入增量。

?閾值:當(dāng)傳感器的輸入從零值緩慢增加時,在達(dá)到某一值后輸出會發(fā)生可觀測的變化,這個輸入值就稱為傳感器的閾值。

(2)動態(tài)特性。

動態(tài)特性指的是傳感器對于隨時間變化的輸入信號的響應(yīng)特性。在測量靜態(tài)信號時,線性測量系統(tǒng)的輸入輸出特性關(guān)系可以繪制為一條直線,即二者存在一一對應(yīng)的關(guān)系。而

當(dāng)傳感器的輸入信號是隨時間變化的動態(tài)信號時,就要求傳感器能夠?qū)崟r準(zhǔn)確地測量出信號幅值的大小,無失真地再現(xiàn)被測信號隨時間變化的波形。輸入信號變化的快慢會影響傳

感器的跟蹤性,具體來說,就是輸入信號變化得愈快,傳感器的隨動跟蹤性能會逐漸下降。

?階躍響應(yīng)(或瞬態(tài)響應(yīng))。階躍響應(yīng)通常是利用輸入階躍信號來研究傳感器時域動態(tài)特性的,即輸入階躍信號時,傳感器的輸出響應(yīng)可描述為傳感器在瞬變的非周期信號作用

下的響應(yīng)特性。一個典型的階躍響應(yīng)特性曲線如圖1-3所示,從圖中可以看出,針對該曲線的描述指標(biāo)一般包括上升時間trs、響應(yīng)時間tst、超調(diào)量M等。圖1-3階躍響應(yīng)特性曲線

?頻率響應(yīng)。當(dāng)輸入信號為正弦信號時,傳感器的響應(yīng)稱為頻率響應(yīng)或穩(wěn)態(tài)響應(yīng),這種響應(yīng)是指傳感器在振幅穩(wěn)定不變的正弦信號作用下的響應(yīng)特性。在采用正弦輸入信號研

究傳感器或測量系統(tǒng)頻域動態(tài)特性時,通常采用幅頻特性和相頻特性來描述其動態(tài)特性,還有一個非常重要的指標(biāo)是頻帶寬度(簡稱帶寬),定義為增益變化不超過某一規(guī)定分貝值的頻率范圍。

4.傳感器的應(yīng)用

在當(dāng)代社會發(fā)展方向下討論傳感器的應(yīng)用,不能僅局限于傳統(tǒng)的應(yīng)用場景和方法。傳感器也被廣泛用于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域,隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展,其作用尤為重要。以“萬物互聯(lián)”

為目標(biāo)的物聯(lián)網(wǎng),是對互聯(lián)網(wǎng)的延伸和擴(kuò)展,代表著信息領(lǐng)域的發(fā)展與變革。傳感器作為物聯(lián)網(wǎng)感知層最重要的技術(shù)組成部分,是系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸入口,是環(huán)境感知的基礎(chǔ),其不僅在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境、醫(yī)療等傳統(tǒng)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用價值,還將在更多新興領(lǐng)域體現(xiàn)出優(yōu)越性和重要性,研究發(fā)展前景廣闊。

與傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)相比,物聯(lián)網(wǎng)的最大特征是,通過部署大量各種類型的傳感器設(shè)備,構(gòu)建一個強(qiáng)大的信息采集網(wǎng)絡(luò),進(jìn)而獲得不同的信息內(nèi)容。物聯(lián)網(wǎng)一般可以分為三個層級:感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層其中,感知層為物聯(lián)網(wǎng)的底層,負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的獲取和采集,是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)入口。感知層還會被細(xì)分為傳感器、信息傳輸節(jié)點(diǎn)和傳感器網(wǎng)關(guān)等結(jié)構(gòu),收集到的信息內(nèi)容和信息格式根據(jù)傳感設(shè)備類型具有較大的差異。

下面將從幾個典型的領(lǐng)域?qū)鞲衅鞯膽?yīng)用進(jìn)行簡單

的介紹。

1)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域主要應(yīng)用的傳感器類型

傳感器技術(shù)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的一項(xiàng)重要研究內(nèi)容,現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的產(chǎn)業(yè)化、信息化都離不開傳感器技術(shù)的支持。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)領(lǐng)域,目前使用的傳感器大致可以分為物理類傳感器、化學(xué)類傳感器和生物類傳感器三大類。

(1)物理類傳感器。

物理類傳感器的作用是感知被檢測對象的物理參數(shù)

(2)化學(xué)類傳感器。

化學(xué)類傳感器是利用材料對各種化學(xué)物質(zhì)的不同敏感程度,選用特定的敏感材料進(jìn)行對化學(xué)物質(zhì)的感知,并將其濃度信息轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行檢測的儀器,這類傳感器可以模擬人類嗅覺和味覺器官功能,甚至感受人體器官不能識別的某些物質(zhì)信息。

(3)生物類傳感器。

生物體具有非常重要的生物物質(zhì)資源,如酶、抗體、組織、細(xì)胞等,利用這些生物物質(zhì)能夠有選擇性地分辨某些特定物質(zhì)。生物類傳感器是一種對生物物質(zhì)敏感并且可以將其濃度信息轉(zhuǎn)換為便于測量的電信號進(jìn)行檢測的儀器,是基于生物電化學(xué)理論感知被檢測對象的生物信息變化的裝置,一般由分子識別模塊、理化轉(zhuǎn)換模塊及信號放大模塊組成。

2)工業(yè)領(lǐng)域主要應(yīng)用的傳感器類型

有統(tǒng)計顯示,我國工業(yè)領(lǐng)域的傳感器應(yīng)用占比較大,其中以汽車電子應(yīng)用和通信電子應(yīng)用最為典型。在工業(yè)自動化領(lǐng)域,傳感器作為機(jī)械的觸覺感知部件,是實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。

3)工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域主要應(yīng)用的傳感器類型

工業(yè)機(jī)器人是實(shí)現(xiàn)工作自動執(zhí)行的裝置,是工業(yè)智能制造系統(tǒng)中最為重要的智能設(shè)備,而工業(yè)機(jī)器人的傳感器是決定機(jī)器人性能水平的關(guān)鍵因素。不同于普通的工業(yè)傳感器,

工業(yè)機(jī)器人要求傳感器完成更為復(fù)雜且精準(zhǔn)的動作,以此來彌補(bǔ)人工操作的弊端,因此對傳感器技術(shù)和智能處理技術(shù)的要求更高。

工業(yè)機(jī)器人的外部傳感器按照功能可以細(xì)分為:用于分辨不同材料、顏色等物體特征的視覺傳感器;用于感知物體形狀、軟硬程度等物理性質(zhì)的觸覺傳感器;用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人周圍空間的物體定位及空間形狀特征檢測的距離傳感器;

4)無人駕駛領(lǐng)域主要應(yīng)用的傳感器類型

傳感器、導(dǎo)航系統(tǒng)、GPS定位系統(tǒng)是無人駕駛汽車的三個重要組成部分,汽車中的傳感器就相當(dāng)于人體的神經(jīng)感知系統(tǒng),可以起到感知、避障、導(dǎo)航、無線通信等作用。在這一領(lǐng)域使用較多的傳感器有視覺傳感器和雷達(dá)傳感器。

(1)視覺傳感器。

無人駕駛汽車中的視覺傳感器是無人駕駛汽車的重要信息來源,主要利用視覺采集設(shè)備獲取環(huán)境信息和彩色景象信息。

(2)雷達(dá)傳感器。

無人駕駛汽車中的雷達(dá)傳感器是另一種重要的信息獲取設(shè)備,而雷達(dá)信號(特別是激光雷達(dá)信號)因方向性強(qiáng)、測量精度高、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)勢,也被廣泛地應(yīng)用在軍事領(lǐng)域,實(shí)現(xiàn)對飛機(jī)、導(dǎo)彈等移動目標(biāo)的精準(zhǔn)探測、跟蹤和識別,獲取重要的作戰(zhàn)信息。激光雷達(dá)的工作原理可以概括為:首先通過發(fā)射激光束照射探測目標(biāo),然后接收從目標(biāo)反射回來的信號并與發(fā)射信號進(jìn)行比較,最后通過進(jìn)一步的分析和計算來獲取探測目標(biāo)的位置、速度等關(guān)鍵信息。

一般可以將激光雷達(dá)分為單線和多線兩種:單線激光雷達(dá)通過發(fā)射激光束對某一區(qū)域進(jìn)行掃描,并根據(jù)區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)與掃描儀的相對位置,采用極坐標(biāo)的形式表示實(shí)際測量值;多線激光雷達(dá)通過發(fā)射2條及以上(最多可發(fā)射64條)的激光束,在水平和垂直方向分別進(jìn)行探測。與單線激光雷達(dá)相比,多線激光雷達(dá)因?yàn)榫哂幸欢ǖ母┭鰭呙杞嵌?可以實(shí)現(xiàn)對探測“面”的掃描。但是,激光雷達(dá)也有一定的弊端,比如雷雨、大霧等特殊天氣情況將會嚴(yán)重影響測量性能,使激光雷達(dá)無法正常發(fā)揮作用。

5)在智能交通領(lǐng)域主要應(yīng)用的傳感器類型

研究顯示,在智能交通領(lǐng)域?qū)⒍嗄繕?biāo)雷達(dá)傳感器與圖像傳感器結(jié)合,可以在拍攝的單幅靜態(tài)圖片上同時顯示多輛車的速度、距離、角度等信息,實(shí)現(xiàn)對監(jiān)控道路車輛狀況的高

效獲取。除此之外,車流量雷達(dá)傳感器、2D/3D多目標(biāo)跟蹤雷達(dá)傳感器等新型傳感器也在逐漸普及,為道路交通狀況實(shí)時感知及處理提供技術(shù)支撐,為交通的智能化監(jiān)管提供助力。

6)在智能家居領(lǐng)域應(yīng)用的傳感器特點(diǎn)

眾所周知,實(shí)現(xiàn)家居智能化僅僅依靠智能手機(jī)和智能路由是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,這兩種信息獲取渠道并不能準(zhǔn)確呈現(xiàn)用戶的真實(shí)訴求,要想實(shí)現(xiàn)真正意義上的智能家居,還需要大量的傳感器作為支撐。

5.傳感器的發(fā)展

傳感器技術(shù)作為未來科技的核心技術(shù)之一,正在向著微型化、智能化、低能耗以及應(yīng)用范圍廣泛化發(fā)展,概括起來主要體現(xiàn)為：

(1)自動校準(zhǔn)。

(2)多通道協(xié)作感知。

(3)柔性化。

(4)精準(zhǔn)感知。

(5)醫(yī)療應(yīng)用

(6)低能耗。

(7)環(huán)境友好型。

(8)系統(tǒng)多樣化

1.3智能傳感器

1.3.1-智能傳感器簡介傳統(tǒng)意義上的傳感器,只能感受規(guī)定的被測量,然后按照一定規(guī)律將被測量信息轉(zhuǎn)換成便于測量的輸出信號。智能傳感器則不同,它自身帶有微處理器等具有信息監(jiān)測與信息處理功能的器件或裝置,這就是它與傳統(tǒng)傳感器最本質(zhì)的區(qū)別。

智能傳感器一般由傳感器模塊、嵌入式系統(tǒng)模塊、通信模塊和供電系統(tǒng)模塊組成(如圖1-4所示),其中嵌入式系統(tǒng)模塊是智能傳感器的核心部分,能夠?qū)鞲衅鳒y量的數(shù)據(jù)進(jìn)行

計算、存儲、數(shù)據(jù)處理,還可以通過反饋回路對傳感器進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)。嵌入式系統(tǒng)可以充分發(fā)揮軟件功能來完成硬件設(shè)備難以完成的任務(wù),從而在保證傳感器性能的前提下,大大降

低其工藝制造難度和制造成本。圖1-4智能傳感器組成框圖

智能傳感器概括起來主要具備以下幾個特征:

①能夠存取測量數(shù)據(jù),提高檢測可靠性;

②能夠測量復(fù)合參數(shù),擴(kuò)展檢測范圍和類型;

③能夠校正補(bǔ)償測量值,提高檢測精確度;

④能夠排除外界干擾,有選擇性地測量,提高檢測魯棒性;

⑤能夠測量微小信號,提高檢測靈敏度;

⑥能夠滿足更多場景測量要求,豐富檢測功能;

⑦能夠感知狀態(tài),定位故障位置,實(shí)現(xiàn)自診斷;

⑧能夠利用數(shù)字通信接口,與計算機(jī)實(shí)現(xiàn)通信連接。

1.3.2智能傳感器應(yīng)用

(1)航空航天。

智能傳感器可用于檢測航天飛機(jī)的使用情況,通過在艙身各關(guān)鍵部位安裝智能傳感器,匯總各路傳感器信息后利用中央傳感器發(fā)射電磁波信號,然后將接收到的信號轉(zhuǎn)換為

實(shí)時數(shù)據(jù)并傳輸?shù)奖O(jiān)管計算機(jī)中,計算機(jī)利用信號分析算法處理和分析該數(shù)據(jù)內(nèi)容并進(jìn)行信息反饋,以這種方式實(shí)現(xiàn)對艙內(nèi)部署設(shè)施以及關(guān)鍵部件健康狀況的跟蹤監(jiān)測。

(2)海洋探測。

智能傳感器經(jīng)過對海洋觀測信息的感知、采集、轉(zhuǎn)換、傳輸和處理等步驟,能夠測量并提供包括溫度、電導(dǎo)率、壓力、深度等各種海洋環(huán)境要素的原始數(shù)據(jù),以用于海洋科學(xué)研究和未來海洋資源的開發(fā)。

(3)軍事國防。

在軍用飛機(jī)、主戰(zhàn)坦克、船艦及地面戰(zhàn)場警戒系統(tǒng)、軍用機(jī)器人、軍事化學(xué)器材等領(lǐng)域,軍事傳感器都發(fā)揮著舉足輕重的作用。

(4)智慧農(nóng)業(yè)。

農(nóng)業(yè)項(xiàng)目大多是在田間進(jìn)行的,因此對傳感器設(shè)備的校正工作難以進(jìn)行,人工成本較高。應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的傳感器對數(shù)據(jù)穩(wěn)定性方面的要求相對較高,而智能傳感器的普及是

改變這一現(xiàn)狀最為有效的創(chuàng)新應(yīng)用。

(5)工業(yè)自動化。

智能工業(yè)傳感器可以通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或?qū)＜蚁到y(tǒng)建立起可被直接測量的已知指標(biāo)及無法直接測量的未知指標(biāo)之間的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行計算,更加全面地推斷和預(yù)測產(chǎn)品的整體質(zhì)

量,解決了傳統(tǒng)傳感器的弊端,實(shí)現(xiàn)了對黏度、硬度、成分、味道等質(zhì)量指標(biāo)的直接檢測,并完成了在線反饋控制,成為實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0的基礎(chǔ)和變革性力量。

(6)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

智能傳感器在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也發(fā)揮了很重要的作用,應(yīng)用主要集中在醫(yī)學(xué)圖像處理、臨床化學(xué)檢驗(yàn)、生命體征參數(shù)監(jiān)護(hù)、疾病診斷與治療等方面,因?yàn)樾枰_反映身體狀況,所以對傳感器精確度、可靠性、抗干擾性、體積大小都有很高的要求。

(7)智能家電。

智能家居是影響人類生活方式改變的重要模式之一,也是未來發(fā)展的一大趨勢,與之相關(guān)的智能家電產(chǎn)品將會成為很多家庭的必備產(chǎn)品。

(8)智能交通。

無人駕駛汽車的推廣和使用展現(xiàn)出對車輛駕駛方式的創(chuàng)新型變革,這離不開智能傳感器的輔助和推動。無人駕駛汽車的激光測距系統(tǒng)、攝像頭、雷達(dá)、慣性、車輪等部件/系統(tǒng)均安裝了智能傳感器,以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和策略制定。若能提高企業(yè)的成本控制能力,無人駕駛車輛的全面市場化或可實(shí)現(xiàn)。

1.3.3智能傳感器發(fā)展

1.智能傳感器發(fā)展現(xiàn)狀

1)專業(yè)化程度低

智能傳感器的設(shè)計研發(fā)涉及的專業(yè)領(lǐng)域廣泛,需要多門學(xué)科、理論、材料和工藝知識的全面融合,因此需要各行業(yè)專業(yè)性人才的參與,但是我國目前面臨著人才匱乏、研發(fā)成

本不足、企業(yè)惡性競爭等問題,在傳感器的一些共性關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)方面尚未取得突破性進(jìn)展。此外,由于我國相關(guān)企業(yè)技術(shù)實(shí)力較為落后,未能促使行業(yè)發(fā)展規(guī)范的形成,傳感器各

模塊產(chǎn)品不配套、不成系列,重復(fù)生產(chǎn)等現(xiàn)象頻發(fā),必然帶來產(chǎn)品性能的降低。

2)資金支持欠缺

智能傳感器產(chǎn)業(yè)技術(shù)含量較高,人才、技術(shù)相對密集,開發(fā)成本也在一定程度上大于其他行業(yè)。而且,與同等高科技企業(yè)或項(xiàng)目相比,國家對智能傳感器產(chǎn)業(yè)的政策扶持力度仍需加強(qiáng),多項(xiàng)產(chǎn)業(yè)政策扶持條件的適應(yīng)性不夠,規(guī)模較小的企業(yè)難以獲得項(xiàng)目資金支持,稅費(fèi)負(fù)擔(dān)也相對較重。這些企業(yè)長期受到進(jìn)口產(chǎn)品的沖擊,不僅使市場公平性得不到保障,

而且競爭壁壘過高。

2.智能傳感器發(fā)展趨勢

1)數(shù)字化

智能傳感器是由一個或多個敏感元件、微處理器、外圍控制及通信電路、智能軟件系統(tǒng)結(jié)合的產(chǎn)物,兼具監(jiān)測、判斷、信息處理等功能。與傳統(tǒng)傳感器相比,智能傳感器有很多顯著優(yōu)點(diǎn),如可以確定傳感器的工作狀態(tài),對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行自修正,減少環(huán)境因素(如溫度、濕度)引起的誤差,可以用軟件來解決硬件難以解決的問題,可以完成數(shù)據(jù)計算與處理工作等。．

2)微型化

智能傳感器中的微型傳感器是基于半導(dǎo)體集成電路技術(shù)發(fā)展的MEMS(MicroElectroMechanicalSystems,微電子機(jī)械系統(tǒng))技術(shù),利用微機(jī)械加工技術(shù)將微米級的敏感組件、信號處理器、數(shù)據(jù)處理裝置封裝在一塊芯片上,具有體積小、成本低、便于集成等顯著優(yōu)勢,目前已逐漸取代原有傳統(tǒng)產(chǎn)品。

3)仿生化

利用智能傳感器技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對人類各種感覺器官的模擬,獲取環(huán)境中的視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等信息,是近年來生物醫(yī)學(xué)、電子學(xué)和工程學(xué)相互滲透發(fā)展起來的一種新型信

息技術(shù)。

4)集成化

為了實(shí)現(xiàn)傳感器產(chǎn)品和市場的轉(zhuǎn)型升級,實(shí)現(xiàn)離散器件向傳感與數(shù)據(jù)處理一體化集成的智能傳感器的轉(zhuǎn)型發(fā)展,集成化是必然的趨勢,傳感融合、系統(tǒng)集成等提升產(chǎn)品附加價

值的方法也將會得到重點(diǎn)關(guān)注和研究。

3.智能傳感器的研究熱點(diǎn)

關(guān)于智能傳感器的研究通常可以概括為兩個方向,一個是專注于對傳感器自身性能的提升;另一個是結(jié)合網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展進(jìn)程,向著傳感器網(wǎng)絡(luò)化縱深方向研發(fā)。下面著重介紹幾

種實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)化的較典型研究。

1)多傳感器信息融合技術(shù)研究

在實(shí)際生產(chǎn)生活中,傳感器的工作環(huán)境通常較為復(fù)雜,電磁或非電磁干擾無處不在。當(dāng)傳感器工作于強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中時,就需要采用健壯性和容錯性較好的多傳感器信息融合技術(shù)來處理接收到的不確定的甚至錯誤的信息,以保證檢測任務(wù)的順利完成。

2)分布式測控系統(tǒng)研究

分布式測控系統(tǒng)是指通過總線形式,與分布在各個檢測點(diǎn)的模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,以達(dá)到遠(yuǎn)程測量及控制的目的,是一種分散式的測控系統(tǒng),主要由分布式主機(jī)及各個測控子站組成。其中,分布式主機(jī)主要用于管理各個子站,將各種傳感器、控制器、執(zhí)行器等連接起來,與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,而測控子站完成數(shù)據(jù)的采集與控制。

3)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究

傳統(tǒng)的有線傳感器網(wǎng)絡(luò),顧名思義,是利用電纜連接方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收功能。但是在某些特殊的應(yīng)用場景下,如在執(zhí)行軍事偵察任務(wù)或者氣候監(jiān)測等特殊形式的任務(wù)時,有線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)無論在技術(shù)難度還是組建成本等方面,都存在著一定的局限性或不可行性。在這種情況下,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的引入會使這些問題迎刃而解。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)替代了電纜的物理連接方式,利用射頻信號實(shí)現(xiàn)了信號的傳輸?？闪繙y性、抗干擾性和節(jié)點(diǎn)功耗等都是評價無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要指標(biāo)。第2章典型傳感器2.1溫度傳感器2.2壓電式傳感器2.3光電傳感器2.4紅外傳感器2.5氣體傳感器2.6速度傳感器2.7數(shù)字傳感器

2.1溫度傳感器

熱敏傳感器是一種比較典型的溫度傳感器,它可以將溫度信號轉(zhuǎn)換成電信號,其轉(zhuǎn)換器件又可以分為有源和無源兩種類型。有源轉(zhuǎn)換器是基于熱釋電效應(yīng)、熱電效應(yīng)或半導(dǎo)體結(jié)效應(yīng)等的原理制作而成的,無源轉(zhuǎn)換器則是利用電阻的熱敏特性進(jìn)行感知和測量的。

2.1.1溫度傳感器類型

1.熱電偶傳感器

電子論觀點(diǎn)認(rèn)為,在金屬和半導(dǎo)體中,電流、熱流的形成都與電子的運(yùn)動有關(guān),所以電位差、溫度差會導(dǎo)致電流、熱流的產(chǎn)生,電流、熱流之間的交叉關(guān)聯(lián)就構(gòu)成了熱電效應(yīng)。熱電偶傳感器就是基于熱電效應(yīng)理論設(shè)計制作的,通常滿足以下幾個基本定律。

(1)均質(zhì)導(dǎo)體定律。

當(dāng)同一種均質(zhì)材料(導(dǎo)體或半導(dǎo)體)兩端焊接組成閉合回路時,導(dǎo)體截面和溫度分布的任何變化都不會產(chǎn)生接觸電勢,溫差電勢相互抵消,使得回路中的總電勢為零。

(2)中間導(dǎo)體定律。

在保證插入導(dǎo)體的兩端溫度相等的條件下,假設(shè)在熱電偶回路中插入多種均質(zhì)導(dǎo)體,插入導(dǎo)體的溫度分布情況對原始熱電偶回路的總電勢不會產(chǎn)生影響,這就是熱電偶的中間導(dǎo)體定律。

(3)標(biāo)準(zhǔn)熱電極定律。

任何兩種不同材料的熱電極都可以組成熱電偶,一般可以通過實(shí)驗(yàn)的方法計算熱電勢與溫度之間的映射關(guān)系。標(biāo)準(zhǔn)熱電極定律是指,如果選定了某一熱電極,分別與其他熱電極進(jìn)行配對組成不同的熱電偶,并計算出相應(yīng)的熱電勢,那么當(dāng)其他熱電極之間重新配對組成新的熱電偶時,該熱電偶的熱電勢值就可以利用相互之間的關(guān)系轉(zhuǎn)換求得。

(4)中間溫度計算定律。

設(shè)熱電偶兩個電極A、B的測量溫度為(T,T0),則熱電勢可以由兩個電極溫度分別為(T,Tn)和(Tn,T0)時對應(yīng)的熱電勢計算求得,如公式(2-1)所示:

2.熱電阻傳感器

熱電阻傳感器與熱電偶傳感器均屬于溫度測量中比較常見的接觸式測溫裝置,但是二者的測溫原理和特點(diǎn)卻不同。

熱電阻傳感器的測溫原理是,利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值會隨著溫度的升高而增大的特性來進(jìn)行溫度信息感知,建立電阻值與溫度間的映射關(guān)系,這樣溫度就可以通過電阻值

計算求得。電阻值與溫度的關(guān)聯(lián)原理其實(shí)也不難理解,溫度升高會加劇金屬材料內(nèi)部原子晶格的振動,增加金屬內(nèi)部的自由電子通過金屬導(dǎo)體的阻力,進(jìn)而導(dǎo)致電阻率的升高以及

總電阻值的增大。

(1)鉑電阻。

鉑電阻的電阻值與溫度之間的關(guān)系會隨著溫度的變化而變化,鉑電阻具有測溫范圍寬、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn),但它是一種非線性測溫元件,根據(jù)國際電工委員會提供的數(shù)據(jù),鉑電阻與溫度的關(guān)系式如公式(2-2)所示,其中R0和RT分別表示溫度為0℃和T℃時鉑電阻的電阻值,A、B、C均為常數(shù)系數(shù)。

由上式可以發(fā)現(xiàn),在相同的溫度情況下,R0的取值會影響RT的值。目前我國常用的鉑電阻有兩種,根據(jù)分度表可以表示為Pt100和Pt500,分別代表R0為100Ω和500Ω的鉑電阻。

(2)銅電阻。

在測溫范圍較小或?qū)y量精度要求不高的情況下,通?？梢圆捎勉~電阻替代鉑電阻,銅的電阻值與溫度呈線性關(guān)系,如果用R0和RT分別表示溫度為0℃和T℃時的銅電阻的電阻值,α為常數(shù)系數(shù),那么二者的關(guān)系可以表示為式(2-3):

目前,我國工業(yè)上常用的銅電阻有兩種,根據(jù)分度表可以表示為Cu50和Cu100。

熱電偶和熱電阻雖然都能夠?qū)囟冗M(jìn)行測量,但二者還是存在一定差異的,主要表現(xiàn)為以下方面。

①測溫原理不同:熱電偶的溫度測量是基于熱電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的,而熱電阻是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值會隨著溫度的變化而變化的特性來實(shí)現(xiàn)測溫功能的。

②測溫材料不同:熱電偶采用的是雙金屬材料,即使用兩種不同的金屬材料,隨著溫度的變化,會在兩個熱電極間產(chǎn)生電勢差;熱電阻采用的是同一種對溫度變化較為敏感的金屬材料。

③測溫信號不同:雖然兩者制成的傳感器都屬于接觸式測溫儀表,但是它們產(chǎn)生的測量信號類型是不同的。熱電阻本身就是一種電阻材料,其溫度的變化會使電阻值產(chǎn)生正向

或者負(fù)向的變化;熱電偶是基于熱電效應(yīng),即感應(yīng)電壓值隨溫度的變化而變化,可通過測量電壓計算溫度值。

3.熱敏電阻傳感器

熱敏電阻傳感器利用的電阻材料是半導(dǎo)體材料制成的電阻,其阻值可以隨溫度的變化而變化。金屬材質(zhì)導(dǎo)體的電阻值通常會隨著溫度的升高而增大;但是由半導(dǎo)體材質(zhì)制成的

熱敏電阻,電阻值會隨著溫度的升高而急劇減小且呈現(xiàn)非線性特性。

熱敏電阻的種類很多,分類的方法也不同,若按照半導(dǎo)體熱敏電阻的材料劃分,一般可以分為半導(dǎo)體類、金屬類和合金類;若按熱敏電阻的阻值與溫度關(guān)系這一重要特性劃分,

可分為正溫度系數(shù)(PTC)電阻、負(fù)溫度系數(shù)(NTC)電阻和臨界溫度系數(shù)(CTR)電阻三大類。

1)熱敏電阻特性

熱敏電阻在不同阻值下的電阻—溫度特性是不同的,在常溫下阻值很高,但隨著溫度的升高阻值會出現(xiàn)不同的變化,且具有非常明顯的非線性特性。大部分熱敏電阻都是負(fù)溫

度系數(shù)熱敏電阻。如圖2-1所示。圖2-1熱敏電阻的電阻—溫度特性曲線

2)熱敏電阻基本參數(shù)

?標(biāo)稱電阻(Rc):一般指熱敏電阻在(25±0.20)℃的環(huán)境溫度下采用規(guī)定范圍內(nèi)的功率測得的實(shí)際阻值。

?材料常數(shù):是用來反映熱敏電阻材料物理特性的參數(shù),也是熱靈敏度的重要技術(shù)指標(biāo),數(shù)值越大表示熱敏電阻器的靈敏度和電阻率越高。

?電阻溫度系數(shù)(單位為%/℃):表示熱敏電阻在溫度變化1℃時,電阻值的變化率。

?最高工作溫度(Tmax):表示熱敏電阻在規(guī)定技術(shù)條件下長期連續(xù)工作所允許的最高溫度。

?轉(zhuǎn)變點(diǎn)溫度(Tc):表示熱敏電阻器的電阻—溫度特性曲線上的拐點(diǎn)溫度,在PTC和CTR熱敏電阻中會有標(biāo)注。

?額定功率(PE):熱敏電阻器在規(guī)定的條件下,長期連續(xù)負(fù)荷工作所允許的消耗功率。工作在這個功率下,電阻器自身溫度也不應(yīng)超過Tmax。

?測量功率(Pc):熱敏電阻器在規(guī)定的環(huán)境溫度下,由于受到測量電流的加熱而引起的電阻值變化率不超過0.1%時所消耗的功率。

?零功率電阻值(RT):指在規(guī)定溫度T下,采用引起電阻值變化(該變化相對于總的測量值誤差可以忽略不計)的測量功率下測得的電阻值。

?耗散系數(shù)(δ):指在規(guī)定環(huán)境溫度下電阻中耗散功率的變化與受其影響的相應(yīng)溫度變化之比。

2.1.2-溫度傳感器應(yīng)用

(1)溫度測量。

熱敏電阻傳感器最基礎(chǔ)的功能就是對溫度的測量,作為測溫應(yīng)用的熱敏電阻傳感器,其結(jié)構(gòu)較簡單、價格低廉。外面沒有保護(hù)層的熱敏電阻一般只能在較為干燥的場景使用,

而經(jīng)過密封處理的熱敏電阻具有抗腐蝕性和耐濕性,可以在一些較為惡劣的環(huán)境使用,而且測量的效果和精度不會受到環(huán)境等外界因素的影響。

(2)溫度補(bǔ)償。

熱敏電阻的高精度和高靈敏度特性使得其得到了廣泛的應(yīng)用,但是其阻值—溫度的非線性屬性,卻無形中增加了對采集的溫度信號的處理難度。通常為了滿足測量精度的要求,

保障實(shí)際的應(yīng)用效果,熱敏電阻傳感器在設(shè)計中需要考慮在一定的溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對某些元器件的溫度補(bǔ)償。

(3)過熱保護(hù)。

在日常生產(chǎn)實(shí)踐中,機(jī)械或電氣原因可能會導(dǎo)致設(shè)備溫度過高,甚至出現(xiàn)燒毀的情況。溫度保護(hù)熱敏電阻能夠敏感地捕捉設(shè)備的溫度變化,通?？梢宰鳛楸O(jiān)測裝置,在一些設(shè)備

的功能管理中發(fā)揮非常關(guān)鍵的作用。

(4)液面測量。

熱敏電阻傳感器除了應(yīng)用于傳統(tǒng)的測溫環(huán)節(jié),還可以實(shí)現(xiàn)對液面的測量。比如,向NTC熱敏電阻傳感器施加一定的加熱電流,將使它的表面溫度高于周圍的空氣溫度,此時它的阻值較小,當(dāng)液體高度高于傳感器的安裝高度時,液體將帶走傳感器的熱量,使傳感器溫度下降、阻值升高,所以根據(jù)阻值的變化就可以知道液面的高度位置,汽車油箱中的油位報警傳感器就是利用以上原理制作的。

2.2-壓電式傳感器

2.2.1壓電式傳感器原理1.壓電效應(yīng)當(dāng)晶體受到某固定方向外力作用的時候,晶體內(nèi)部就會產(chǎn)生電極化現(xiàn)象,同時在材料相對的表面上產(chǎn)生符號相反的電荷;當(dāng)外力撤去后,晶體又會恢復(fù)到不帶電的狀態(tài);當(dāng)外力作用方向改變時,電荷的極性也會隨之改變。晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。壓電式傳感器大多是利用正壓電效應(yīng)制成的。

(2)逆壓電效應(yīng)。

對晶體施加交變電場引起晶體機(jī)械變形的現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。壓電敏感元件的變形有厚度變形、長度變形、體積變形、面切變形、剪切變形五種基本形式。

2.壓電材料

具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料,這種材料可以實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換,并且具有一定的可逆性,如圖2-2所示。壓電材料是壓電式傳感器的敏感材料,一般,比較常見的壓電材料有石英晶體和壓電陶瓷。圖2-2-壓電材料的可逆性

(1)石英晶體。

天然結(jié)構(gòu)的石英晶體是一個正六面體,其外形如圖2-3所示。石英晶體各個方向的特性不同,可以用三個相互垂直的軸來表示,其中縱向軸z稱為光軸(中性軸),經(jīng)過六面體棱線并垂直于光軸的x軸稱為電軸,與x

和z軸同時垂直的y軸稱為機(jī)械軸。通常把沿電軸x方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為縱向壓電效應(yīng),把沿機(jī)械軸y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為橫向壓電效應(yīng),而沿光軸z方向的力不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。圖2-3石英晶體圖2-4石英晶體壓電模型

(2)壓電陶瓷。

壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料,材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化取向一致的微小區(qū)域,即電疇,它有一定的極化方向,從而使晶體存在電場。在無外電場作用時,電疇在晶體中雜亂分布,各電疇的極化效應(yīng)相互抵消,壓電陶瓷內(nèi)部的極化強(qiáng)度為零,所以原始的壓電陶瓷呈中性,不具有壓電性質(zhì),如圖2-5(a)所示;當(dāng)施加一定的外電場后,電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動,并且趨向于沿外電場方向排列,完成材料極化,使壓電陶瓷具有壓電效應(yīng);在外電場強(qiáng)度大到使極化達(dá)到飽和程度時,所有的電疇極化方向都會與外電場方向一致,如圖2-5(b)所示;在去掉外電場后,電疇的極化方向仍保持不變,即剩余極化強(qiáng)度很大,這時的材料才具有壓電特性,如圖2-5(c)所示。圖2-5壓電陶瓷的極化

前面也提到過,壓電式傳感器中的壓電元件,按其受力和變形方式的不同,可以分為厚度變形、長度變形、體積變形、面切變形和剪切變形五種形式,如圖2-6所示。目前最常使用的是厚度變形的壓縮式和剪切變形的剪切式兩種。圖2-6壓電元件變形方式

3.壓電式傳感器測量電路

1)壓電式傳感器等效電路

壓電元件可以看作以壓電材料為介質(zhì)的電容器,在外力作用下,壓電晶片的兩個表面會產(chǎn)生大小相等、方向相反的電荷,聚集正負(fù)電荷的兩個晶片表面就相當(dāng)于電容器的兩個極板,極板間的物質(zhì)等效于一種介質(zhì),那么壓電元件的電容量可以表示為式(2-4)的形式:

上式中,A表示壓電晶片的面積,d表示壓電晶片的厚度,εr為壓電材料的相對介電常數(shù),ε0為真空的介電常數(shù)。在使用壓電式傳感器進(jìn)行電性能測量時,可以將其等效為一個與電容Ca相串聯(lián)的電壓源模型(如圖2-7(a)所示),電壓源的電壓表示為Ua,電荷量表示為q,三者的關(guān)系可以表示為式(2-5):

當(dāng)壓電式傳感器被等效為一個與電容Ca相并聯(lián)的電荷源時,等效電路模型如圖2-7(b)所示。圖2-7壓電式傳感器的等效電路

當(dāng)壓電式傳感器與測量儀器相連,或者接入測量電路后,還需要考慮測量電路的輸入電容Ci、輸入電阻Ri、連接電纜的等效寄生電容Cc、壓電傳感器自泄漏電阻Ra,實(shí)際的等

效電路如圖2-8所示。圖2-8壓電傳感器實(shí)際等效電路

2)壓電式傳感器測量電路

針對壓電式傳感器的兩種等效模型,前置放大器也有電壓放大器和電荷放大器兩種形式。從圖2-8的等效電路可以看出,如果使用電壓放大器形式,那么其輸出電壓Ui與電容

C(C=Ca+Ci+Cc)密切相關(guān)。

電荷放大器是由一個帶有反饋電容Cr的高增益運(yùn)算放大器組成的,由于傳感器的漏電阻和電荷放大器的輸入電阻很大,而運(yùn)算放大器輸入阻抗又極高,在其輸入端幾乎沒有

分流,在測量計算中這部分的影響可以忽略不計。壓電式傳感器與電荷放大器組成的檢測電路的等效電路如圖2-9所示。圖2-9壓電式傳感器和電荷放大器組成的檢測電路的等效電路

2.2.2-壓電式傳感器應(yīng)用

(1)壓電式壓力傳感器。

圖2-10為一種比較典型的壓電式壓力傳感器——壓電式單向測力傳感器結(jié)構(gòu)圖,這種傳感器主要由石英晶片、絕緣套、電極、上蓋及機(jī)座組成。傳感器上蓋為傳力元件,當(dāng)有

外力作用時,它將產(chǎn)生彈性變形,并將力傳遞到石英晶片上,石英晶片采用xy切型,可以利用其縱向壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)力電轉(zhuǎn)換。這種傳感器的測力范圍為0~50N,最小分辨率可以達(dá)到0.01N,固有頻率通常在50~60kHz范圍內(nèi)。圖2-10壓力式單向測力傳感器結(jié)構(gòu)圖

(2)壓電式加速度傳感器。

圖2-11為壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖,其主要由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、螺栓、機(jī)座及外殼組成。壓電式加速度傳感器的壓電元件是壓電晶體,整個部件裝在外殼區(qū)域內(nèi)部,擰緊螺栓,加以安裝固定。圖2-11壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖

壓電晶體能夠基于正壓電效應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能,用來測量振動加速度信號。當(dāng)加速度傳感器用來測量被測對象振動大小時,需要將其安裝在合適的測試點(diǎn)上,這樣加速度傳感器就會和被測對象一起受到?jīng)_擊并發(fā)生振動。壓電元件受質(zhì)量塊慣性力的作用,根據(jù)牛頓第二定律,振動方程用公式(2-10)表示,其中F表示質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力,m表示質(zhì)量塊的質(zhì)量,a表示加速度。

如果有慣性力F作用于壓電元件上,則當(dāng)傳感器選定后,m為常數(shù),就可以直接計算出加速度a的大小。

(3)壓電式雨滴傳感器。

壓電式雨滴傳感器通常由振動板、壓電元件、放大器、殼體及阻尼橡膠組成。振動板接收雨滴的沖擊能量,并且按照自身固有的振動頻率產(chǎn)生彎曲振動,同時將振動信息傳遞到測量元件上,實(shí)現(xiàn)形變—電壓的轉(zhuǎn)換過程。值得注意的是,當(dāng)振動板出現(xiàn)機(jī)械形變時,在兩側(cè)的電極上就會產(chǎn)生電壓,所以當(dāng)雨滴滴落在振動板上時,壓電元件上就會產(chǎn)生電壓,電

(4)壓電式玻璃破碎報警器。

利用壓電元件對振動比較敏感的特性來感知玻璃受到撞擊和破碎時產(chǎn)生的振動波,這種類型的傳感器就是壓電式報警器中比較典型的一種——壓電式玻璃破碎報警器。玻璃破

碎時會產(chǎn)生幾千赫茲至幾十千赫茲的振動波,壓電式玻璃破碎報警器的原理是,將高分子壓電薄膜傳感器粘貼在玻璃上,用來感受玻璃破碎時的振動信息,然后通過電纜使其和報警電路相連,實(shí)現(xiàn)了壓電信號與報警系統(tǒng)對這種振動波的感知與傳遞。

2.3光電傳感器

2.3.1光電傳感器原理1.光電效應(yīng)光電效應(yīng)是光電傳感器實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ),指的是一束光線照射到物質(zhì)上時,物質(zhì)的電子吸收了光子的能量而產(chǎn)生電效應(yīng)的現(xiàn)象。具有光電效應(yīng)的物質(zhì)稱為光電材料,這種材料經(jīng)過光的照射后會產(chǎn)生電阻率變化、電子逸出、電動勢變化等現(xiàn)象。

(1)外光電效應(yīng)。

當(dāng)光線照射到光電材料上時,材料表面電子會吸收光子的能量,當(dāng)光子能量達(dá)到某闕值時,電子就會掙脫束縛從物體表面逸出。此時,電子將吸收的光子能量轉(zhuǎn)化為兩部分,一部分用于克服正離子的束縛,另一部分轉(zhuǎn)化為其自身能量。當(dāng)光子能量大于逸出功約束時,電子才能夠逸出光電材料表面。光電管、光電倍增管等材料就是利用外光電效應(yīng)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的。

(2)內(nèi)光電效應(yīng)。

當(dāng)光線照射到光電材料上時,材料內(nèi)部的原子會釋放出電子,與外光電效應(yīng)不同的是,此時的電子將停留在材料內(nèi)部但并不逸出材料表面,這就使得材料的電阻率發(fā)生變化進(jìn)而

產(chǎn)生電動勢。光敏二極管、光電池等光電元件就是基于內(nèi)光電效應(yīng)原理制作而成的。

2.光敏元件

1)光電管

光電管是基于外光電效應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換器件,可以實(shí)現(xiàn)光信號與電信號的轉(zhuǎn)換,如圖2-12所示,光電管由玻璃殼、兩個電極、引出插腳組成。圖2-12-光電管的典型結(jié)構(gòu)

當(dāng)光通量恒定時,陽極電流與陽極電壓之間的關(guān)系可以用一條曲線來表示,通常稱為伏安特性曲線。圖2-13(a)為真空光電管的伏安特性曲線,圖2-13(b)為充氣光電管的伏安特性曲線,通過對比不難發(fā)現(xiàn),兩種光電管的曲線變化趨勢存在一定的規(guī)律性。在一定陽極電壓范圍內(nèi),陽極電流不會隨陽極電壓的變化而變化,也就是說陽極電流達(dá)到了比較穩(wěn)定的飽和狀態(tài)。一般會在陽極電流飽和區(qū)域內(nèi)選擇光電管的工作參數(shù)點(diǎn)。圖2-13光電管的伏安特性曲線

2)光電倍增管

相較于光電管,光電倍增管的靈敏度很高,可以將微弱光信號轉(zhuǎn)變成電信號并進(jìn)行放大處理,其典型結(jié)構(gòu)和工作原理如圖2-14所示。從結(jié)構(gòu)圖中可以看到,光電倍增管主要由玻璃殼、光陰極K、陽極A、倍增極D、引出插腳等組成,需要根據(jù)要求選用指定性能的玻璃殼進(jìn)行真空封裝。根據(jù)封裝方式的不同,光電倍增管可以分為端窗式和側(cè)窗式兩種,端窗式如圖2-14(a)所示,可以通過管殼的端面接受入射光,陰極通常為透射式陰極;側(cè)窗式光電倍增管的工作原理如圖2-14(b)所示,可以通過管殼的側(cè)面接收入射光,陰極通常為反射式陰極。圖2-14光電倍增管的典型結(jié)構(gòu)和工作原理

圖2-15是光電倍增管的測量原理圖,從圖中可以看到,聚光系統(tǒng)將標(biāo)準(zhǔn)光源發(fā)出的光聚焦在單色儀的入射狹縫S1上,光通過單色儀的色散作用在出射狹縫S2-處形成單色光,再經(jīng)過光電倍增管的放大作用,在陽極上就形成可以由數(shù)字電壓表直接讀出的電信號。圖2-15光電倍增管的測量原理圖

可以采用光譜響應(yīng)率來表示不同波長的入射光對光電倍增管的響應(yīng)能力。在給定波長光信號的單位輻射功率照射下,所產(chǎn)生的陽極電流大小被稱為光電倍增管的絕對光譜響應(yīng)率S(λ),可由公式(2-11)表示。

其中,P(λ)為入射到光陰極上的單色輻射功率,I(λ)表示在該輻射功率照射下所產(chǎn)生的陽極電流。

3)光敏電阻

光敏電阻的外形及結(jié)構(gòu)如圖2-16所示。圖2-16光敏電阻的外形及結(jié)構(gòu)

光敏電阻的主要特性。

①伏安特性。在一定光照強(qiáng)度下,加在光敏電阻兩端的電壓與電流之間的關(guān)系稱為伏安特性。

②光照特性。該特性指的是光敏電阻輸出的電信號會隨著光照強(qiáng)度的變化而變化的特性。

③光譜特性。當(dāng)光敏電阻兩端施加的電壓一定時,輸出電流與入射光波長之間存在一定的關(guān)系,這種關(guān)系被稱為光譜特性。

④時間響應(yīng)特性。光線照射光敏電阻一段時間后,光電流才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)值,當(dāng)光照停止后,光電流也不會立刻為零,這種現(xiàn)象就是光敏電阻的時間響應(yīng)特性。

光敏電阻的主要性能指標(biāo)有暗電阻與暗電流、亮電阻與亮電流、光電流、靈敏度等。

①暗電阻與暗電流。暗電流是指光敏電阻在一定的外加電壓作用下,當(dāng)沒有光照射的時候流過的電流。外加電壓與暗電流之比稱為暗電阻。

②亮電阻與亮電流。光敏電阻在一定的外加電壓作用下,當(dāng)有光照射時流過的電流稱為亮電流。外加電壓與亮電流之比稱為亮電阻。

③光電流。光電流是指亮電流與暗電流的差值,兩者的差值越大,光電流就越大,靈敏度越高。

④靈敏度。靈敏度表示光敏電阻不受光照射時的電阻值(暗電阻)與受光照射時的電阻值(亮電阻)的相對變化值。

4)光敏二極管和光敏三極管

如圖2-17所示圖2-17光敏二極管的結(jié)構(gòu)和工作原理

光敏三極管的結(jié)構(gòu)和工作原理與光敏二極管類似,可以分為NPN和PNP型兩種,但是在結(jié)構(gòu)上都具有兩個PN結(jié)。如圖2-18所示圖2-18光敏三極管的結(jié)構(gòu)和工作原理

光敏二極管和光敏三極管的伏安特性曲線如圖2-19所示圖2-19光敏二極管和光敏三極管的伏安特性曲線

光敏二極管和光敏三極管的光照特性如圖2-20所示圖2-20光敏二極管和光敏三極管的光照特性

2.3.2-光電傳感器應(yīng)用

1)輸出為連續(xù)變化光電流的光電傳感器

經(jīng)過光電傳感器測量系統(tǒng),被測量被轉(zhuǎn)化為連續(xù)變化的光電流,輸出與輸入之間呈現(xiàn)單值對應(yīng)關(guān)系,如圖2-21所示,測量時通常有如下四種應(yīng)用方式。圖2-21光電元件的工作原理

①測量光源。被測物本身作為光源,其發(fā)出的光通量可以直接照射在光電元件上,多用于光電比色高溫計中,其光通量和光譜的強(qiáng)度分布與被測溫度呈函數(shù)關(guān)系。

②測量物質(zhì)的透明度。采用白熾燈(或其他任何光源)作為恒光源,發(fā)出的光通量穿過被測物被部分吸收后最終到達(dá)光電元件,多用于測量液體、氣體的透明度、渾濁度的光電比色計中。

③測量表面光潔度。恒光源發(fā)出的光通量到達(dá)被測物,經(jīng)過被測物表面反射后投射到光電元件上,多用于測量物體表面光潔度、粗糙度,被測物體表面的性質(zhì)或狀態(tài)取決于表

面反射條件。

④測量物體遮蔽情況。恒光源發(fā)出的光通量一部分被被測物擋住,從而改變了照射到光電元件上的光通量,多用于測量尺寸或振動情況。

2)輸出為斷續(xù)變化光電流的光電傳感器

(1)光電耦合器。

光電耦合器的結(jié)構(gòu)分為金屬密封型和塑料密封型兩種,如圖2-22所示。圖2-22(a)表示的是金屬密封型結(jié)構(gòu),由金屬外殼和絕緣玻璃兩部分對接組成,采用環(huán)焊的方式將發(fā)光二極管和光敏三極管對準(zhǔn),以保證器件的靈敏度。圖2-22(b)表示的是塑料密封型結(jié)構(gòu),采用雙立直插式塑料封裝的結(jié)構(gòu),管心首先安裝于管腳上,中間再用具有集光作用的透明樹脂固定,以進(jìn)一步提高器件的靈敏度。圖2-22-光電耦合器結(jié)構(gòu)圖

光電耦合器的特性曲線可表示為發(fā)光元件的輸入與光電元件的輸出之間的函數(shù)關(guān)系,如圖2-23所示,IF和IC分別代表光電耦合器的輸入量和輸出量,二者均為直流電流。圖中器件的線性度較差,如果想要得到更為精準(zhǔn)的測量結(jié)果,還需要通過反饋等其他技術(shù)手段對非線性失真情況進(jìn)行校正。圖2-23光電耦合器的特性曲線

(2)光電轉(zhuǎn)速計。

光電轉(zhuǎn)速計的工作原理圖如圖2-24所示,圖2-24光電轉(zhuǎn)速計原理圖

(3)光電開關(guān)。

光電開關(guān)同樣是應(yīng)用光電轉(zhuǎn)換原理制成的,即接收元件接收到發(fā)光元件發(fā)出的光線并完成光電轉(zhuǎn)換后,經(jīng)過放大裝置最終輸出開關(guān)控制信號。光電開關(guān)主要有透射式和反射式

兩種,工作原理如圖2-25所示。圖2-25光電開關(guān)原理圖

2.4紅外傳感器

2.4.1紅外傳感器原理紅外傳感系統(tǒng)是以紅外線為介質(zhì)的測量系統(tǒng),一般由光學(xué)接收器、紅外調(diào)制器、紅外探測器、前置放大器、信號處理器、顯示單元組成,如圖2-26所示。圖2-26紅外傳感系統(tǒng)組成框圖

(1)熱紅外探測器。

熱紅外探測器的工作原理是,紅外輻射通過紅外物鏡后,照射到探測器敏感材料上,引起此敏感材料的某些可測物理量的變化,通過計算物理參數(shù)的變化,計算探測器所吸收的紅外輻射量。熱紅外探測器響應(yīng)波段寬,響應(yīng)范圍可擴(kuò)展到整個紅外區(qū)域,適合于室溫環(huán)境下的測量工作。

(2)光子紅外探測器。

利用入射紅外輻射的光子流與探測器材料中電子的相互作用,改變電子的能量狀態(tài),引起測量材料電子性質(zhì)變化的現(xiàn)象稱為光子效應(yīng)。

2.4.2-紅外傳感器應(yīng)用

(1)紅外測距傳感器。

紅外測距傳感器是利用紅外信號距障礙物距離不同,反射強(qiáng)度也不同的原理制作的,可以用來進(jìn)行障礙物距離的測量。紅外測距傳感器具有一對紅外信號發(fā)射與接收二極管,

發(fā)射管發(fā)射特定頻率的紅外信號,接收管接收這種頻率的紅外信號。當(dāng)紅外信號的檢測方向遇到障礙物遮擋時,紅外信號被反射后再被接收管接收,接收到的反射信號經(jīng)過預(yù)處理操作后傳遞到中央處理單元,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)利用紅外信號的返回信號來識別周圍環(huán)境狀態(tài)的目的。

(2)紅外測溫儀。

紅外測溫儀由光學(xué)系統(tǒng)、紅外探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成。其工作原理圖如圖2-27所示。圖2-27紅外測溫儀工作原理圖

(3)紅外氣體分析儀。

紅外氣體分析儀是基于某些氣體對紅外線的選擇性吸收原理設(shè)計制作的。工業(yè)用紅外氣體分析儀由紅外線輻射光源、氣室、紅外探測器及電子電路等部分組成,如圖2-28所示。圖2-28紅外氣體分析儀結(jié)構(gòu)原理圖

(4)紅外無損檢測。

利用聲、光、磁、電等特性,在不損害或不影響被測對象使用性能的前提下,檢測被測對象中是否存在缺陷或不均勻性,同時給出缺陷的大小、位置、性質(zhì)和數(shù)量等信息,從而判定被測對象所處技術(shù)狀態(tài)(如合格與否、剩余壽命等)的所有技術(shù)手段統(tǒng)稱為無損檢測。

(5)醫(yī)用紅外熱像儀。

人體是一個天然的生物發(fā)熱體,由于解剖結(jié)構(gòu)、組織代謝、血液循環(huán)及神經(jīng)狀態(tài)的不同,機(jī)體各部位溫度也不同,這就形成了不同的熱場。紅外熱像儀可以通過光學(xué)電子系統(tǒng)

聚集人體輻射的遠(yuǎn)紅外光波,經(jīng)過濾波、調(diào)制、光電轉(zhuǎn)換、模數(shù)轉(zhuǎn)換處理,將光信號轉(zhuǎn)換為更加便于測量的電信號,最后利用多媒體圖像處理技術(shù),以偽彩色熱圖的形式顯示人體的

溫度場。

2.5氣體傳感器

2.5.1氣體傳感器類型1.氣體傳感器分類(1)半導(dǎo)體氣體傳感器。半導(dǎo)體氣體傳感器是基于氣體在半導(dǎo)體表面的氧化還原反應(yīng)會導(dǎo)致敏感元件阻值發(fā)生變化的原理而制成的。

(2)電化學(xué)式氣體傳感器。

電化學(xué)式氣體傳感器是基于電化學(xué)原理制作而成的,兩電極系統(tǒng)是這類傳感器中最為簡單的結(jié)構(gòu)形式,傳感器的兩個電極由一個薄層電解液阻隔,經(jīng)由一個很小的電阻與外部電路相連。

(3)紅外吸收式氣體傳感器。

吸收峰是指氣體吸收的紅外光能量所處的特定波段,氣體分子對紅外光具有特定的吸收峰,它不受其他氣體吸收峰的干擾,吸收的能量與氣體在紅外光區(qū)的濃度有關(guān)。

紅外吸收式氣體傳感器的原理是,當(dāng)紅外光通過待測氣體時,特征頻率譜光線被氣體吸收,導(dǎo)致該頻率的光能量減弱,其吸收關(guān)系服從Lambert-Beer吸收定律,表示為式(2-12),這樣就可以通過光強(qiáng)的變化測量出氣體的濃度信息。

式中,αm表示摩爾分析吸收系數(shù),L表示光程長度,C表示氣體濃度,β表示瑞利散射系數(shù),γ表示米氏散射系數(shù),δ表示氣體密度波動造成的吸收系數(shù),I0和I為輸入、輸出的光強(qiáng)。

(4)熱催化氣體傳感器。

熱催化氣體傳感器由敏感元件、補(bǔ)償元件及電極引線和透氣性良好的金屬防爆外殼等組成。其中,敏感元件和補(bǔ)償元件均由測溫鉑絲電阻外包裹球形疏松多孔氧化鋁制成,它

們的結(jié)構(gòu)完全一致,二者被分別置于兩個隔離的對稱分布空腔內(nèi),空腔的熱分布邊界條件一致。二者的差異在于敏感元件載體上添加有催化劑,被測氣體在敏感元件上可以無煙燃

燒放熱,導(dǎo)致敏感元件溫度升高、鉑絲電阻增大,根據(jù)敏感元件鉑絲的阻值變化就可以感知可燃性氣體及其濃度;而補(bǔ)償元件上沒有催化劑,被測氣體在補(bǔ)償元件上不發(fā)生反應(yīng)。

(5)熱導(dǎo)式氣體傳感器。

熱導(dǎo)式氣體傳感器是指能感知環(huán)境中某種氣體及其濃度的一種裝置或者器件,屬于電學(xué)類氣體傳感器的一種。傳感器可以將與氣體種類和濃度相關(guān)的信息轉(zhuǎn)換為電信號,具有檢測范圍廣、工作穩(wěn)定性高、使用壽命長、結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、使用維護(hù)方便等優(yōu)勢,但是受到檢測精度及靈敏度較低、溫度漂移較大等劣勢的影響,熱導(dǎo)式氣體傳感器的應(yīng)用范圍受限。

2.典型氣體傳感器

下面根據(jù)檢測對象的不同,主要介紹幾種典型的用于檢測有毒氣體、大氣污染氣體、可燃燒性氣體的氣體傳感器。

(1)CO傳感器。

CO傳感器采用密閉結(jié)構(gòu)設(shè)計,主要由電極、過濾器、透氣膜、電解液、電極引出線(管腳)、殼體等部分組成,當(dāng)CO氣體通過外殼上的氣孔,經(jīng)透氣膜擴(kuò)散到工作電極表面時,在工作電極的催化作用下,就會在工作電極上發(fā)生氧化反應(yīng),從而實(shí)現(xiàn)對氣體及濃度的感知。另外,CO還是一種具有還原特性的氣體,可以與氧化物發(fā)生還原反應(yīng)而生成其他顏色的化合物。比色法就是利用CO的還原性,無需耗電就可以測定氣體的濃度,操作簡單、方便快捷。

(2)CO2-傳感器。

CO2-傳感器被廣泛應(yīng)用于家庭網(wǎng)絡(luò)、通風(fēng)系統(tǒng)、控制器、機(jī)器人、汽車等領(lǐng)域,完成對空氣質(zhì)量的檢測任務(wù)。CO2-傳感器的主要類型有紅外吸收型、電化學(xué)型、熱導(dǎo)型和半導(dǎo)體型等。紅外吸收型CO2-傳感器基于氣體的吸收光譜會隨物質(zhì)的不同而存在差異的原理制成,其靈敏度高、分析速度快、穩(wěn)定性好。

是目前CO2-傳感器研究的重點(diǎn)方向之一。

(3)CH4傳感器。

CH4傳感器的檢測元件一般是載體催化元件,傳感器在測量使用中會產(chǎn)生一個與CH4含量成比例的微弱信號,信號經(jīng)過多級放大電路放大后生成一個供模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采集的模

擬輸入量,再轉(zhuǎn)換為便于單片機(jī)使用的數(shù)字信號,通過單片機(jī)的信號處理過程,提供顯示和報警等擴(kuò)展功能。

2.5.2-氣體傳感器應(yīng)用

1)在潛水中的應(yīng)用

2)在酒精檢測中的應(yīng)用

3)在安全檢測中的應(yīng)用

4)在煙氣檢測中的應(yīng)用

2.6速度傳感器

2.6.1速度傳感器類型速度指單位時間內(nèi)位移的增量,一般包括線速度和角速度。用于測量線速度或角速度的傳感器就叫做線速度傳感器或角速度傳感器,也可以統(tǒng)稱為速度傳感器。

旋轉(zhuǎn)速度傳感器還可以按照安裝形式分為接觸式和非接觸式兩類。

(1)接觸式旋轉(zhuǎn)速度傳感器。

接觸式旋轉(zhuǎn)速度傳感器與運(yùn)動物體直接接觸,當(dāng)運(yùn)動物體與旋轉(zhuǎn)式速度傳感器接觸時,摩擦力會帶動傳感器的滾輪一起轉(zhuǎn)動,安裝在滾輪上的轉(zhuǎn)動脈沖傳感器,就會發(fā)出一連串的脈沖信號,每個脈沖信號就代表著一定的距離值,通過對脈沖信號的測量就能計算得到線速度信息。

(2)非接觸式旋轉(zhuǎn)速度傳感器。

非接觸式旋轉(zhuǎn)速度傳感器與運(yùn)動物體無直接接觸,這種傳感器的測量原理很多,較為常見的是光電流速傳感器和光電風(fēng)速傳感器兩種。光電流速傳感器葉輪的葉片邊緣會貼上

反射膜,流體的流動會帶動葉輪的旋轉(zhuǎn),葉輪每轉(zhuǎn)動一周,光纖傳輸會反光一次,進(jìn)而產(chǎn)生一個電脈沖信號,這樣就可根據(jù)檢測到的脈沖數(shù)來計算流速。

2.6.2-速度傳感器應(yīng)用

在車輛的檢測應(yīng)用中,速度傳感器為車輛的安全行駛保駕護(hù)航,可以使駕駛員準(zhǔn)確及時地掌握車輛的行駛速度和狀態(tài),以對駕駛行為進(jìn)行有效安全的調(diào)整。其實(shí),車輛中使用的速度傳感器類型也很多,如車輪轉(zhuǎn)速傳感器、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、減速傳感器、車速傳感器等。車輪轉(zhuǎn)速傳感器主要用來檢測車輪的轉(zhuǎn)速,在汽車制動控制和驅(qū)動控制兩方面應(yīng)用

較多;發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器用來檢測發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速,利用曲軸位置傳感器來檢測發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速,重點(diǎn)應(yīng)用于燃油噴射量、點(diǎn)火提前角、動力傳動控制等方面;減速傳感器用來檢測汽車

在減速時的速度和加速度,主要在汽車制動控制和驅(qū)動控制兩方面使用;車速傳感器通過直接或間接的形式檢測汽車輪胎的轉(zhuǎn)速,組成及原理相對復(fù)雜。

(1)磁電式速度傳感器。

磁電式速度傳感器主要是利用磁阻元件阻抗值會隨著磁場的強(qiáng)弱而變化這一特性實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量的。磁電式速度傳感器內(nèi)部安裝有磁鐵,使得傳感器預(yù)先就帶有一定的磁場,當(dāng)金屬的檢測齒輪靠近傳感元件時,齒輪的齒頂與齒谷所產(chǎn)生的磁場變化會導(dǎo)致傳感元件磁阻抗的變化。

一種比較典型的磁電式速度傳感器的原理圖如圖2-29所示圖2-29磁電式轉(zhuǎn)速傳感器原理圖

(2)霍爾式速度傳感器。

雖然霍爾效應(yīng)自1879年發(fā)現(xiàn)以來,距今已有100多年的發(fā)展歷史,但是隨著1978年微電子時代的到來和快速發(fā)展,霍爾效應(yīng)才被人們重視和推廣使用,不斷地開發(fā)出多種霍爾元件。

霍爾傳感器具有靈敏度高、線性度好、穩(wěn)定性高、體積小和耐高溫等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于非電量測量、自動控制、計算機(jī)裝置和現(xiàn)代軍事技術(shù)等各個工業(yè)領(lǐng)域。

采用霍爾結(jié)構(gòu),基于霍爾效應(yīng)的磁電傳感器被稱為霍爾式速度傳感器,這種傳感器對磁場敏感度高、輸出信號穩(wěn)定、頻率響應(yīng)高、抗電磁干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便,在

汽車速度的測量應(yīng)用中使用較為廣泛。該類傳感器由特定磁極對數(shù)的永久磁鐵(一般為4對或8對)、霍爾元件、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及輸入/輸出插件等組成,工作原理是,當(dāng)傳感器的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在外驅(qū)動的作用下旋轉(zhuǎn)時,會帶動永久磁鐵的旋轉(zhuǎn),使得穿過霍爾元件的磁場產(chǎn)生周期性變化,引發(fā)霍爾元件輸出電壓的變化,再通過信號處理電路的作用,形成穩(wěn)定的脈沖電壓信號并以此作為速度傳感器的輸出信號。

此外,集成了高效自動測量、軟件計算、圖形或數(shù)表顯示的集成化、智能化測試系統(tǒng)越來越受到汽車速度傳感器生產(chǎn)企業(yè)的青睞,這種測試系統(tǒng)測試精度高、數(shù)據(jù)通信可靠、抗干擾能力強(qiáng)、檢測過程簡單直觀、用戶界面美觀友好、系統(tǒng)開發(fā)成本低,在車輛速度檢測應(yīng)用方面具有較好的推廣市場和應(yīng)用前景。

2.7數(shù)字傳感器

數(shù)字傳感器是指將傳統(tǒng)的模擬式傳感器加裝或改造模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊,使之成為輸出數(shù)字量(或數(shù)字編碼)信號的傳感器,主要包括放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、微處理器、存儲器、通信接口、溫度測試電路等。隨著微處理器和傳感器制作成本的逐漸降低,從環(huán)境中獲取的信息類型和信息內(nèi)容更加多樣化,很多全自動或半自動系統(tǒng)已經(jīng)基于這些信息擴(kuò)展出更多的智能性功能。

1)頻率式數(shù)字傳感器

頻率式數(shù)字傳感器是利用諧振原理,將被測量的變化轉(zhuǎn)換成諧振頻率變化的一種傳感器。頻率式數(shù)字傳感器的敏感元件(諧振元件)可以是被張緊的金屬絲(振弦)、金屬膜片(振

膜)或薄壁圓筒(振筒)等機(jī)械式諧振元件,也可以是壓電諧振元件(壓電振子)。此類傳感器使用敏感元件的振動頻率、相位和幅值等作為敏感參數(shù),實(shí)現(xiàn)對壓力、位移、密度等被測參數(shù)進(jìn)行測量的目的。

(1)振弦式傳感器。

振弦式傳感器是基于諧振技術(shù)的傳感器,輸出的是周期信號,只需利用簡單的數(shù)字電路即可將信號轉(zhuǎn)換為便于微處理器接收處理的數(shù)字信號。如果將振弦置于永磁磁場中以電

流方式引起激振,當(dāng)激勵電流流經(jīng)振弦時,可以把振弦等效為LC并聯(lián)電路,由于振弦在振動過程中受到的空氣摩擦阻力較小,可以忽略不計,所以施加在振弦上的電流i所產(chǎn)生的激振電磁作用力F將會被振弦的慣性反作用力FC和彈性反作用力FL所平衡,如公式(2-13)所示。

如果將激振電流i分解成對應(yīng)于FC與FL的兩個電流分量iC與iL,式(2-13)可進(jìn)一步推導(dǎo)為式(2-14)的形式。其中,l為振弦置于磁場中的有效長度,B為永磁磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

(2)壓電式諧振傳感器。

壓電式諧振傳感器是利用逆壓電效應(yīng)將加在振子電極上的輸入電壓轉(zhuǎn)換成振子的機(jī)械振動這一原理制成的,由振子、振子表面敷層、緊固件和周圍介質(zhì)等結(jié)構(gòu)元件組成,核心部

件是用壓電材料制成的振子。上述這些結(jié)構(gòu)元件會在振動時發(fā)生相互作用而產(chǎn)生能量交換,決定著作為電路元件的壓電諧振器的性能及幅頻特性。

根據(jù)壓電式諧振傳感器的感知原理,非常適合用來完成稱重任務(wù),壓電式諧振稱重傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖2-30所示,在稱重過程中壓電諧振器受到重物作用力F的影響而產(chǎn)生形變,機(jī)械應(yīng)力的性質(zhì)和大小決定著頻率的變化,頻率變化Δf與外加作用力ΔF呈線性關(guān)系,一般可以用式(2-15)來表示,其中,k為力頻靈敏度系數(shù)。圖2-30壓電式諧振稱重傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

壓電式諧振稱重傳感器電子線路原理圖如圖2-31所示,振蕩電路用于激勵壓電諧振器進(jìn)行振蕩并產(chǎn)生信號輸出,差頻整形電路將壓電諧振器的輸出頻率f1與基準(zhǔn)頻率f0進(jìn)行比較后輸出值(f1-f0)的方波信號,差頻整形后輸出的頻率信號可以反映出傳感器的受力情況。假設(shè)壓電諧振器的基準(zhǔn)頻率也是f0,那么當(dāng)力F作用于壓電諧振器時,其頻率將按照式(2-16)變化。圖2-31壓電式諧振稱重傳感器電子線路原理圖

2)脈沖式數(shù)字傳感器

光柵傳感器是一種典型的脈沖式數(shù)字傳感器,通過計量光柵的莫爾條紋現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)精密測量。光柵的制作方式通常為:在一塊平面玻璃或金屬片上,刻上平行等寬、等距的刻線,

刻線不透光,兩刻線之間可以透光,這些大量相同的等間隔平行排列的狹縫就形成了一個光柵,如圖2-32所示。其圖2-32-光柵條紋示意圖

光柵的種類很多,按工作原理可以分為物理光柵和計量光柵,按柵線形式可以分為黑白光柵(幅值光柵)和閃耀光柵(相位光柵),按透射形式又可以分為透射式和反射式兩種,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-33所示。圖2-33不同透射方式下的光柵結(jié)構(gòu)示意圖

在說明光柵的工作原理前,首先需要理解什么是莫爾條紋。按照光學(xué)原理,對于柵距遠(yuǎn)大于光波長的粗光柵,可以利用幾何光學(xué)的遮光原理來解釋莫爾條紋的形成及其原理。如圖2-34(a)所示,當(dāng)兩個柵距相同的光柵合在一起時,將其柵線之間傾斜一個很小的夾角θ,那么在近乎垂直于柵線的方向上就會出現(xiàn)明暗相間的條紋,這樣的條紋就是莫爾條紋。假設(shè)在圖中h-h線上,兩個光柵的柵線彼此重合,那么從縫隙中會通過一半的光,使得透光面積最大,形成莫爾條紋的亮帶,同樣的道理,在g-g線上將兩光柵的柵線彼此錯開,可以形成條紋的暗帶。圖2-34莫爾條紋形成原理

橫向莫爾條紋的寬度B(見圖2-34(b))與柵距W和傾斜角θ之間的關(guān)系可用公式(2-17)來表示,光柵每移動一個柵距W,莫爾條紋就移過一個間距B。由于光柵的遮光作用,透過光柵的光強(qiáng)會隨著莫爾條紋的移動而變化,變化的規(guī)律近似于直流信號和交流信號的疊加,那么只要測量出波形變化的周期數(shù),即莫爾條紋移動數(shù),就可間接獲得光柵的位移量。

結(jié)合圖2-33(a)中光柵的組成結(jié)構(gòu),光源發(fā)射的光線穿過透鏡形成平行光束,照射在由兩塊光柵常數(shù)相同的主光柵和指示光柵上,二者均可移動或固定不動,刻線面相對放置,之間留有很小的間隙相疊合,那么在近似垂直于柵線的方向上就能夠形成比柵距W寬得多的明暗相間的莫爾條紋,中間為亮帶,上下為兩條暗帶,光強(qiáng)分布曲線如圖2-35所示。圖2-35光強(qiáng)分布曲線

光柵轉(zhuǎn)速計測速系統(tǒng)工作原理如圖2-36所示,在被測物轉(zhuǎn)軸上安裝光柵元件,光源經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)將一束光照射到被測轉(zhuǎn)軸的光柵元件上,轉(zhuǎn)軸每旋轉(zhuǎn)一周,會將光線透射到光電元件上。圖2-36光柵轉(zhuǎn)速計測速系統(tǒng)工作原理示意圖

3)數(shù)碼式數(shù)字傳感器

編碼器是數(shù)碼式數(shù)字傳感器的典型代表之一,編碼器又可分為脈沖盤式和碼盤式兩種,下面重點(diǎn)圍繞碼盤式編碼器(也稱絕對式編碼器)進(jìn)行講解。碼盤式編碼器又稱旋轉(zhuǎn)編碼器,是一種旋轉(zhuǎn)式的位置傳感器,它的轉(zhuǎn)軸通常是通過聯(lián)軸器等與被測軸連接,隨被測軸一起轉(zhuǎn)動,可以將被測軸的角位移轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制編碼或者一串脈沖信號。

圖2-37(a)為一個普通的四位二進(jìn)制碼盤,這種碼盤會產(chǎn)生讀數(shù)誤差,當(dāng)碼盤回轉(zhuǎn)(交替過程)在兩碼段中時(如碼盤順時針轉(zhuǎn)動時,相鄰兩格“1111”變?yōu)椤?000”時),四位數(shù)編碼要求同時變化,就有可能出現(xiàn)數(shù)碼誤讀的情況。為了解決這個問題,可以采用如圖2-37(b)所示的循環(huán)編碼方式,四位二進(jìn)制循環(huán)碼盤也只有“0”和“1”兩個數(shù)組成的16種編碼組合,但是循環(huán)碼盤上相鄰兩個四位代碼只有一位代碼會發(fā)生變化,這就極大地降低了誤差出現(xiàn)的概率。圖2-37四位二進(jìn)制碼盤

絕對式編碼器每一個編碼碼道位置絕對唯一、抗干擾性強(qiáng)、斷電無需記憶、性能優(yōu)良、價格低廉,常常作為工業(yè)系統(tǒng)中針對角度測量、長度測量和定位控制的首要選擇,在涉及科研、軍事、航天等行業(yè)的自動測量和自動控制系統(tǒng)應(yīng)用中,一般作為精密位移傳感器使用。第3章聽覺傳感系統(tǒng)3.1振動傳感器3.2聲吶3.3

超聲波傳感器

3.1振動傳感器

3.1.1振動傳感器原理

振動傳感器是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為與之成比例的電信號的設(shè)備。通常,振動傳感器并不是直接將待測量的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電量,而是將原始機(jī)械量作為振動傳感器的輸入。原始機(jī)械量經(jīng)由機(jī)械接收部件加以接收,形成另一個適合于變換的機(jī)械量,最后經(jīng)由機(jī)電變換部分再轉(zhuǎn)換為電量輸出。

1.機(jī)械接收

機(jī)械接收可以分為相對式和慣性式兩種。

1)相對式機(jī)械接收

機(jī)械運(yùn)動是物質(zhì)運(yùn)動的最簡單形式,最初人們普遍利用機(jī)械式測振儀來測量振動的,并在此基礎(chǔ)上設(shè)計出了相應(yīng)的傳感器裝置——機(jī)械測振儀。相對式機(jī)械測振儀的工作原理是在測量時,把儀器固定在不動的支架上,使觸桿與被測物體的振動方向保持一致,借助彈簧的彈性力使觸桿與被測物體表面接觸,當(dāng)物體振動時,觸桿就會跟隨著物體一起運(yùn)動,并推動記錄筆桿在移動的紙帶上描繪出振動物體隨時間變化的位移變化曲線,根據(jù)這個曲線就可以計算出位移的大小及頻率等相關(guān)參數(shù)。

2)慣性式機(jī)械接收

慣性式機(jī)械測振儀是將測振儀直接固定在被測振動物體的測點(diǎn)上,當(dāng)傳感器外殼隨被測振動物體運(yùn)動時,由彈性支承的慣性質(zhì)量塊將與傳感器外殼發(fā)生相對運(yùn)動,安裝在質(zhì)量塊上的記錄筆就可以記錄下質(zhì)量塊與外殼的相對振動位移及幅值,然后利用慣性質(zhì)量塊與外殼的相對振動位移關(guān)系式,即可求出被測物體的絕對振動位移。

2.機(jī)電變換

與傳統(tǒng)意義上獨(dú)立的機(jī)械測量裝置不同,現(xiàn)代振動測量中所用的傳感器僅僅是整個測量系統(tǒng)中的一部分,還需要借助其他相關(guān)的電子線路共同完成測量任務(wù)。由于振動傳感器

內(nèi)部機(jī)電變換原理不同,輸出的電量也各不相同,測得的機(jī)械量可以變換為電動勢、電荷的變化或電阻、電感等電參量,但是一般來說,這些參數(shù)并不能直接進(jìn)行顯示、記錄和分析,必須附以對應(yīng)的測量電路,以便將傳感器的輸出電量轉(zhuǎn)化為可供顯示或?yàn)榉治?/p>