智能傳感與檢測技術(shù) 課件 第12章現(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器

機(jī)械工業(yè)出版社CHINAMACHINEPRESS現(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器第12章智能傳感與檢測技術(shù)徐小華主編

ISBN978-7-121-76072-6現(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器12智能傳感與檢測技術(shù)機(jī)器人傳感器12.1

汽車傳感器12.2

現(xiàn)代移動(dòng)通信領(lǐng)域中的傳感器12.3中國智能制造發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢12.4現(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器12

20世紀(jì)80年代，將具有感覺、思考、決策和動(dòng)作能力的系統(tǒng)稱為智能機(jī)器人，這是一個(gè)概括的、含義廣泛的概念。現(xiàn)今人們已經(jīng)研制出了具有感知、決策、行動(dòng)和交互能力的智能機(jī)器人，傳感器使智能機(jī)器人初步具有類似于人的感知能力，不同類型的傳感器組合構(gòu)成了機(jī)器人的感覺系統(tǒng)。要使智能機(jī)器人對(duì)環(huán)境有更強(qiáng)的適應(yīng)能力，能進(jìn)行更精確的定位和控制，能從事更復(fù)雜的工作，就需要有更多的、性能更好的、功能更強(qiáng)的、集成度更高的機(jī)器人傳感器。機(jī)器人的技術(shù)主要包括：傳感技術(shù)、智能技術(shù)、控制技術(shù)等。智能傳感與檢測技術(shù)12.1機(jī)器人傳感器12.1.1機(jī)器人概述現(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器12機(jī)器人傳感器包括：內(nèi)部檢測傳感器和外部檢測傳感器

內(nèi)部檢測傳感器是以機(jī)器人本身的坐標(biāo)軸來確定其位置，它安裝在機(jī)器人自身中用來感知機(jī)器人自己的狀態(tài)，以調(diào)整和控制機(jī)器人的行動(dòng)。它通常由位置、加速度、速度及壓力傳感器組成。外部檢測傳感器用于機(jī)器人對(duì)周圍環(huán)境、目標(biāo)物的狀態(tài)特征獲取信息，使機(jī)器人和環(huán)境能發(fā)生交互作用，從而使機(jī)器人對(duì)環(huán)境有自校正和自適應(yīng)能力。外界檢測傳感器通常包括觸覺、接近覺、視覺、聽覺、嗅覺和味覺等傳感器。12.1.2機(jī)器人傳感器智能傳感與檢測技術(shù)現(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器12觸覺傳感器機(jī)器人觸覺，實(shí)際上是對(duì)人的觸覺的某些模仿。它是機(jī)器人和對(duì)象物之間直接接觸的感覺，一般認(rèn)為觸覺包括壓覺、滑覺、力覺等。若沒有觸覺，就不能完好平穩(wěn)地抓住紙做的杯子，也不能握住工具。壓覺傳感器位于手指握持面上，用來檢測機(jī)器人手指握持面上承受的壓力大小和分布。力覺傳感器用于感知機(jī)器人的肢、腕和關(guān)節(jié)等部位在工作和運(yùn)動(dòng)中所受力和力矩的大小及方向，相應(yīng)的有關(guān)節(jié)力傳感器、腕力傳感器和支座傳感器等。12.1.2機(jī)器人傳感器智能傳感與檢測技術(shù)現(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器12滑覺傳感器球形滑覺傳感器有一個(gè)可自由滾動(dòng)的球，球的表面是用導(dǎo)體和絕緣體按一定規(guī)格布置的網(wǎng)格，在球表面安裝有接觸器。當(dāng)球與被握持物體相接觸時(shí)，如果物體滑動(dòng)，將帶動(dòng)球隨之滾動(dòng)，接觸器與球的導(dǎo)電區(qū)交替接觸從而發(fā)出一系列的脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)及頻率與滑動(dòng)的速度有關(guān)。12.1.2機(jī)器人傳感器智能傳感與檢測技術(shù)現(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器12視覺、聽覺、接近覺、嗅覺傳感器視覺傳感器常用的光電檢測器有攝像頭和固態(tài)圖像傳感器。聽覺傳感器機(jī)器人聽覺系統(tǒng)中的聽覺傳感器的基本形態(tài)與麥克風(fēng)的相同，這方面的技術(shù)已經(jīng)非常成熟。接近覺傳感器接近覺傳感器主要感知傳感器與對(duì)象物之間的接近程度，即需要檢測對(duì)象物體與傳感器之間的距離。嗅覺傳感器嗅覺傳感器主要的是采用氣體傳感器、射線傳感器等。12.1.2機(jī)器人傳感器智能傳感與檢測技術(shù)現(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器12智能傳感與檢測技術(shù)12.1.3機(jī)器人的“大腦”和執(zhí)行機(jī)構(gòu)1.機(jī)器人的“大腦”

智能機(jī)器人是一個(gè)非常復(fù)雜的綜合智能系統(tǒng)。智能機(jī)器人配備了各種各樣的傳感器，用于感受來自外界的信息?？梢哉f，機(jī)器人配備的傳感器種類與數(shù)量越多，其智能化程度就越高。機(jī)器人的“大腦”叫做中央處理器（CPU）。中央處理器就是一個(gè)超大規(guī)模的集成電路，接收到傳感器傳回來的數(shù)據(jù)后，根據(jù)內(nèi)部預(yù)先設(shè)定好的算法程序解析各個(gè)信號(hào)所代表的真實(shí)意義?，F(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器12智能傳感與檢測技術(shù)2.機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)

在機(jī)器人系統(tǒng)里，每個(gè)伺服電機(jī)都相當(dāng)于一個(gè)人體關(guān)節(jié)，比如，一個(gè)機(jī)器人的手臂有7個(gè)不同方向的伺服電機(jī)，就代表這個(gè)機(jī)械手臂可以向7個(gè)不同方向轉(zhuǎn)動(dòng)，也可以說成有7個(gè)自由度，由此可見一個(gè)機(jī)器人自由度越多，就說明這個(gè)機(jī)器人得動(dòng)作就越靈活。

現(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器1212.2汽車傳感器12.2.1汽車上常用的傳感器智能傳感與檢測技術(shù)汽車上分布的各類傳感器：有溫度、壓力、流量、位置、速度、氣體濃度、光亮度、距離等功能的傳感器。現(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器12智能傳感與檢測技術(shù)1.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上的傳感器發(fā)動(dòng)機(jī)用傳感器主要包括空氣流量傳感器、進(jìn)氣壓力傳感器、節(jié)氣門位置傳感器、曲軸位置傳感器、凸輪軸位置傳感器、進(jìn)氣與冷卻液溫度傳感器、氧傳感器、爆燃傳感器等。圖12-9為發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)傳感器安裝位置圖。

現(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器12智能傳感與檢測技術(shù)2.液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的傳感器液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中主要傳感器為安裝在方向盤柱上的轉(zhuǎn)矩傳感器和方向盤轉(zhuǎn)角傳感器

現(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器12智能傳感與檢測技術(shù)3.汽車變速器上的傳感器(1)輸出軸轉(zhuǎn)速傳感器(2)輸入軸轉(zhuǎn)速傳感器（3）冷卻液溫度傳感器（4）液壓油溫度傳感器

4.安全氣囊上的傳感器

安全氣囊控制系統(tǒng)中常見的傳感器是碰撞傳感器，按照用途的不同，碰撞傳感器分為觸發(fā)碰撞傳感器和防護(hù)碰撞傳感器。現(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器12智能傳感與檢測技術(shù)5.全自動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)上的傳感器全自動(dòng)溫度控制系統(tǒng)主要包括溫度傳感器、控制系統(tǒng)、ECU、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。其中溫度傳感器有車外溫度傳感器、車內(nèi)溫度傳感器、日照傳感器（陽光強(qiáng)度傳感器）和蒸發(fā)器溫度傳感器。

6.電控懸架上的傳感器電控懸架系統(tǒng)主要傳感器有車身高度傳感器、水平傳感器、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、節(jié)氣門位置傳感器等。(1)水平傳感器水平傳感器主要檢測汽車是否處于水平狀態(tài)，為電控懸架和大燈自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)提供輔助信號(hào)。（2）車身高度傳感器車身高度傳感器用來檢測汽車垂直方向上高度的變化，其信號(hào)可使懸架控制單元感受到車輛高度變化，通過有關(guān)執(zhí)行元件調(diào)整汽車車身高度?，F(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器127.雨量和光線識(shí)別傳感器智能傳感與檢測技術(shù)雨量傳感器光線識(shí)別傳感器光照強(qiáng)度傳感器現(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器12雨量識(shí)別傳感器原理

雨量識(shí)別傳感器固定在擋風(fēng)玻璃上.。如果車窗玻璃上有水滴或水層，發(fā)光二極管照射到光電二極管上的光通量就會(huì)發(fā)生變化。汽車在下雨天玻璃越濕，因光線折射作用而反射的光線越少，因此可以利用光電二極管的輸出信號(hào)計(jì)算雨量的大小。雨量識(shí)別的響應(yīng)時(shí)間，即識(shí)別到下雨直至將輸出信號(hào)發(fā)送給刮水器的時(shí)間不超過20ms。

雨量和光7.雨量和光線識(shí)別傳感器智能傳感與檢測技術(shù)現(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器12光照強(qiáng)度傳感器由光電傳感器感知太陽輻射，從而調(diào)整空調(diào)系統(tǒng)的溫度。它感知從車輛前面照射的陽光強(qiáng)度，并能區(qū)分左右側(cè)。根據(jù)入射太陽光的照射方向調(diào)整車輛的冷卻系統(tǒng)。8.光照強(qiáng)度傳感器智能傳感與檢測技術(shù)現(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器12智能傳感與檢測技術(shù)12.2.2汽車電子控制系統(tǒng)1.汽車電子點(diǎn)火系統(tǒng)汽車電腦ECU電子點(diǎn)火系統(tǒng)主要包括各種傳感器、ECU和執(zhí)行器（點(diǎn)火器、點(diǎn)火線圈、火花塞），傳感器主要有：曲軸位置傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、節(jié)氣門位置傳感器、冷卻液溫度傳感器、車速傳感器、爆燃傳感器以及空調(diào)開關(guān)信號(hào)等。現(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器12智能傳感與檢測技術(shù)2.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)電控燃油噴射系統(tǒng)(EFI)中，ECU主要根據(jù)進(jìn)氣量確定基本的噴油量，再根據(jù)冷卻液溫度傳感器、節(jié)氣門位置傳感器、氧傳感器等傳感器信號(hào)對(duì)噴油量進(jìn)行修正，使發(fā)動(dòng)機(jī)在各種運(yùn)行工況下均能獲得最佳濃度的混合氣，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性。

現(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器12智能傳感與檢測技術(shù)3.電控自動(dòng)變速器電控自動(dòng)變速器是通過各種傳感器，將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開度、車速、發(fā)動(dòng)機(jī)水溫、自動(dòng)變速器液壓油溫度等參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，并輸入汽車電腦ECU。ECU根據(jù)這些電信號(hào)，按照設(shè)定的換擋規(guī)律，向換擋電磁閥、液壓電磁閥等發(fā)出電子控制信號(hào)；換擋電磁閥和液壓電磁閥再將電腦的電子控制信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤嚎刂菩盘?hào)，閥板中的各個(gè)控制閥根據(jù)這些液壓控制信號(hào)，控制換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋

現(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器12智能傳感與檢測技術(shù)4.汽車ABS液壓制動(dòng)系統(tǒng)

汽車ABS液壓制動(dòng)裝置一般都是由傳感器、電子控制器和執(zhí)行器三大部分組成。其中傳感器主要是車輪轉(zhuǎn)速傳感器，執(zhí)行器主要指制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)器。

不安裝ABS的汽車在緊急剎車時(shí)，容易出現(xiàn)輪胎抱死，使汽車失去轉(zhuǎn)向能力，這樣危險(xiǎn)系數(shù)就會(huì)增加，容易造成嚴(yán)重后果?，F(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器12智能傳感與檢測技術(shù)12.3現(xiàn)代移動(dòng)通信領(lǐng)域中的傳感器12.3.1現(xiàn)代移動(dòng)通信技術(shù)概述

在過去的半個(gè)世紀(jì)中，移動(dòng)通信的發(fā)展對(duì)人們的生活、生產(chǎn)、工作、娛樂乃至政治、經(jīng)濟(jì)和文化都產(chǎn)生了深刻的影響，30年前幻想中的無人機(jī)、智能家居、網(wǎng)絡(luò)視頻、網(wǎng)上購物等均已實(shí)現(xiàn)。移動(dòng)通信技術(shù)經(jīng)歷了模擬傳輸、數(shù)字語音傳輸、互聯(lián)網(wǎng)通信、個(gè)人通信、新一代無線移動(dòng)通信5個(gè)發(fā)展階段。現(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器12智能傳感與檢測技術(shù)12.3.2智能手機(jī)上的各類傳感器1.光線傳感器2.距離傳感器3.重力傳感器4.加速度傳感器5.磁阻傳感器6.陀螺儀7.GPS8.近場通信（NFC）傳感器9.霍爾感應(yīng)器10.氣壓傳感器12.心率傳感器12.血氧傳感器13.紫外線傳感器

現(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器12智能傳感與檢測技術(shù)12.4中國智能制造發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢12.4.1制造業(yè)智能化

現(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器12智能傳感與檢測技術(shù)12.4.1制造業(yè)智能化

智能化生產(chǎn)在智能制造中的地位舉足輕重，是智能制造的核心所在，從智能制造產(chǎn)值來看，美國的舊金山、西雅圖、洛杉磯分別以2.60萬億元、2.44萬億元、2.33萬億元穩(wěn)居前三。中國的深圳、蘇州、上海分列第四、五、六位，如圖12-38所示。在世界智能制造智能生產(chǎn)排名前十的城市中，中國的蘇州以0.7702分排名第一，在此項(xiàng)排名中，亞洲表現(xiàn)尚可，有3座城市入榜，如圖12-39所示。評(píng)價(jià)體系主要由科研水平（25%）、智能生產(chǎn)（25%）、產(chǎn)業(yè)融合（20%）、發(fā)展?jié)摿Γ?5%）及政府扶持（15%）等指標(biāo)構(gòu)成。

現(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器12智能傳感與檢測技術(shù)科技前沿：智能制造

習(xí)近平主席在中國科學(xué)院第十九次院士大會(huì)、中國工程院第十四次院士大會(huì)上的講話中強(qiáng)調(diào)：要推進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能同實(shí)體經(jīng)濟(jì)深度融合，做大做強(qiáng)數(shù)字經(jīng)濟(jì)。要以智能制造為主攻方向推動(dòng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)變革和優(yōu)化升級(jí)，推動(dòng)制造業(yè)產(chǎn)業(yè)模式和企業(yè)形態(tài)根本性轉(zhuǎn)變，促進(jìn)我國產(chǎn)業(yè)邁向全球價(jià)值鏈的中高端。智能制造（IntelligentManufacturing，IM）是基于新一代信息通信技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)深度融合，貫穿于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)等功能的新型生產(chǎn)方式。國際上，智能制造通常是指一種由智能機(jī)器人和人類專家共同組成的人機(jī)一體智能系統(tǒng)，其技術(shù)包括自動(dòng)化、信息化、互聯(lián)網(wǎng)和智能化四個(gè)層次，如圖12-41所示?，F(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器12智能傳感與檢測技術(shù)12.4.2四大產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)撐起“中國智造”

各地為了發(fā)展智能制造產(chǎn)業(yè)，在智能制造鏈條上誕生了大量的產(chǎn)業(yè)園區(qū)，孕育了一大批智能制造產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)，為了兼具樣本的文泛性和科學(xué)性，《世界智能制造中心發(fā)展趨勢報(bào)告（2019）》在園區(qū)樣本選擇上，涉及帶有“智能制造”名稱的所有產(chǎn)業(yè)園區(qū)，共得到園區(qū)樣本537個(gè)。從智能裝備行業(yè)的區(qū)域競爭格局來看，目前，我國的智能制造裝備主要分布在工業(yè)基礎(chǔ)較為發(fā)達(dá)的地區(qū)，在政策東風(fēng)吹拂下，我國正在形成珠三角、長三角、環(huán)渤海的中西部四大產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)，產(chǎn)業(yè)集群將進(jìn)一步提升各地智能制造的發(fā)展水平。

現(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器12智能傳感與檢測技術(shù)1.環(huán)渤海地區(qū)——人才儲(chǔ)備雄厚科研實(shí)力突出

現(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器12智能傳感與檢測技術(shù)2.長三角地區(qū)——經(jīng)濟(jì)活躍創(chuàng)新能力強(qiáng)

現(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器12智能傳感與檢測技術(shù)3.珠三角