傳感器應(yīng)用技術(shù).ppt

1、傳感器應(yīng)用技術(shù),鄭 睿 研究方向：慣性導(dǎo)航 機(jī)器人控制 電氣信息學(xué)院 電工學(xué)教研室 ,傳感器的概念,傳感器是人類五官的延長，又稱之為電五官。 傳感器是能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。在有些學(xué)科領(lǐng)域，傳感器又稱為敏感元件、檢測(cè)器、轉(zhuǎn)換器等。 傳感器輸出信號(hào)通常是電量，它便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等。電量有很多形式，如電壓、電流、電容、電阻等，輸出信號(hào)的形式由傳感器的原理確定。,傳感器組成,輸出量為電量的傳感器，一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本轉(zhuǎn)換電路三部分組成。,敏感元件：它是直接感受被測(cè)量，并輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。,轉(zhuǎn)換元件：將敏感元件的輸出

2、轉(zhuǎn)換成一定的電路參數(shù)。有時(shí)敏感元件和轉(zhuǎn)換元件的功能是由一個(gè)元件（敏感元件）實(shí)現(xiàn)的。,基本轉(zhuǎn)換電路：將敏感元件或轉(zhuǎn)換元件輸出的電路參數(shù)轉(zhuǎn)換、調(diào)理成一定形式的電量輸出。,傳感器的分類,1按被測(cè)物理量分類,常見的被測(cè)物理量,機(jī)械量:長度,厚度,位移,速度,加速度, 旋轉(zhuǎn)角,轉(zhuǎn)數(shù),質(zhì)量,重量,力, 壓力,真空度,力矩,風(fēng)速,流速, 流量; 聲: 聲壓,噪聲. 磁: 磁通,磁場(chǎng). 溫度: 溫度,熱量,比熱. 光： 亮度，色彩,傳感器的分類,磁電式，熱電式，機(jī)械式，電氣式，光學(xué)式，流體式等。,2按工作原理分類:,切削力測(cè)量應(yīng)變片 動(dòng)圈式磁電傳感器,傳感器的分類,3按輸出電信號(hào)類型分類,根據(jù)傳感器輸出電信號(hào)

3、的類型不同，可以分為 ：,模擬量傳感器 數(shù)字量傳感器 開關(guān)量傳感器。,如：接近開關(guān)是一種采用非接觸式檢測(cè)、輸出開關(guān)量的傳感器。,傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域,1、傳感器在工業(yè)檢測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用,圖34： 流量計(jì)板式安裝示意圖,圖圖2-1 壓力傳感器,壓力傳感器,流量傳感器,傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域,這種麥克風(fēng)是一種將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器。,2、傳感器與家用電器,話筒,聲電磁感應(yīng) 電流,動(dòng)圈式話筒構(gòu)造原理圖，它是利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象制成的，當(dāng)聲波使金屬膜片振動(dòng)時(shí)，連接在膜片上的線圈（叫做音圈）隨著一起振動(dòng)，音圈在永久磁鐵的磁場(chǎng)里振動(dòng)，其中就產(chǎn)生感應(yīng)電流（電信號(hào)），感應(yīng)電流的大小和方向都變化，變化的振幅和

4、頻率由聲波決定，這個(gè)信號(hào)電流經(jīng)擴(kuò)音器放大后傳給揚(yáng)聲器，從揚(yáng)聲器中就發(fā)出放大的聲音,溫濕度傳感器,溫度傳感器,感應(yīng)水龍頭,電子門,傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域,3、汽車與傳感器,汽車氣囊的保護(hù)作用,使用加速度傳感器可以在汽車發(fā)生碰撞時(shí)，經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣 。,輔助泊車傳感器,雙聲納,間隙檢測(cè)聲納,后聲納,電源指示,轉(zhuǎn)向指示,間隙警告ECU,間隙檢測(cè)聲納,集成開關(guān)面板,多功能信息顯示,多功能顯示,偵測(cè)柵,主要功能是判斷正前方及側(cè)前方的障礙物,定位、地理信息,傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域,4、傳感器在機(jī)器人上的應(yīng)用,觸覺能力： 主要指確定工作對(duì)象是否存在，以及它的尺寸大小和形狀等。 接近覺： 主要用于探測(cè)機(jī)器人自身與

5、周圍物體之間相對(duì)位置或距離的傳感器。接近覺界于觸覺與視覺之間。 視覺： 孔、邊、拐角的檢測(cè)及工作對(duì)象形狀的檢測(cè)等。 壓覺： 主要用于檢測(cè)機(jī)器人與作業(yè)對(duì)象之間接觸面的法向壓力值的大小。 滑覺： 主要用于檢測(cè)物體因自重相對(duì)于機(jī)器人手爪的滑移量的大小。,弧焊機(jī)器人,日本舞蹈機(jī)器人,美國火星探測(cè)器,法國nao機(jī)器人,傳感器的主要參數(shù),1. 靈敏度 靈敏度是傳感器靜態(tài)特性的一個(gè)重要指標(biāo)。其定義是輸出量增量y與引起輸出量增量y的相應(yīng)輸入量增量x之比。用S表示靈敏度，即,它表示單位輸入量的變化所引起傳感器輸出量的變化，很顯然， 靈敏度S值越大， 表示傳感器越靈敏。,傳感器的靈敏度,2. 線性度 傳感器的線性

6、度是指?jìng)鞲衅鞯妮敵雠c輸入之間數(shù)量關(guān)系的線性程度。輸出與輸入關(guān)系可分為線性特性和非線性特性。從傳感器的性能看， 希望具有線性關(guān)系， 即理想輸入輸出關(guān)系。但實(shí)際遇到的傳感器大多為非線性。 ,幾種直線擬合方法 (a) 理論擬合； (b) 過零旋轉(zhuǎn)擬合； (c) 端點(diǎn)連線擬合； (d) 端點(diǎn)平移擬合,3. 遲滯 傳感器在輸入量由小到大（正行程）及輸入量由大到?。ǚ葱谐蹋┳兓陂g其輸入輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象稱為遲滯。也就是說，對(duì)于同一大小的輸入信號(hào)，傳感器的正反行程輸出信號(hào)大小不相等，這個(gè)差值稱為遲滯差值。,4. 重復(fù)性 重復(fù)性是指?jìng)鞲衅髟谳斎肓堪赐环较蜃魅砍踢B續(xù)多次變化時(shí)，所得特性曲線不一致的程

7、度。重復(fù)性誤差屬于隨機(jī)誤差，常用標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算，也可用正反行程中最大重復(fù)差值Rmax計(jì)算，即,或,5. 漂移 傳感器的漂移是指在輸入量不變的情況下，傳感器輸出量隨著時(shí)間變化，此現(xiàn)象稱為漂移。產(chǎn)生漂移的原因有兩個(gè)方面： 一是傳感器自身結(jié)構(gòu)參數(shù)；二是周圍環(huán)境（如溫度、濕度等）。 最常見的漂移是溫度漂移，即周圍環(huán)境溫度變化而引起輸出的變化。,針對(duì)智能車競(jìng)賽介紹幾種傳感器,光電傳感器：檢測(cè)賽道信息 電磁傳感器：檢測(cè)賽道信息 測(cè)速傳感器：檢測(cè)智能車轉(zhuǎn)速 超聲波傳感器：檢測(cè)障礙物,光電傳感器,光電式傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)速度快，可靠性較高，能實(shí)現(xiàn)參數(shù)的非接觸測(cè)量，因此廣泛地應(yīng)用于各種工業(yè)自動(dòng)化儀表中。光電式傳

8、感器可用來測(cè)量光學(xué)量或測(cè)量已先行轉(zhuǎn)換為光學(xué)量的其他被測(cè)量，然后輸出一定形式的電信號(hào)。在測(cè)量光學(xué)量時(shí)，光電器件是作為敏感元件使用；而測(cè)量其他物理量時(shí)，它是作為轉(zhuǎn)換元件使用。,內(nèi)光電效應(yīng),在光線作用下，物體的導(dǎo)電性能發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)稱為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又可分為以下兩類： （1） 光電導(dǎo)效應(yīng) 在光線作用下，對(duì)于半導(dǎo)體材料吸收了入射光子能量， 若光子能量大于或等于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度， 就激發(fā)出電子-空穴對(duì)，使載流子濃度增加，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性增加，阻值減低，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。光敏電阻就是基于這種效應(yīng)的光電器件。 （2） 光生伏特效應(yīng) 在光線的作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)

9、的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)?；谠撔?yīng)的光電器件有光電池。,光敏電阻,光敏電阻又稱光導(dǎo)管，它幾乎都是用半導(dǎo)體材料制成的光電器件，其常用的材料有硫化光敏電阻沒有極性，純粹是一個(gè)電阻器件，使用時(shí)既可加直流電壓，也可以加交流電壓。無光照時(shí)，光敏電阻值（暗電阻）很大，電路中電流（暗電流）很小。當(dāng)光敏電阻受到一定波長范圍的光照時(shí)，它的阻值（亮電阻）急劇減小，電路中電流迅速增大。,光敏電阻結(jié)構(gòu),(a) 光敏電阻結(jié)構(gòu)； (b) 光敏電阻電極； (c) 光敏電阻接線圖,光敏二極管,裝在透明玻璃外殼中，其PN結(jié)裝在管的頂部，可以直接受到光照射。光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)，在沒有光照射時(shí)，反向電阻很大，

10、反向電流很小，這反向電流稱為暗電流，當(dāng)光照射在PN結(jié)上，光子打在PN結(jié)附近，使PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子和光生空穴對(duì)，它們?cè)赑N結(jié)處的內(nèi)電場(chǎng)作用下作定向運(yùn)動(dòng)，形成光電流。因此光敏二極管在不受光照射時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)，受光照射處于導(dǎo)通狀態(tài)。,光敏晶體管,光敏晶體管與一般晶體管很相似，具有兩個(gè)PN結(jié)，只是它的發(fā)射極一邊做得很大，以擴(kuò)大光的照射面積。 大多數(shù)光敏晶體管的基極無引出線，當(dāng)集電極加上相對(duì)于發(fā)射極為正的電壓而不接基極時(shí)，集電結(jié)就是反向偏壓， 當(dāng)光照射在集電結(jié)時(shí)，就會(huì)在結(jié)附近產(chǎn)生電子空穴對(duì)，光生電子被拉到集電極，基區(qū)留下空穴，使基極與發(fā)射極間的電壓升高，這樣便會(huì)有大量的電子流向集電極，形成輸出電流，

11、且集電極電流為光電流的倍，所以光敏晶體管有放大作用。,發(fā)光二極管,可以把電能轉(zhuǎn)化成光能。常簡寫為LED。發(fā)光二極管與普通二極管一樣是由一個(gè)PN結(jié)組成，也具有單向?qū)щ娦浴?光電耦合器,光電耦合器是以光為媒介傳輸電信號(hào)的一種電光電轉(zhuǎn)換器件。它由發(fā)光源和受光器兩部分組成。把發(fā)光源和受光器組裝在同一密閉的殼體內(nèi)，彼此間用透明絕緣體隔離。發(fā)光源的引腳為輸入端，受光器的引腳為輸出端，常見的發(fā)光源為發(fā)光二極管，受光器為光敏二極管、光敏三極管等等。,紅 外 技 術(shù),紅外輻射 紅外輻射俗稱紅外線，它是一種不可見光， 由于是位于可見光中紅色光以外的光線，故稱紅外線。它的波長范圍大致在0.761000 m， 工程上

12、又把紅外線所占據(jù)的波段分為四部分， 即近紅外、中紅外、 遠(yuǎn)紅外和極遠(yuǎn)紅外。,紅外原理,紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射，一個(gè)熾熱物體向外輻射的能量大部分是通過紅外線輻射出來的。物體的溫度越高，輻射出來的紅外線越多，輻射的能量就越強(qiáng)。紅外光的本質(zhì)與可見光或電磁波性質(zhì)一樣，具有反射、 折射、散射、干涉、吸收等特性， 它在真空中也以光速傳播，并具有明顯的波粒二相性。,紅外發(fā)光二極管,常用的紅外發(fā)光二極管，其外形和發(fā)光二極管LED相似，發(fā)出紅外光。管壓降約1.4v，工作電流一般小于20mA。 紅外線發(fā)射與接收的方式有兩種，其一是直射式，其二是反射式。直射式指發(fā)光管和接收管相對(duì)安放在發(fā)射與受控物的兩端，中間相

13、距一定距離（遙控器的原理）；反射式指發(fā)光管與接收管并列一起，平時(shí)接收管始終無光照，只在發(fā)光管發(fā)出的紅外光線遇到反射物時(shí)，接收管收到反射回來的紅外光線才工作。,基于光電管賽道參數(shù)檢測(cè)方法,光電傳感器檢測(cè)路面信息的原理是由發(fā)射管發(fā)射一定波長的紅外線，經(jīng)地面反射到接收管。如下圖，由于在黑色和白色上反射系數(shù)不同，在黑色上大部分光線被吸收，而白色上可以反射回大部分光線，所以接收到的反射光強(qiáng)是不一樣，進(jìn)而導(dǎo)致接收管的特性曲線發(fā)生變化程度不同，而從外部觀測(cè)可以近似認(rèn)為接收管兩端輸出電阻不同，進(jìn)而經(jīng)分壓后的電壓就不一樣，就可以將黑白路面區(qū)分開來。,紅外管的選擇,模擬紅外傳感器 輸出的信號(hào)是模擬的，需要A/D轉(zhuǎn)

14、換模塊，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送到單片機(jī)的輸入口。 優(yōu)點(diǎn)：能得到更加多的路面信息，有利于更準(zhǔn)確的判斷賽道形狀，智能小車能更安全、穩(wěn)定的行駛。 數(shù)字紅外傳感器(一般是集成好的) 不需要A/D轉(zhuǎn)換，出來的信號(hào)直接是0,1這樣的數(shù)字信號(hào)。,數(shù)目的要求 大賽要求的整個(gè)智能車上安裝的傳感器數(shù)目不能超過16個(gè)，除去測(cè)速傳感器及其它額外的使用，一般的用于檢測(cè)賽道的紅外傳感器數(shù)目不要超過14個(gè)。 傳感器排布的方式 大賽對(duì)智能車的長寬都有限制，因此小車前方的用于識(shí)別路徑的紅外管排布的整體長度不能超過大賽規(guī)定的長度。 在規(guī)定的寬度內(nèi)，紅外管的排布形狀常見的有： 一字型 w 型 雙排型,14個(gè)紅外管的一字型排布圖,關(guān)于這

15、14個(gè)傳感器之間的間隔大小需要實(shí)際的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，一般采取中間密兩邊疏的形式,數(shù)字型光電傳感器只有0與1 兩種狀態(tài)，因此各個(gè)傳感器的布局間隔將影響車對(duì)路徑的識(shí)別精度以及對(duì)舵機(jī)的控制算法的優(yōu)劣,南京郵電大學(xué)紅外傳感器的安裝,特點(diǎn)：不僅向上翹，而且成弓形，這樣小車的紅外頭不僅可以看得更遠(yuǎn)，而且可以看得更加寬廣，在小車跑賽道是可以提前轉(zhuǎn)彎，切內(nèi)道。,光電傳感器在普通的道路上,黑線引線的寬度為25mm 所以在普通的道路上，一般采集到的數(shù)據(jù)最多有3個(gè)1,光電傳感器在起跑線處,光電傳感器在十字交叉線處,一般14個(gè)紅外管全部照在黑線上，因此單片機(jī)的輸入口接收到到的14路數(shù)據(jù)全為1。,激光光電傳感器,特點(diǎn)： 抗干

16、擾能力強(qiáng)。紅外的會(huì)受到日光的影響。調(diào)試時(shí)要根據(jù)環(huán)境的不同調(diào)整參數(shù)。 激光的檢測(cè)范圍大(40cm)。 功率比紅外小得多，省電。,激光光電傳感器,檢測(cè)電磁場(chǎng)的傳感器,第五屆飛思卡爾智能車大賽中新增了電磁組。在跑道下通有100mA，20KHz的交變電流。根據(jù)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，交變電流會(huì)在周圍產(chǎn)生電磁場(chǎng)。,導(dǎo)線周圍存在電磁場(chǎng)。通過檢測(cè)相應(yīng)的電磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向可以反過來推算導(dǎo)線的位置。這是電磁場(chǎng)導(dǎo)航的原理。,采用電磁感應(yīng)線圈檢測(cè)磁場(chǎng),感應(yīng)磁場(chǎng)線圈,可以自行繞，也可以購買10mH工字型電感。,信號(hào)的選頻,信號(hào)的選頻放大,整體圖,利用霍爾效應(yīng)檢測(cè)磁場(chǎng),霍爾效應(yīng)：當(dāng)電流垂直于外磁場(chǎng)通過導(dǎo)體時(shí)，在導(dǎo)體的垂直于磁

17、場(chǎng)和電流方向的兩個(gè)端面之間會(huì)出現(xiàn)電勢(shì)差，這一現(xiàn)象便是霍爾效應(yīng)。這個(gè)電勢(shì)差也被叫做霍爾電勢(shì)差。,電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量(實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制),光電編碼器 測(cè)速發(fā)電機(jī) 霍爾元件測(cè)速,光電編碼器,通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。光電編碼器是由光柵盤和光電檢測(cè)裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個(gè)長方形孔。由于光電碼盤與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)，通過計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。,光電編碼器實(shí)物圖,受到外界干擾比較大 性能好的光電編碼器價(jià)格貴,測(cè)速發(fā)電機(jī),輸出

18、電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)速成比例的微特電機(jī)。測(cè)速發(fā)電機(jī)的繞組和磁路經(jīng)精確設(shè)計(jì)，其輸出電動(dòng)勢(shì)E和轉(zhuǎn)速n成線性關(guān)系，即E=Kn,K是常數(shù)。改變旋轉(zhuǎn)方向時(shí)輸出電動(dòng)勢(shì)的極性即相應(yīng)改變。在被測(cè)機(jī)構(gòu)與測(cè)速發(fā)電機(jī)同軸聯(lián)接時(shí)，只要檢測(cè)出輸出電動(dòng)勢(shì)，就能獲得被測(cè)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速，故又稱速度傳感器。,精確測(cè)量轉(zhuǎn)速，不受外界干擾 增加了系統(tǒng)的重量,霍爾元件測(cè)速,在非磁材料的圓盤邊上粘貼一塊磁鋼，霍爾傳感器固定在圓盤外緣附近。圓盤每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，霍爾傳感器便輸出一個(gè)脈沖。通過單片機(jī)測(cè)量產(chǎn)生脈沖的頻率就可以得出圓盤的轉(zhuǎn)速。,實(shí)際原理圖,受到外界干擾小 價(jià)格便宜 需設(shè)計(jì)圓、磁鋼和轉(zhuǎn)盤的機(jī)械結(jié)構(gòu),超聲波傳感器,超聲波及其物理性質(zhì) 振動(dòng)在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱為波動(dòng)，簡稱波。其頻率在162104 Hz之間，能為人耳所聞的機(jī)械波，稱為聲波；低于16 Hz的機(jī)械波，稱為次聲波；高于2104 Hz的