传感器与检测技术(第3版)[谢志萍]05

第5章新型传感器电子工业出版社传感器与检测技术5.1仿生传感器5.1.1机器人内部传感器概述1．机器人用位置检测传感器机器人用位置检测传感器主要有微型限位开关、光电断路器和电磁式接近开关等。微型限位开关的实现原理是在移动体上安装一挡块，该物体移至一定位置后，挡块碰上机械开关，引起开关触点的开闭，从而通过控制电路，控制机器人的动作。光电断路器由发光二极管、光电三极管组成，当被测物体移动，隔断其“光路”，引起光电三极管输出电位的变化。电磁式接近开关是利用感应线圈靠近磁性物体，从而产生感应信号。传感器与检测技术5.1仿生传感器2．机器人用位移检测传感器机器人用位移检测传感器主要有直线电位器、可调变压器、磁性传感器和磁尺等。传感器与检测技术5.1仿生传感器3．机器人用角位移检测传感器机器人用角位移检测传感器除了有旋转式电位器、旋转式可调变压器外，还有鉴相器、光电式编码器等。鉴相器由互相正交的两个线圈组成定子和转子，它们之间的磁耦合在互为平行时最大，垂直时为零，因而产生的电压信号随转子和定子相对角度变化而变化。这种角度检测器在激磁频率为1～2kHz时，角分辨精度达0.12°～0.34°。传感器与检测技术5.1仿生传感器4．机器人用速度检测传感器机器人用速度检测传感器常用的有测速电机及脉冲发生器两类，它不仅可以测试速度，还可以测试动态响应补偿。测速发电机的输出是与转速成正比的连续信号，脉冲发生器是一种数字型速度传感器，其结构与光电编码器类似，同时检测输出脉冲数和脉冲频率，便能确定旋转速度值。传感器与检测技术5.1仿生传感器5．机器人用加速度检测传感器机器人用加速度检测传感器主要有差动变压器型和应变仪型。差动变压器型加速度传感器，由弹簧支撑的铁芯和转轴构成，当速度变化时，由于惯性，铁芯产生位移，由于铁芯处于差动变压器中，差动变压器线圈中将产生相应的信号，用以检测加速度。应变仪型加速度传感器是由质量块和粘贴有应变片的弹簧片构成，加速度的变化将引起应变片的直径和长度产生微小变化，因而可得到所需要的速度信号。6．机器人用力检测传感器传感器与检测技术5.1仿生传感器5.1.2机器人外部传感器类型检测内容应用目的传感器件明暗觉是否有光、亮度多少判断有无对象，并检测之光电管，光电断流器色觉对象色彩及浓度利用颜色识别对象的场合彩色摄影机，滤色器，彩色光管位置觉物体的位置、角度、距离物体空间位置、检测物体移动摄像管形状觉物体的外形提取物体轮廓及固有特征、识别物体光电晶体管阵列，CCD，图像传感器，SPD等接触觉与对象是否接触，接触位置决定对象位置，识别对象形态，控制速度，安全保障，异常停止，寻径电位计，光电传感器，微型开关，薄膜接点，针式接点压觉对物体的压力、握力、压力分布控制握力，识别握持物，测量物体弹性压电元件，导电橡胶，压每半导体，感压高分子材料，应变针力觉机器人有关部件（如手指）所受外力及转矩控制手腕移动，伺服控制，正确完成作业应变针，负载单元，转矩检测接近觉与对象物是否接近，接近距离对象面的倾斜控制位置，寻径、安全保障，民常停止光传感器，气压传感器，超声波传感器，磁传感器滑觉垂直于握持面方向物体的位移、旋转重力引起的变形修正握力，防止打滑，测量物体的重量及表面，进行多层作业球形接点，旋转传感器，微型开关，振动检测器，圆筒状光电旋转传感器传感器与检测技术5.1仿生传感器1．视觉传感器传感器与检测技术5.1仿生传感器2．听觉传感器听觉传感器是机器人的耳朵，它是利用语音信息处理技术制成的。若仅要求它对声音产生反应，可选用一个开关量输出形式的听觉传感器。这种传感器是比较简单的，只需用一个声-电转换器就能办到。但一个高级的机器人不仅能够听懂人的语言指令，而且能讲出人能听懂的语言，前者为语音识别技术，后者为语音合成技术。具有语音识别功能的传感器称为听觉传感器。传感器与检测技术5.1仿生传感器3．接触觉传感器传感器与检测技术5.1仿生传感器4．接近觉传感器（1）光电式接近觉传感器是一种比较简单有效的传感器，把它装在机器人手（或足）上，能够检测机器人手臂（或腿）运动路线上的各种物体。（2）超声波是人耳听不见的一种机械波，频率在20kHz以上。人耳能听到的声音，振动频率范围只是20～20000Hz。超声波因其波长较短，绕射小，而能成为声波射线并定向传播。（3）电涡流传感器主要用于检测由金属材料制成的对象物体。它是利用一个导体在非均匀磁场中移动或处在交变磁场内，导体内就会出现感应电流这一基本电学原理工作的。传感器与检测技术5.1仿生传感器5．嗅觉传感器人鼻是嗅觉器官，嗅觉传感器就是仿真人鼻功能的一种传感器。给机器人装上嗅觉传感器，它就能感受各种气味，从而用来识别其所在环境中的有害气体，并测定有害气体的含量。目前还做不到让机器人像人一样闻出多种气味的机器鼻子。常用的嗅觉传感器是半导体气体传感器，它是利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体的物理性质变化，借以测定某种特定的气体成分及其含量的。大气中的气味各种各样，而目前研制出的气体传感器只能识别如H2、CO2、CO、NO等少数气体，因此除特殊需要安装探测特定气体的气体传感器外，一般的机器人基本上没有嗅觉。传感器与检测技术5.2光纤传感器5.2.1光纤结构传感器与检测技术5.2光纤传感器5.2.2光纤传感器的工作原理传感器与检测技术5.2光纤传感器5.2.3光纤传感器的特点（1）抗电磁干扰，电绝缘，耐腐蚀。（2）灵敏度高。（3）重量轻，体积小，可弯曲。（4）测量对象广泛。（5）对被测介质影响小。（6）便于复用，便于成网。（7）成本低。传感器与检测技术5.2光纤传感器5.2.4光纤传感器的应用举例1．光纤传感器涡轮流量计光纤传感器流量计原理传感器与检测技术5.2光纤传感器双向流量测量原理图传感器与检测技术5.2光纤传感器2．光纤温度传感器传感器与检测技术5.3微型传感器5.3.1电容式微型传感器1．电容式微型压力传感器传感器与检测技术5.3微型传感器2．电容式微型流量传感器传感器与检测技术5.3微型传感器5.3.2电感式微型传感器传感器与检测技术5.3微型传感器5.3.3压阻式微型传感器传感器与检测技术5.3微型传感器压阻式微型传感器结构传感器与检测技术5.3微型传感器5.3.4热敏电阻式微型传感器传感器与检测技术5.3微型传感器5.3.5微机械陀螺仪1．MEMS陀螺仪的工作原理传感器与检测技术5.3微型传感器2．MEMS陀螺仪的应用在汽车上，偏航陀螺仪可以开启电子稳定控制（ESC）制动系统，防止汽车急转弯时发生意外事故；当汽车出现翻滚状况时，滚转陀螺仪可以引爆安全气囊；当汽车导航系统无法接收GPS卫星信号时，偏航陀螺仪能够测量汽车的方位，使汽车始终沿电子地图的规划路线行驶，这个功能被称之为航位推测系统。传感器与检测技术5.4集成传感器5.4.1集成温度传感器1．AD590传感器性能特点分挡参数IJKLM工作电压+4～+30V25℃电流输出298.2A温度系数1A/K25℃可校正误差10℃5.0℃2.5℃1.0℃0.5℃非线性误差3.0℃1.5℃0.8℃0.4℃0.3℃长期漂移0.1℃输出阻抗＞10M分挡参数IJKLM+4～+5V0.5A/V+5～+15V0.2A/V+15～+30V0.1A/V最大正向电源+44V最大反向电源-20V传感器与检测技术5.4集成传感器2．AD590的测温误差传感器与检测技术5.4集成传感器3．AD590的应用21T12()IIIKTTo3T312()UIRKRTT传感器与检测技术5.4集成传感器5.4.2智能压力传感器1．压力传感器的基本结构和特性传感器与检测技术5.4集成传感器2．温度补偿传感器与检测技术5.4集成传感器3．传感器放大电路21BAR由于MPX700DP传感器的输出电压为mV级，为了将传感器的输出电压进行放大以驱动后续的电路，在测量电路中必须使用放大器。放大器除了放大传感器的输出电压外，还提供零压力情况下传感器零点偏差电压。传感器与检测技术5.4集成传感器4．A/D转换器A/D转换器采用一块高性能的ICL7106CPL型A/D转换器芯片（IC2），将运算放大器差分输出的模拟电压转换成相应的数字量。显示部分采用2块LCD显示器。IC2内有7段数字译码器、显示驱动电路、频率产生器、参考电压和时钟。芯片可直接驱动3位半的LCD，而不需要多路选择式的显示方式。只是在本测试仪中，LCD的最高位和最低位数字未全被利用。但如果需要较大的范围或较高的分辨率时，未使用的芯片端口可再连接一位半的附加数字显示位。传感器与检测技术5.4集成传感器5．电路装调及压力连接压力传感器需小心安装于PC板上（有缺口的管脚为1管脚），并使用合适的工具和螺钉紧固传感器。注意不要过紧，以免损坏塑壳。为了保证稳定，除R5、R11和R8外，均应采用金属膜电阻。传感器与检测技术5.4集成传感器6．校准电路的校准包括零点校准（R16）和满量程校准（R6）两个方面。校准时，需要压力可达100Pa的压力源和精确的压力表。将传感器接入压力源。当压力在0～100Pa之间时，数字压力测量仪可通过参考压力表的对比进行检查。传感器与检测技术5.5超声波传感器5.5.1超声波传感器的工作原理传感器与检测技术5.5超声波传感器空气传导型超声发射器、接收器结构1－外壳；2－金属丝网罩；3－锥形共振盘；4－压电晶片；5－引脚；6－阻抗匹配器；7－超声波束传感器与检测技术5.5超声波传感器5.5.2超声波传感器的应用1．超声波测厚2vtd传感器与检测技术5.5超声波传感器2．超声波测量液位和物位2vth22hsa传感器与检测技术5.5超声波传感器例5.1超声波液位计原理如图5.30所示，从显示屏上测得t0=2ms，th1=5.6ms。已知水底与超声波探头的间距210mh，反射小板4与探头3的间距00.34mh，求液位h。传感器与检测技术5.5超声波传感器解：由于010h1hhtt所以有h1=h100tht=5.60.34/2=0.95（m）所以液位h为：h=h2-h1=10-0.95=9.05（m）传感器与检测技术5.5超声波传感器3．超声波防盗报警器传感器与检测技术5.5超声波传感器4．无损探伤1－电缆插头座；2－工作方式选择；3－衰减细调；4－衰减粗调；5－发射波T；6－第一次底反射波B1；7－第二次底反射波B2；8－第五次底反射波B5；9－扫描时间调节；10－扫描时间微调；11－脉冲X轴移位；12－报警扬声器；13－直探头传感器与检测技术5.5超声波传感器（1）缺陷面积大，则缺陷脉冲F的幅度就高，而B脉冲的幅度就低。（2）F脉冲距离T脉冲越近，缺陷距离表面越近。传感器与检测技术5.5超声波传感器例5.2如图5.33（b）中所示，显示器的X轴为10μs/div(格)，现测得B波与T波的距离为10格，F波与T波的距离为3.5格，已知纵波在钢板中的声速c=5.9103m/s。求：（1）超声波从钢板底部返回时间tδ及从缺陷返回时间tF；（2）钢板的厚度δ及缺陷与表面的距离xF。解：（1）tδ=10μs/div10div=100μs=0.1ms，tF=10μs/div3.5div=35μs=0.035ms（2）纵波在钢板中的声速c=5.9103m/s，则，δ=tδcL/2=5.91030.110-3/20.3（m）xF=tδcF/2=5.91030.03510-3/20.1（m）传感器与检测技术5.6无线传感器网络5.6.1无线传感器网络的基本结构体系1．无线传感器网络结构传感器与检测技术5.6无线传感器网络传感器节点体系结构传感器与检测技术5.6无线传感器网络2．无线传感器节点结构传感器与检测技术5.6无线传感器网络3．无线传感器网络协议栈传感器与检测技术5.6无线传感器网络5.6.2无线传感器网络的特点1．传感器节点体积小，成本低，计算能力有限2．传感器节点数量大，易失效，具有自适应性3．通信半径小，带宽很低4．电源能量是网络