感应技术简介李超波

感应技术简介李超波第1页/共36页3D感應技術簡介:一.傳感器簡介1.1傳感器定義a）能感受規定的被測量並按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置b）接受物理或化學變數(輸入變數)形式的資訊，並按一定規律將其轉換成同種或別種性質的輸出信號的裝置。第2页/共36页3D感應技術簡介:英文名稱：transducer/sensor國家標準GB7665-87對感測器下的定義是：“能感受規定的被測量並按照一定的規律轉換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成”。感測器是一種檢測裝置，能感受到被測量的資訊，並能將檢測感受到的資訊，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的資訊輸出，以滿足資訊的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現自動檢測和自動控制的首要環節。第3页/共36页3D感應技術簡介:“感測器”在新韋式大詞典中定義為：“從一個系統接受功率，通常以另一種形式將功率送到第二個系統中的器件”。根據這個定義，感測器的作用是將一種能量轉換成另一種能量形式，所以不少學者也用“換能器－Transducer”來稱謂“感測器－Sensor”。第4页/共36页3D感應技術簡介:

感測器工作原理的分類物理感測器應用的是物理效應，諸如壓電效應，磁致伸縮現象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應。被測信號量的微小變化都將轉換成電信號。化學感測器包括那些以化學吸附、電化學反應等現象為因果關係的感測器，被測信號量的微小變化也將轉換成電信號。向感測器提供±15V電源，激磁電路中的晶體振盪器產生400Hz的方波，經過TDA2030功率放大器即產生交流激磁功率電源，通過能源環形變壓器T1從靜止的初級線圈傳遞至旋轉的次級線圈，得到的交流電源通過軸上的整流濾波電路得到±5V的直流電源，該電源做運算放大器AD822的工作電源；由基準電源AD589與雙運放AD822組成的高精度穩壓電源產生±4.5V的精密直流電源，該電源既作為電橋電源，又作為放大器及V/F轉換器的工作電源。當彈性軸受扭時，應變橋檢測得到的mV級的應變信號通過儀錶放大器AD620放大成1.5v±1v的強信號，再通過V/F轉換器LM131變換成頻率信號，通過信號環形變壓器T2從旋轉的初級線圈傳遞至靜止次級線圈，再經過外殼上的信號處理電路濾波、整形即可得到與彈性軸承受的扭矩成正比的頻率信號，該信號為TTL電平,既可提供給專用二次儀錶或頻率計顯示也可直接送電腦處理。由於該旋轉變壓器動--靜環之間只有零點幾毫米的間隙，加之感測器軸上部分都密封在金屬外殼之內，形成有效的遮罩，因此具有很強的抗干擾能力。有些感測器既不能劃分到物理類，也不能劃分為化學類。大多數感測器是以物理原理為基礎運作的。化學感測器技術問題較多，例如可靠性問題，規模生產的可能性，價格問題等，解決了這類難題，化學感測器的應用將會有巨大增長。1.2感測器的原理第5页/共36页3D感應技術簡介:1.3感測器的應用1自動門，利用人體的紅外微波來開關門第6页/共36页3D感應技術簡介:1.3感測器的應用2煙霧報警器，利用煙敏電阻來測量煙霧濃度，從而達到報警目的第7页/共36页3D感應技術簡介:1.3感測器的應用3手機，數碼相機的照相機，利用光學感測器來捕獲圖像第8页/共36页3D感應技術簡介:1.3感測器的應用4電子稱，利用力學感測器（導體應變片技術）來測量物體對應變片的壓力，從而達到測量重量目的第9页/共36页3D感應技術簡介:1.3感測器的應用5水位報警，溫度報警，濕度報警，光學報警等都是……第10页/共36页3D感應技術簡介:1.3感測器的應用6智慧感測器已廣泛應用於航太、航空、國防、科技和工農業生產等各個領域中第11页/共36页3D感應技術簡介:1.4感測器的功能光敏感測器——視覺聲敏感測器——聽覺氣敏感測器——嗅覺化學感測器——味覺壓敏、溫敏、流體感測器——觸覺常將感測器的功能與人類5大感覺器官相比擬：第12页/共36页3D感應技術簡介:1.4感測器的功能物理類，基於力、熱、光、電、磁和聲等物理效應。化學類，基於化學反應的原理。生物類，基於酶、抗體、和激素等分子識別功能。通常據其基本感知功能可分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類。第13页/共36页3D感應技術簡介:1.5感測器的分類感測器按照其用途分類：壓力敏和力敏感測器位置感測器液面感測器能耗感測器速度感測器加速度感測器射線輻射感測器熱敏感測器24GHz雷達感測器傳感器分類感測器按照其原理分類：振動感測器濕敏感測器磁敏感測器氣敏感測器真空度感測器生物感測器等第14页/共36页3D感應技術簡介:1.6感測器的發展趨勢感測器的發展趨勢

採用新原理、開發新型感測器；

大力開發物性型傳感器(因為靠結構型有些滿足不了要求)；

感測器的集成化；

感測器的多功能化；

感測器的智慧化(SmartSensor)；

研究生物感官，開發仿生感測器。

.第15页/共36页3D感應技術簡介:二.陀螺儀簡介2.1陀螺儀定義利用高速回轉體的動量矩敏感殼體相對慣性空間繞正交於自轉軸的一個或二個軸的角運動檢測裝置。利用其他原理製成的角運動檢測裝置起同樣功能的也稱陀螺儀。

第16页/共36页3D感應技術簡介:2.2陀螺儀結構

基本上陀螺儀是一種機械裝置，其主要部分是一個對旋轉軸以極高角速度旋轉的轉子，轉子裝在一支架內；在通過轉子中心軸XX1上加一內環架，那麼陀螺儀就可環繞飛機兩軸作自由運動；然後，在內環架外加上一外環架；這個陀螺儀有兩個平衡環，可以環繞飛機三軸作自由運動，就是一個完整的太空陀螺儀(spacegyro)。第17页/共36页3D感應技術簡介:2.3陀螺儀的歷史

1850年法國的物理學家萊昂·傅科（J.Foucault）為了研究地球自轉，首先發現高速轉動中的轉子（rotor），由於慣性作用它的旋轉軸永遠指向一固定方向，他用希臘字gyro（旋轉）和skopein（看）兩字合為gyroscopei一字來命名這種儀錶。陀螺儀是一種既古老而又很有生命力的儀器，從第一台真正實用的陀螺儀器問世以來已有大半個世紀，但直到現也，陀螺儀仍在吸引著人們對它進行研究，這是由於它本身具有的特性所決定的。陀螺儀最主要的基本特性是它的穩定性和進動性。人們從兒童玩的地陀螺中早就發現高速旋轉的陀螺可以豎直不倒而保持與地面垂直，這就反映了陀螺的穩定性。研究陀螺儀運動特性的理論是繞定點運動剛體動力學的一個分支，它以物體的慣性為基礎，研究旋轉物體的動力學特性。第18页/共36页3D感應技術簡介:2.4陀螺儀的原理

陀螺儀的原理就是，一個旋轉物體的旋轉軸所指的方向在不受外力影響時，是不會改變的。人們根據這個道理，用它來保持方向，製造出來的東西就叫陀螺儀。陀螺儀在工作時要給它一個力，使它快速旋轉起來，一般能達到每分鐘幾十萬轉，可以工作很長時間。然後用多種方法讀取軸所指示的方向，並自動將資料信號傳給控制系統。在現實生活中，陀螺儀發生的進給運動是在重力力矩的作用下發生的。第19页/共36页3D感應技術簡介:2.5陀螺儀特性

陀螺儀被廣泛用於航空、航太和航海領域。這是由於它的兩個基本特性：一為定軸性（inertiaorrigidity），另一是進動性（precession），這兩種特性都是建立在角動量守恆的原則下。

陀螺儀特性進動性定軸性第20页/共36页3D感應技術簡介:2.5陀螺儀特性定軸性

當陀螺轉子以高速旋轉時，在沒有任何外力矩作用在陀螺儀上時，陀螺儀的自轉軸在慣性空間中的指向保持穩定不變，即指向一個固定的方向；同時反抗任何改變轉子軸向的力量。這種物理現象稱為陀螺儀的定軸性或穩定性。其穩定性隨以下的物理量而改變：

1、轉子的轉動慣量愈大，穩定性愈好；

2、轉子角速度愈大，穩定性愈好。所謂的“轉動慣量”，是描述剛體在轉動中的慣性大小的物理量。當以相同的力矩分別作用於兩個繞定軸轉動的不同剛體時，它們所獲得的角速度一般是不一樣的，轉動慣量大的剛體所獲得的角速度小，也就是保持原有轉動狀態的慣性大；反之，轉動慣量小的剛體所獲得的角速度大，也就是保持原有轉動狀態的慣性小。第21页/共36页3D感應技術簡介:2.5陀螺儀特性

進動性

當轉子高速旋轉時,若外力矩作用於外環軸，陀螺儀將繞內環軸轉動；若外力矩作用於內環軸，陀螺儀將繞外環軸轉動。其轉動角速度方向與外力矩作用方向互相垂直。這種特性，叫做陀螺儀的進動性。進動角速度的方向取決於動量矩H的方向(與轉子自轉角速度向量的方向一致)和外力矩M的方向，而且是自轉角速度向量以最短的路徑追趕外力矩。如右圖。這可用右手定則判定。即伸直右手，大拇指與食指垂直，手指順著自轉軸的方向，手掌朝外力矩的正方向，然後手掌與4指彎曲握拳，則大拇指的方向就是進動角速度的方向。進動角速度的大小取決於轉子動量矩H的大小和外力矩M的大小,其計算式為=M/H。進動性的大小也有三個影響的因素：

1、外界作用力愈大，其進動角速度也愈大；

2、轉子的轉動慣量愈大，進動角速度愈小；

3、轉子的角速度愈大，進動角速度愈小。第22页/共36页3D感應技術簡介:2.6陀螺儀功能分類陀螺羅盤陀螺垂直儀陀螺方向儀

能給出飛行物體轉彎角度和航向指示的陀螺裝置。它是三自由度均衡陀螺儀，其底座固連在飛機上，轉子軸提供慣性空間的給定方向。若開始時轉子軸水準放置並指向儀錶的零方位，則當飛機繞鉛直軸轉彎時，儀錶就相對轉子軸轉動，從而能給出轉彎的角度和航向的指示。由於摩擦及其他干擾，轉子軸會逐漸偏離原始方向，因此每隔一段時間（如15分鐘）須對照精密羅盤作一次人工調整。

供航行和飛行物體作方向基準用的尋找並跟蹤地理子午面的三自由度陀螺儀。其外環軸鉛直，轉子軸水準置於子午面內，正端指北；其重心沿鉛垂軸向下或向上偏離支承中心。轉子軸偏離子午面時同時偏離水平面而產生重力矩使陀螺旋進到子午面，這種利用重力矩的陀螺羅盤稱擺式羅盤。近年來發展為利用自動控制系統代替重力擺的電控陀螺羅盤，並創造出能同時指示水平面和子午面的平臺羅盤。

利用擺式敏感元件對三自由度陀螺儀施加修正力矩以指示地垂線的儀錶，又稱陀螺水平儀。陀螺儀的殼體利用隨動系統跟蹤轉子軸位置，當轉子軸偏離地垂線時，固定在殼體上的擺式敏感元件輸出信號使力矩器產生修正力矩，轉子軸在力矩作用下旋進回到地垂線位置。陀螺垂直儀是除陀螺擺以外應用於航空和航海導航系統的又一種地垂線指示或量測儀錶。第23页/共36页3D感應技術簡介:2.6陀螺儀功能分類速率陀螺儀陀螺穩定平臺陀螺穩定器

穩定船體的陀螺裝置。20世紀初使用的施利克被動式穩定器實質上是一個裝在船上的大型二自由度重力陀螺儀，其轉子軸鉛直放置，框架軸平行於船的橫軸。當船體側搖時，陀螺力矩迫使框架攜帶轉子一起相對於船體旋進。這種搖擺式旋進引起另一個陀螺力矩，對船體產生穩定作用。斯佩里主動式穩定器是在上述裝置的基礎上增加一個小型操縱陀螺儀，其轉子沿船橫軸放置。一旦船體側傾，小陀螺沿其鉛直軸旋進，從而使主陀螺儀框架軸上的控制馬達及時開動，在該軸上施加與原陀螺力矩方向相同的主動力矩，藉以加強框架的旋進和由此旋進產生的對船體的穩定作用。

用以直接測定運載器角速率的二自由度陀螺裝置。把均衡陀螺儀的外環固定在運載器上並令內環軸垂直於要測量角速率的軸。當運載器連同外環以角速度繞測量軸旋進時，陀螺力矩將迫使內環連同轉子一起相對運載器旋進。陀螺儀中有彈簧限制這個相對旋進，而內環的旋進角正比於彈簧的變形量。由平衡時的內環旋進角即可求得陀螺力矩和運載器的角速率。積分陀螺儀與速率陀螺儀的不同處只在於用線性阻尼器代替彈簧約束。當運載器作任意變速轉動時，積分陀螺儀的輸出量是繞測量軸的轉角（即角速度的積分）。以上兩種陀螺儀在遠距離測量系統或自動控制、慣性導航平臺中使用較多。

以陀螺儀為核心元件，使被穩定對象相對慣性空間的給定姿態保持穩定的裝置。穩定平臺通常利用由外環和內環構成制平臺框架軸上的力矩器以產生力矩與干擾力矩平衡使陀螺儀停止旋進的穩定平臺稱為動力陀螺穩定器。陀螺穩定平臺根據物件能保持穩定的轉軸數目分為單軸、雙軸和三軸陀螺穩定平臺。陀螺穩定平臺可用來穩定那些需要精確定向的儀錶和設備，如測量儀器、天線等，並已廣泛用於航空和航海的導航系統及火控、雷達的萬向支架支承。根據不同原理方案使用各種類型陀螺儀為元件。其中利用陀螺旋進產生的陀螺力矩抵抗干擾力矩，然後輸出信號控、照相系統。第24页/共36页3D感應技術簡介:2.7三軸陀螺儀

三軸陀螺儀是能夠準確測定運動物體前後左右方位，主要用於測量運動物體角速度的慣性器件。利用的是一塊機械敏感元件，根據哥氏效應，由元件輸入軸的轉動產生一個正比於轉動角速率的電壓。它利用壓電石英材料來簡化驅動元件，大大的簡化了設備結構和電路裝置。第25页/共36页3D感應技術簡介:2.8三軸陀螺儀的原理

三軸陀螺儀可以用來測量角度,角加速度,這裡說的陀螺儀是:adis16350/adis16355,他們整合三個正交軸的陀螺儀感測器與3正交軸加速度感測器,創造性將六自由度(六自由度)集成在一單一封裝,加速器是在每個座標方向放置一個陀螺儀,這六個感測元件通過機械結構提供了嚴密的力量和議案的耦合一併運行.每個感測器的輸出信號通過一個DAC進行採樣.然後數位資料是存儲到一個專有的數文書處理電路,該電路為每個感測器建立表格來管理他們的輸出資料,用簡單的記憶體和系列介面,和其他簡化設計的系統來管理輸入輸出函數.第26页/共36页3D感應技術簡介:2.9三軸陀螺儀的應用○軍工○航海○汽車導航○平臺穩定○汽車安全系統○遙控直升機○車裝衛星天線設備○工業控制○機器人○3D虛擬實境○船隻電子磁鍼誤差補償有關傾斜（角速度）感應設備○儀器設備○GPS組合○攝像穩定第27页/共36页3D感應技術簡介:2.9現代陀螺儀

現代光纖陀螺儀包括干涉式陀螺儀和諧振式陀螺儀兩種，它們都是根據塞格尼克的理論發展起來的。塞格尼克理論的要點是這樣的：當光束在一個環形的通道中前進時，如果環形通道本身具有一個轉動速度，那麼光線沿著通道轉動的方向前進所需要的時間要比沿著這個通道轉動相反的方向前進所需要的時間要多。也就是說當光學環路轉動時，在不同的前進方向上，光學環路的光程相對於環路在靜止時的光程都會產生變化。利用這種光程的變化，如果使不同方向上前進的光之間產生干涉來測量環路的轉動速度，這樣就可以製造出干涉式光纖陀螺儀，如果利用這種環路光程的變化來實現在環路中不斷迴圈的光之間的干涉，也就是通過調整光纖環路的光的諧振頻率進而測量環路的轉動速度，就可以製造出諧振式的光纖陀螺儀。從這個簡單的介紹可以看出，干涉式陀螺儀在實現干涉時的光程差小，所以它所要求的光源可以有較大的頻譜寬度，而諧振式的陀螺儀在實現干涉時，它的光程差較大，所以它所要求的光源必須有很好的單色性。第28页/共36页3D感應技術簡介:三.電子羅盤

電子羅盤，也叫數位元指南針，是利用地磁場來定北極的一種方法。古代稱為羅經，現代利用先進加工工藝生產的磁阻感測器為羅盤的數位化提供了有力的幫助。現在一般有用磁阻感測器和磁通門加工而成的電子羅盤。雖然GPS在導航、定位、測速、定向方面有著廣泛的應用，但由於其信號常被地形、地物遮擋，導致精度大大降低，甚至不能使用。尤其在高樓林立城區和植被茂密的林區，GPS信號的有效性僅為60%。並且在靜止的情況下，GPS也無法給出航向資訊。為彌補這一不足，可以採用組合導航定向的方法。電子羅盤產品正是為滿足使用者的此類需求而設計的。它可以對GPS信號進行有效補償，保證導航定向資訊100%有效，即使是在GPS信號失鎖後也能正常工作，做到“丟星不丟向”。3.1電子羅盤概述第29页/共36页3D感應技術簡介:

電子羅盤可以分為平面電子羅盤和三維電子羅盤。平面電子羅盤要求使用者在使用時必須保持羅盤的水準，否則當羅盤發生傾斜時，也會給出航向的變化而實際上航向並沒有變化。雖然平面電子羅盤對使用時要求很高，但如果能保證羅盤所附載體始終水準的話，平面羅盤是一種性價比很好的選擇。三維電子羅盤克服了平面電子羅盤在使用中的嚴格限制，因為三維電子羅盤在其內部加入了傾角感測器，如果羅盤發生傾斜時可以對羅盤進行傾斜補償，這樣即使羅盤發生傾斜，航向資料依然準確無誤。有時為了克服溫度漂移，羅盤也可內置溫度補償，最大限度減少傾斜角和指向角的溫度漂移。3.2產品功能與簡介第30页/共36页3D感應技術簡介:

三維電子羅盤由三維磁阻感測器、雙軸傾角感測器和MCU構成。三維磁阻感測器用來測量地球磁場，傾角感測器是在磁力儀非水準狀態時進行補償；MCU處理磁力儀和傾角感測器的信號以及資料輸出和軟鐵、硬鐵補償。該磁力儀是採用三個互相垂直的磁阻感測器，每個軸向上的感測器檢測在該方向上的地磁場強度。向前的方向稱為x方向的感測器檢測地磁場在x方向的向量值；向左或Y方向的感測器檢測地磁場在Y方向的向量值；向下或Z方向的感測器檢測地磁場在Z方向的向量值。每個方向的感測器的靈敏度都已根據在該方向上地磁場的分向量調整到最佳點，並具有非常低的橫軸靈敏度。感測器產生的類比輸出信號進行放大後送入MCU進行處理。磁場測量範圍為±2Gauss。通過採用12位A/D轉換器，磁力儀能夠分辨出小於1mGauss的磁場變化量，我們便可通過該高分辨力來準確測量出200-300mGauss的X和Y方向的磁場強度，不論是在赤道上的向上變化還是在南北極的更低值位置。

3.3電子羅盤原理第31页/共36页3D感應技術簡介:

僅用地磁場在X和Y的兩個分向量值便可確定方位值：

Azimuth=arcTan(Y/X)該關係式是在檢測儀器與地表面平行時才成立。當儀器發生傾斜時，方位值的準確性將要受到很大的影響，該誤差的大小取決於儀器所處的位置和傾斜角