传感器与检测技术第谢志萍2

第5章

新型传感器电子工业出版社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。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。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°。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。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5.1仿生传感器1．视觉传感器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。5.1仿生传感器3．接触觉传感器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。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。5.2光纤传感器5.2.1光纤结构5.2光纤传感器5.2.2光纤传感器的工作原理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。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5.2光纤传感器双向流量测量原理图5.2光纤传感器2．光纤温度传感器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5.3微型传感器2．电容式微型流量传感器5.3微型传感子器5.3故.2电感式坊微型传税感器5.3微型传秘感器5.3.妹3压阻式款微型传盘感器5.3微型传感杰器压阻式微啄型传感器托结构5.3微型传纹感器5.3.龄4热敏电阻路式微型传渣感器5.3微型传感男器5.3非.5微机械陀符螺仪1．MEMS陀螺仪的吃工作原理5.3微型传秘感器2．MEM蕉S陀螺仪姨的应用在汽车疏上，偏煮航陀螺露仪可以腾开启电倦子稳定跃控制（ESC）制动铃系统，华防止汽英车急转搜弯时发握生意外瘦事故；陈当汽车木出现翻绵滚状况变时，滚铁转陀螺杂仪可以倦引爆安闷全气囊固；当汽引车导航蜻系统无趟法接收GPS卫星信倍号时，幅偏航陀劈燕螺仪能志够测量径汽车的绕方位，器使汽车舒始终沿亭电子地扒图的规促划路线各行驶，肝这个功根能被称础之为航技位推测妥系统。5.4集成传感洪器5.4洽.1集成温度确传感器1．AD59喜0传感器性携能特点分挡参数IJKLM工作电压+4～+30V25℃电流输出298.2A温度系数1A/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～+5V0.5A/V+5～+15V0.2A/V+15～+30V0.1A/V最大正向电源+44V最大反向电源-20V5.4集成传塔感器2．AD59螺0的测温误袭差5.4集成传感郑器3．AD59蛾0的应用5.4集成传感局器5.4.干2智能压嫩力传感收器1．压力传详感器的基积本结构和耻特性5.4集成传打感器2．温度市补偿5.4集成传感羞器3．传感摩器放大吃电路由于MPX羡700永DP传感器东的输出卷电压为mV级，为下了将传应感器的酱输出电燃压进行冒放大以世驱动后拍续的电夕路，在哀测量电敌路中必互须使用娘放大器欢。放大耍器除了博放大传析感器的内输出电率压外，击还提供饥零压力浅情况下畏传感器龙零点偏封差电压滨。5.4集成传感侄器4．A/D转换器A/D转换器刷采用一鱼块高性羽能的ICL7渐106C层PL型A/D转换器芯猴片（IC2），将运唱算放大器省差分输出哈的模拟电管压转换成扰相应的数椅字量。显符示部分采么用2块LCD显示器。IC2内有7段数字窄译码器捎、显示羡驱动电雁路、频易率产生趟器、参分考电压童和时钟等。芯片歪可直接植驱动3位半的LCD，而不需悲要多路选医择式的显夫示方式。泊只是在本全测试仪中询，LCD的最高止位和最项低位数占字未全失被利用充。但如挺果需要采较大的硬范围或斤较高的挂分辨率掘时，未绪使用的浮芯片端盆口可再某连接一阿位半的钢附加数责字显示联位。5.4集成传缸感器5．电路贯装调及店压力连注接压力传感卷器需小心扒安装于PC板上（堆有缺口塘的管脚常为1管脚）道，并使得用合适掩的工具孙和螺钉煮紧固传钩感器。汽注意不够要过紧幼，以免诱损坏塑若壳。为翅了保证兼稳定，向除R5、R11和R8外，均阳应采用惑金属膜掌电阻。5.4集成传感悔器6．校准电路的胳校准包老括零点精校准（R16）和满量饲程校准（R6）两个方控面。校准时防，需要辰压力可块达100泽Pa的压力源醒和精确的和压力表。将传感器海接入压力拍源。当压力辈在0～100P旗a之间时脚，数字否压力测坟量仪可亚通过参咳考压力击表的对壁比进行封检查。5.5超声波棉传感器5.5附.1超声波酒传感器拳的工作产原理5.5超声波传导感器空气传旧导型超树声发射池器、接皂收器结挥构1－外壳藏；2－金属呢丝网罩叶；3－锥形而共振盘离；4－压电晶构片；5－引脚靠；6－阻抗垫匹配器邀；7－超声波播束5.5超声波唐传感器5.5炭.2超声波兵传感器陪的应用1．超声波筝测厚5.5超声波传批感器2．超声悉波测量柜液位和哲物位5.5超声波惧传感器5.5超声波传尚感器5.5超声波根传感器3．超声佛波防盗邮报警器5.5超声波传埋感器4．无损身探伤1－电缆插向头座；2－工作方笔式选择；3－衰减摔细调；4－衰减顶粗调；5－发射业波T；6－第一肠次底反捏射波B1；7－第二旷次底反鲜射波B2；8－第五次承底反射波B5；9－扫描时扣间调节；10－扫描坊时间微浩调；11－脉冲X轴移位屈；12－报警扬迷声器；13－直探头5.5超声波传敏感器（1）缺陷片面积大朝，则缺那陷脉冲F的幅度轮就高，聚而B脉冲的幅龙度就低。（2）F脉冲距智离T脉冲越近典，缺陷距鸭离表面越漫近。5.5超声波传供感器例5.2如图5.3玻3（b）中所胶示，显喜示器的X轴为10μ清s/d甜iv(格)，现测菊得B波与T波的距离欧为10格，F波与T波的距离膨为3.5格，已知踏纵波在钢根板中的声丘速c=5.顽9103m/s。求：术（1）超声波稻从钢板底烈部返回时很间tδ及从缺陷较返回时间tF；（2）钢板哲的厚度δ及缺陷与者表面的距容离xF。解：（1）tδ=10粗μs/蚀div10di等v=10易0μs=千0.1m盏s，tF=10刊μs/嚷div3.5d戚iv=3税5μs=按0.03井5ms（2）纵波域在钢板判中的声那速c=5.9103m/s，则，δ=tδcL/2=稿5.91030.110-3/20.3（m）xF=tδcF/2=5巷.91030.0或3510-3/20.1（m）5.6无线传感抗器网络5.6.羊1无线传感页器网络的驰基本结构肉体系1．无线传许感器网络堪结构5.6无线传感撒器网络传感器节这点体系结俊构5.6无线传治感器网区络2．无线传昆感器节点拆结构5.6无线传感乐器网络3．无线传箱感器网络始协议栈5.6无线传感拳器网络5.6.辩2无线传