传感器与机器视觉 课件 一章 认识传感器

传感器与机器人视觉湖南铁道职业技术学院杨利第一章认识传感器1.1传感器的外形和作用 1.2传感器的结构、分类和命名1.3传感器的测量误差 1.4传感器的特性指标 1.5选择合适的传感器 目

录1.1传感器的外形和作用

1.2传感器的结构、分类和命名1.3传感器的测量误差 1.4传感器的特性指标 1.5选择合适的传感器 目

录1.无传感不智能在自动控制系统中，传感器技术对系统各项功能的实现起着至关重要的作用，系统的自动化程序越高，对传感器的依赖性也越高。据统计：大型发电机组约有3000台传感器及其配套检测仪表；大型石油工厂约有6000台传感器及其配套检测仪表；钢铁厂约有20000台传感器及其配套检测仪表；电站约有5000台传感器及其配套检测仪表；一架飞机约有3600只传感器及其配套检测仪表；一辆汽车约有30-100只传感器及其配套检测仪表。传感器检测内容检测器件应用视觉平面位置距离形状缺陷ITV摄像机，位置传感器测距器线图像传感器面图像传感器位置决定、控制移动控制物体识别、判别检查、异常检测

触觉接触把握力荷重分布压力多压力力矩滑动限制开关应变计、半导体感压元件簧变位测量器导电橡胶、感压高分子材料应变片、半导体感压元件压阻元件、马达电流计光学旋转检测器动作顺序控制把握力控制张力控制、指压控制姿势、形状判别装配力控制协调控制滑动判定、力控制接近觉接近间隔倾斜光电开关、LED、激光光电晶体管、光电二极管电磁线圈、超声波传感器动作顺序控制障碍物躲避轨迹移动控制、探索听觉声音超声波麦克风超声波传感器语音控制（人机接口）移动控制嗅觉气体成分气体传感器、射线传感器化学成分探测味觉味道离子敏感器、PH计化学成分探测机器人身上的传感器2.传感器外形：千差万别3.传感器作用人类通过感官从外界获取刺激或信息，再将信息输入大脑进行分析判断，由大脑指挥肢体作出相应的动作。传感器在机器系统或自动控制系统中的作用就相当于感官在人体系统中的作用，发挥着信息的收集、信息数据的交换和控制信息的采集。比如空调中的温度传感器的作用就是接收外界温度信息，并将其传送给空调的主控中心，实现温度调节的目的。传感器Transducer：Sensor：感受外界信息，并能按照一定规律将这些信息转换为可用的输出信号的器件或装置。定义4.传感器定义感知外界信息将外界信息转换为可用的信号1.1传感器的外形和作用 1.2传感器的结构、分类和命名1.3传感器的测量误差 1.4传感器的特性指标 1.5选择合适的传感器 目

录1.传感器结构(1)敏感元件：敏感元件是传感器中能直接感受被测量的部分，即直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理或化学量。例如应变式压力传感器中的弹性敏感元件就是敏感元件，它将压力信号转换为位移信号，且压力信号与位移信号之间保持一定的函数关系。(2)转换元件转换元件是传感器中将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。例如，应变式压力传感器中的电阻应变片就是转换元件，它将敏感元件输出的位移信号转换成电阻信号。(3)测量转换电路转换电路将电量参数转换成便于测量的电压、电流、频率等电量信号。例如，应变片式压力传感器中的测量电桥就是转换电路，它将转换元件输出的电阻信号转换为电压信号。关于传感器的结构有几个说明：(1)并不是所有的传感器必须同时包括敏感元件和转换元件。比如：热电偶温度传感器，因为敏感元件直接输出的是电量，它就同时兼为转换元件；又比如压电式传感器，因为转换元件能直接感受被测量而输出与之成一定关系的电量，传感器就没有敏感元件。(2)并不是所有的传感器都能明显分出敏感元件、转换元件和测量转换电路，传感器的三部分也可能是三者合一，随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的各部分可以集成在同一芯片上。例如半导体温度传感器，它们一般都是将感受的被测量直接转化为电信号，没有中间环节，外表上看就是一块小芯片，如图1-3（g）所示。(3)并不是所有的传感器只包含出敏感元件、转换元件和测量转换电路这三部分。比如微机电系统（MEMS，Micro-electroMechanicalSystems）是当今高科技发展的热点之一。MEMS系统主要包括微型传感器、执行器和相应的处理电路三部分。MEMS系统的主要特征之一就是它的微型化结构尺寸，典型尺寸仅几毫米甚至更小，但它并不是传统传感器按比例缩小的产物，功能更加地强大。2.传感器分类按工作原理分电阻式、电容式、电感式、压电式、热电式、光电式………按被测量分温度传感器（第2章）压力传感器（第3章）速度传感器（第4章）位移传感器（第5章）视觉传感器（第6章）………………3.传感器命名及代号国标命名：（国家标准GB/T7666-2005）命名法则：主题词+四级修饰语被测量。

转换原理，一般可后续以“式”字。特征描述：传感器结构、性能、材料特征等，一般可后续以“型”字。

主要技术指标(量程、精确度、灵敏度等)。如：100-160dB电容式声压传感器即“传感器”主题词第一级修饰语——被测量第二级修饰语——转换原理第三级修饰语——特征描述第四级修饰语——技术指标范围（量程、精确度、灵敏度）单位

传感器压力压阻式[单晶]硅0~2.5MPa力应变式[柱式]结构0~100kN重量（称重）应变式[悬臂梁式]结构0~10kN力矩应变式[静扭式]结构0~500N·m速度磁电式--600cm/s加速度电容式[单晶]硅±5g振动磁电式--5~1000Hz流量电磁式插入式[结构]0.5~10m2/h位移电涡流式非接触式[结构]25mm液位压阻式投入式[结构]0-100m厚度超声波式--1.5~99.99mm角度伺服式--±1~±90（度）°密度谐振式--0.3~3.0g/mL温度光纤式--800~2500℃（红外）光光纤式--20mA磁场强度霍尔式砷化镓0~2T电流霍尔式砷化镓或锑化铟0~1200A电压电感式--0~1000V噪声----40~120dB气体电化学--0~25%VOL湿度电容式高分子薄膜-10-90%RH结露----94~100%RHpH--参比电极型-2~+16（pH）注意：（）内的为可替换词，即同义词传感器命名构成传感器代号（国家标准GB/T7666-2005）

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自定义d.序号：字母数字国标提供c.转换原理：拼音首字母国标提供b.被测量：国际通用标志或拼音首字母固定a.主称：C（传感器拼音首字母）（共四部分）如：CY-YZ-ST1100：

传感器压力-压阻-ST1100(序号)CZS-HE-SPRKE10000:传感器转速-霍尔-SPRKE10000(序号)习惯命名：工作原理用途如：电容式压力传感器

长光栅位移传感器欧姆龙数字压力传感器E8F2企业命名：欧姆龙传感器命名规则：光电开关是以E3开头

接近开关是以E2开头

温控器是以E5开头

旋转编码器以E6开头压力传感器以E8打头

微型光电是以EE开头………1.1传感器的外形和作用 1.2传感器的结构、分类和命名1.3传感器的测量误差

1.4传感器的特性指标 1.5选择合适的传感器 目

录1.测量误差的表达形式真值L：被测物理量客观存在的实际值（truevalue)，通常取多次测量的平均值；绝对误差（absoluteerror）：测量值与真值之间的差值。实际相对误差（relativeerror）:测量值的绝对误差与其实际真值的百分比。示值（标称）相对误差：测量值的绝对误差与测量值的百分比。例如：某指针式电压表的准确度为2.5级，用它来测量电压时可能产生的引用相对误差为仪表：精度等级与测量量程选择1.5V干电池的电压测量：10V量程、

2.5V量程测量？问示值相对误差哪一个大？(已知仪表精度为1.5)仪表：测量量程选择△x=10X1.5%=0.15V△x=2.5X1.5%=0.0375V仪表：测量量程选择10V量程2.5V量程测量△x=6

℃仪表：精度等级确定例题：某温度计的量程范围为0-500℃，校验时要求该温度计的最大绝对误差为6

℃，试确定该温度计的精度等级。Am=500℃

温度计精度等级为1.52.测量误差来源及分类误差来源：系统误差：固定不变或按一定规律变化的误差，如称偏轻、测量角度误差；随机误差：大小随机变化的误差，如温度变化引起的误差；粗大误差：测量结果明显偏离其实际值的误差；缓变误差：数值随时间缓慢变化的误差，如仪表老化引起的误差；1、如何发现误差并尽量相除呢？2、随机误差可以消除吗？1.1传感器的外形和作用 1.2传感器的结构、分类和命名1.3传感器的测量误差 1.4传感器的特性指标

1.5选择合适的传感器 目

录1.传感器的静态特性传感器基本特性：

传感器的输入、输出关系特性；

可用数字函数、坐标曲线、图表等表示；包含静态特性和动态特性；静态特性：

表征检测系统在被测参量处于稳定状态时的输出－输入关系。

衡量检测系统静态特性的主要参数是指测量范围、精度等级、灵敏度、线性度、迟滞性、重复性、分辨力、可靠性等。测量范围

按规定精度对被测变量进行测量的允许范围。测量范围的最小值和最大值分别称为测量下限和测量上限，简称下限和上限。量程=|测量上限-测量下限|量程相等，测量范围一定相等吗？满量程输出==量程？精密度：随机误差大小的标志，精密度高，意味着随机误差小。准确度：输出值与真值的偏离程度，准确度高则系统误差小。精确度：精密度和准确度两者的总和，常用仪表的基本误差表示。精确度

精度等级为1.0的仪表精确度一定高于精度等级为1.5的仪表？稳定性4.传感器的基本特性稳定度：

规定工作条件范围和时间内，传感器性能保持不变的能力。影响系数：

外界环境变化引起传感器输出值变化的量。稳定度的单位是什么？灵敏度输入增量△x与由它引起的输出增量△y之间的函数关系。即灵敏度S等于传感器输出增量与被测增量之比，它是传感器在稳态输出输入特性曲线上各点的斜率。Δxxyx10切点传感器特性曲线Δy灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。例如，某位移传感器，在位移变化1mm时，输出电压变化为100mV，则其灵敏度应表示为100mV/mm。

灵敏度越高越好吗？

灵敏度高，即灵敏阈值小（分辨率小）。但灵敏度愈高，测量范围愈窄，稳定性也往往愈差，而且费时、费钱。灵敏度域只要小于允许测量绝对误差的三分之一即可。

灵敏度理想静态特性曲线是一条直线，但是实际测的输入输出曲线往往不是直线。线性度反映测量系统实际输出、输入关系曲线与据此拟合的理想直线y(x)=a0+a1x的偏离程度。通常用最大非线性引用误差来表示：线性范围：传感器在线性工作时的可测量范围。非线性误差越小越好线性度传感器或检测系统的正向(输入量增大)和反向(输入量减少)时输出特性的不一致程度。即对应于同一大小的输入信号，传感器或检测系统在正、反行程时的输出信号的数值不相等的程度。迟滞迟滞越小，越不需要考虑被测量的变化方向。规定工作条件和规定时间内具有正常工作性能的能力。可靠度：达到规定性能的概率。平均无故障工作时间：相邻两次故障期间正常工作时间的平均值。平均修复时间：排除故障所花费时间的平均值。失效率或故障率：连续单位时间内发生失效的概率。可靠性实例请解读各特性参数时间常数上升时间调节时间最大超调量震荡次数稳态误差动态特性：动态测量时，输出量与随时间变化的输入量之间的关系。2.传感器的动态特性传感器的标定是利用精度高一级的标准设备对传感器进行定度的过程，从而确定传感器的输出量和输入量之间的对应关系。传感器的标定分静态标定和动态标定。3.传感器的标定静态标定步骤：(1)将传感器的测量范围分成若干个等间距的点。(2)根据传感器测量范围分点情况，由小到大等间距递增方式输入相应的标准量，并记录与各输入值相对应的输出值。(3)将输入值从大到小一点点地递减，同时记录与各输入值相对应的输出值。(4)按照(2)和(3)步骤，对传感器进行正、反行程往复循环多次测试，将得到的输出/输入测试数据用表格列出或绘制成曲线。(5)对测试数据进行必要的整理，根据处理结果就可以计算出传感器的线性度、灵敏度、滞后和重复性等静态特性指标了。静态标定是为了确定传感器的静态特性指标，如精度、灵敏度、稳定度等3.传感器的标定1.动态标定

通常采用正弦变化和阶跃变化的输入信号。采用阶跃输入信号研究传感器时域动态性能时，常用上升