传感器技术及应用（第二版）检测技术的综合应用

检测技术的综合应用实例本章内容

12.1传感器在现代汽车中的应用

12.2传感器在数控机床中的应用

12.3传感器在机器人中的应用

12.4传感器在智能楼宇中的应用

学习目标

了解检测技术在现代汽车中的应用。

了解检测技术在数控机床中的应用。了解检测技术在机器人的应用。了解检测技术在智能楼宇中的应用。12.1传感器在现代汽车中的应用一辆家用普通轿车上大概用到几十到近百只传感器，而在一些豪华轿车上，传感器的数量可达到二百余只，可以说传感器已经成为衡量汽车档次高低的一个重要标准。

汽车类型繁多，结构比较复杂，大体可分为发动机、底盘和电气设备三大部分，可分成燃料系、点火系、传动系、轿厢系等几个系统，每一部分均安装有许多检测和控制用的传感器。（参考南京交通技师学院资料，以几幅下同）2024/2/215

2024/2/216与发动机配套使用的各种传感器进气压力传感器曲轴位置传感器进气压力、温度传感器2024/2/21712.1.1汽车上的压力传感器在众多汽车传感器中，压力传感器使用量最多，发展得也最快。汽车上至少有两个系统需要测量与控制压力：其一是发动机，如润滑系统的机油压力检测和电子燃油喷射系统中进气管的压力检测；其二是制动系统，如贮气装置、刹车控制装置和刹车助力装置等。2、汽车上的温度传感器温度传感器是车用传感器中用得比较多的一种（常见一辆汽车要装用十几只温度传感器）。它主要用来检测发动机的温度、吸入气体的温度、冷却液的温度、燃油的温度、大气及排气的温度。汽车水温传感器

2024/2/211012.1.3汽车上的测速传感器

速度与加速度的测量是衡量汽车运行状态的重要参数。1．霍尔转速传感器霍尔转速表原理

当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。传感器在汽车ABS中的作用

当汽车紧急刹车时，使汽车减速的外力主要来自地面作用于车轮的摩擦力，即所谓的地面附着力。而地面附着力的最大值出现在车轮接近抱死而尚未抱死的状态。这就必须设置一个“防抱死制动系统”又称为ABS。ABS由车轮速度传感器、ECU以及电—液控制阀等组成。ECU根据车轮速度传感器来的脉冲信号控制电液制动系统，使各车轮的制动力满足少量滑动但接近抱死的制动状态，以使车辆在紧急刹车时不致失去方向性和稳定性。2024/2/2113汽车防抱死解决方案刹车装置2024/2/2114汽车防抱死使用效果及注意事项在用力紧急刹车时，ABS自动启动。使用ABS能改善刹车效果使用ABS前易发生“甩尾”2024/2/2115霍尔传感器在汽车防抱死装置（ABS）中的应用

若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危险。用霍尔转速传感器来检测车轮的转动状态有助于控制刹车力的大小。带有微型磁铁的霍尔传感器钢质霍尔硅微加工加速度传感器

图示加速度传感器以微细加工技术为基础，既能测量交变加速度（振动），也可测量惯性力或重力加速度。其工作电压为2.7～5.25V，加速度测量范围为数个g，可输出与加速度成正比的电压也可输出占空比正比于加速度的PWM脉冲。2．加速度传感器与安全气囊的控制

1—加速度测试单元

2—信号处理电路

3—衬底

4—底层多晶硅（下电极）

5—多晶硅悬臂梁

6—顶层多晶硅（上电极）硅微加工加速度传感器原理

利用微电子加工技术，可以将一块多晶硅加工成多层结构。在硅衬底上，制造出三个多晶硅电极，组成差动电容C1、C2。图中的底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动。中间层多晶硅是一个可以上下微动的振动片。其左端固定在衬底上，所以相当于悬臂梁。当它感受到上下振动时，C1、C2呈差动变化。与加速度测试单元封装在同一壳体中的信号处理电路将ΔC转换成直流输出电压。它的激励源也做在同一壳体内，所以集成度很高。由于硅的弹性滞后很小，且悬臂梁的质量很轻，所以频率响应可达1kHz以上，允许加速度范围可达10g以上。如果在壳体内的三个相互垂直方向安装三个加速度传感器，就可以测量三维方向的振动或加速度。微加工三轴加速度传感器技术指标：灵敏度：500mV/g，量程：10g，频率范围：0.5-2000Hz，安装谐振点:8kHz，分辨力：0.00004g，重量：200g，安装螺纹：M5mm，线性误差：≤1%加速度传感器在汽车中的应用

加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测得的负加速度值超过设定值时，微处理器据此判断发生了碰撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。

装有传感器的假人气囊12.1.4汽车上的位置和转角传感器位置传感器主要是用来检测节气门在加、减速状态的开度，计算机根据传感器输出的信号来判定发动机工作状况，并以此为依据调节燃油喷射量。转角传感器设置于车轮转向机构的被测物上，用来连续检测汽车转向角度。空气系统中的传感器

为了得到最佳的燃烧状态和最小的排气污染，必须对油气混合气中的空气-燃油比例（空燃比）进行精确的控制。空气系统中传感器的作用是计量和控制发动机燃烧所需要的空气量。空气进气量还与油门踏板有关。驾驶员通过操作油门踏板控制进气道的节气门开度，以改变进气流通截面积，从而控制进气量，由此控制发动机的功率。ECU必须知道节气门的开度，才能控制喷油器的喷油量。2024/2/2123节气门及节气门角位移开度传感器节气门角度位移传感器节气门2024/2/2124

12.1.4汽车上的防撞传感器用于防撞控制的传感器主要有超声波传感器和激光传感器（通常被称为防撞雷达）等。图12-6基于超声检测的倒车防撞雷达示意图

机器人是由计算机控制的复杂机器，它具有类似人的肢体及感官功能；动作程序灵活；有一定程度的智能；在工作时可以不依赖人的操纵。机器人传感器在机器人的控制中起了非常重要的作用，正因为有了传感器，机器人才具备了类似人类的知觉功能和反应能力。

2024/2/212612.2传感器在机器人中的应用

检测装置就是机器人的“感官”。它的作用是实时检测机器人的运动及工作情况，根据需要反馈给控制系统，与设定信息进行比较后，对执行机构进行调整，以保证机器人的动作符合预定的要求。可分为两类：一类是内部信息传感器，用于检测机器人各部分的内部状况。另一类是外部信息传感器，用于获取有关机器人的作业对象及外界环境等方面的信息，

12.2.1机器人的内部信息传感器1）位置和角度传感器2）速度、角速度的测量3）加速度的测量4）方位角传感器

12.2.2机器人的外部传感器

1）触觉传感器

2）力觉传感器3）距离传感器4）视觉传感器

类别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，并得到定量结果光敏管、光电断续器色觉对象的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CCD位置觉物体的位置、角度、距离物体空间位置，判断物体移动光敏阵列、CCD等形状觉物体的外形提取物体轮廓及固有特征，识别物体光敏阵列、CCD等接触觉与对象是否接触，接触的位置决定对象位置，识别对象形态，控制速度，安全保障，异常停止，寻径光电传感器、微动开关、薄膜接点、压敏高分子材料压觉对物体的压力、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、压敏高分子材料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，正确完成作业应变片、导电橡胶接近觉对象物是否接近，接近距离，对象面的倾斜控制位置，寻径，安全保障，异常停止光传感器、气压传感器、超声波传感器、电涡流传感器、霍尔传感器滑觉垂直握持面方向物体的位移，重力引起的变形修正握力，防止打滑，判断物体重量及表面状态球形接点式、光电旋转传感器、角编码器、振动检测器机器人传感器分类

传感器在机器人身上的分布

能踢球的机器人2024/2/2132对运动的球类有正确反应的机器人能打网球的机器人机器人足球比赛2024/2/2133

12.3检测技术在数控机床上的应用1．位移的检测数控机床上位移检测的传感器主要有编码器、光栅、旋转变压器、感应同步器等。

图12-7光电编码器的应用1—X轴进给伺服电动机；2、5—光电编码器；

3—滚珠丝杠；4—Z轴进给伺服电动机；6—主轴电动机1．编码器的应用编码器在定位加工中的应用1—绝对式编码器

2—电动机

3—转轴

4—转盘

5—工件

6—刀具

设该增量式光电编码器的参数为1024p/r，大、小皮带轮的传动比为5，若希望当加工好元件1后紧接着加工元件8，则电动机转动了多少分之几圈？应等待编码器给出多少脉冲数时，电动机停转？

图为利用光栅传感器测量数控机床工作台位移量的现场照片。

工作台光栅工作台运动方向光栅在机床上的安装位置2．光栅的应用光栅在机床上的安装位置

2．位置的检测位置传感器可用做检测位置和反映某种状态的开关。

图12-9刀架选刀控制1—凸轮4；2—凸轮3；3—凸轮2；4—凸轮1；5—刀位7（0111）；6—刀位8（1000）；

7—刀位9（1001）；8—刀位10（1010）；9—刀位11（1011）；10—刀位12（1100）

编码器在数控加工中心的刀库选刀控制中的应用旋转刀库被加工工件刀具角编码器的输出为当前刀具号角编码器与旋转刀库连接（a）（b）图12-10工作台行程控制（a）接近式；（b）滑过式1—运动部件12.4传感器在智能楼宇中的应用

智能化建筑中的建筑机电设备和设施就是楼宇自动化系统的对象和环境，通常可将建筑机电设备和设施按功能划分为七个子系统：包括电力供应系统、照明系统、环境控制系统、消防系统、保安系统、交通运输系统和广播系统。楼宇自控系统最重要的工作单元就是传感器。

图12-11智能楼宇主要设备设施组成框图智能化建筑中的传感器活动物体传感器烟雾传感器二氧化碳传感器温度传感器火焰传感器总线终端控制对象2024/2/2145智能家居结构图2024/2/2146家居防盗2024/2/21471、空调系统的监控

空调系统监控的目的是：既要提供温湿度适宜的环境，又要求节约能源。其监控范围为制冷机、热力站、空气处理设备（空气过滤、热湿交换）、送排风系统、变风量末端（送风口）等。2024/2/21482、给排水系统

给排水系统的监控和管理由现场监控站和管理中心来实现，其最终目的是实现管网的合理调度。也就是说，无论用户水量怎样变化，管网中各个水泵都能及时改变其运行方式，保持适当的水压，实现泵房的最佳运行；监控系统还随时监视大楼的排水系统，并自动排水；当系统出现异常情况或需要维护时，系统将产生报警信号，通知管理人员处理。给排水系统的监控主要包括水泵的自动启停控制、水位流量、压力的测量与调节；用水量和排水量的测量；污水处理设备运转的监视、控制、水质检测；节水程序控制；故障及异常状况的记录等。现场监控站内的控制器按预先编制的软件程序来满足自动控制的要求，即根据水箱和水池的高、低水位信号来控制水泵的启、停及进水控制阀的开关，并且进行溢水和停水的预警等。当水泵出现故障时，备用水泵则自动投入工作，同时发出报警信号。

2024/2/2149给排水系统监控原理框图

2024/2/2150变频控制供水机组

采用变频供水系统取代屋顶水箱，稳定水压。2024/2/2151排污系统污水处理高效节能无堵塞排污泵2024/2/21523、供配电与照明系统监控

智能楼宇的最大特点之一是节能，而照明系统在整个楼宇的用电量中占有很大的比例。作为一个大型高级建筑物，灯光系统控制水平的高低直接反映了大楼的智能化水平。供配电系统对如下参数进行监视：电压、电流、视在功率、功率因数、频率等指标，并自动进行功率因数补偿；为了节电，当传感器长期感应不到有人走动时，自动关闭该区域的灯光照明。

当楼宇内的供配电出现故障时，传感器和计算机必须在极短的时间里向监控中心报告故障的部位和原因，供电系统将立即启动UBS或自备发电机，向重要供电对象（例如计算机系统）提供电力，以免系统崩溃。

2024/2/2153楼宇低压成套配电柜2024/2/2154机房在线式不间断电源（UPS）、消防应急电源（EPS）2024/2/21554、火灾监视、控制系统

火情、火灾报警传感器主要有感烟传感器、感温传感器以及紫外线火焰传感器。从物理作用上区分，可分为离子型、光电型等；从信号方式区分，可分为开关型，模拟型及智能型等。在重点区域必须设置多种传感器，同时对现场加以监测，以防误报警；还应及时将现场数据经控制网络向控制系统汇总。获得火情后，系统就会自动采取必要的措施，经通信网络向有关职能部门报告火情，并对楼宇内的防火卷帘门、电梯、灭火器、喷水头、消防水泵、电动门等联动设备下达启动或关闭的命令，以使火灾得到即时控制，还应启动公共广播系统，引导人员疏散。2024/2/2156火灾与报警

2024/2/2157火灾、安防监控系统

（参考肇庆市新达消防水电安装工程有限公司资料）

2024/2/2158火灾报警联动控制器

火灾报警联动控制器是一种大型的智能化报警系统，该系统是由多个微处理器组成，采用了先进的软件结构和智能化网络分布处理技术，具备火灾探测、消防联动等功能。2024/2/2159火灾报警联动控制器

火灾报警联动控制器能将智能楼宇的灾情自动传送到消防部门的计算机系统中。2024/2/2160火灾感知传感器及玻璃球洒水喷头

烟雾传感器

当发生火灾时，温度升高使玻璃球爆裂，高压自来水自动喷出。烟2024/2/21615、门禁、防盗系统

出入口控制系统又叫门禁管理系统，是对楼宇内外的出入通道进行智能管理的系统，门禁系统属公共安全管理系统范畴。在楼宇内的主要管理区、出入口、电梯厅、主要设备控制中心机房、贵重物品的库房等重要部位的通道口，安装门禁控制装置，由中心控制室监控。各门禁控制单元一般由门禁读卡模块、智能卡读卡器、指纹识别器（今后可能还有视网膜识别器）、电控锁或电动闸门、开门按钮等系统部件组成。人员通过受控制的门或通道时，必须在门禁读卡器前出示代表其合法身份的授权卡或密码后才能通行。

2024/2/2162刷卡门禁外形及内部电路刷卡器2024/2/2163门禁的几个主要部件

门禁主要由如下部件组成：读卡器、门禁控制器、电磁门锁等。2024/2/2164其他各种门禁系统

指纹门禁系统.无线IC门禁系统2024/2/21656、停车监控系统

在智能楼宇内，多配置有地下车库。车库综合管理系统监控车辆的进入，指示停车位置，禁止无关人员闯入，甚至能自动登录车牌号码。

中央控制器车牌识别系统刷卡门禁行车泊位系统活动物体监视灯光自控2024/2/2166地下停车场的智能管理

在一些系统中，使用感应读卡器，可以在1m的开外读出进出车辆的信息。还有一些系统使用图像传感器。当车辆驶近入口时，地感线圈（电涡流线圈）感应到车辆的速度、长度，并启动CCD摄像机，将车牌影像摄入，并送到车牌图像识别器，形成进入车辆的车牌数据存入管理系统的计算机内，并分配停车泊位。当管理系统允许该车辆进入后，电动车闸栏杆自动开启。进库的车辆在停车引导灯的指挥下，停到规定的位置。

2024/2/21677、电梯的运行管理

电梯是智能楼宇的重要设备，是机械、电气紧密结合的产品。电梯的使用对象是人，因此必须确保万无一失。在电梯运行管理中，传感器起到十分重要的作用。电梯有垂直升降式和自动扶梯两大类。轿厢是乘人、运货的设备，人、货进入轿厢后，随轿厢而到达所要求的楼层。轿厢的上下运动是由电动机、曳引机、曳引轮和配重等装置配合完成的。在电梯中，有很多检测装置用于电梯控制，如电梯的平层控制、选层控制、门系统控制等。

2024/2/2168入口安全保护

电梯门有层门和轿门之分，层门设在每层的入口处，在层门旁有指示往上、往下的按钮；轿门设在轿厢靠近层门的一侧，供乘客或货物进出。层门和轿门的开启和关闭是同步进行的，为保证乘客或货物的安全，在电梯门的入口处都带有安全保护装置。多数电梯采用光电式保护装置。在轿门边上安装两道水平光电装置，选用对射式红外光电开关，对整个开门宽度进行检测。在轿门关闭的过程中，只要乘客或货物遮断任一道光路，门都会重新开启，待乘客进入或离开轿厢后才继续完成关闭动作。

2024/2/2169

电梯夹住手或身体时，保护电路启动防夹程序层门轿门2024/2/2170电梯重新打开层门和轿门2024/2/2171厢式电梯曳引机

角编码器与电动机轴连接，用于测量、控制电梯平层及变频调速。电磁抱闸曳引轮曳引钢绳交流变频曳引电动机2024/2/2172电梯控制柜变频器信号接口板PLC交流接触器空气开关接线端子2024/2/2173

本章小结