《检测与传感技术》课件-项目9 现代检测技术

铁道机车专业教学资源库检测与传感技术项目9现代检测技术身边的传感器CCD热敏电阻传声器温控器力传感器温度开关使用者翻动手机选择“响铃”或“震铃”；摇晃手机变换不同的铃声和游戏；音乐和壁纸随着人们的动作而变化。摇晃你的手机传感器什么是传感器？狭义地定义：能够将外界的非电信号，按一定规律转换成电信号输出的器件或装置。温度变化电阻值变化热敏电阻这些是传感器吗？记忆合金热敏油墨热敏灯罩温度变化（对温度敏感的材料）记忆合金在加热升温后，能完全消除其在较低的温度下发生的变形，恢复其变形前原始形状的合金材料。记忆合金传感器的智能化、微型化、网络化传感器是构建现代信息系统的重要组成部分。

现代信息技术的三大支柱：

1.传感器技术（信息采集）——“感官”

2.通信技术（信息传输）——“神经”

3.计算机技术（信息处理）——“大脑”据光电行业开发协会（OIDA）作出的最新预测，在2003年～2006年期间，智能传感器的国际市场销售量将以每年20％的高速度增长。智能传感器可广泛用于工业、农业、商业、交通、环境监测、医疗卫生、军事科研、航空航天、现代办公设备和家用电器等领域。

传感器的智能化智能传感器的定义目前，关于智能传感器的中、英文称谓尚未完全统一。英国人将智能传感器称为“IntelligentSensor”；美国人则习惯于把智能传感器称作“SmartSensor”，直译就是“灵巧的、聪明的传感器”。

所谓智能传感器，就是带微处理器、兼有信息检测和信息处理功能的传感器。

即：智能传感器可以对信号进行检测、分析、处理、存储和通信，具备了人类的记忆、分析、思考和交流的能力，即具备了人类的智能。这里讲的“带微处理器”包含两种情况：（1）将传感器与微处理器集成在一个芯片上构成所谓的“单片智能传感器”。（2）传感器能够配微处理器。显然，后者的定义范围更宽，但二者均属于智能传感器的范畴。

智能传感器的定义

智能传感器的功能（1）具有自校准和自诊断功能。智能传感器不仅能自动检测各种被测参数，还能进行自动调零、自动调平衡、自动校准。（2）具有数据存储、逻辑判断和信息处理功能，能对被测量进行信号调理或信号处理（包括对信号进行预处理、线性化，或对温度、静压力等参数进行自动补偿等）。

（3）具有双向通信功能，能直接与微处理器或单片机通信。

智能传感器的特点1.高精度智能传感器采用自调零、自补偿、自校准等多项新技术，能达到高精度指标。美国霍尼韦尔（Honeywell）公司：PPT、PPTR系列智能精密压力传感器，测量精度为±0.05％，比传统压力传感器的精度大约提高了一个数量级。2.高可靠性与高稳定性3.性能价格比高传感器的微型化随着微电子技术的进步，微处理器、存储器等电子器件日益微型化，而传感器、执行器的微型化程度却远远落后，成了信息系统微型化的“瓶颈”。于是，

“MEMS技术”应运而生。将传感器、微处理器、执行器合为一体，构成微电子机械系统，是人们很久的愿望。MicroElectroMechanicalSystem集成电路内部结构MEMS是“微机械电子系统”的英文缩写。微机械电子系统是采用微机械加工技术，将微型传感器、微型执行器、微型机构和相应的处理电路集成在一起的微型器件或微型系统。MEMS“微米级”加工技术100μm显微照片1988年美国科学家研制。转子直径120微米，厚1微米。在

380V电压驱动下，最大转速每分钟500转。第一台静电电动机监测室内环境（温度、湿度、光照度、悬浮物、有害气体）由众多低成本、低功耗的微型传感器组成传感器网络，全方位地进行监测。传感技术MEMS通信技术无线传感器网络“无线传感器网络”由此孕育而生地震海啸森林大火研究人员的方案：将大量的传感器布置在需要预警的区域内，随时监测目标的细微变化，经过分析和判断，及时传递有关信息，从而为人类提供足够的防御时间。这就是:对于这些灾难，能否预先得到警示呢？WirelessSensorNetwork（WSN）无线传感器网络将成千上万个微型传感器密集地分布在森林中，各传感器通过无线网络相互协作，共同执行分布式感知任务，并将准确的火源信息传送给信息中心。例如：森林火警系统微型传感器什么是无线传感器网络？无线传感器网络是利用大量的微型传感器（结点），通过无线通信形成网络，用来感知现场的信息。结点中的微处理器对原始数据进行初步处理后，经网络层层转发，最终发送给基站，再由基站传送给用户，从而实现对现场的监控。例如：为防范敌军坦克，飞机在某区域撒落数千个传感器结点，形成无线传感器监测网络。每个结点都配备磁传感器和振动传感器。以无线传感器监测网，替代地雷布阵卫星、互联网网关大量结点随机分布联络、自身定位、自动组织成网络传感器探测磁场和震动信息1、是不是坦克？2、根据多点信息，

进行目标定位报告时间、方位、速度、方向越南胡志明小道上世纪60年代越战期间，越南北方通过老挝和柬埔寨境内的秘密通道——胡志明小道向南方输送军用物资和人员。胡志明小道处于密林中，美军很难发现。为了切断这条运输通道，美军对其狂轰滥炸，但效果不大。胡志明小道越战时期的无线传感器后来，美军在胡志明小道投下2万多枚，被称为“热带树”的战场传感器系统，为轰炸机提供准确的信息。“热带树”由震动和音响传感器组成。传感器落地后插入泥土中，仅露出伪装成树枝的无线电天线，因而被称为“热带树”。当人员和车辆在其附近活动时，“热带树”便探测到目标产生的震动和声音信息，并通过无线电通信传送到指挥中心。“热带树”的成功应用，促使许多国家纷纷研制各种地面传感器系统。这是无线传感器最早的应用。无线传感器网络的概念，起源于美国提出的“智能尘埃”的设计思想。将无线传感器制作成灰尘般大小。在战场上抛撒成千上万、或许上百万个“智能尘埃”，用于监控敌人的活动。这些传感器自行组织成无线传感器网络，并对探测到的原始数据进行过滤，把重要的信息发送给使用者。“智能尘埃”的特征：成本低、体积小、功耗低、分布式、自组织、无线通信。“智能尘埃”无线传感器结点工业监测与控制产品检测天然气压力监测桥梁结构监测监测风速、风向、温度、湿度、能见度、降雨强度等。东海大桥上海浦东机场的周界防入侵系统在机场四周设立无线传感器警戒网，形成低空、地面、地下三维立体报警体系。每个结点由震动、声响、磁场和微波传感器等组成。通过网络，可以随时监测周边实况。太湖水自动监测工程在太湖大范围水域布放传感器，通过无线传输方式24小时监测太湖水质的各项变化，并将数据及时传回数据中心。水质自动监测浮标

我国科学家在海拔4093米的南极冰穹A地区，布设监测冰雪变化的“智能尘埃”网络，将南极冰雪表面数据与空中的遥感卫星监测数据相结合，对南极冰穹开展天地一体的监测研究。环境监测无线传感器网络冰雪监测系统楼宇环境监测监测每层楼的温度、湿度、光照度监护器内整合了电极、生物传感器、微型计算机芯片和无线发射电路。将监护器安置在患者身上或植入体内，24小时监测心律不齐症状。医生通过无线网络可以及时了解每位病人的病情。这种便捷诊断可以大范围实施，并可降低急救成本。便携式心脏监护器无线传感器网络的意义无线传感器网络引起了全世界的关注，被认为是继互联网之后的第二大网络。在无线传感器网络研究及其应用方面，我国与发达国家几乎同步启动，它已经成为我国信息领域，位居世界前列的少数项目之一。无线传感器网络被称为21世纪最具影响的技术之一；是改变世界的十大新兴技术之首；是全球未来的四大高新技术产业之一。大型机PC机互联网东方明珠金茂大厦环球金融中心上海中心1998年420米

2008年580米1994年350米

492米无线传感器网络2014年制高点信息产业中，无线传感器网络已成为继计算机和互联网之后，国际竞争新的制高点。1965年1980年1995年2010年如果说：互联网、移动通信连接的是人和人；那么：传感器网络连接的，则是物和物。无线传感器网络——将信息世界与物理世界融合在一起，改变人类与自然界之间的交互方式。互联网——构成逻辑上的信息世界，改变了人与人之间的沟通方式。未来——人们将通过遍布四周的传感器网络，直接感知客观世界。传感器网络物联网“物联网”（InternetofThings）

奥巴马就职后，IBM提出的“智慧的地球”概念得到重视。“物联网”概念很多年前已提出。智慧的地球＝物联网＋互联网美国认为物联网是振兴经济、确立竞争优势的关键战略，政府给予积极回应。《2010年政府工作报告》温家宝总理明确提出:加快物联网的研发应用。2009年8月温家宝总理视察无锡时指出：尽快建立中国的传感信息中心，或者叫“感知中国”中心。现在：超市排队付款用扫描仪照射每一件商品的条形码，以识别每一类商品的价格。当你推着满满的购物车从收银台通过时，不必排队等候结账。商品上的电子标签已将商品信息自动登陆到商场的计价系统，货款也自动从你的信用卡里扣除。今后：超市智能支付自动识别技术是一项自动采集和处理数据的技术，能够自动获取被识别物体的相关信息，并由计算机完成后续处理。作用：是对物体进行识别和跟踪。与人工识别相比，自动识别更快、更准，提供的信息更多。自动识别技术广泛应用于物流供应链、小额支付、人员识别、物品防盗与防伪、动物识别、运动计时、疾病追溯以及车辆识别与管理等领域。自动识别技术包括：条形码识别——商品标签磁条卡识别——银行卡、电话卡、收费卡IC卡识别——社保卡、手机SIM卡生物识别——语音识别、指纹识别、脸部识别光学识别——扫描仪的文字识别射频识别——公交卡、身份证自动识别——

一维条形码二维条形码——可以存储更多的信息

二维条形码条形码识别最大缺点：只能识别一“类”商品，不能识别一“件”商品。例如：同一种牛奶盒上的条形码到处都一样，无法获取某一盒牛奶的信息。没有做到“一物一码”，无法实现产品的实时追踪。接触式磁条卡银行卡、证券、保险、超市、电话卡、收费卡、预约卡、门票、储蓄卡、信用卡等。接触式

IC卡集成电路

IC卡插入阅读器，将芯片与内部电路接通，然后进行操作。非接触式

IC卡把IC卡靠近阅读器，不必接触，信息就可以进行交换。公交卡“IC卡”内部并无电池，它是怎么工作的？阅读器IC卡公交卡的识别系统由阅读器和

IC卡组成。11110101

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询问

应答电磁波

每张IC卡都有自己唯一的识别码。集成电路芯片

感应天线

公交卡工作原理发射电磁波IC卡本身没有电源。当天线感应到电磁波后获得能量，电路开始工作。与阅读器进行通信联系后进入休眠状态，不会重复读卡。阅读器完成对应操作，并发“嘟”声结束。嘟

阅读器

IC卡的内部结构由集成电路芯片、天线和外部封装构成。阅读器发射电磁波～滤波解调微机芯片放大

频率为13.56MHZ的电磁波感应天线L

阅读器是一台发射器，向外发射电磁波，“询问”附近的IC卡。如有多张IC卡同时应答，则分别处理。询问C

IC卡将电磁波转化为能量集成电路芯片C1

感应天线L

I

C2

IC卡的天线接收到电磁波，并产生感应电流，经二极管整流，在C2两端产生2V电压供芯片工作，并向阅读器报告本卡的相关信息。＋

－

2V

电磁波应答卡的类别；本卡代码；乘车时间；剩余金额；阅读器读取卡片的信息～滤波解调微机芯片放大

感应天线

阅读器接收来自IC卡的数据信号，并发出操作指令（应答或者对IC卡扣款）。IC卡的信息扣款免于扣款；部分扣款；全额扣款；芯片～滤波解调计算机放大

射频识别系统阅读器

IC卡

电子标签射频（RF）是RadioFrequency的缩写，表示可以辐射到空间的电磁频率，频率范围从300KHz～300GHz之间。射频识别技术射频识别是一种利用无线通信实现的非接触式自动识别技术。射频识别技术是信息化建设的核心技术之一。射频识别系统由阅读器和电子标签组成。射频——无线电通信所用电磁波的频率阅读器

电子标签IC卡

电子标签的各种结构由集成电路芯片和天线构成。芯片极小，金属箔天线可制成各种形状。应用MEMS技术的芯片将电子标签附着在商品上，通过射频识别技术对商品进行自动识别。电子标签条形码只能识别某一“类”产品，无法识别某一“件”产品。而在现代物流业，需要对产品进行唯一的识别，并追踪供应链上的每一件单品。电子标签的芯片面积不足1平方毫米，但它的容量巨大，可以提供几百亿个电子编码供选用。这意味着：利用互联网以及全球统一标识编码，可以给每个实体唯一的代码，以便跟踪它的整个生命周期，从而实现全球物品信息实时共享的“物联网”。01001101

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通俗地说，现在：每一类商品一个代码；将来：每一件商品一个代码；电子标签是否存储商品的全部信息？网络大米：友谊农场种植、1月29日收割、2月27日分装数据库

大米：龙江农场种植、1月10日收割、2月15日分装大米：建设农场种植、1月21日收割、2月20日分装电子标签存储的仅是商品的代码，不含其它信息。实际使用时，阅读器读取电子标签的代码并输入计算机，然后通过网络，在数据库中查寻该代码对应的商品数据，再将信息回传给顾客。10010101

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读取代码，查询信息

（1）可识别单件产品；（2）非接触，透过外包装读取数据；（3）存储的信息量大；（4）构成网络环境；（5）同时识别多个对象。射频识别技术的特点每件商品都有产品电子标签射频识别技术的应用射频识别并不是全新的技术，早在二战时期，已被美国空军用作敌我飞机识别。由于技术和成本等原因，一直没有得到广泛应用。而今，社会的进步，使这一技术在智能化、网络化方面得到大力发展，并成为“物联网”的重要组成部分。二代身份证识别射频识别（RFID）电子护照内的非接触式晶片，载有持证人的个人资料及容貌影像。电子护照具有“基本读取控制”功能，可预防未经授权的信息读取行为。电子护照嵌入射频芯片的门票射频识别（RFID）门禁卡小区大门宾馆房门射频识别（RFID）通过车载电子标签与收费站的天线进行微波通讯，系统根据车型和车牌号自动收取费用，并通过网络与银行系统进行结算，从而实现车辆不停车收费。公路不停车收费管理系统（ETC)射频识别（RFID）电子收费系统雷达模型了解机器人的发展熟悉机器人的应用掌握机器人传感器的工作原理机器人传感器1958年，美国Consolidated公司制作出世界第一台工业机器人，从那时起至今，机器人正在一步步走向成熟。我国也在上世纪80年代初期生产出第一台国产工业机器人。最新的机器人机器人的类型机器人按照用途分类：（1）工业机器人用于焊接、喷漆、组装、搬运、密封等行业。（2）医疗福利机器人用于护理、帮助病人和残疾人。（3）教育和电子游戏机器人用于教育、研究、电子游戏等。（4）特殊工作机器人用于擦窗、建筑、宇宙开发、原子能发电站的维修、检修等。（5）其它机器人用于办公和家庭服务。机器人的特征从“迎宾机器人”到“工业用机器人”，虽然机器人的种类繁多，但都应具备以下特征：移动功能、执行机构、感觉和智能。机器人的进化过程近代机器人的进化过程大概可以分为四代。（1）第一代机器人第一代工业机器人的最大特点就是能够按照教给它的动作重复进行工作，所以也叫做“重复进行工作的机器”。如汽车生产线上的“点焊机器人”，机床或压力机使用的“上下料机器人”以及装饰用的“喷漆机器人”都属于第一代机器人。它虽配有电子存储装置，能记忆重复动作，然而因未采用传感器，所以没有适应外界环境变化的能力。（2）第二代机器人与第一代机器人相比，它具有识别、选取和判断能力，可在轨道上运行，并能做装配之类的较为复杂的工作。为此，这些机器人要有相当于人的眼睛、耳朵或皮肤等一系列感觉装置（传感器），然后还要有判断功能，利用传感器输入信息对其周围环境进行判断，并根据这种判断来改变自身的行动。如“电弧焊接机器人”或“单能装配机器人”。因而传感器的采用与否已成为衡量第二代机器人的重要特征。（3）第三代机器人第三代机器人是智能机器人，具有感觉和识别能力、声音合成功能、操作和行动功能，以及判断思考和处理问题的能力。特别适合做管理和服务部门的工作，如百货商场的机器人能照相、收款和接待、迎宾等。其特征是具有学习功能。现有的大部分工业机器人就相当于第三代机器人。“电脑化”是这一代机器人的重要标志。然而电脑处理的信息，必须要通过各种传感器来获取，因而这一代机器人需要有更多的、性能更好的、功能更强的、集成度更高的传感器。第一代和第二代机器人都超过了机械本来固有的界限，而真正接近于人的机器人只有第三代机器人出现后才逐步形成。（4）第四代机器人第四代机器人是什么样子，还没有确切的定义。也就是说，第四代机器人还没有问世。硬要下个定义的话，就是具有感情的机器人吧！人们根据自己的要求，提出第四代机器人应该具有以下特征：1）能表现自身的需求和意愿；2）机器人有一定的意志；3）机器人能成为人的“朋友”。机器人传感器就是机器人所用的传感器。机器人传感器可以定义为一种能将机器人目标物特性（或参量）变换为电量输出的装置。机器人通过传感器实现类似于人的知觉作用。传感器被称为机器人的“电五官”。机器人传感器分为机器人外部传感器（感觉传感器）—机器人外部传感器的功能是识别工作环境，为机器人提供信息，检查、控制、操作对象物体、应付环境变化和修改程序。机器人内部传感器—内部传感器的功能是用来测量运动学及动力学参数，以使机器人按规定的位置、轨迹、速度、加速度和受力大小进行工作。下面就机器人常用的几种传感器，分别介绍它们的结构和工作原理。视觉传感器1.人的视觉人的眼睛是由含有感光细胞的视网膜和作为附属结构的折光系统等部分组成。人眼的适宜刺激波长是370～740nm的电磁波；在这个可见光谱的范围内，人脑通过接收来自视网膜的传入信息，可以分辨出视网膜像的不同亮度和色泽，因而可以看清视野内发光物体或反光体的轮廓、形状、颜色、大小、远近和表面细节等情况。在各种感官获取的信息中,视觉约80%。同样对机器人来说,视觉传感器也是最重要的传感器。2.机器人视觉机器人的视觉系统通常是利用光电传感器构成的。多数是用电视摄像机和计算机技术来实现的，故又称计算机视觉。客观世界中三维实物经由传感器（如摄像机）成为平面的二维图像，再经处理部件给出景象的描述。应该指出，实际的三维物体形态和特征是相当复杂的，特别是由于识别的背景千差万别，而机器人上视觉传感器的视角又在时刻变化，引起图像时刻发生变化，所以机器人视觉在技术上难度是较大的。三维实物（立体）二维图像（平面）景象描述传感器图像处理机器人的视觉作用的过程听觉传感器１．人的听觉人的听觉的外周感受器官是耳，耳的适宜刺激是一定频率范围内的声波振动。耳由外耳、中耳和内耳迷路中的耳蜗部分组成。由声源振动引起空气产生的疏密波，通过外耳道、鼓膜和听骨链的传递，引起耳蜗中淋巴液和基底膜的振动，使耳蜗科蒂器官中的毛细胞产生兴奋。科蒂器官和其中所含的毛细胞，是真正的声音感受装置，外耳和中耳等结构只是辅助振动波到达耳蜗的传音装置。听神经纤维就分布在毛细胞下方的基底膜中。振动波的机械能在这里转变为听神经纤维上的神经冲动，并以神经冲动的不同频率和组合形式对声音信息进行编码，传送到大脑皮层的中枢，产生听觉。２．机器人的听觉听觉也是机器人的重要感觉器官之一。由于计算机技术语音学的发展，现在已经实现用机器人代替人耳，通过语音处理及识别技术识别讲话人，还能正确理解一些简单的语句。然而，由于人类的语言是非常非常复杂的，无论哪个民族，其语言的词汇量都非常大，即使是同一个人，他的发音也随着环境及身体状况有所变化，因此，使机器人的听觉具有接近耳的功能还相差甚远。２．机器人的听觉机器人由听觉传感器实现“人—机”对话。一台高级的机器人不仅能听懂人讲的话，而且能讲出人能听懂的语言，赋予机器人这些智慧与技术统称语言处理技术，前者为语言识别技术，后者为语音合成技术。具有语音识别功能，能检测出声音或声波的传感器称为听觉传感器，通常用话筒等振动检测器作为检测元件。机器人听觉系统中的听觉传感器的基本形态与传声器相同，所以在声音的输入端方面问题较少。其工作原理多为利用压电效应等。触觉传感器人的触觉是通过四肢和皮肤对外界物体的一种物性感知。触觉传感器能感知被接触物体的特征以及传感器接触外界物体后的自身状况，如是否握牢对象物体或对象物体在传感器的什么位置。常使用的触觉传感器有机械式（如微动开关）、针式差动变压器、含碳海绵及导电橡胶等几种。当接触力作用时，这些传感器以通断方式输出高低电平，实现传感器对被接触物体的感知。压觉传感器压觉传感器实际上也是一种触觉传感器，只是它专门对压觉有感知作用。目前压觉传感器主要有如下几种：（1）压阻效应式压觉传感器利用某些材料的内阻随压力变化而变化的压阻效应制成的压阻器件，将它们密集配置成阵列，即可检测压力的分布。如压敏导电橡胶或塑料等。（2）压电效应式压觉传感器利用某些材料在压力的作用下，其相应表面上会产生电荷的压电效应制成压电器件。将它们制成类似人类的皮肤的压电薄膜，感知外界的压力。其优点是耐腐蚀，频带宽和灵敏度高等，但缺点是无直流响应，不能直接检测静态信号。压觉传感器（3）利用压磁传感器(铁磁性材料受到机械力的作用时，它的内部产生应变，导致导磁率发生变化，产生压磁效应)、扫描电路和针式差动变压器式触觉传感器构成的压觉传感器。压磁器件具有较强的过载能力，但体积较大。力觉传感器力觉传感器是用来检测机器人的手臂和手腕所产生的力或其所受反力的传感器。手臂部分和手腕部分的力觉传感器，可用于控制机器人手所产生的力，在进行费力的工作中以及限制性作业、协调作业等方面是有效的，特别是在镶嵌类的装配工作中，它是一种特别重要的传感器。力觉传感器的元件大多使用半导体应变片。将这种传感器件安装于弹性结构的被检测处，就可以直接地或通过计算机检测具有多维的力和力矩。半导体应变片:利用半导体单晶硅的压阻效应制成的一种敏感元件。压阻效应是半导体晶体材料在某一方向受力产生变形时材料的电阻率发生变化的现象。接近觉传感器接近觉传感器是机器人能感知相距几毫米到几十厘米内对象物或障碍物的距离、对象物的表面性质等的传感器。其目的是在接触对象前得到必要的信息，以便后续动作。这种感觉是非接触的，实质上可以认为是介于触觉之间的感觉。它对于实用的机器人控制方面，具有非常重要的作用。接近觉传感器有电磁式、光电式、电容式、气动式、超声波式和红外式等类型。反射光接近觉传感器在处理一般物体的情况下，当有必要将敏感头小型化时，可采用光学法。它是利用光电二极管的接近觉传感器，将发光元件和感光元件的光轴相交而构成的传感器。反射光量（接受信号的强弱）表示了某一距离的点（光轴的交点）的峰值特性。利用这种特性的线性部分来测定距离，测出峰值点就可确定物体的位置。反射光接近觉传感器滑觉传感器滑觉传感器是用于检测物体接触面之间相对运动大小和方向的传感器，也就是用于检测物体的滑动。例如，利用滑觉传感器判断机械手是否握住物体，以及应该使用多大的力等。当手指夹住物体，做把它举起的动作、把它交给对方的动作和加速或减速运动的动作时，物体有可能在垂直于所加握力方向的平面内移动，即物体在机器人手中产生滑动，为了能安全正确地工作，滑动的