1、第第5章章 新型傳感器新型傳感器電子工業(yè)出版社電子工業(yè)出版社傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)5.1 仿生傳感器仿生傳感器5.1.1 機(jī)器人內(nèi)部傳感器概述機(jī)器人內(nèi)部傳感器概述1機(jī)器人用位置檢測傳感器機(jī)器人用位置檢測傳感器主要有微型限位開關(guān)、光電斷路器和電磁式接近開關(guān)等。微型限位開關(guān)的實(shí)現(xiàn)原理是在移動(dòng)體上安裝一擋塊，該物體移至一定位置后，擋塊碰上機(jī)械開關(guān)，引起開關(guān)觸點(diǎn)的開閉，從而通過控制電路，控制機(jī)器人的動(dòng)作。光電斷路器由發(fā)光二極管、光電三極管組成，當(dāng)被測物體移動(dòng)，隔斷其“光路”，引起光電三極管輸出電位的變化。電磁式接近開關(guān)是利用感應(yīng)線圈靠近磁性物體，從而產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)。傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測

2、技術(shù)5.1 仿生傳感器仿生傳感器2機(jī)器人用位移檢測傳感器機(jī)器人用位移檢測傳感器主要有直線電位器、可調(diào)變壓器、磁性傳感器和磁尺等。傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)5.1 仿生傳感器仿生傳感器3機(jī)器人用角位移檢測傳感器機(jī)器人用角位移檢測傳感器除了有旋轉(zhuǎn)式電位器、旋轉(zhuǎn)式可調(diào)變壓器外，還有鑒相器、光電式編碼器等。鑒相器由互相正交的兩個(gè)線圈組成定子和轉(zhuǎn)子，它們之間的磁耦合在互為平行時(shí)最大，垂直時(shí)為零，因而產(chǎn)生的電壓信號(hào)隨轉(zhuǎn)子和定子相對(duì)角度變化而變化。這種角度檢測器在激磁頻率為12kHz時(shí)，角分辨精度達(dá)0.120.34。傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)5.1 仿生傳感器仿生傳感器4機(jī)器人用速度檢測傳感器機(jī)

3、器人用速度檢測傳感器常用的有測速電機(jī)及脈沖發(fā)生器兩類，它不僅可以測試速度，還可以測試動(dòng)態(tài)響應(yīng)補(bǔ)償。測速發(fā)電機(jī)的輸出是與轉(zhuǎn)速成正比的連續(xù)信號(hào)，脈沖發(fā)生器是一種數(shù)字型速度傳感器，其結(jié)構(gòu)與光電編碼器類似，同時(shí)檢測輸出脈沖數(shù)和脈沖頻率，便能確定旋轉(zhuǎn)速度值。傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)5.1 仿生傳感器仿生傳感器5機(jī)器人用加速度檢測傳感器機(jī)器人用加速度檢測傳感器主要有差動(dòng)變壓器型和應(yīng)變儀型。差動(dòng)變壓器型加速度傳感器，由彈簧支撐的鐵芯和轉(zhuǎn)軸構(gòu)成，當(dāng)速度變化時(shí)，由于慣性，鐵芯產(chǎn)生位移，由于鐵芯處于差動(dòng)變壓器中，差動(dòng)變壓器線圈中將產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)，用以檢測加速度。應(yīng)變儀型加速度傳感器是由質(zhì)量塊和粘貼有應(yīng)變片

4、的彈簧片構(gòu)成，加速度的變化將引起應(yīng)變片的直徑和長度產(chǎn)生微小變化，因而可得到所需要的速度信號(hào)。6機(jī)器人用力檢測傳感器傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)5.1 仿生傳感器仿生傳感器5.1.2 機(jī)器人外部傳感器機(jī)器人外部傳感器類 型檢 測 內(nèi) 容應(yīng) 用 目 的傳 感 器 件明暗覺是否有光、亮度多少判斷有無對(duì)象，并檢測之光電管，光電斷流器色覺對(duì)象色彩及濃度利用顏色識(shí)別對(duì)象的場合彩色攝影機(jī)，濾色器，彩色光管位置覺物體的位置、角度、距離物體空間位置、檢測物體移動(dòng)攝像管形狀覺物體的外形提取物體輪廓及固有特征、識(shí)別物體光電晶體管陣列，CCD，圖像傳感器，SPD等接觸覺與對(duì)象是否接觸，接觸位置決定對(duì)象位置，識(shí)別對(duì)

5、象形態(tài)，控制速度，安全保障，異常停止，尋徑電位計(jì)，光電傳感器，微型開關(guān)，薄膜接點(diǎn)，針式接點(diǎn)壓覺對(duì)物體的壓力、握力、壓力分布控制握力，識(shí)別握持物，測量物體彈性壓電元件，導(dǎo)電橡膠，壓每半導(dǎo)體，感壓高分子材料，應(yīng)變針力覺機(jī)器人有關(guān)部件（如手指）所受外力及轉(zhuǎn)矩控制手腕移動(dòng)，伺服控制，正確完成作業(yè)應(yīng)變針，負(fù)載單元，轉(zhuǎn)矩檢測接近覺與對(duì)象物是否接近，接近距離對(duì)象面的傾斜控制位置，尋徑、安全保障，民常停止光傳感器，氣壓傳感器，超聲波傳感器，磁傳感器滑覺垂直于握持面方向物體的位移、旋轉(zhuǎn)重力引起的變形修正握力，防止打滑，測量物體的重量及表面，進(jìn)行多層作業(yè)球形接點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)傳感器，微型開關(guān)，振動(dòng)檢測器，圓筒狀光電旋轉(zhuǎn)傳

6、感器傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)5.1 仿生傳感器仿生傳感器1視覺傳感器傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)5.1 仿生傳感器仿生傳感器2聽覺傳感器聽覺傳感器是機(jī)器人的耳朵，它是利用語音信息處理技術(shù)制成的。若僅要求它對(duì)聲音產(chǎn)生反應(yīng)，可選用一個(gè)開關(guān)量輸出形式的聽覺傳感器。這種傳感器是比較簡單的，只需用一個(gè)聲-電轉(zhuǎn)換器就能辦到。但一個(gè)高級(jí)的機(jī)器人不僅能夠聽懂人的語言指令，而且能講出人能聽懂的語言，前者為語音識(shí)別技術(shù)，后者為語音合成技術(shù)。具有語音識(shí)別功能的傳感器稱為聽覺傳感器。傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)5.1 仿生傳感器仿生傳感器3接觸覺傳感器傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)5.1 仿生傳感器

7、仿生傳感器4接近覺傳感器（1）光電式接近覺傳感器是一種比較簡單有效的傳感器，把它裝在機(jī)器人手（或足）上，能夠檢測機(jī)器人手臂（或腿）運(yùn)動(dòng)路線上的各種物體。（2）超聲波是人耳聽不見的一種機(jī)械波，頻率在20kHz以上。人耳能聽到的聲音，振動(dòng)頻率范圍只是2020 000Hz。超聲波因其波長較短，繞射小，而能成為聲波射線并定向傳播。（3）電渦流傳感器主要用于檢測由金屬材料制成的對(duì)象物體。它是利用一個(gè)導(dǎo)體在非均勻磁場中移動(dòng)或處在交變磁場內(nèi)，導(dǎo)體內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電流這一基本電學(xué)原理工作的。傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)5.1 仿生傳感器仿生傳感器5嗅覺傳感器人鼻是嗅覺器官，嗅覺傳感器就是仿真人鼻功能的一種傳

8、感器。給機(jī)器人裝上嗅覺傳感器，它就能感受各種氣味，從而用來識(shí)別其所在環(huán)境中的有害氣體，并測定有害氣體的含量。目前還做不到讓機(jī)器人像人一樣聞出多種氣味的機(jī)器鼻子。常用的嗅覺傳感器是半導(dǎo)體氣體傳感器，它是利用半導(dǎo)體氣敏元件同氣體接觸，造成半導(dǎo)體的物理性質(zhì)變化，借以測定某種特定的氣體成分及其含量的。大氣中的氣味各種各樣，而目前研制出的氣體傳感器只能識(shí)別如H2、CO2、CO、NO等少數(shù)氣體，因此除特殊需要安裝探測特定氣體的氣體傳感器外，一般的機(jī)器人基本上沒有嗅覺。傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)5.2 光纖傳感器光纖傳感器5.2.1 光纖結(jié)構(gòu)光纖結(jié)構(gòu)傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)5.2 光纖傳感器光

9、纖傳感器5.2.2 光纖傳感器的工作原理光纖傳感器的工作原理傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)5.2 光纖傳感器光纖傳感器5.2.3 光纖傳感器的特點(diǎn)光纖傳感器的特點(diǎn)（1）抗電磁干擾，電絕緣，耐腐蝕。（2）靈敏度高。（3）重量輕，體積小，可彎曲。（4）測量對(duì)象廣泛。（5）對(duì)被測介質(zhì)影響小。（6）便于復(fù)用，便于成網(wǎng)。（7）成本低。傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)5.2 光纖傳感器光纖傳感器5.2.4 光纖傳感器的應(yīng)用舉例光纖傳感器的應(yīng)用舉例1光纖傳感器渦輪流量計(jì)光纖傳感器流量計(jì)原理傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)5.2 光纖傳感器光纖傳感器雙向流量測量原理圖傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)5.2

10、光纖傳感器光纖傳感器2光纖溫度傳感器傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)5.3 微型傳感器微型傳感器5.3.1 電容式微型傳感器電容式微型傳感器1電容式微型壓力傳感器傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)5.3 微型傳感器微型傳感器2電容式微型流量傳感器傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)5.3 微型傳感器微型傳感器5.3.2 電感式微型傳感器電感式微型傳感器傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)5.3 微型傳感器微型傳感器5.3.3 壓阻式微型傳感器壓阻式微型傳感器傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)5.3 微型傳感器微型傳感器壓阻式微型傳感器結(jié)構(gòu)傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)5.3 微型傳感器微型傳感器5.3.

11、4 熱敏電阻式微型傳感器熱敏電阻式微型傳感器傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)5.3 微型傳感器微型傳感器5.3.5 微機(jī)械陀螺儀微機(jī)械陀螺儀1MEMS陀螺儀的工作原理 傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)5.3 微型傳感器微型傳感器2MEMS陀螺儀的應(yīng)用在汽車上，偏航陀螺儀可以開啟電子穩(wěn)定控制（ESC）制動(dòng)系統(tǒng)，防止汽車急轉(zhuǎn)彎時(shí)發(fā)生意外事故；當(dāng)汽車出現(xiàn)翻滾狀況時(shí)，滾轉(zhuǎn)陀螺儀可以引爆安全氣囊；當(dāng)汽車導(dǎo)航系統(tǒng)無法接收GPS衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，偏航陀螺儀能夠測量汽車的方位，使汽車始終沿電子地圖的規(guī)劃路線行駛，這個(gè)功能被稱之為航位推測系統(tǒng)。傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)5.4 集成傳感器集成傳感器5.4.1 集

12、成溫度傳感器集成溫度傳感器1AD590傳感器性能特點(diǎn)分 擋 參 數(shù)IJKLM工作電壓+4+30V25電流輸出298.2A溫度系數(shù)1A/K25可校正誤差105.02.51.00.5非線性誤差3.01.50.80.40.3長期漂移0.1輸出阻抗10M分 擋 參 數(shù)IJKLM+4+5V0.5A/V+5+15V0.2A/V+15+30V0.1A/V最大正向電源+44V最大反向電源-20V傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)5.4 集成傳感器集成傳感器2AD590的測溫誤差傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)5.4 集成傳感器集成傳感器3AD590的應(yīng)用21T12()IIIKTTo3T312()UIRK R T

13、T傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)5.4 集成傳感器集成傳感器5.4.2 智能壓力傳感器智能壓力傳感器1壓力傳感器的基本結(jié)構(gòu)和特性傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)5.4 集成傳感器集成傳感器2溫度補(bǔ)償傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)5.4 集成傳感器集成傳感器3傳感器放大電路2 1BAR由于MPX700DP傳感器的輸出電壓為mV級(jí)，為了將傳感器的輸出電壓進(jìn)行放大以驅(qū)動(dòng)后續(xù)的電路，在測量電路中必須使用放大器。放大器除了放大傳感器的輸出電壓外，還提供零壓力情況下傳感器零點(diǎn)偏差電壓。傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)5.4 集成傳感器集成傳感器4A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器采用一塊高性能的ICL7106C

14、PL型A/D轉(zhuǎn)換器芯片（IC2），將運(yùn)算放大器差分輸出的模擬電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量。顯示部分采用2塊LCD顯示器。IC2內(nèi)有7段數(shù)字譯碼器、顯示驅(qū)動(dòng)電路、頻率產(chǎn)生器、參考電壓和時(shí)鐘。芯片可直接驅(qū)動(dòng)3位半的LCD，而不需要多路選擇式的顯示方式。只是在本測試儀中，LCD的最高位和最低位數(shù)字未全被利用。但如果需要較大的范圍或較高的分辨率時(shí)，未使用的芯片端口可再連接一位半的附加數(shù)字顯示位。傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)5.4 集成傳感器集成傳感器5電路裝調(diào)及壓力連接壓力傳感器需小心安裝于PC板上（有缺口的管腳為1管腳），并使用合適的工具和螺釘緊固傳感器。注意不要過緊，以免損壞塑殼。為了保證穩(wěn)定，除R

15、5、R11和R8外，均應(yīng)采用金屬膜電阻。傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)5.4 集成傳感器集成傳感器6校準(zhǔn)電路的校準(zhǔn)包括零點(diǎn)校準(zhǔn)（R16）和滿量程校準(zhǔn)（R6）兩個(gè)方面。校準(zhǔn)時(shí)，需要壓力可達(dá)100Pa的壓力源和精確的壓力表。將傳感器接入壓力源。當(dāng)壓力在0100Pa之間時(shí)，數(shù)字壓力測量儀可通過參考?jí)毫Ρ淼膶?duì)比進(jìn)行檢查。傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)5.5 超聲波傳感器超聲波傳感器5.5.1 超聲波傳感器的工作原理超聲波傳感器的工作原理傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)5.5 超聲波傳感器超聲波傳感器 空氣傳導(dǎo)型超聲發(fā)射器、接收器結(jié)構(gòu)1外殼；2金屬絲網(wǎng)罩；3錐形共振盤；4壓電晶片；5引腳；6阻抗匹配

16、器；7超聲波束傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)5.5 超聲波傳感器超聲波傳感器5.5.2 超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器的應(yīng)用1超聲波測厚2v td傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)5.5 超聲波傳感器超聲波傳感器2超聲波測量液位和物位2v th22hsa傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)5.5 超聲波傳感器超聲波傳感器傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)5.5 超聲波傳感器超聲波傳感器傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)5.5 超聲波傳感器超聲波傳感器3超聲波防盜報(bào)警器傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)5.5 超聲波傳感器超聲波傳感器4無損探傷1電纜插頭座； 2工作方式選擇； 3衰減細(xì)調(diào)； 4衰減粗調(diào)；

17、5發(fā)射波T；6第一次底反射波B1； 7第二次底反射波B2； 8第五次底反射波B5； 9掃描時(shí)間調(diào)節(jié)；10掃描時(shí)間微調(diào)； 11脈沖X軸移位； 12報(bào)警揚(yáng)聲器； 13直探頭 傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)5.5 超聲波傳感器超聲波傳感器（1）缺陷面積大，則缺陷脈沖F的幅度就高，而B脈沖的幅度就低。（2）F脈沖距離T脈沖越近，缺陷距離表面越近。傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)5.5 超聲波傳感器超聲波傳感器例5.2 如圖5.33（b）中所示，顯示器的X軸為10s/div(格)，現(xiàn)測得B波與T波的距離為10格，F(xiàn)波與T波的距離為3.5格，已知縱波在鋼板中的聲速c=5.9103m/s。求：（1）超聲波

18、從鋼板底部返回時(shí)間t及從缺陷返回時(shí)間tF；（2）鋼板的厚度及缺陷與表面的距離xF 。解：（1）t=10s/div10div=100s=0.1ms，tF=10s/div3.5div=35s=0.035ms （2）縱波在鋼板中的聲速c=5.9103m/s，則，= tcL/2=5.91030.110-3/2 0.3（m）xF= tcF/2=5.91030.03510-3/2 0.1（m）傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)5.6 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)5.6.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)體系無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)體系1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)5.6 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)5.6 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)2無線傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)5.6 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)5.6 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)5.6.2