檢測技術的綜合應用實例本章內容

12.1傳感器在現代汽車中的應用

12.2傳感器在數控機床中的應用

12.3傳感器在機器人中的應用

12.4傳感器在智能樓宇中的應用

學習目標

了解檢測技術在現代汽車中的應用。

了解檢測技術在數控機床中的應用。了解檢測技術在機器人的應用。了解檢測技術在智能樓宇中的應用。12.1傳感器在現代汽車中的應用一輛家用普通轎車上大概用到幾十到近百只傳感器，而在一些豪華轎車上，傳感器的數量可達到二百余只，可以說傳感器已經成為衡量汽車檔次高低的一個重要標準。

汽車類型繁多，結構比較復雜，大體可分為發動機、底盤和電氣設備三大部分，可分成燃料系、點火系、傳動系、轎廂系等幾個系統，每一部分均安裝有許多檢測和控制用的傳感器。（參考南京交通技師學院資料，以幾幅下同）2024/2/215

2024/2/216與發動機配套使用的各種傳感器進氣壓力傳感器曲軸位置傳感器進氣壓力、溫度傳感器2024/2/21712.1.1汽車上的壓力傳感器在眾多汽車傳感器中，壓力傳感器使用量最多，發展得也最快。汽車上至少有兩個系統需要測量與控制壓力：其一是發動機，如潤滑系統的機油壓力檢測和電子燃油噴射系統中進氣管的壓力檢測；其二是制動系統，如貯氣裝置、剎車控制裝置和剎車助力裝置等。2、汽車上的溫度傳感器溫度傳感器是車用傳感器中用得比較多的一種（常見一輛汽車要裝用十幾只溫度傳感器）。它主要用來檢測發動機的溫度、吸入氣體的溫度、冷卻液的溫度、燃油的溫度、大氣及排氣的溫度。汽車水溫傳感器

2024/2/211012.1.3汽車上的測速傳感器

速度與加速度的測量是衡量汽車運行狀態的重要參數。1．霍爾轉速傳感器霍爾轉速表原理

當齒對準霍爾元件時，磁力線集中穿過霍爾元件，可產生較大的霍爾電動勢，放大、整形后輸出高電平；反之，當齒輪的空擋對準霍爾元件時，輸出為低電平。傳感器在汽車ABS中的作用

當汽車緊急剎車時，使汽車減速的外力主要來自地面作用于車輪的摩擦力，即所謂的地面附著力。而地面附著力的最大值出現在車輪接近抱死而尚未抱死的狀態。這就必須設置一個“防抱死制動系統”又稱為ABS。ABS由車輪速度傳感器、ECU以及電—液控制閥等組成。ECU根據車輪速度傳感器來的脈沖信號控制電液制動系統，使各車輪的制動力滿足少量滑動但接近抱死的制動狀態，以使車輛在緊急剎車時不致失去方向性和穩定性。2024/2/2113汽車防抱死解決方案剎車裝置2024/2/2114汽車防抱死使用效果及注意事項在用力緊急剎車時，ABS自動啟動。使用ABS能改善剎車效果使用ABS前易發生“甩尾”2024/2/2115霍爾傳感器在汽車防抱死裝置（ABS）中的應用

若汽車在剎車時車輪被抱死，將產生危險。用霍爾轉速傳感器來檢測車輪的轉動狀態有助于控制剎車力的大小。帶有微型磁鐵的霍爾傳感器鋼質霍爾硅微加工加速度傳感器

圖示加速度傳感器以微細加工技術為基礎，既能測量交變加速度（振動），也可測量慣性力或重力加速度。其工作電壓為2.7～5.25V，加速度測量范圍為數個g，可輸出與加速度成正比的電壓也可輸出占空比正比于加速度的PWM脈沖。2．加速度傳感器與安全氣囊的控制

1—加速度測試單元

2—信號處理電路

3—襯底

4—底層多晶硅（下電極）

5—多晶硅懸臂梁

6—頂層多晶硅（上電極）硅微加工加速度傳感器原理

利用微電子加工技術，可以將一塊多晶硅加工成多層結構。在硅襯底上，制造出三個多晶硅電極，組成差動電容C1、C2。圖中的底層多晶硅和頂層多晶硅固定不動。中間層多晶硅是一個可以上下微動的振動片。其左端固定在襯底上，所以相當于懸臂梁。當它感受到上下振動時，C1、C2呈差動變化。與加速度測試單元封裝在同一殼體中的信號處理電路將ΔC轉換成直流輸出電壓。它的激勵源也做在同一殼體內，所以集成度很高。由于硅的彈性滯后很小，且懸臂梁的質量很輕，所以頻率響應可達1kHz以上，允許加速度范圍可達10g以上。如果在殼體內的三個相互垂直方向安裝三個加速度傳感器，就可以測量三維方向的振動或加速度。微加工三軸加速度傳感器技術指標：靈敏度：500mV/g，量程：10g，頻率范圍：0.5-2000Hz，安裝諧振點:8kHz，分辨力：0.00004g，重量：200g，安裝螺紋：M5mm，線性誤差：≤1%加速度傳感器在汽車中的應用

加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。當測得的負加速度值超過設定值時，微處理器據此判斷發生了碰撞，于是就啟動轎車前部的折疊式安全氣囊迅速充氣而膨脹，托住駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。

裝有傳感器的假人氣囊12.1.4汽車上的位置和轉角傳感器位置傳感器主要是用來檢測節氣門在加、減速狀態的開度，計算機根據傳感器輸出的信號來判定發動機工作狀況，并以此為依據調節燃油噴射量。轉角傳感器設置于車輪轉向機構的被測物上，用來連續檢測汽車轉向角度。空氣系統中的傳感器

為了得到最佳的燃燒狀態和最小的排氣污染，必須對油氣混合氣中的空氣-燃油比例（空燃比）進行精確的控制。空氣系統中傳感器的作用是計量和控制發動機燃燒所需要的空氣量。空氣進氣量還與油門踏板有關。駕駛員通過操作油門踏板控制進氣道的節氣門開度，以改變進氣流通截面積，從而控制進氣量，由此控制發動機的功率。ECU必須知道節氣門的開度，才能控制噴油器的噴油量。2024/2/2123節氣門及節氣門角位移開度傳感器節氣門角度位移傳感器節氣門2024/2/2124

12.1.4汽車上的防撞傳感器用于防撞控制的傳感器主要有超聲波傳感器和激光傳感器（通常被稱為防撞雷達）等。圖12-6基于超聲檢測的倒車防撞雷達示意圖

機器人是由計算機控制的復雜機器，它具有類似人的肢體及感官功能；動作程序靈活；有一定程度的智能；在工作時可以不依賴人的操縱。機器人傳感器在機器人的控制中起了非常重要的作用，正因為有了傳感器，機器人才具備了類似人類的知覺功能和反應能力。

2024/2/212612.2傳感器在機器人中的應用

檢測裝置就是機器人的“感官”。它的作用是實時檢測機器人的運動及工作情況，根據需要反饋給控制系統，與設定信息進行比較后，對執行機構進行調整，以保證機器人的動作符合預定的要求。可分為兩類：一類是內部信息傳感器，用于檢測機器人各部分的內部狀況。另一類是外部信息傳感器，用于獲取有關機器人的作業對象及外界環境等方面的信息，

12.2.1機器人的內部信息傳感器1）位置和角度傳感器2）速度、角速度的測量3）加速度的測量4）方位角傳感器

12.2.2機器人的外部傳感器

1）觸覺傳感器

2）力覺傳感器3）距離傳感器4）視覺傳感器

類別檢測內容應用目的傳感器件明暗覺是否有光，亮度多少判斷有無對象，并得到定量結果光敏管、光電斷續器色覺對象的色彩及濃度利用顏色識別對象的場合彩色攝影機、濾色器、彩色CCD位置覺物體的位置、角度、距離物體空間位置，判斷物體移動光敏陣列、CCD等形狀覺物體的外形提取物體輪廓及固有特征，識別物體光敏陣列、CCD等接觸覺與對象是否接觸，接觸的位置決定對象位置，識別對象形態，控制速度，安全保障，異常停止，尋徑光電傳感器、微動開關、薄膜接點、壓敏高分子材料壓覺對物體的壓力、握力、壓力分布控制握力，識別握持物，測量物體彈性壓電元件、導電橡膠、壓敏高分子材料力覺機器人有關部件（如手指）所受外力及轉矩控制手腕移動，伺服控制，正確完成作業應變片、導電橡膠接近覺對象物是否接近，接近距離，對象面的傾斜控制位置，尋徑，安全保障，異常停止光傳感器、氣壓傳感器、超聲波傳感器、電渦流傳感器、霍爾傳感器滑覺垂直握持面方向物體的位移，重力引起的變形修正握力，防止打滑，判斷物體重量及表面狀態球形接點式、光電旋轉傳感器、角編碼器、振動檢測器機器人傳感器分類

傳感器在機器人身上的分布

能踢球的機器人2024/2/2132對運動的球類有正確反應的機器人能打網球的機器人機器人足球比賽2024/2/2133

12.3檢測技術在數控機床上的應用1．位移的檢測數控機床上位移檢測的傳感器主要有編碼器、光柵、旋轉變壓器、感應同步器等。

圖12-7光電編碼器的應用1—X軸進給伺服電動機；2、5—光電編碼器；

3—滾珠絲杠；4—Z軸進給伺服電動機；6—主軸電動機1．編碼器的應用編碼器在定位加工中的應用1—絕對式編碼器

2—電動機

3—轉軸

4—轉盤

5—工件

6—刀具

設該增量式光電編碼器的參數為1024p/r，大、小皮帶輪的傳動比為5，若希望當加工好元件1后緊接著加工元件8，則電動機轉動了多少分之幾圈？應等待編碼器給出多少脈沖數時，電動機停轉？

圖為利用光柵傳感器測量數控機床工作臺位移量的現場照片。

工作臺光柵工作臺運動方向光柵在機床上的安裝位置2．光柵的應用光柵在機床上的安裝位置

2．位置的檢測位置傳感器可用做檢測位置和反映某種狀態的開關。

圖12-9刀架選刀控制1—凸輪4；2—凸輪3；3—凸輪2；4—凸輪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）

編碼器在數控加工中心的刀庫選刀控制中的應用旋轉刀庫被加工工件刀具角編碼器的輸出為當前刀具號角編碼器與旋轉刀庫連接（a）（b）圖12-10工作臺行程控制（a）接近式；（b）滑過式1—運動部件12.4傳感器在智能樓宇中的應用

智能化建筑中的建筑機電設備和設施就是樓宇自動化系統的對象和環境，通常可將建筑機電設備和設施按功能劃分為七個子系統：包括電力供應系統、照明系統、環境控制系統、消防系統、保安系統、交通運輸系統和廣播系統。樓宇自控系統最重要的工作單元就是傳感器。

圖12-11智能樓宇主要設備設施組成框圖智能化建筑中的傳感器活動物體傳感器煙霧傳感器二氧化碳傳感器溫度傳感器火焰傳感器總線終端控制對象2024/2/2145智能家居結構圖2024/2/2146家居防盜2024/2/21471、空調系統的監控

空調系統監控的目的是：既要提供溫濕度適宜的環境，又要求節約能源。其監控范圍為制冷機、熱力站、空氣處理設備（空氣過濾、熱濕交換）、送排風系統、變風量末端（送風口）等。2024/2/21482、給排水系統

給排水系統的監控和管理由現場監控站和管理中心來實現，其最終目的是實現管網的合理調度。也就是說，無論用戶水量怎樣變化，管網中各個水泵都能及時改變其運行方式，保持適當的水壓，實現泵房的最佳運行；監控系統還隨時監視大樓的排水系統，并自動排水；當系統出現異常情況或需要維護時，系統將產生報警信號，通知管理人員處理。給排水系統的監控主要包括水泵的自動啟停控制、水位流量、壓力的測量與調節；用水量和排水量的測量；污水處理設備運轉的監視、控制、水質檢測；節水程序控制；故障及異常狀況的記錄等。現場監控站內的控制器按預先編制的軟件程序來滿足自動控制的要求，即根據水箱和水池的高、低水位信號來控制水泵的啟、停及進水控制閥的開關，并且進行溢水和停水的預警等。當水泵出現故障時，備用水泵則自動投入工作，同時發出報警信號。

2024/2/2149給排水系統監控原理框圖

2024/2/2150變頻控制供水機組

采用變頻供水系統取代屋頂水箱，穩定水壓。2024/2/2151排污系統污水處理高效節能無堵塞排污泵2024/2/21523、供配電與照明系統監控

智能樓宇的最大特點之一是節能，而照明系統在整個樓宇的用電量中占有很大的比例。作為一個大型高級建筑物，燈光系統控制水平的高低直接反映了大樓的智能化水平。供配電系統對如下參數進行監視：電壓、電流、視在功率、功率因數、頻率等指標，并自動進行功率因數補償；為了節電，當傳感器長期感應不到有人走動時，自動關閉該區域的燈光照明。

當樓宇內的供配電出現故障時，傳感器和計算機必須在極短的時間里向監控中心報告故障的部位和原因，供電系統將立即啟動UBS或自備發電機，向重要供電對象（例如計算機系統）提供電力，以免系統崩潰。

2024/2/2153樓宇低壓成套配電柜2024/2/2154機房在線式不間斷電源（UPS）、消防應急電源（EPS）2024/2/21554、火災監視、控制系統

火情、火災報警傳感器主要有感煙傳感器、感溫傳感器以及紫外線火焰傳感器。從物理作用上區分，可分為離子型、光電型等；從信號方式區分，可分為開關型，模擬型及智能型等。在重點區域必須設置多種傳感器，同時對現場加以監測，以防誤報警；還應及時將現場數據經控制網絡向控制系統匯總。獲得火情后，系統就會自動采取必要的措施，經通信網絡向有關職能部門報告火情，并對樓宇內的防火卷簾門、電梯、滅火器、噴水頭、消防水泵、電動門等聯動設備下達啟動或關閉的命令，以使火災得到即時控制，還應啟動公共廣播系統，引導人員疏散。2024/2/2156火災與報警

2024/2/2157火災、安防監控系統

（參考肇慶市新達消防水電安裝工程有限公司資料）

2024/2/2158火災報警聯動控制器

火災報警聯動控制器是一種大型的智能化報警系統，該系統是由多個微處理器組成，采用了先進的軟件結構和智能化網絡分布處理技術，具備火災探測、消防聯動等功能。2024/2/2159火災報警聯動控制器

火災報警聯動控制器能將智能樓宇的災情自動傳送到消防部門的計算機系統中。2024/2/2160火災感知傳感器及玻璃球灑水噴頭

煙霧傳感器

當發生火災時，溫度升高使玻璃球爆裂，高壓自來水自動噴出。煙2024/2/21615、門禁、防盜系統

出入口控制系統又叫門禁管理系統，是對樓宇內外的出入通道進行智能管理的系統，門禁系統屬公共安全管理系統范疇。在樓宇內的主要管理區、出入口、電梯廳、主要設備控制中心機房、貴重物品的庫房等重要部位的通道口，安裝門禁控制裝置，由中心控制室監控。各門禁控制單元一般由門禁讀卡模塊、智能卡讀卡器、指紋識別器（今后可能還有視網膜識別器）、電控鎖或電動閘門、開門按鈕等系統部件組成。人員通過受控制的門或通道時，必須在門禁讀卡器前出示代表其合法身份的授權卡或密碼后才能通行。

2024/2/2162刷卡門禁外形及內部電路刷卡器2024/2/2163門禁的幾個主要部件

門禁主要由如下部件組成：讀卡器、門禁控制器、電磁門鎖等。2024/2/2164其他各種門禁系統

指紋門禁系統.無線IC門禁系統2024/2/21656、停車監控系統

在智能樓宇內，多配置有地下車庫。車庫綜合管理系統監控車輛的進入，指示停車位置，禁止無關人員闖入，甚至能自動登錄車牌號碼。

中央控制器車牌識別系統刷卡門禁行車泊位系統活動物體監視燈光自控2024/2/2166地下停車場的智能管理

在一些系統中，使用感應讀卡器，可以在1m的開外讀出進出車輛的信息。還有一些系統使用圖像傳感器。當車輛駛近入口時，地感線圈（電渦流線圈）感應到車輛的速度、長度，并啟動CCD攝像機，將車牌影像攝入，并送到車牌圖像識別器，形成進入車輛的車牌數據存入管理系統的計算機內，并分配停車泊位。當管理系統允許該車輛進入后，電動車閘欄桿自動開啟。進庫的車輛在停車引導燈的指揮下，停到規定的位置。

2024/2/21677、電梯的運行管理

電梯是智能樓宇的重要設備，是機械、電氣緊密結合的產品。電梯的使用對象是人，因此必須確保萬無一失。在電梯運行管理中，傳感器起到十分重要的作用。電梯有垂直升降式和自動扶梯兩大類。轎廂是乘人、運貨的設備，人、貨進入轎廂后，隨轎廂而到達所要求的樓層。轎廂的上下運動是由電動機、曳引機、曳引輪和配重等裝置配合完成的。在電梯中，有很多檢測裝置用于電梯控制，如電梯的平層控制、選層控制、門系統控制等。

2024/2/2168入口安全保護

電梯門有層門和轎門之分，層門設在每層的入口處，在層門旁有指示往上、往下的按鈕；轎門設在轎廂靠近層門的一側，供乘客或貨物進出。層門和轎門的開啟和關閉是同步進行的，為保證乘客或貨物的安全，在電梯門的入口處都帶有安全保護裝置。多數電梯采用光電式保護裝置。在轎門邊上安裝兩道水平光電裝置，選用對射式紅外光電開關，對整個開門寬度進行檢測。在轎門關閉的過程中，只要乘客或貨物遮斷任一道光路，門都會重新開啟，待乘客進入或離開轎廂后才繼續完成關閉動作。

2024/2/2169

電梯夾住手或身體時，保護電路啟動防夾程序層門轎門2024/2/2170電梯重新打開層門和轎門2024/2/2171廂式電梯曳引機

角編碼器與電動機軸連接，用于測量、控制電梯平層及變頻調速。電磁抱閘曳引輪曳引鋼繩交流變頻曳引電動機2024/2/2172電梯控制柜變頻器信號接口板PLC交流接觸器空氣開關接線端子2024/2/2173

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