智能傳感與檢測(cè)技術(shù) 課件 第12章現(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器

機(jī)械工業(yè)出版社CHINAMACHINEPRESS現(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器第12章智能傳感與檢測(cè)技術(shù)徐小華主編

ISBN978-7-121-76072-6現(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器12智能傳感與檢測(cè)技術(shù)機(jī)器人傳感器12.1

汽車傳感器12.2

現(xiàn)代移動(dòng)通信領(lǐng)域中的傳感器12.3中國(guó)智能制造發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)12.4現(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器12

20世紀(jì)80年代，將具有感覺(jué)、思考、決策和動(dòng)作能力的系統(tǒng)稱為智能機(jī)器人，這是一個(gè)概括的、含義廣泛的概念?，F(xiàn)今人們已經(jīng)研制出了具有感知、決策、行動(dòng)和交互能力的智能機(jī)器人，傳感器使智能機(jī)器人初步具有類似于人的感知能力，不同類型的傳感器組合構(gòu)成了機(jī)器人的感覺(jué)系統(tǒng)。要使智能機(jī)器人對(duì)環(huán)境有更強(qiáng)的適應(yīng)能力，能進(jìn)行更精確的定位和控制，能從事更復(fù)雜的工作，就需要有更多的、性能更好的、功能更強(qiáng)的、集成度更高的機(jī)器人傳感器。機(jī)器人的技術(shù)主要包括：傳感技術(shù)、智能技術(shù)、控制技術(shù)等。智能傳感與檢測(cè)技術(shù)12.1機(jī)器人傳感器12.1.1機(jī)器人概述現(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器12機(jī)器人傳感器包括：內(nèi)部檢測(cè)傳感器和外部檢測(cè)傳感器

內(nèi)部檢測(cè)傳感器是以機(jī)器人本身的坐標(biāo)軸來(lái)確定其位置，它安裝在機(jī)器人自身中用來(lái)感知機(jī)器人自己的狀態(tài)，以調(diào)整和控制機(jī)器人的行動(dòng)。它通常由位置、加速度、速度及壓力傳感器組成。外部檢測(cè)傳感器用于機(jī)器人對(duì)周圍環(huán)境、目標(biāo)物的狀態(tài)特征獲取信息，使機(jī)器人和環(huán)境能發(fā)生交互作用，從而使機(jī)器人對(duì)環(huán)境有自校正和自適應(yīng)能力。外界檢測(cè)傳感器通常包括觸覺(jué)、接近覺(jué)、視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)和味覺(jué)等傳感器。12.1.2機(jī)器人傳感器智能傳感與檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器12觸覺(jué)傳感器機(jī)器人觸覺(jué)，實(shí)際上是對(duì)人的觸覺(jué)的某些模仿。它是機(jī)器人和對(duì)象物之間直接接觸的感覺(jué)，一般認(rèn)為觸覺(jué)包括壓覺(jué)、滑覺(jué)、力覺(jué)等。若沒(méi)有觸覺(jué)，就不能完好平穩(wěn)地抓住紙做的杯子，也不能握住工具。壓覺(jué)傳感器位于手指握持面上，用來(lái)檢測(cè)機(jī)器人手指握持面上承受的壓力大小和分布。力覺(jué)傳感器用于感知機(jī)器人的肢、腕和關(guān)節(jié)等部位在工作和運(yùn)動(dòng)中所受力和力矩的大小及方向，相應(yīng)的有關(guān)節(jié)力傳感器、腕力傳感器和支座傳感器等。12.1.2機(jī)器人傳感器智能傳感與檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器12滑覺(jué)傳感器球形滑覺(jué)傳感器有一個(gè)可自由滾動(dòng)的球，球的表面是用導(dǎo)體和絕緣體按一定規(guī)格布置的網(wǎng)格，在球表面安裝有接觸器。當(dāng)球與被握持物體相接觸時(shí)，如果物體滑動(dòng)，將帶動(dòng)球隨之滾動(dòng)，接觸器與球的導(dǎo)電區(qū)交替接觸從而發(fā)出一系列的脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)及頻率與滑動(dòng)的速度有關(guān)。12.1.2機(jī)器人傳感器智能傳感與檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器12視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、接近覺(jué)、嗅覺(jué)傳感器視覺(jué)傳感器常用的光電檢測(cè)器有攝像頭和固態(tài)圖像傳感器。聽(tīng)覺(jué)傳感器機(jī)器人聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)中的聽(tīng)覺(jué)傳感器的基本形態(tài)與麥克風(fēng)的相同，這方面的技術(shù)已經(jīng)非常成熟。接近覺(jué)傳感器接近覺(jué)傳感器主要感知傳感器與對(duì)象物之間的接近程度，即需要檢測(cè)對(duì)象物體與傳感器之間的距離。嗅覺(jué)傳感器嗅覺(jué)傳感器主要的是采用氣體傳感器、射線傳感器等。12.1.2機(jī)器人傳感器智能傳感與檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器12智能傳感與檢測(cè)技術(shù)12.1.3機(jī)器人的“大腦”和執(zhí)行機(jī)構(gòu)1.機(jī)器人的“大腦”

智能機(jī)器人是一個(gè)非常復(fù)雜的綜合智能系統(tǒng)。智能機(jī)器人配備了各種各樣的傳感器，用于感受來(lái)自外界的信息?？梢哉f(shuō)，機(jī)器人配備的傳感器種類與數(shù)量越多，其智能化程度就越高。機(jī)器人的“大腦”叫做中央處理器（CPU）。中央處理器就是一個(gè)超大規(guī)模的集成電路，接收到傳感器傳回來(lái)的數(shù)據(jù)后，根據(jù)內(nèi)部預(yù)先設(shè)定好的算法程序解析各個(gè)信號(hào)所代表的真實(shí)意義。現(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器12智能傳感與檢測(cè)技術(shù)2.機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)

在機(jī)器人系統(tǒng)里，每個(gè)伺服電機(jī)都相當(dāng)于一個(gè)人體關(guān)節(jié)，比如，一個(gè)機(jī)器人的手臂有7個(gè)不同方向的伺服電機(jī)，就代表這個(gè)機(jī)械手臂可以向7個(gè)不同方向轉(zhuǎn)動(dòng)，也可以說(shuō)成有7個(gè)自由度，由此可見(jiàn)一個(gè)機(jī)器人自由度越多，就說(shuō)明這個(gè)機(jī)器人得動(dòng)作就越靈活。

現(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器1212.2汽車傳感器12.2.1汽車上常用的傳感器智能傳感與檢測(cè)技術(shù)汽車上分布的各類傳感器：有溫度、壓力、流量、位置、速度、氣體濃度、光亮度、距離等功能的傳感器?，F(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器12智能傳感與檢測(cè)技術(shù)1.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上的傳感器發(fā)動(dòng)機(jī)用傳感器主要包括空氣流量傳感器、進(jìn)氣壓力傳感器、節(jié)氣門位置傳感器、曲軸位置傳感器、凸輪軸位置傳感器、進(jìn)氣與冷卻液溫度傳感器、氧傳感器、爆燃傳感器等。圖12-9為發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)傳感器安裝位置圖。

現(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器12智能傳感與檢測(cè)技術(shù)2.液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的傳感器液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中主要傳感器為安裝在方向盤(pán)柱上的轉(zhuǎn)矩傳感器和方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器

現(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器12智能傳感與檢測(cè)技術(shù)3.汽車變速器上的傳感器(1)輸出軸轉(zhuǎn)速傳感器(2)輸入軸轉(zhuǎn)速傳感器（3）冷卻液溫度傳感器（4）液壓油溫度傳感器

4.安全氣囊上的傳感器

安全氣囊控制系統(tǒng)中常見(jiàn)的傳感器是碰撞傳感器，按照用途的不同，碰撞傳感器分為觸發(fā)碰撞傳感器和防護(hù)碰撞傳感器?，F(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器12智能傳感與檢測(cè)技術(shù)5.全自動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)上的傳感器全自動(dòng)溫度控制系統(tǒng)主要包括溫度傳感器、控制系統(tǒng)、ECU、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。其中溫度傳感器有車外溫度傳感器、車內(nèi)溫度傳感器、日照傳感器（陽(yáng)光強(qiáng)度傳感器）和蒸發(fā)器溫度傳感器。

6.電控懸架上的傳感器電控懸架系統(tǒng)主要傳感器有車身高度傳感器、水平傳感器、方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器、節(jié)氣門位置傳感器等。(1)水平傳感器水平傳感器主要檢測(cè)汽車是否處于水平狀態(tài)，為電控懸架和大燈自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)提供輔助信號(hào)。（2）車身高度傳感器車身高度傳感器用來(lái)檢測(cè)汽車垂直方向上高度的變化，其信號(hào)可使懸架控制單元感受到車輛高度變化，通過(guò)有關(guān)執(zhí)行元件調(diào)整汽車車身高度。現(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器127.雨量和光線識(shí)別傳感器智能傳感與檢測(cè)技術(shù)雨量傳感器光線識(shí)別傳感器光照強(qiáng)度傳感器現(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器12雨量識(shí)別傳感器原理

雨量識(shí)別傳感器固定在擋風(fēng)玻璃上.。如果車窗玻璃上有水滴或水層，發(fā)光二極管照射到光電二極管上的光通量就會(huì)發(fā)生變化。汽車在下雨天玻璃越濕，因光線折射作用而反射的光線越少，因此可以利用光電二極管的輸出信號(hào)計(jì)算雨量的大小。雨量識(shí)別的響應(yīng)時(shí)間，即識(shí)別到下雨直至將輸出信號(hào)發(fā)送給刮水器的時(shí)間不超過(guò)20ms。

雨量和光7.雨量和光線識(shí)別傳感器智能傳感與檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器12光照強(qiáng)度傳感器由光電傳感器感知太陽(yáng)輻射，從而調(diào)整空調(diào)系統(tǒng)的溫度。它感知從車輛前面照射的陽(yáng)光強(qiáng)度，并能區(qū)分左右側(cè)。根據(jù)入射太陽(yáng)光的照射方向調(diào)整車輛的冷卻系統(tǒng)。8.光照強(qiáng)度傳感器智能傳感與檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器12智能傳感與檢測(cè)技術(shù)12.2.2汽車電子控制系統(tǒng)1.汽車電子點(diǎn)火系統(tǒng)汽車電腦ECU電子點(diǎn)火系統(tǒng)主要包括各種傳感器、ECU和執(zhí)行器（點(diǎn)火器、點(diǎn)火線圈、火花塞），傳感器主要有：曲軸位置傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、節(jié)氣門位置傳感器、冷卻液溫度傳感器、車速傳感器、爆燃傳感器以及空調(diào)開(kāi)關(guān)信號(hào)等?，F(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器12智能傳感與檢測(cè)技術(shù)2.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)電控燃油噴射系統(tǒng)(EFI)中，ECU主要根據(jù)進(jìn)氣量確定基本的噴油量，再根據(jù)冷卻液溫度傳感器、節(jié)氣門位置傳感器、氧傳感器等傳感器信號(hào)對(duì)噴油量進(jìn)行修正，使發(fā)動(dòng)機(jī)在各種運(yùn)行工況下均能獲得最佳濃度的混合氣，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性。

現(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器12智能傳感與檢測(cè)技術(shù)3.電控自動(dòng)變速器電控自動(dòng)變速器是通過(guò)各種傳感器，將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開(kāi)度、車速、發(fā)動(dòng)機(jī)水溫、自動(dòng)變速器液壓油溫度等參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，并輸入汽車電腦ECU。ECU根據(jù)這些電信號(hào)，按照設(shè)定的換擋規(guī)律，向換擋電磁閥、液壓電磁閥等發(fā)出電子控制信號(hào)；換擋電磁閥和液壓電磁閥再將電腦的電子控制信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤嚎刂菩盘?hào)，閥板中的各個(gè)控制閥根據(jù)這些液壓控制信號(hào)，控制換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋

現(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器12智能傳感與檢測(cè)技術(shù)4.汽車ABS液壓制動(dòng)系統(tǒng)

汽車ABS液壓制動(dòng)裝置一般都是由傳感器、電子控制器和執(zhí)行器三大部分組成。其中傳感器主要是車輪轉(zhuǎn)速傳感器，執(zhí)行器主要指制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)器。

不安裝ABS的汽車在緊急剎車時(shí)，容易出現(xiàn)輪胎抱死，使汽車失去轉(zhuǎn)向能力，這樣危險(xiǎn)系數(shù)就會(huì)增加，容易造成嚴(yán)重后果?，F(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器12智能傳感與檢測(cè)技術(shù)12.3現(xiàn)代移動(dòng)通信領(lǐng)域中的傳感器12.3.1現(xiàn)代移動(dòng)通信技術(shù)概述

在過(guò)去的半個(gè)世紀(jì)中，移動(dòng)通信的發(fā)展對(duì)人們的生活、生產(chǎn)、工作、娛樂(lè)乃至政治、經(jīng)濟(jì)和文化都產(chǎn)生了深刻的影響，30年前幻想中的無(wú)人機(jī)、智能家居、網(wǎng)絡(luò)視頻、網(wǎng)上購(gòu)物等均已實(shí)現(xiàn)。移動(dòng)通信技術(shù)經(jīng)歷了模擬傳輸、數(shù)字語(yǔ)音傳輸、互聯(lián)網(wǎng)通信、個(gè)人通信、新一代無(wú)線移動(dòng)通信5個(gè)發(fā)展階段?，F(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器12智能傳感與檢測(cè)技術(shù)12.3.2智能手機(jī)上的各類傳感器1.光線傳感器2.距離傳感器3.重力傳感器4.加速度傳感器5.磁阻傳感器6.陀螺儀7.GPS8.近場(chǎng)通信（NFC）傳感器9.霍爾感應(yīng)器10.氣壓傳感器12.心率傳感器12.血氧傳感器13.紫外線傳感器

現(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器12智能傳感與檢測(cè)技術(shù)12.4中國(guó)智能制造發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)12.4.1制造業(yè)智能化

現(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器12智能傳感與檢測(cè)技術(shù)12.4.1制造業(yè)智能化

智能化生產(chǎn)在智能制造中的地位舉足輕重，是智能制造的核心所在，從智能制造產(chǎn)值來(lái)看，美國(guó)的舊金山、西雅圖、洛杉磯分別以2.60萬(wàn)億元、2.44萬(wàn)億元、2.33萬(wàn)億元穩(wěn)居前三。中國(guó)的深圳、蘇州、上海分列第四、五、六位，如圖12-38所示。在世界智能制造智能生產(chǎn)排名前十的城市中，中國(guó)的蘇州以0.7702分排名第一，在此項(xiàng)排名中，亞洲表現(xiàn)尚可，有3座城市入榜，如圖12-39所示。評(píng)價(jià)體系主要由科研水平（25%）、智能生產(chǎn)（25%）、產(chǎn)業(yè)融合（20%）、發(fā)展?jié)摿Γ?5%）及政府扶持（15%）等指標(biāo)構(gòu)成。

現(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器12智能傳感與檢測(cè)技術(shù)科技前沿：智能制造

習(xí)近平主席在中國(guó)科學(xué)院第十九次院士大會(huì)、中國(guó)工程院第十四次院士大會(huì)上的講話中強(qiáng)調(diào)：要推進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能同實(shí)體經(jīng)濟(jì)深度融合，做大做強(qiáng)數(shù)字經(jīng)濟(jì)。要以智能制造為主攻方向推動(dòng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)變革和優(yōu)化升級(jí)，推動(dòng)制造業(yè)產(chǎn)業(yè)模式和企業(yè)形態(tài)根本性轉(zhuǎn)變，促進(jìn)我國(guó)產(chǎn)業(yè)邁向全球價(jià)值鏈的中高端。智能制造（IntelligentManufacturing，IM）是基于新一代信息通信技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)深度融合，貫穿于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)等功能的新型生產(chǎn)方式。國(guó)際上，智能制造通常是指一種由智能機(jī)器人和人類專家共同組成的人機(jī)一體智能系統(tǒng)，其技術(shù)包括自動(dòng)化、信息化、互聯(lián)網(wǎng)和智能化四個(gè)層次，如圖12-41所示。現(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器12智能傳感與檢測(cè)技術(shù)12.4.2四大產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)撐起“中國(guó)智造”

各地為了發(fā)展智能制造產(chǎn)業(yè)，在智能制造鏈條上誕生了大量的產(chǎn)業(yè)園區(qū)，孕育了一大批智能制造產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)，為了兼具樣本的文泛性和科學(xué)性，《世界智能制造中心發(fā)展趨勢(shì)報(bào)告（2019）》在園區(qū)樣本選擇上，涉及帶有“智能制造”名稱的所有產(chǎn)業(yè)園區(qū)，共得到園區(qū)樣本537個(gè)。從智能裝備行業(yè)的區(qū)域競(jìng)爭(zhēng)格局來(lái)看，目前，我國(guó)的智能制造裝備主要分布在工業(yè)基礎(chǔ)較為發(fā)達(dá)的地區(qū)，在政策東風(fēng)吹拂下，我國(guó)正在形成珠三角、長(zhǎng)三角、環(huán)渤海的中西部四大產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)，產(chǎn)業(yè)集群將進(jìn)一步提升各地智能制造的發(fā)展水平。

現(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器12智能傳感與檢測(cè)技術(shù)1.環(huán)渤海地區(qū)——人才儲(chǔ)備雄厚科研實(shí)力突出

現(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器12智能傳感與檢測(cè)技術(shù)2.長(zhǎng)三角地區(qū)——經(jīng)濟(jì)活躍創(chuàng)新能力強(qiáng)

現(xiàn)代智能制造工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器12智能傳感與檢測(cè)技術(shù)3.珠三角