《傳感器的概述》PPT課件.ppt

1、傳感器原理與應(yīng)用,傳感器原理與應(yīng)用,第一部分 傳感器的一般特性、分析方法 第二部分 常見(jiàn)傳感器與新型傳感器 第三部分 測(cè)量信號(hào)、記錄、顯示及虛擬儀器開(kāi)發(fā),傳感器原理與應(yīng)用,第一章 傳感器概述 傳感器的定義、組成與分類(lèi) 傳感器的地位與作用 傳感器的現(xiàn)狀和國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì),第一章 傳感器概述,什么是傳感器？ 在我們?nèi)粘Ｉ钪?，使用著各種各樣的傳感器， 電冰箱、電飯煲中的溫度傳感器; 空調(diào)中的溫度和濕度傳感器; 煤氣灶中的煤氣泄漏傳感器; 水表、電表、電視機(jī)和影碟機(jī)中的紅外遙控器; 照相機(jī)中的光傳感器; 汽車(chē)中燃料計(jì)和速度計(jì)等等，不勝枚舉。 傳感器給我們的生活帶來(lái)了多少便利和幫助呢,第一章 傳感器概述

2、,第一章 傳感器概述,人體系統(tǒng)和機(jī)器系統(tǒng)比較 眼 （視覺(jué)） 耳 （聽(tīng)覺(jué)） 鼻 （嗅覺(jué)） 感知外界信息 大腦 肌體 皮膚（觸覺(jué)） 舌 （味覺(jué)）,第一章 傳感器概述,人的體力和腦力勞動(dòng)通過(guò)感覺(jué)器官接收外界信號(hào)，將這些信號(hào)傳送給大腦，大腦把這些信號(hào)分析處理傳遞給肌體。 如果用機(jī)器完成這一過(guò)程，計(jì)算機(jī)相當(dāng)人的大腦，執(zhí)行機(jī)構(gòu)相當(dāng)人的肌體，傳感器相當(dāng)于人的五官和皮膚。,傳感器好比人體感官的延長(zhǎng)，有人又稱(chēng)“電五官”。,第一章 傳感器概述,從廣義的角度來(lái)說(shuō)，感知信號(hào)檢出器件和信號(hào)處理部分總稱(chēng)為傳感器。,第一章 傳感器概述,1.1傳感器的定義、組成與分類(lèi) 1.1.1傳感器的定義 廣義 傳感器是一種能把特定的信息

3、（物理、化學(xué)、生物）按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號(hào)的輸出器件和裝置。,第一章 傳感器概述,所謂“可用信號(hào)”，是指便于傳輸、便于處理的信號(hào)。就目前而言，電信號(hào)最為滿(mǎn)足便于傳輸、便于處理的要求。因此，也可以把傳感器狹義地定義為：能把外界非電量信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的器件或裝置。 目前只要談到傳感器，指的幾乎都是以電為輸出的傳感器。除電信號(hào)以外，人們?cè)诓粩嗵剿骱屠眯碌男盘?hào)媒介?？梢灶A(yù)料，當(dāng)人類(lèi)跨入光子時(shí)代，光信號(hào)能夠更為快速、高效傳輸與處理時(shí)，一大批以光信號(hào)為輸出的器件和裝置將加入到傳感器的家族里來(lái)。 傳感器是生物體感官的工程模擬物；反過(guò)來(lái)，生物體的感官則可以看作是天然的傳感器,第一章 傳感器概述,測(cè)

4、量?jī)x器一般由信號(hào)檢出器件和信號(hào)處理兩部分組成。,這種能感應(yīng)被測(cè)量的變化并將其轉(zhuǎn)換為其它物理量變化的器件，就是傳感器。,輸入匹配,放大變換,被測(cè)信號(hào),廣義傳感器,檢出器 信號(hào)處理部分,輸入匹配,放大變換,被測(cè)信號(hào),廣義傳感器,第一章 傳感器概述,狹義： 能把外界非電信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的器件。 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB766587） 對(duì)傳感器（Sensor/transducer）定義是： 能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件和裝置,第一章 傳感器概述,以上定義表明傳感器有以下含義： 它是由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件構(gòu)成的檢測(cè)裝置； 能按一定規(guī)律將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出； 傳感器的輸出與輸入之

5、間存在確定的關(guān)系； 按使用的場(chǎng)合不同又稱(chēng)為: 變換器、換能器、探測(cè)器。,第一章 傳感器概述,1.1.2傳感器的組成,傳感器由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本電路三部分組成：,第一章 傳感器概述,敏感元件感受被測(cè)量; 轉(zhuǎn)換元件將響應(yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電參量; 基本電路把電參量接入電路轉(zhuǎn)換成電量; 核心部分是轉(zhuǎn)換元件,決定傳感器的工作理。,第一章 傳感器概述,國(guó)標(biāo)GB/T14479-93規(guī)定傳感器圖用圖形符號(hào),表示方法：,正方形表示轉(zhuǎn)換元件,三角形表示敏感元件；,X 表示被測(cè)量符號(hào)，,* 表示轉(zhuǎn)換原理。,X,*,第一章 傳感器概述,幾個(gè)典型傳感器的圖用圖形符號(hào),a,P,電容式壓力 傳感器,壓電式加速度 傳感器

6、,電位器式壓力 傳感器,第一章 傳感器概述,1.1.3傳感器的分類(lèi),傳感器分類(lèi)方法較多,大體有以下幾種：,1）按傳感器檢測(cè)的范疇分類(lèi),物理量傳感器,化學(xué)量傳感器,生物量傳感器,按輸入量分類(lèi) 速度、位移、角速度、力、力矩、壓力、流速、液面、溫度、濕度,第一章 傳感器概述,3）按傳感器的輸出信號(hào)分類(lèi) 模擬傳感器 數(shù)字傳感器,4）按傳感器的結(jié)構(gòu)分類(lèi),結(jié)構(gòu)型傳感器,物性型傳感器,復(fù)合型傳感器,5）按傳感器的功能分類(lèi),單功能傳感器,智能傳感器 多功能傳感器,第一章 傳感器概述,6）按傳感器的轉(zhuǎn)換原理分類(lèi),機(jī)電傳感器 光電傳感器 熱電電傳感器 磁電傳感器 電化學(xué)傳感器,7）按傳感器的能源分類(lèi),有源傳感器

7、無(wú)源傳感器,第一章 傳感器概述,國(guó)標(biāo)制定的傳感器分類(lèi)體系表將傳感器分為： 物理量、化學(xué)量、生物類(lèi)傳感器三大門(mén)類(lèi)；,含12個(gè)小類(lèi)：,力學(xué)量、熱學(xué)量、光學(xué)量、磁學(xué)量、電學(xué)量、聲學(xué)量、 射線(xiàn)、氣體、離子、溫度傳感器以及生化量、 生理量傳感器。,各小類(lèi)按兩個(gè)層次又分若干品種,第一章 傳感器概述,1.2 傳感器的地位與作用,構(gòu)成現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱是：,傳感器技術(shù)（信息采集）；,通信技術(shù) （信息傳輸）；,計(jì)算機(jī)技術(shù)（信息處理）；,它們?cè)谛畔⑾到y(tǒng)中分別起到,“感官”、“神經(jīng)”和“大腦”的作用。,第一章 傳感器概述,在利用信息的過(guò)程中首先要解決獲取準(zhǔn)確可靠的,信息，而傳感器是獲取信息的主要途徑和手段,目前

8、傳感器技術(shù)已經(jīng)在越來(lái)越多的領(lǐng)域得到應(yīng)用，傳感器廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、交通、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療診斷、軍事科研、航空航天、現(xiàn)代辦公設(shè)備、智能樓宇和家用電器等領(lǐng)域。是構(gòu)建現(xiàn)代信息系統(tǒng)的重要組成部分。,傳感器對(duì)觀測(cè)和自動(dòng)化技術(shù)所起的作用遠(yuǎn)比家用電器所起到的作用大的多。這幾乎是無(wú)可爭(zhēng)議的事實(shí)。,第一章 傳感器概述,在基礎(chǔ)學(xué)科研究中，傳感器更有突出的地位。宏觀上的茫茫宇宙、微觀上的粒子世界、長(zhǎng)時(shí)間的天體演化、短的瞬間反應(yīng)。超高溫、超低溫、超高壓、超高真空、超強(qiáng)磁場(chǎng)、弱磁場(chǎng)等極端技術(shù)研究。傳感器的發(fā)展，往往是一些邊緣學(xué)科開(kāi)發(fā)的先驅(qū)。,現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，每個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)都需要用各種傳感器監(jiān)視和控

9、制生產(chǎn)過(guò)程的各個(gè)參數(shù)，一是保證產(chǎn)品達(dá)到最好的質(zhì)量，二是保證設(shè)備工作在最佳狀態(tài)。傳感器是自動(dòng)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵基礎(chǔ)器件，直接影響到自動(dòng)化技術(shù)的水平。,第一章 傳感器概述,現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn),第一章 傳感器概述,機(jī)器人,傳感器系統(tǒng)包括,視覺(jué):平面、立體,非視覺(jué):觸覺(jué)、滑覺(jué)、熱覺(jué)、力覺(jué)、接近覺(jué)、,第一章 傳感器概述,計(jì)量測(cè)試,紅外測(cè)溫,超聲波測(cè)流量,電子汽車(chē)衡,第一章 傳感器概述,醫(yī)療診斷,第一章 傳感器概述,家用電器,遙控器,智能洗衣機(jī),液化氣煙霧報(bào)警器,第一章 傳感器概述,智能建筑,第一章 傳感器概述,智能建筑,自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(門(mén)禁系統(tǒng))打破了人們幾百年來(lái)用鑰匙開(kāi)鎖的傳統(tǒng),指紋門(mén)禁,感應(yīng)式門(mén)禁,第一章 傳感

10、器概述,過(guò)程控制,紙 品,木材烘干,芯片生產(chǎn)要求最高的濕度穩(wěn)定性,精確的 煙草烘干,紡 織 品,濕度傳感器,第一章 傳感器概述,環(huán)境監(jiān)測(cè),第一章 傳感器概述,工程測(cè)量,上海盧浦大橋 通車(chē)應(yīng)力試驗(yàn),第一章 傳感器概述,傳感器具有以下作用,（3） 診斷與監(jiān)測(cè),（6） 環(huán)境保護(hù),（1） 測(cè)量與數(shù)據(jù)采集,（2） 檢測(cè)與控制,（4） 輔助觀測(cè)儀器,（5） 資源探測(cè),（7） 醫(yī)療衛(wèi)生,（8） 家用電器,第一章 傳感器概述,傳感器已滲透到宇宙開(kāi)發(fā)、海洋探測(cè)、軍事國(guó) 防、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、商檢質(zhì)檢、甚至文物保護(hù)等等極其廣泛的領(lǐng)域?？梢院敛豢鋸埖卣f(shuō)：幾乎每個(gè)現(xiàn)代化項(xiàng)目，以至各種復(fù)雜工程系統(tǒng)

11、，都離不開(kāi)各種各樣的傳感器。,由此可見(jiàn)，傳感器技術(shù)在發(fā)展經(jīng)濟(jì)、推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步方面的重要作用，是十分明顯的。世界各國(guó)十分重視這一領(lǐng)域的發(fā)展。,第一章 傳感器概述,未來(lái)世界是個(gè)充滿(mǎn)傳感器的世界，還會(huì)有：,智能房屋（自動(dòng)識(shí)別主人，太陽(yáng)能提供能源）,智能衣服（自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度）,智能公路（自動(dòng)記錄公路的壓力、溫度、車(chē)流量）,智能,智能公路（自動(dòng)記錄公路的壓力、溫度、車(chē)流量）,智能汽車(chē)（無(wú)人駕駛、衛(wèi)星定位）,智能,第一章 傳感器概述,1.3傳感器現(xiàn)狀和國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì),傳感器現(xiàn)狀,據(jù)統(tǒng)計(jì)目前全世界約有40個(gè)國(guó)家從事傳感器的,研制、生產(chǎn)和開(kāi)發(fā)，研發(fā)機(jī)構(gòu)6000余家。,其中以美、日、俄等國(guó)實(shí)力較強(qiáng)，美、日、俄等,國(guó)

12、建立了包括物理量、化學(xué)量、生物量三大門(mén)類(lèi),的傳感器產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)品20000多種，大企業(yè)的年生,產(chǎn)能力達(dá)到幾千萬(wàn)支到幾億支。,預(yù)計(jì)2006年全世界傳感器市場(chǎng)銷(xiāo)售額將增至506億美元。,第一章 傳感器概述,我國(guó)的傳感器產(chǎn)業(yè)在科技投入(經(jīng)費(fèi)、高級(jí)人才資源)、產(chǎn)業(yè)環(huán)境以及科技實(shí)力(專(zhuān)利件數(shù)、新品開(kāi)發(fā)周期、關(guān)鍵材料與零組件、量產(chǎn)能力)三大方面的綜合競(jìng)爭(zhēng)能力遠(yuǎn)低于美國(guó)、日本、歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家。 許多自動(dòng)化方面的專(zhuān)家呼吁：目前系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，自動(dòng)化已經(jīng)陷入低谷，其主要原因之一是傳感技術(shù)落后，一方面表現(xiàn)為傳感器在感知信息方面的落后；另一方面也表現(xiàn)為傳感器自身在智能化和網(wǎng)絡(luò)方面的落后。,第一章 傳感器概述,傳感器發(fā)展

13、趨勢(shì)：,傳感器的歷史遠(yuǎn)比近代科學(xué)來(lái)得古老，20世紀(jì)70年代以來(lái)以電量為輸出的傳感器得到飛速發(fā)展，現(xiàn)代傳感器已是測(cè)量?jī)x器、智能化儀表、自動(dòng)控制系統(tǒng)等裝置必不可少的感知元件。,幾十年來(lái)傳感技術(shù)的發(fā)展分為兩個(gè)方面：,1.提高與改善傳感器的技術(shù)指標(biāo)；,2.尋找新原理、新材料、新工藝。,為改善傳感器性能采用多種技術(shù)途徑：,差動(dòng)技術(shù)；平均技術(shù)；補(bǔ)償修正技術(shù)；,隔離抗干擾抑制、穩(wěn)定性處理等等。,第一章 傳感器概述,目前傳感器總的發(fā)展趨勢(shì)是：,（1） 發(fā)現(xiàn)、利用新效應(yīng)；,（2） 開(kāi)發(fā)新材料；,（3） 提高傳感器性能和檢測(cè)范圍；,（4） 微型化與微功耗；,（5） 集成化與多功能化；,（6） 傳感器的智能化；,（

14、7） 傳感器的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化。,機(jī)器人上用的傳感器的介紹,感知系統(tǒng)是機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)自主化的必須部分。這一章，將介紹一下移動(dòng)機(jī)器人中所采用的傳感器以及如何從傳感器系統(tǒng)中采集所需要的信號(hào)。,根據(jù)傳感器的作用分，一般傳感器分為： 內(nèi)部傳感器（體內(nèi)傳感器）：主要測(cè)量機(jī)器人內(nèi)部系統(tǒng)，比如溫度，電機(jī)速度，電機(jī)載荷，電池電壓等。 外部傳感器（外界傳感器）：主要測(cè)量外界環(huán)境，比如距離測(cè)量，聲音，光線(xiàn)。,機(jī)器人上用的傳感器的介紹,根據(jù)傳感器的運(yùn)行方式，可以分為： 被動(dòng)式傳感器：傳感器本身不發(fā)出能量，比如CCD，CMOS攝像頭傳感器，靠捕獲外界光線(xiàn)來(lái)獲得信息。 主動(dòng)式傳感器：傳感器會(huì)發(fā)出探測(cè)信號(hào)。比如超聲波，紅外

15、，激光。但是此類(lèi)傳感器的反射信號(hào)會(huì)受到很多物質(zhì)的影響，從而影響準(zhǔn)確的信號(hào)獲得。同時(shí)，信號(hào)還狠容易受到干擾，比如相鄰兩個(gè)機(jī)器人都發(fā)出超聲波，這些信號(hào)就會(huì)產(chǎn)生干擾。,機(jī)器人上用的傳感器的介紹,傳感器一般有以下幾個(gè)指標(biāo)： 動(dòng)態(tài)范圍：是指?jìng)鞲衅髂軝z測(cè)的范圍。比如電流傳感器能夠測(cè)量1mA20A的電流，那么這個(gè)傳感器的測(cè)量范圍就是10log（20/0.001)=43dB. 如果傳感器的輸入超出了傳感器的測(cè)量范圍，那么傳感器就不會(huì)顯示正確的測(cè)量值了。比如超聲波傳感器對(duì)近距離的物體無(wú)法測(cè)量。 分辨率：分辨率是指?jìng)鞲衅髂軠y(cè)量的最小差異。比如電流傳感器，它的分辨率可能是5mA，也就是說(shuō)小于5mA的電流差異，它沒(méi)法

16、檢測(cè)出。當(dāng)然越高分辨率的傳感器價(jià)格就越貴。 線(xiàn)性度：這是一個(gè)非常重要的指標(biāo)來(lái)衡量傳感器輸入和輸出的關(guān)系。 頻率：是指?jìng)鞲衅鞯牟蓸铀俣?。比如一個(gè)超聲波傳感器的采樣速度為20HZ，也就是說(shuō)每秒鐘能掃描20次。,機(jī)器人上用的傳感器的介紹,常用的傳感器： 編碼器：主要用于測(cè)量電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度和速度。任何用電機(jī)的地方，都可以用編碼器來(lái)作為傳感器來(lái)獲得電機(jī)的輸出。,光電編碼器的原理,機(jī)器人上用的傳感器的介紹,電子羅盤(pán)：可以檢測(cè)機(jī)器人與地球南北極之間的角度，從而獲得機(jī)器人的朝向。但是精度很低。而且任何磁性物體都會(huì)造成羅盤(pán)失靈，比如揚(yáng)聲器。所以要配合其它傳感器，比如編碼器一起使用才能獲得比較好的定位效果。主要有

17、hall-effect和flux-gate兩種：,Hall-Effect 原理的電子羅盤(pán),Flux-gate 原理的電子羅盤(pán),機(jī)器人上用的傳感器的介紹,陀螺儀：又分機(jī)械陀螺儀和光電陀螺儀?？梢詸z測(cè)絕對(duì)朝向。但是目前價(jià)格過(guò)高，只在飛機(jī)上采用。目前最好的光電陀螺儀能提供100KHz的采樣頻率，同時(shí)提供0.0001degress/hr的分辨率。但是價(jià)格也是同樣昂貴。,機(jī)器人上用的傳感器的介紹,GPS系統(tǒng)：這個(gè)相比不需要太多的解釋。GPS系統(tǒng)分為標(biāo)準(zhǔn)GPS和差分GPS系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)GPS系統(tǒng)能提供15m的誤差定位，而差分GPS系統(tǒng)能提供高達(dá)1m內(nèi)誤差的定位。如果再考慮相位差信號(hào)的話(huà)，最新的GPS設(shè)備能提供

18、精確到10cm的定位坐標(biāo)。美國(guó)人現(xiàn)在的導(dǎo)彈精確度如此之高。,差分GPS系統(tǒng)(DGPS),機(jī)器人上用的傳感器的介紹,超聲波傳感器：超聲波傳感器是基于TOF原理。首先發(fā)射一組聲波脈沖信號(hào)，然后一個(gè)積分器就開(kāi)始計(jì)算發(fā)射時(shí)間。一個(gè)返回信號(hào)閥值接著就會(huì)被設(shè)定來(lái)接受回波信號(hào)，這個(gè)閥值會(huì)隨著時(shí)間的增加而減小，因?yàn)榛夭〞?huì)隨著距離的增加而發(fā)散，從而強(qiáng)度變小。但是在剛發(fā)射信號(hào)的時(shí)候，返回信號(hào)的閥值會(huì)被設(shè)定的很高以防止發(fā)射波直接觸發(fā)接受器，但是這樣造成一個(gè)問(wèn)題，就是如果檢測(cè)的距離很短，在閥值沒(méi)有下降之前，返回信號(hào)已經(jīng)到達(dá)接收器，這時(shí)，接收器會(huì)認(rèn)為這個(gè)返回信號(hào)是剛發(fā)出的信號(hào)，從而拒絕接受。超聲波傳感器就會(huì)有一個(gè)探測(cè)盲

19、區(qū)，沒(méi)法這樣對(duì)近距離物體探測(cè)。一般超聲波探測(cè)器的頻率為40Hz，探測(cè)范圍為12cm5m，精度為98%-99.1%,分辨率為2cm。同時(shí)超聲波是一個(gè)2040度角的面探測(cè)，所以可以使用若干個(gè)超聲波組成一個(gè)超聲波陣列來(lái)獲得180度甚至360的探測(cè)范圍。 超聲波還有其它幾個(gè)缺點(diǎn)，比如交叉感應(yīng)，掃描頻率低，尤其是使用超聲波陣列的時(shí)候，還有回波衰減，折射等問(wèn)題。不過(guò)對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，超聲波還是目前最廉價(jià)和有效的傳感器。,機(jī)器人上用的傳感器的介紹,TOF（time of flight):TOF 原理就是 距離速度時(shí)間，比如聲波傳輸速度是0.3m/ms,如果3m的距離，需要10ms才能到達(dá)。然后通過(guò)計(jì)算這個(gè)

20、返回的時(shí)間差來(lái)確定距離。但是如果是光速的話(huà)，光速是0.3m/ns，同樣3m的距離，光只要10ns就到了。這就對(duì)檢測(cè)元件提出了非常高的要求。這也是激光傳感器價(jià)格居高不下的原因。,TOF 原理,機(jī)器人上用的傳感器的介紹,激光傳感器：原理就是一個(gè)旋轉(zhuǎn)得反射鏡，將激光光束或者超聲波按一定間隔反射出去，然后根據(jù)旋轉(zhuǎn)得角度和時(shí)間差來(lái)得到不同角度得距離值。是用很典型得TOF原理。 不過(guò)對(duì)于激光傳感器而言，有3種檢測(cè)方式： 1）使用脈沖激光，按一定間隔發(fā)射激光，然后計(jì)算返回時(shí)間。這種方法和超聲波一樣，但是激光速度太快，所以對(duì)檢測(cè)元件要求太高，一般Laser Scanner不用這種方式。 2）使用不同頻率得激光，按照一點(diǎn)順序，發(fā)射不同頻率得激光，通過(guò)檢測(cè)返回光束得頻率來(lái)得到距離。 3）相位差。多數(shù)激光傳感器用得是這種方法。通過(guò)檢測(cè)發(fā)射激光和反射激光得相位差來(lái)得到距離。,機(jī)器人上用的傳感器的介紹,紅外傳感器：是利用三角測(cè)量法。 三角測(cè)量法（Tria