《型传感器》PPT课件.ppt

第11章 新型传感器,11.1 集成温度传感器11.2 磁敏传感器11.3 光纤传感器11.4 传感器在机器人中的应用,集成温度传感器,一、所谓集成传感器,就是在一块极小的半导体芯片上集成了包括温度敏感器件、信号放大电路、温度补偿电路、基准电源电路等在内的各个单元，它使传感器和集成电路融为一体。,集成温度传感器与传统的热电阻、热电偶温度计相比最大的优点是：线性度好、灵敏度高、输出信号大，且规范化标准化,二、优点,集成温度传感器按信号输出形式分为：电流型、电压型,集成温度传感器,三、AD590系列集成温度传感器,AD590是电流型集成温度传感器，其输出电流与环境绝对温度成正比，所以可以直接制成绝对温度仪。AD590有I、J、K、L、M等型号系列，采用金属管壳封装。,外形图,电路符号,电源+,电流输出端,美国DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器DS1820，可把温度信号直接转换成串行数字信号供微机处理。由于每片DS1820含有唯一的串行序列号，所以在一条总线上可挂接任意多个DS1820芯片。从DS1820读出的信息或写入DS1820的信息，仅需要一根口线（单总线接口）。读写及温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS1820供电，而无需额外电源。DS1820提供九位温度读数，构成多点温度检测系统而无需任何外围硬件。,数字输出型IC温度传感器,、DS1820的特性单线接口：仅需一根口线与MCU连接；无需外围元件；由总线提供电源；测温范围为-55125，精度为0.5；九位温度读数；A/D变换时间为200ms；用户可以任意设置温度上、下限报警值，且能够识别具体报警传感器。,DS 1820,1,2,3,GND,I/O,VDD,(a)PR35封装,DS1820的管脚排列,DS1820,1,2,3,4,5,6,7,8,I/O,GND,(b)SOIC封装,NC,NC,NC,NC,VDD,NC,2、DS1820引脚及功能 GND：地；VDD：电源电压 I/O：数据输入输出脚(单线接口，可作寄生供电),3、DS1820的工作原理 图为DS1820的内部框图，它主要包括寄生电源、温度传感器、64位激光ROM单线接口、存放中间数据的高速暂存器（内含便笺式RAM），用于存储用户设定的温度上下限值的TH和TL触发器存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码（CRC）发生器等七部分。,存储器控制逻辑,64bitROM和单线接口,电源检测,温度传感器,高温触发器,低温触发器,8位CRC触发器,存储器,DS1820内部结构图,寄生电源由两个二极管和寄生电容组成。电源检测电路用于判定供电方式。寄生电源供电时,电源端接地，器件从总线上获取电源。在I/O线呈低电平时，改由寄生电容上的电压继续向器件供电。寄生电源两个优点：检测远程温度时无需本地电源；缺少正常电源时也能读ROM。若采用外部电源,则通过二极管向器件供电。,(1)寄生电源,DS1820内部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率信号f0，高温度系数振荡器则将被测温度转换成频率信号f。当计数门打开时，DS1820对f0计数，计数门开通时间由高温度系数振荡器决定。芯片内部还有斜率累加器，可对频率的非线性予以补偿。测量结果存入温度寄存器中。一般情况下的温度值应为9位（符号点1位），但因符号位扩展成高8位，故以16位补码形式读出，表3.4-1给出了DS1820温度和数字量的对应关系。,温度测量电路,斜率累加器,计数器1,计数器2,低温度系数晶振,高温度系数晶振,=0,=0,预置,温度寄存器,预置,比较,停止,置位/清零,加1,(2)温度测量原理,DS1820测量温度时使用特有的温度测量技术，如图。,集成温度传感器,五、温度变送器,温度变送器有三个品种：直流毫伏变送器、热电偶温度变送器和热电阻温度变送器。,将输入的直流毫伏信号及被测温度信号转换为4mA20mA DC和IV5VDC输出的统一信号的装置称为变送器。这三种变送器在线路结构上都分为量程单元和放大单元两个部分，其中放大单元是通用的，量程单元随品种、测量范围而变。,所谓变送器,集成温度传感器,五、温度变送器,温度变送器有三个品种：直流毫伏变送器、热电偶温度变送器和热电阻温度变送器。,集成温度传感器,五、温度变送器,温度变送器有三个品种：直流毫伏变送器、热电偶温度变送器和热电阻温度变送器。,集成温度传感器,五、温度变送器,温度变送器有三个品种：直流毫伏变送器、热电偶温度变送器和热电阻温度变送器。,集成温度传感器,六、一体化温度变送器,一体化温度变送器是温度传感元件与变送电路的紧密结合体。它是一种小型固态化温度变送器，与热电偶或热电阻安装在一起，不需要补偿导线或延长线，由直流24V供电，用两线制方式连接，输出4mA20mADC标准信号。其原理框图如下。,一体化温度变送器原理框图,温度传感器典型应用,一、金属表面温度的测量,二、热电偶炉温控制系统,温度传感器典型应用,三、采用集成温度传感器的数字式温度计,温度传感器典型应用,四、电动机保护器,磁敏传感器,磁敏传感器是基于磁电转换原理的传感器。早在1856年和1879年就发现了磁阻效应和霍尔效应，但作为实用的磁敏传感器则产生于半导体材料发现之后。60年代初，西门子公司研制出第一个实用的磁敏元件；1966年又出现了铁磁性薄膜磁阻元件；1968年索尼公司研制成性能优良、灵敏度高的磁敏二极管；1974年美国韦冈德发明了双稳态磁性元件。目前上述磁敏元件已得到广泛的应用。磁敏传感器主要有磁敏电阻、磁敏二极管、磁敏三极管和霍尔式磁敏传感器。,6.1 磁敏电阻器 磁敏电阻器（Magnetic Resistance）是基于磁阻效应的磁敏元件,也称MR元件。磁敏电阻的应用范围比较广，可以利用它制成磁场探测仪、位移和角度检测器、安培计以及磁敏交流放大器等。一、磁阻效应 若给通以电流的金属或半导体材料的薄片加以与电流垂直或平行的外磁场，则其电阻值就增加。称此种现象为磁致电阻变化效应，简称为磁阻效应。,在外加磁场作用下，某些载流子受到的洛伦兹力比霍尔电场作用力大时，它的运动轨迹就偏向洛伦兹力的方向；这些载流子从一个电极流到另一个电极所通过的路径就要比无磁场时的路径长些，因此增加了电阻率。当温度恒定时，在磁场内，磁阻与磁感应强度 B 的平方成正比。如果器件只是在电子参与导电的简单情况下，理论推导出来的磁阻效应方程为,式中 B 磁感应强度为B时的电阻率；0 零磁场下的电阻率；电子迁移率；B 磁感应强度。当电阻率变化为B 0时，则电阻率的相对变化为：,/0=0.2732B2=K2B2,由此可知，磁场一定时电子迁移率越高的材料（如InSb、InAs和NiSb等半导体材料），其磁阻效应越明显。,当材料中仅存在一种载流子时磁阻效应几乎可以忽略，此时霍耳效应更为强烈。若在电子和空穴都存在的材料（如InSb）中，则磁阻效应很强。磁阻效应还与磁敏电阻的形状、尺寸密切相关。这种与磁敏电阻形状、尺寸有关的磁阻效应称为磁阻效应的几何磁阻效应。若考虑其形状的影响。电阻率的相对变化与磁感应强度和迁移率的关系可表达为,长方形磁阻器件只有在L(长度)b（宽度）的条件下，才表现出较高的灵敏度。把Lb的扁平器件串联起来，就会得到零磁场电阻值较大、灵敏度较高的磁阻器件。,为形状效应系数。,图（a）为器件长宽比lwl的纵长方形片，由于电子运动偏向一侧，必然产生霍尔效应，当霍尔电场EH对电子施加的电场力fE和磁场对电子施加的洛伦兹力fL平衡时，电子运动轨迹就不再继续偏移，所以片内中段电子运动方向和长度l的方向平行，只有两端才是倾斜的。这种情况电子运动路径增加得并不显著，电阻增加得也不多。,L,b,B,B,几何磁阻效应,I,I,（a）,（b）,图(b)是在Lb长方形磁阻材料上面制作许多平行等间距的金属条（即短路栅格），以短路霍尔电势，这种栅格磁阻器件如图（b）所示，就相当于许多扁条状磁阻串联。所以栅格磁阻器件既增加了零磁场电阻值、又提高了磁阻器件的灵敏度。实验表明，对于InSb材料，当B=1T时，电阻可增大10倍(因为来不及形成较大的霍尔电场EH)。,磁敏电阻通常使用两种方法来制作：一种是在较长的元件片上用真空镀膜方法制成，如图(a)所示的许多短路电极(光栅状)的元件；另一种是由InSb和NiSb构成的共晶式半导体(在拉制 InSb单晶时，加入1的Ni，可得InSb和NiSb的共晶材料)磁敏电阻。这种共晶里，NiSb呈具有一定排列方向的针状晶体，它的导电性好，针的直径在1m左右，长约100m，许多这样的针横向排列，代替了金属条起短路霍尔电压的作用。由于InSb的温度特性不佳，往往在材料中加人一些N型碲或硒，形成掺杂的共晶，但灵敏度要损失一些。在结晶制作过程中有方向性地析出金属而制成磁敏电阻，如上图(b)所示。除此之外，还有圆盘形，中心和边缘处各有一电极，如上图(c)所示。磁敏电阻大多制成圆盘结构。,二、磁敏电阻的结构,各种形状的磁敏电阻，其磁阻与磁感应强度的关系如右图所示。由图可见，圆盘形样品的磁阻最大。磁敏电阻的灵敏度一般是非线性的，且受温度影响较大；因此，使用磁敏电阻时必须首先了解如下图所示的持性曲线。然后，确定温度补偿方案。,磁阻元件的电阻值与磁场的极性无关，它只随磁场强度的增加而增加,磁阻元件的温度特性不好，在应用时，一般都要设计温度补偿电路。,磁敏电阻器的应用：,1 作控制元件 可将磁敏电阻用于交流变换器、频率变换器、功率电压变换器、磁通密度电压变换器和位移电压变换器等电路中作控制元件。2作计量元件 可将磁敏电阻用于磁场强度测量、位移测量、频率测量和功率因数测量等诸多方面。3作开关电路 在接近开关、磁卡文字识别和磁电编码器等方面。4作运算器 可用磁敏电阻在乘法器、除法器、平方器、开平方器、立方器和开立方器等方面使用。5作模拟元件 可在非线性模拟、平方模拟、立方模拟、三次代数式模拟和负阻抗模拟等方面使用。,磁敏电阻的应用,根据铁磁物体对地磁的扰动，可检测车辆的存在，可用于包括自动开门，路况监测，停车场检测，车辆位置监测，红绿灯控制等。,锑化铟(InSb)磁阻传感器在磁性油墨鉴伪点钞机中的应用 InSb伪币检测传感器安装在光磁电伪币检测机上，其工作过程如上图所示，电路原理图如下图所示。,电路工作原理图,InSb伪币检测传感器工作原理与输出特性,当纸币上的磁性油墨没有进入位置1时，设输出变化为零，如果进入位置1，由于R2电阻增大，则输出变化为0.3mV左右；如果进入位置3时，则仍为0；如果进入位置4，则为-0.3mV，如果进入位置5，则仍为0，就这样产生输出特性，经过放大、比较、脉冲展宽、显示，就能检测伪币，达到理想效果。,半导体InSb磁敏无接触电位器 半导体InSb磁敏无接触电位器是半导体InSb磁阻效应的典型应用之一。与传统电位器相比,它具有无可比拟的优点:无接触电刷、无电接触噪音、旋转力矩小、分辨率高、高频特性好、可靠性高、寿命长。半导体InSb磁敏无接触电位器是基于半导体InSb磁阻效应原理，由半导体InSb磁敏电阻元件和偏置磁钢组成；其结构与普通电位器相似。由于无电刷接触，故称无接触电位器。,该电位器的核心是差分型结构的两个半园形磁敏电阻；它们被安装在同一旋转轴上的半园形永磁钢上，其面积恰好覆盖其中一个磁敏电阻；随着旋转轴的转动，磁钢覆盖于磁阻元件的面积发生变化，引起磁敏电阻值发生变化，旋转转轴，即能调节其阻值。其工作原理和输出电压随旋转角度变化的关系曲线如图所示。,6.3 磁敏二极管和磁敏三极管 磁敏二极管、三极管是继霍耳元件和磁敏电阻之后迅速发展起来的新型磁电转换元件。霍尔元件和磁敏电阻均是用N型半导体材料制成的体型元件。磁敏二极管和磁敏三极管是PN结型的磁电转换元件，它们具有输出信号大、灵敏度高（磁灵敏度比霍耳元件高数百甚至数千倍）、工作电流小、能识别磁场的极性、体积小、电路简单等特点，它们比较适合磁场、转速、探伤等方面的检测和控制。,一、磁敏二极管的结构和工作原理 1结构 磁敏二极管的P型和N型电极由高阻材料制成，在P、N之间有一个较长的本征区I，本征区I的一面磨成光滑的低复合表面(为I区)，另一面打毛，设置成高复合区(为r区)，其目的是因为电子 空穴对易于在粗糙表面复合而消失。当通过正向电流后就会在P、I、N结之间形成电流。由此可知，磁敏二极管是PIN型的。,当磁敏二极管未受到外界磁场作用时，外加正偏压(P区为正)，则有大量的空穴从P区通过i区进入N区，同时也有大量电子注入 P区，这样形成电流，只有少量电子和空穴在i区复合掉。当磁敏二极管受到如下图(b)所示的外界磁场H+(正向磁场)作用时，则电子和空穴受到洛仑兹力的作用而向r区偏转，由于r区的电子和空穴复合速度比光滑面I区快，空穴和电子一旦复合就失去导电作用，意味着基区的等效电阻增大，电流减小。磁场强度越强，电子和空穴受到洛仑兹力就越大，单位时间内进入由于r区而复合的电子和空穴数量就越多，载流子减少，外电路的电流越小。,当磁敏二极管受到如右图(c)所示的外界磁场片H-(反向磁场)作用时，则电子和空穴受到洛仑兹力作用而向I区偏移，由于电子、空穴复合率明显变小，i区的等效电阻减小，则外电路的电流变大。若在磁敏二极管上加反向偏压(P区的负)，则仅有很微小的电流流过，并且几乎与磁场无关。因此，该器件仅能在正向偏压下工作。利用磁敏二极管的正向导通电流随磁场强度的变化而变化的特性，即可实现磁电转换。,结论：随着磁场大小和方向的变化，可产生正负输出电压的变化、特别是在较弱的磁场作用下，可获得较大输出电压。若r区和r区之外的复合能力之差越大，那么磁敏二极管的灵敏度就越高。磁敏二极管反向偏置时，则在 r区仅流过很微小的电流，显得几乎与磁场无关。因而二极管两端电压不会因受到磁场作用而有任何改变。,3磁敏二极管的主要特性(1)磁电待性 在给定条件下，磁敏二极管输出的电压变化与外加磁场的关系称为磁敏二极管的磁电持性。磁敏二极管通常有单只和互补两种使用方式。它们的磁电特性如下图所示。由图可知，单只使用时，正向磁灵敏度大于反向；互补使用时，正、反向磁灵敏度曲线对称，且在弱磁场下有较好的线性。,(2)伏安特性 磁敏二极管正向偏压和通过电流的关系被称为磁敏二极管的伏安特性，如图所示。从图可知，磁敏二极管在不同磁场强度H下的作用，其伏安特性将是不一样。图(a)为锗磁敏二极管的伏安特性；(b)为硅磁敏二极管的伏安特性。图(b)表示在较宽的偏压范围内，电流变化比较平坦；当外加偏压增加到一定值后，电流迅速增加、伏安持性曲线上升很快，表现出其动态电阻比较小。,(3)温度特性 一般情况下，磁敏二极管受温度影响较大，即在一定测试条件下，磁敏二极管的输出电压变化量U，或者在无磁场作用时，中点电压Um随温度变化较大。因此，在实际使用时，必须对其进行温度补偿。互补式温度补偿电路 选用两只性能相近的磁敏二极管，按相反磁极性组合，即将它们的磁敏面相对或背,向放置串接在电路中。无论温度如何变化，其分压比总保持不变，输出电压Um随温度变化而始终保持不变，这样就达到了温度补偿的目的。不仅如此，互补电路还能提高磁灵敏度。,差分式电路 如下图(c)所示。差分电路不仅能很好地实现温度补偿，提高灵敏度，还可以弥补互补电路的不足。如果电路不平衡，可适当调节电阻R1和R2。全桥电路 全桥电路是将两个互补电路并联而成。和互补电路一样，其工作点只能选在小电流区。该电路在给定的磁场下，其输出电压是差分电路的两倍。由于要选择四只性能相同的磁敏二极管，会给实际使用带来一些困难。热敏电阻补偿电路 如下图(e)所示。该电路是利用热敏电阻随温度的变化，而使Rt和D的分压系数不变，从而实现温度补偿。热敏电阻补偿电路的成本略低于上述三种温度补偿电路，因此是常被采用的一种温度补偿电路。,二、磁敏三极管的结构和工作原理 1磁敏三极管的结构 在弱P型或弱N型本征半导体上用合金法或扩散法形成发射极、基极和集电极。其最大特点是基区较长，基区结构类似磁敏二极管，也有高复合速率的r区和本征I区。长基区分为输运基区和复合基区。,2磁敏三极管的工作原理 当磁敏三极管未受到磁场作用时，由于基区宽度大于载流子有效扩散长度，大部分载流子通过e-I-b，形成基极电流；少数载流子输入到c极，因而基极电流大于集电极电流。,当受到正向磁场(H+)作用时，由于磁场的作用，洛仑兹力使载流子向复合区偏转，导致集电极电流显著下降；当反向磁场(H-)作用时，载流子向集电极一侧偏转，使集电极电流增大。由此可知，磁敏三极管在正、反向磁场作用下，其集电极电流出现明显变化。,3.磁敏三极管的主要特性(1)磁电特性 磁敏三极管的磁电特性是应用的基础，是主要特性之一。例如，国产NPN型3BCM（锗）磁敏三极管的磁电特性，在弱磁场作用下，曲线接近一条直线，如左下图所示。(2)伏安特性 磁敏三极管的伏安特性类似普通晶体管的伏安特性曲线。下右图(a)为不受磁场作用时，磁敏三极管的伏安特性曲线；下右图(b)是磁场为1kG s，基极为3mA时，集电极电流的变化。由该图可知，磁敏三极管的电流放大倍数小于1。,(3)温度特性及其补偿 磁敏三极管对温度比较敏感，实际使用时必须采用适当的方法进行温度补偿。对于锗磁敏三极管，例如，3ACM，3BCM，其磁灵敏度的温度系数为0.8/；硅磁敏三极管(3CCM)磁灵敏度的温度系数为-0.6/。对于硅磁敏三极管可用正温度系数的普通硅三极管来补偿因温度而产生的集电极电流的漂移。具体补偿电路如图(a)所示。当温度升高时，BG1管集电极电流Ic增加，导致BGm管的集电极电流也增加，从而补偿了BGm管因温度升高而导致Ic的下降。图(b)是利用锗磁敏二极管电流随温度升高而增加的这一特性使其作硅磁敏三极管的负载，当温度升高时，可以弥补硅磁敏三极管的负温度漂移系数所引起的电流下降的问题。除此之外，还可以采用两只特性一,致、磁极相反的磁敏三极管组成的差分电路，如图(c)所示，这种电路既可以提高磁灵敏度，又能实现温度补偿，它是一种行之有救的温度补偿电路。,（三）磁敏二极管和磁敏三极管的应用 由于磁敏管有效高的磁灵敏度，体积和功耗都很小，且能识别磁极性等优点，是一种新型半导体磁敏元件，它有着广泛的应用前景。利用磁敏管可以作成磁场探测仪器如高斯计、漏磁测量仪、地磁测量仪等。用磁敏管作成的磁场探测仪，可测量10-7T左右的弱磁场。根据通电导线周围具有磁场，而磁场的强弱又取决于通电导线中电流大小的原理，因而可利用磁敏管采用非接触方法来测量导线中电流。而用这种装置来检测磁场还可确定导线中电流值大小，既安全又省电，因此是一种备受欢迎的电流表。此外,利用磁敏管还可制成转速传感器(能测高达每分钟数万转的转速),无触点电位器和漏磁探伤仪等。,磁敏二极管漏磁探伤仪 磁敏二极管漏磁探伤仪是利用磁敏二极管可以检测弱磁场变化的特性而设计的。原理如图所示。漏磁探伤仪由激励线圈2、铁芯3、放大器4、磁敏二极管探头5等部分构成。将待测物1(如钢棒)置于铁芯之下，并使之不断转动，在铁芯、线圈激磁后，钢棒被磁化。若待测钢棒没有损伤的部分在铁芯之下时，铁芯和钢棒被磁化部分构成闭合磁路，激励线圈感应的磁通为，此时无泄漏磁通，磁场二极管探头没有信号输出。若钢棒上的裂纹旋至铁芯下，裂纹处的泄漏磁通作用于探头，探头将泄漏磁通量转换成电压信号，经放大器放大输出，根据指示仪表的示值可以得知待测铁棒中的缺陷。,（四）、常用磁敏管的型号和参数 3BCM型锗磁敏三极管参数表,3CCM型硅磁敏三极管参数表,2023/7/12,59,光纤传感器,光纤传感器概述,20世纪70年代中期发展起来,优点，如不受电磁干扰、体积小、重量轻、可挠曲、灵敏度高、耐腐蚀、电绝缘、防爆性好、易与微机连接、便于遥测等。它能用于温度、压力、应变、位移、速度、加速度、磁、电、声和pH值等各种物理量的测量，具有极为广泛的应用前景。,2023/7/12,60,分类,光纤传感器可以分为两大类：一类是功能型（传感型）传感器；另一类是非功能型（传光型）传感器。单模光纤和多模光纤。单模光纤的纤芯直径通常为212 m，很细的纤芯半径接近于光源波长的长度，仅能维持一种模式传播，一般相位调制型和偏振调制型的光纤传感器采用单模光纤；光强度调制型或传光型光纤传感器多采用多模光纤。,2023/7/12,61,各种装饰性光导纤维,2023/7/12,62,发光二极管产生多种颜色的光线，通过光导纤维传导到东方明珠球体的表面。在计算机控制下，可产生动态图案。,上海东方明珠,2023/7/12,63,光纤的结构,光导纤维简称为光纤，目前基本上还是采用石英玻璃，其结构如图所示。中心的圆柱体叫做纤芯，围绕着纤芯的圆形外层叫做包层。纤芯和包层主要由不同掺杂的石英玻璃制成。,1光纤的结构,2023/7/12,64,光纤的结构,2023/7/12,65,光纤的结构,2023/7/12,66,光纤传感器外形,2023/7/12,67,光纤的分类,(1)按光纤的折射率可分为阶跃型和梯度型。(2)按传输模数可分为单模光纤和多模光纤,2023/7/12,68,光纤的传光原理,光纤的传输是基于光的全内反射。,2023/7/12,69,只要满足全反射条件，光线仍继续前进。可见这里的光线“转弯”实际上是由光的全反射所形成的 光纤集光本领的术语叫数值孔径NA NA=sinc=数值孔径反映纤芯接收光量的多少。,2023/7/12,70,光纤传感器的工作原理及类型特点,光纤传感器是将光源发出的光经过光纤再送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等发生变化，成为被调制的信号光。已调制的信号光再经光纤送入光探测器，经解调器解调后，最终获得被测量的参数。,1光纤传感器工作原理,2023/7/12,71,光纤传感器的工作原理及类型特点,按光纤在传感器中功能的不同，光纤传感器可分为两种类型，即非功能型(或称结构型、传光型)光纤传感器（又称光纤式光电传感器）和功能性(或称物性型、传感型)光纤传感器。前者常使用多模光纤，而后者常使用单模光纤。,2、光纤传感器的类型及组成,2023/7/12,72,光纤传感器组成示意图,2023/7/12,73,光纤传感器的工作原理及类型特点,（1）抗电磁干扰能力强。常用光纤主要是由电绝缘、耐腐蚀的SiO2做成，工作时利用光子传输信息，因而不怕电磁场干扰，加之电磁干扰噪声的频率与光频相比很低，对光波没有干扰；此外，光波易于屏蔽，外界光频性质的干扰也很难进入光纤。（2）灵敏度高。（3）重量轻、体积小。（4）适于遥测。可以利用光通讯技术组成遥测网。,3、光纤传感器的特点,2023/7/12,74,光纤传感器的应用,因光纤传感器具有传输损耗小、灵敏度高、体积小、抗干扰能力强等特点。光纤传感器主要应用在下列场合：由于传感器传输距离远，可以用于危险作业；检验零部件细小部分；因安装场地窄小，不能使用其它传感器的场合；检验零部件上细小的颜色标记等。,2023/7/12,75,光纤传感器的应用,1、光纤加速度传感器,2023/7/12,76,光纤传感器的应用,2、光纤辐射温度传感器单波长测量原理：当达到某一温度时，会出现暗红色的辐射，随着温度增加，亮度也在加强。利用光电检测器测量亮度即光强的变化，便能检测温度。,2023/7/12,77,专用的光纤连接头及光纤插座,光纤与电光转换元件耦合时，两者的轴心必须严格对准并固定，可使用专用的连接头及光纤插座来完成。,2023/7/12,78,光纤式光电开关应用,标志孔,电路板标志检测,当光纤发出的光穿过标志孔时，若无反射，说明电路板方向放置正确。,光纤 耦合器,传输光纤,出射光纤,2023/7/12,79,光纤式光电开关应用,遮断型光纤光电开关,出射光纤,接收光纤,2023/7/12,80,光纤的其他应用,军用光纤陀螺：将激光射入绕成线圈的光纤，当线圈的底座随运动物体旋转时，可以测得出射光的相位发生变化，它的灵敏度比机械陀螺高，无机械磨擦力。,光纤内窥镜,传感器在机器人中的应用,机器人是由计算机控制的复杂机器，它具有类似人的肢体及感官功能；动作程序灵活；有一定程度的智能；在工作时可以不依赖人的操纵。机器人传感器在机器人的控制中起了非常重要的作用，正因为有了传感器，机器人才具备了类似人类的知觉功能和反应能力。,机器人传感器分类,传感器在机器人身上的分布,能踢球的机器人,对运动的球类有正确反应的机器人,能打网球的机器人,机器人足球比赛,能行走的机器人,服务机器人,机器人伴舞,机器人奏乐,可爱的小机器人,能上台阶并避开障碍物的机器人,能自己站起来的机器人,军事机器人,我国引进的排爆机器人,进攻型机器人,工业机器人,核工业机器人,汽车喷漆机器人,机器人的手,机械手在汽车加工中的应用,机械手能按照程序焊接和安装汽车部件，是机器人的雏形。,激光焊接机械手（参考上海大众汽车有限公司资料）,采用两级分布式计算机实时控制系统,在机器人中，起到内部反馈控制作用或感知与外部环境的相互作用的装置被称为传感器。,灵巧手,三个手指,3个关节,微电机,角度传感器,三维力传感器,概念：,传感器分类,控制器,内部传感,外部传感,机器人,机器人信息传感,位置传感器,速度传感器,加速度传感器,力和压力传感器,力矩传感器,微动开关,可见光和红外传感器,接触和视觉传感器,接近觉传感器,测距仪,嗅觉传感器,视觉传感器,语音识别装置,语音合成器,内传感器是用于测量机器人自身状态的功能元件。,测量与机器人作业有关的外部因素。通常与机器人的目标识别、作业安全等因素有关。,旋转编码器,电位器,伺服电机,伺服控制器,步进电机,步进控制器,传感器如何选择？,传感器特性,成 本,尺 寸,重 量,输出的类型,接 口,分辨率,灵敏度,线性度,量 程,响应时间,频率响应,可靠性,重复精度,精 度,内传感器：,内传感器是用于测量机器人自身状态的功能元件。具体检测的对象有：关节的线位移、角位移等几何量；速度、角速度、加速度等运动量；倾斜角、方位角、振动等物理量。内传感器常用于控制系统中，用作反馈元件，检测机器人自身的状态参数。常用的有：,1规定位置检测的内传感器：,应用场合：检测规定的位置，常用ON/OFF两个状态值。这种方法用于检测机器人的起始原点、终点位置或某个确定的位置。典型元器件：给定位置检测常用的检测元件有微型开关、光电开关等。1）微型开关 规定的位移量或力作用在微型开关的可动部分上，开关的电气触点断开（常闭）或接通（常开）并向控制回路发出动作信号。,一般在限位开关的执行器上安装滚轮。,限位开关就是用以限定机械设备的运动极限位置的电气开关。这种开关有接触式的和非接触式两种。接触式的比较直观，机械设备的运动部件上，安装行程开关，与其相对运动的固定点上安装极限位置的挡块，或者是相反安装位置。当行程开关的机械触头碰上挡块时，切断了（或改变了）控制电路，机械就停止运行或改变运行。由于机械的惯性运动，这种行程开关有一定的“超行程”以保护开关不受损坏。非接触式的形式很多，常见的有干簧管、光电式、感应式等，这几种形式在电梯中都能够见到。当然还有更多的先进形式。,执行器形状不同的限位开关,光电开关的原理是根据投光器发出的光束,被物体阻断或部分反射,受光器最终据此作出判断反应，启动开关作用。,光电开关的原理,特点：非接触性检测，精度达0.5mm.,2位置、角度测量,测量机器人关节线位移和角位移的传感器是机器人位置反馈控制中必不可少的元件。常用的有电位器、旋转变压器、编码器等。其中编码器既可以检测直线位移，又可以检测角位移。,1）光电编码器：光电编码器由发光元件、聚光镜、漏光盘、光栏板、光敏管等构成。灯泡发出的光线经过聚焦后变成平行光束，当漏光盘上的条纹与光栏板上的条纹重合时，光敏管便接受一次光的信号并记数，由此可以测试旋转速度。,2）电位器,由环状或棒状电阻丝和滑动片（电刷）组成。将线位移或角位移转化成电阻的变化，以电压或电流形式输出。检测的是以电阻中心为基准位置的移动距离。,E：输入电压 L：触头最大移动距离 X：向左端移动的距离 e：电阻右侧的输出电压,3）编码器,检测细微运动，输出数字信号,根据信号输出形式分为增量式和绝对式A 增量式,简单旋转式增量编码器,简单直线增量编码器,旋转式增量编码器通过内部两个光敏接收管转化其角度码盘的时序和相位关系，得到其角度码盘角度位移量增加（正方向）或减少（负方向）。,无法输出轴转动的绝对位置信息,增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90，从而可方便地判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。,优点,原理构造简单,寿命长，可靠性高,抗干扰能力强,缺点,B 绝对式,每个位置都对应着透光与不透光弧段的惟一确定组合，这种确定组合有惟一的特征。通过这特征，在任意时刻都可以确定码盘的精确位置。,绝对式旋转编码器根据读出码盘上的编码检测绝对位置。,3）旋转变压器,原理：转子转动引起磁通量旋转，在次级线圈产生变化的电压。从而可以用来测量角位移。,旋转变压器又称分解器，是一种控制用的微电机，它将机械转角变换成与该转角呈某一函数关系的电信号的一种间接测量装置。在结构上与二相线绕式异步电动机相似，由定子和转子组成。定子绕组为变压器的原边，转子绕组为变压器的副边。激磁电压接到转子绕组上，感应电动势由定子绕组输出。,旋转变压器结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便，输出信号幅度大，抗干扰性强，工作可靠。,3、速度传感器,编码器原理：在闭环伺服系统中，编码器的反馈脉冲个数和系统所走位置的多少成正比。对任意给定的角位移，编码器将产生确定数量的脉冲信号，通过统计指定时间内脉冲信号的数量，能计算出相应的角速度。,速度、角速度的测量是驱动器反馈控制中必不可少的环节。可利用前面所述的位移传感器或编码器测量，也可用测速发电机测量。,从工作原理上讲,它属于“发电机”的范畴。测速发电机在控制系统中主要作为阻尼元件、微分元件、积分元件和测速元件来使用。测速发电机是一种测量转速的微型发电机，它把输入的机械转速变换为电压信号输出，并要求输出的电压信号与转速成正比，即 测速发电机分直流测速发电机和交流测速发电机两大类。,测速发电机,1）直流测速发电机 直流测速发电机实际就是一种微型直流发电机，按定子磁极的励磁方式分为电磁式和永磁式。直流测速发电机的输出电压与转速要严格保持正比关系,这在实际中是难以做到的，直流测速发电机输出的是一个脉动电压，其交变分量对速度反馈控制系统、高精度的解算装置有较明显的影响。2）交流测速发电机 交流异步测速发电机与交流伺服电动机的结构相似，其转子结构有笼型的，也有杯型的，在自动控制系统中多用空心杯转子异步测速发电机。交流同步测速发电机因感应电势频率随转速而变，致使电机本身的阻抗及负载阻抗均随转速而变化，因此，输出电压不再与转速成正比关系。故同步测速发电机应用较少。测速发电机的作用是将机械速度转换为电气信号，常用作测速元件、校正元件、解算元件，与伺服电机配合，广泛使用于许多速度控制或位置控制系统中，如在稳速控制系统中，测速发电机将速度转换为电压信号作为速度反馈信号，可达到较高的稳定性和较高的精度，在计算解答装置中，常作为微分、积分元件。,典型外传感器,用来检测机器人所处环境（如是什么物体，离物体的距离有多远等）及状况（如抓取的物体是否滑落）的传感器。主要有：物体识别传感器、物体探伤传感器、接近觉传感器、距离传感器、力觉传感器，听觉传感器等。,外部状况的感觉 1、物体识别传感器 典型的是视觉传感器，如摄像机。视觉是利用 光（机器人可用红外线等）的非接触方式。触觉也能识别物体。机器人可以用触觉传感器 来实现这种机能。2、物体探测传感器 物体探测传感器是一种识别物体而且知道其存在 的传感器。例如视觉传感器、光电开关和超声波传感器等，即使物体较远也能探测其存在。,3、极近物体探测传感器 探测非常近的物体存在的传感器称为接近传感器。,接近传感器又称无触点接近传感器，是理想的电子开关量传感器。当金属类被检测体接近传感器的感应区域，开关就能在无接触、无压力、无火花的情况下迅速发出电气指令，准确反应出运动机构的位置和行程。即使用于一般的行程控制，其定位精度、操作频率、使用寿命、安装调整的方便性和对恶劣环境的适用能力，是一般机械式行程开关所不能相比的。常用的有：两线制接近传感器：两线制接近传感器安装简单，接线方便；应用比较广泛，但却有残余电压和漏电流大的缺点。直流三线式接近传感器的输出型有NPN和PNP两种，70年代日本产品绝大多数是NPN输出，西欧各国NPN、PNP两种输出型都有。,PNP输出接近传感器一般应用在PLC或计算机上作为控制指令的较多，NPN输出接近传感器用于控制直流继电器较多，在实际应用中要根据控制电路的特性进行选择其输出形式。,带有RS232数据接口激光测距传感器,超声波距离传感器,红外线距离传感器,4、距离传感器 摄像机距离传感器。超声波距离传感器。超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波对液体、固体的穿透能力很大，尤其是在不透光的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。可用于鱼群探测、金属内部探伤等方面。激光距离传感器：利用激光传输时间来测量距离的基本原理是，通过测量激光往返目标所需时间来确定目标距离。,5.力觉传感器,力觉传感器使用的主要元件是电阻应变片。,（3）装在机器人手爪指关节（或手指上）的力传感器，称为指力传感器。,通常我们将机器人的力传感器分为三类：,（1）装在关节驱动器上的力传感器，称为关节力传感 器。用于控制中的力反馈。,（2）装在末端执行器和机器人最后一个关节之间的力传感器，称为腕力传感器。,SRI（Stanford Research Institute）研制的六维腕力传感器，如图所示。它由一段直径为75mm的铝管铣削而成，具有八个窄长的弹性梁，每个梁的颈部只传递力，扭矩作用很小。梁的另一头贴有应变片。图中从Px+到Qy-代表了8根应变梁的变形信号的输出。,SRI传感器,日本大和制衡株式会社林纯一研制的腕力传感器。它是一种整体轮辐式结构，传感器在十字梁与轮缘联结处有一个柔性环节，在四根交叉梁上共贴有32个应变片（图中以小方块），组成8路全桥输出。,非径向中心对称三梁腕力传感器 传感器的内圈和外圈分别固定于机器人的手臂和手爪，力沿与内圈相切的三根梁进行传递。每根梁上下、左右各贴一对应变片，三根梁上共有6对应变片，分别组成六组半桥，对这6组电桥信号进行解耦可得到六维力（力矩）的精确解。,6、其他类型传感器 语音识别传感器。分析振动声音探测机械故障的点传感器。热传感器：温度传感器。通过分析敲打的声音测定果品成熟程度的传感器。根据近红外线的糖度吸收程度测定水果甜度的 传感器,机器人需要的感觉能力,触觉能力：主要指确定工作对象是否存在，以及它的尺寸大小和形状等。接近觉能力：主要用于探测机器人自身与周围物体之间相对位置或距离。接近觉界于触觉与视觉之间。视觉能力：孔、边、拐角的检测及工作对象形状的检测等。压觉能力：主要用于检测机器人与作业对象之间接触面的法向压力值的大小。滑觉能力：主要用于检测物体因自重相对于机器人手爪的滑移量的大小。,1接触觉传感器：,接触觉传感器检测机器人是否接触目标或环境，用于寻找物体或感知碰撞。工作原理：在电极和柔性导体之间留有间隙，当施加外力时，受压部分的柔性导体和柔性绝缘体发生变形，利用柔性导体和电极之间的接通状态形成接触觉。,机器人的触觉,一般认为触觉包括接触觉、压觉、滑觉、力觉四种，狭义的触觉按字面上来看是指前三种感知接触的感觉。,特点：外形尺寸十分大空间分辨率低,利用阵列这一概念已开发了许多重要的传感器。,开关式触觉传感器,碳毡（CSA）灵敏度高，具有较强的耐过载能力。缺点是有迟滞，线性差。导电橡胶的电阻也会随压力的变化而变化，因此也常用来作为触觉传感器的敏感材料。,压阻式阵列触觉传感器,碳毡（CSA）,2压觉传感器：,压觉传感器检测传感器面上受到的