第1章传感器的概述.ppt

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1、传感器原理与应用,传感器原理与应用,第一部分 传感器的一般特性、分析方法第二部分 常见传感器与新型传感器第三部分 测量信号、记录、显示及虚拟仪器开发,传感器原理与应用,第一章 传感器概述传感器的定义、组成与分类传感器的地位与作用传感器的现状和国内外发展趋势,第一章 传感器概述,什么是传感器？在我们日常生活中，使用着各种各样的传感器，电冰箱、电饭煲中的温度传感器;空调中的温度和湿度传感器;煤气灶中的煤气泄漏传感器;水表、电表、电视机和影碟机中的红外遥控器;照相机中的光传感器;汽车中燃料计和速度计等等，不胜枚举。传感器给我们的生活带来了多少便利和帮助呢,第一章 传感器概述,第一章 传感器概述,人体

2、系统和机器系统比较眼（视觉）耳（听觉）鼻（嗅觉）感知外界信息 大脑 肌体 皮肤（触觉）舌（味觉）,第一章 传感器概述,人的体力和脑力劳动通过感觉器官接收外界信号，将这些信号传送给大脑，大脑把这些信号分析处理传递给肌体。如果用机器完成这一过程，计算机相当人的大脑，执行机构相当人的肌体，传感器相当于人的五官和皮肤。,传感器好比人体感官的延长，有人又称“电五官”。,第一章 传感器概述,从广义的角度来说，感知信号检出器件和信号处理部分总称为传感器。,第一章 传感器概述,1.1传感器的定义、组成与分类 1.1.1传感器的定义广义 传感器是一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号

3、的输出器件和装置。,第一章 传感器概述,所谓“可用信号”，是指便于传输、便于处理的信号。就目前而言，电信号最为满足便于传输、便于处理的要求。因此，也可以把传感器狭义地定义为：能把外界非电量信息转换成电信号输出的器件或装置。目前只要谈到传感器，指的几乎都是以电为输出的传感器。除电信号以外，人们在不断探索和利用新的信号媒介。可以预料，当人类跨入光子时代，光信号能够更为快速、高效传输与处理时，一大批以光信号为输出的器件和装置将加入到传感器的家族里来。传感器是生物体感官的工程模拟物；反过来，生物体的感官则可以看作是天然的传感器,第一章 传感器概述,测量仪器一般由信号检出器件和信号处理两部分组成。,这种

4、能感应被测量的变化并将其转换为其它物理量变化的器件，就是传感器。,输入匹配,放大变换,被测信号,广义传感器,检出器 信号处理部分,输入匹配,放大变换,被测信号,广义传感器,第一章 传感器概述,狭义：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。国家标准（GB766587）对传感器（Sensor/transducer）定义是：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件和装置,第一章 传感器概述,以上定义表明传感器有以下含义：它是由敏感元件和转换元件构成的检测装置；能按一定规律将被测量转换成电信号输出；传感器的输出与输入之间存在确定的关系；按使用的场合不同又称为:变换器、换能器、探测器。

5、,第一章 传感器概述,1.1.2传感器的组成,传感器由敏感元件、转换元件、基本电路三部分组成：,第一章 传感器概述,敏感元件感受被测量;转换元件将响应的被测量转换成电参量;基本电路把电参量接入电路转换成电量;核心部分是转换元件,决定传感器的工作理。,第一章 传感器概述,国标GB/T14479-93规定传感器图用图形符号,表示方法：,正方形表示转换元件,三角形表示敏感元件；,X 表示被测量符号，,*表示转换原理。,X,*,第一章 传感器概述,几个典型传感器的图用图形符号,a,P,电容式压力传感器,压电式加速度 传感器,电位器式压力传感器,第一章 传感器概述,1.1.3传感器的分类,传感器分类方法

6、较多,大体有以下几种：,1）按传感器检测的范畴分类,物理量传感器,化学量传感器,生物量传感器,按输入量分类 速度、位移、角速度、力、力矩、压力、流速、液面、温度、湿度,第一章 传感器概述,3）按传感器的输出信号分类 模拟传感器 数字传感器,4）按传感器的结构分类,结构型传感器,物性型传感器,复合型传感器,5）按传感器的功能分类,单功能传感器,智能传感器 多功能传感器,第一章 传感器概述,6）按传感器的转换原理分类,机电传感器 光电传感器 热电电传感器 磁电传感器 电化学传感器,7）按传感器的能源分类,有源传感器 无源传感器,第一章 传感器概述,国标制定的传感器分类体系表将传感器分为：物理量、化

7、学量、生物类传感器三大门类；,含12个小类：,力学量、热学量、光学量、磁学量、电学量、声学量、射线、气体、离子、温度传感器以及生化量、生理量传感器。,各小类按两个层次又分若干品种,第一章 传感器概述,1.2 传感器的地位与作用,构成现代信息技术的三大支柱是：,传感器技术（信息采集）；,通信技术（信息传输）；,计算机技术（信息处理）；,它们在信息系统中分别起到,“感官”、“神经”和“大脑”的作用。,第一章 传感器概述,在利用信息的过程中首先要解决获取准确可靠的,信息，而传感器是获取信息的主要途径和手段,目前传感器技术已经在越来越多的领域得到应用，传感器广泛用于工业、农业、商业、交通、环境监测、医

8、疗诊断、军事科研、航空航天、现代办公设备、智能楼宇和家用电器等领域。是构建现代信息系统的重要组成部分。,传感器对观测和自动化技术所起的作用远比家用电器所起到的作用大的多。这几乎是无可争议的事实。,第一章 传感器概述,在基础学科研究中，传感器更有突出的地位。宏观上的茫茫宇宙、微观上的粒子世界、长时间的天体演化、短的瞬间反应。超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、弱磁场等极端技术研究。传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。,现代工业生产尤其是自动化生产过程中，每个生产环节都需要用各种传感器监视和控制生产过程的各个参数，一是保证产品达到最好的质量，二是保证设备工作在最佳状态。传感器是自动

9、控制系统的关键基础器件，直接影响到自动化技术的水平。,第一章 传感器概述,现代工业生产,第一章 传感器概述,机器人,传感器系统包括,视觉:平面、立体,非视觉:触觉、滑觉、热觉、力觉、接近觉、,第一章 传感器概述,计量测试,红外测温,超声波测流量,电子汽车衡,第一章 传感器概述,医疗诊断,第一章 传感器概述,家用电器,遥控器,智能洗衣机,液化气烟雾报警器,第一章 传感器概述,智能建筑,第一章 传感器概述,智能建筑,自动识别系统(门禁系统)打破了人们几百年来用钥匙开锁的传统,指纹门禁,感应式门禁,第一章 传感器概述,过程控制,纸 品,木材烘干,芯片生产要求最高的湿度稳定性,精确的 烟草烘干,纺 织

10、 品,湿度传感器,第一章 传感器概述,环境监测,第一章 传感器概述,工程测量,上海卢浦大桥通车应力试验,第一章 传感器概述,传感器具有以下作用,（3）诊断与监测,（6）环境保护,（1）测量与数据采集,（2）检测与控制,（4）辅助观测仪器,（5）资源探测,（7）医疗卫生,（8）家用电器,第一章 传感器概述,传感器已渗透到宇宙开发、海洋探测、军事国 防、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、商检质检、甚至文物保护等等极其广泛的领域。可以毫不夸张地说：几乎每个现代化项目，以至各种复杂工程系统，都离不开各种各样的传感器。,由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界

11、各国十分重视这一领域的发展。,第一章 传感器概述,未来世界是个充满传感器的世界，还会有：,智能房屋（自动识别主人，太阳能提供能源）,智能衣服（自动调节温度）,智能公路（自动记录公路的压力、温度、车流量）,智能,智能公路（自动记录公路的压力、温度、车流量）,智能汽车（无人驾驶、卫星定位）,智能,第一章 传感器概述,1.3传感器现状和国内外发展趋势,传感器现状,据统计目前全世界约有40个国家从事传感器的,研制、生产和开发，研发机构6000余家。,其中以美、日、俄等国实力较强，美、日、俄等,国建立了包括物理量、化学量、生物量三大门类,的传感器产业，产品20000多种，大企业的年生,产能力达到几千万支

12、到几亿支。,预计2006年全世界传感器市场销售额将增至506亿美元。,第一章 传感器概述,我国的传感器产业在科技投入(经费、高级人才资源)、产业环境以及科技实力(专利件数、新品开发周期、关键材料与零组件、量产能力)三大方面的综合竞争能力远低于美国、日本、欧洲等发达国家。许多自动化方面的专家呼吁：目前系统越来越复杂，自动化已经陷入低谷，其主要原因之一是传感技术落后，一方面表现为传感器在感知信息方面的落后；另一方面也表现为传感器自身在智能化和网络方面的落后。,第一章 传感器概述,传感器发展趋势：,传感器的历史远比近代科学来得古老，20世纪70年代以来以电量为输出的传感器得到飞速发展，现代传感器已是

13、测量仪器、智能化仪表、自动控制系统等装置必不可少的感知元件。,几十年来传感技术的发展分为两个方面：,1.提高与改善传感器的技术指标；,2.寻找新原理、新材料、新工艺。,为改善传感器性能采用多种技术途径：,差动技术；平均技术；补偿修正技术；,隔离抗干扰抑制、稳定性处理等等。,第一章 传感器概述,目前传感器总的发展趋势是：,（1）发现、利用新效应；,（2）开发新材料；,（3）提高传感器性能和检测范围；,（4）微型化与微功耗；,（5）集成化与多功能化；,（6）传感器的智能化；,（7）传感器的数字化和网络化。,机器人上用的传感器的介绍,感知系统是机器人能够实现自主化的必须部分。这一章，将介绍一下移动机

14、器人中所采用的传感器以及如何从传感器系统中采集所需要的信号。,根据传感器的作用分，一般传感器分为：内部传感器（体内传感器）：主要测量机器人内部系统，比如温度，电机速度，电机载荷，电池电压等。外部传感器（外界传感器）：主要测量外界环境，比如距离测量，声音，光线。,机器人上用的传感器的介绍,根据传感器的运行方式，可以分为：被动式传感器：传感器本身不发出能量，比如CCD，CMOS摄像头传感器，靠捕获外界光线来获得信息。主动式传感器：传感器会发出探测信号。比如超声波，红外，激光。但是此类传感器的反射信号会受到很多物质的影响，从而影响准确的信号获得。同时，信号还狠容易受到干扰，比如相邻两个机器人都发出超

15、声波，这些信号就会产生干扰。,机器人上用的传感器的介绍,传感器一般有以下几个指标：动态范围：是指传感器能检测的范围。比如电流传感器能够测量1mA20A的电流，那么这个传感器的测量范围就是10log（20/0.001)=43dB.如果传感器的输入超出了传感器的测量范围，那么传感器就不会显示正确的测量值了。比如超声波传感器对近距离的物体无法测量。分辨率：分辨率是指传感器能测量的最小差异。比如电流传感器，它的分辨率可能是5mA，也就是说小于5mA的电流差异，它没法检测出。当然越高分辨率的传感器价格就越贵。线性度：这是一个非常重要的指标来衡量传感器输入和输出的关系。频率：是指传感器的采样速度。比如一个

16、超声波传感器的采样速度为20HZ，也就是说每秒钟能扫描20次。,机器人上用的传感器的介绍,常用的传感器：编码器：主要用于测量电机的旋转角度和速度。任何用电机的地方，都可以用编码器来作为传感器来获得电机的输出。,光电编码器的原理,机器人上用的传感器的介绍,电子罗盘：可以检测机器人与地球南北极之间的角度，从而获得机器人的朝向。但是精度很低。而且任何磁性物体都会造成罗盘失灵，比如扬声器。所以要配合其它传感器，比如编码器一起使用才能获得比较好的定位效果。主要有hall-effect和flux-gate两种：,Hall-Effect 原理的电子罗盘,Flux-gate 原理的电子罗盘,机器人上用的传感器

17、的介绍,陀螺仪：又分机械陀螺仪和光电陀螺仪。可以检测绝对朝向。但是目前价格过高，只在飞机上采用。目前最好的光电陀螺仪能提供100KHz的采样频率，同时提供0.0001degress/hr的分辨率。但是价格也是同样昂贵。,机器人上用的传感器的介绍,GPS系统：这个相比不需要太多的解释。GPS系统分为标准GPS和差分GPS系统。标准GPS系统能提供15m的误差定位，而差分GPS系统能提供高达1m内误差的定位。如果再考虑相位差信号的话，最新的GPS设备能提供精确到10cm的定位坐标。美国人现在的导弹精确度如此之高。,差分GPS系统(DGPS),机器人上用的传感器的介绍,超声波传感器：超声波传感器是基

18、于TOF原理。首先发射一组声波脉冲信号，然后一个积分器就开始计算发射时间。一个返回信号阀值接着就会被设定来接受回波信号，这个阀值会随着时间的增加而减小，因为回波会随着距离的增加而发散，从而强度变小。但是在刚发射信号的时候，返回信号的阀值会被设定的很高以防止发射波直接触发接受器，但是这样造成一个问题，就是如果检测的距离很短，在阀值没有下降之前，返回信号已经到达接收器，这时，接收器会认为这个返回信号是刚发出的信号，从而拒绝接受。超声波传感器就会有一个探测盲区，没法这样对近距离物体探测。一般超声波探测器的频率为40Hz，探测范围为12cm5m，精度为98%-99.1%,分辨率为2cm。同时超声波是一

19、个2040度角的面探测，所以可以使用若干个超声波组成一个超声波阵列来获得180度甚至360的探测范围。超声波还有其它几个缺点，比如交叉感应，扫描频率低，尤其是使用超声波阵列的时候，还有回波衰减，折射等问题。不过对于移动机器人来说，超声波还是目前最廉价和有效的传感器。,机器人上用的传感器的介绍,TOF（time of flight):TOF 原理就是 距离速度时间，比如声波传输速度是0.3m/ms,如果3m的距离，需要10ms才能到达。然后通过计算这个返回的时间差来确定距离。但是如果是光速的话，光速是0.3m/ns，同样3m的距离，光只要10ns就到了。这就对检测元件提出了非常高的要求。这也是激

20、光传感器价格居高不下的原因。,TOF 原理,机器人上用的传感器的介绍,激光传感器：原理就是一个旋转得反射镜，将激光光束或者超声波按一定间隔反射出去，然后根据旋转得角度和时间差来得到不同角度得距离值。是用很典型得TOF原理。不过对于激光传感器而言，有3种检测方式：1）使用脉冲激光，按一定间隔发射激光，然后计算返回时间。这种方法和超声波一样，但是激光速度太快，所以对检测元件要求太高，一般Laser Scanner不用这种方式。2）使用不同频率得激光，按照一点顺序，发射不同频率得激光，通过检测返回光束得频率来得到距离。3）相位差。多数激光传感器用得是这种方法。通过检测发射激光和反射激光得相位差来得到

21、距离。,机器人上用的传感器的介绍,红外传感器：是利用三角测量法。三角测量法（Triangulation-based):就是把发射器和接受器按照一定距离安装，然后与被探测的点形成一个三角形的三个顶点，由于发射器和接收器的距离已知，发射角度已知，反射角度也可以被检测到。因此检测点到发射器的距离就可以求出。假设发射角度是90度的情况，D=f(L/x)L=发射器和接收器的距离 x接受波的偏移距离 f（）是函数。,机器人上用的传感器的介绍,由此可见，D是由1/x决定的，所以用这个测量法可以测得距离非常近的物体，目前最精确可以到1um的分辨率。但是由于D同时也是L的函数，要增加测量距离就必须增大L值。所以

22、不能探测远距离物体。但是如果将红外传感器和超声波传感器同时应用于机器人，就能提供全范围的探测范围了，超声波传感器的盲区正好可以由红外传感器来弥补。,机器人上用的传感器的介绍,多普勒效应传感器：主要用于探测移动物体的速度。目前战斗机上用的雷达就是基于这个原理的。主要用于躲避快速移动障埃物。多普勒原理（Doppler)：假设发射器以频率ft发射波，接收器以频率fr接受波，发射器和接收器之间的相对速度为v。如果发射器在移动，则 fr=ft/(1+v/c)如果接收器在移动，则 fr=ft(1+v/c)通过计算多普勒频移来得到相对速度v。F=ft-fr=2*ft*v*cosA/c f=多普勒频移 A发射波和运动角度差,机器人上用的传感器的介绍,静止状态,物体趋近,物体远离,机器人上用的传感器的介绍,视觉传感器：摄像头都是属于视觉传感器，目前200元一个的网络摄像头也都可以用作机器人的视觉传感器。,机器人上用的传感器的介绍,