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1、传感器应用技术,郑 睿研究方向：惯性导航 机器人控制电气信息学院 电工学教研室,传感器的概念,传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。在有些学科领域，传感器又称为敏感元件、检测器、转换器等。传感器输出信号通常是电量，它便于传输、转换、处理、显示等。电量有很多形式，如电压、电流、电容、电阻等，输出信号的形式由传感器的原理确定。,传感器组成,输出量为电量的传感器，一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成。,敏感元件：它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。,转换元件：将敏感元件的输出转换成一定
2、的电路参数。有时敏感元件和转换元件的功能是由一个元件（敏感元件）实现的。,基本转换电路：将敏感元件或转换元件输出的电路参数转换、调理成一定形式的电量输出。,传感器的分类,1按被测物理量分类,常见的被测物理量,机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度,旋转角,转数,质量,重量,力,压力,真空度,力矩,风速,流速,流量;声:声压,噪声.磁:磁通,磁场.温度:温度,热量,比热.光：亮度，色彩,传感器的分类,磁电式，热电式，机械式，电气式，光学式，流体式等。,2按工作原理分类:,切削力测量应变片 动圈式磁电传感器,传感器的分类,3按输出电信号类型分类,根据传感器输出电信号的类型不同，可以分为：,模拟量传
3、感器数字量传感器开关量传感器。,如：接近开关是一种采用非接触式检测、输出开关量的传感器。,传感器的应用领域,1、传感器在工业检测和自动控制系统中的应用,图34：流量计板式安装示意图,图图2-1 压力传感器,压力传感器,流量传感器,传感器的应用领域,这种麦克风是一种将声音信号转换为电信号的传感器。,2、传感器与家用电器,话筒,声电磁感应 电流,动圈式话筒构造原理图，它是利用电磁感应现象制成的，当声波使金属膜片振动时，连接在膜片上的线圈（叫做音圈）随着一起振动，音圈在永久磁铁的磁场里振动，其中就产生感应电流（电信号），感应电流的大小和方向都变化，变化的振幅和频率由声波决定，这个信号电流经扩音器放大
4、后传给扬声器，从扬声器中就发出放大的声音,温湿度传感器,温度传感器,感应水龙头,电子门,传感器的应用领域,3、汽车与传感器,汽车气囊的保护作用,使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系统使气囊迅速充气。,辅助泊车传感器,双声纳,间隙检测声纳,后声纳,电源指示,转向指示,间隙警告ECU,间隙检测声纳,集成开关面板,多功能信息显示,多功能显示,侦测栅,主要功能是判断正前方及侧前方的障碍物,定位、地理信息,传感器的应用领域,4、传感器在机器人上的应用,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：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的传感器。接近觉界于触
5、觉与视觉之间。视觉：孔、边、拐角的检测及工作对象形状的检测等。压觉：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：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。,弧焊机器人,日本舞蹈机器人,美国火星探测器,法国nao机器人,传感器的主要参数,1.灵敏度 灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义是输出量增量y与引起输出量增量y的相应输入量增量x之比。用S表示灵敏度，即,它表示单位输入量的变化所引起传感器输出量的变化，很显然，灵敏度S值越大，表示传感器越灵敏。,传感器的灵敏度,2.线性度 传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。输出与输入关系可分为
6、线性特性和非线性特性。从传感器的性能看，希望具有线性关系，即理想输入输出关系。但实际遇到的传感器大多为非线性。,几种直线拟合方法(a)理论拟合；(b)过零旋转拟合；(c)端点连线拟合；(d)端点平移拟合,3.迟滞 传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象称为迟滞。也就是说，对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。,4.重复性 重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。重复性误差属于随机误差，常用标准差计算，也可用正反行程中最大重复差值Rmax计算，即,或,
7、5.漂移 传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化，此现象称为漂移。产生漂移的原因有两个方面：一是传感器自身结构参数；二是周围环境（如温度、湿度等）。最常见的漂移是温度漂移，即周围环境温度变化而引起输出的变化。,针对智能车竞赛介绍几种传感器,光电传感器：检测赛道信息电磁传感器：检测赛道信息测速传感器：检测智能车转速超声波传感器：检测障碍物,光电传感器,光电式传感器的结构简单，响应速度快，可靠性较高，能实现参数的非接触测量，因此广泛地应用于各种工业自动化仪表中。光电式传感器可用来测量光学量或测量已先行转换为光学量的其他被测量，然后输出一定形式的电信号。在测量光学量时，光电器
8、件是作为敏感元件使用；而测量其他物理量时，它是作为转换元件使用。,内光电效应,在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应。内光电效应又可分为以下两类：（1）光电导效应 在光线作用下，对于半导体材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减低，这种现象称为光电导效应。光敏电阻就是基于这种效应的光电器件。（2）光生伏特效应 在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池。,光敏电阻,光敏电阻又称光导管，它几乎都是用半导体材料制成的光电
9、器件，其常用的材料有硫化光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减小，电路中电流迅速增大。,光敏电阻结构,(a)光敏电阻结构；(b)光敏电阻电极；(c)光敏电阻接线图,光敏二极管,装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管的顶部，可以直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态，在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，这反向电流称为暗电流，当光照射在PN结上，光子打在PN结附近，使PN结附近产生光生电子和光生空穴对，它们在PN结处
10、的内电场作用下作定向运动，形成光电流。因此光敏二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射处于导通状态。,光敏晶体管,光敏晶体管与一般晶体管很相似，具有两个PN结，只是它的发射极一边做得很大，以扩大光的照射面积。大多数光敏晶体管的基极无引出线，当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时，集电结就是反向偏压，当光照射在集电结时，就会在结附近产生电子空穴对，光生电子被拉到集电极，基区留下空穴，使基极与发射极间的电压升高，这样便会有大量的电子流向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的倍，所以光敏晶体管有放大作用。,发光二极管,可以把电能转化成光能。常简写为LED。发光二极管与普通二极管一样是
11、由一个PN结组成，也具有单向导电性。,光电耦合器,光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电光电转换器件。它由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等等。,红 外 技 术,红外辐射 红外辐射俗称红外线，它是一种不可见光，由于是位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线。它的波长范围大致在0.761000 m，工程上又把红外线所占据的波段分为四部分，即近红外、中红外、远红外和极远红外。,红外原理,红外辐射的物理本质是热辐射，一个炽热物体向外辐射的能量
12、大部分是通过红外线辐射出来的。物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射的能量就越强。红外光的本质与可见光或电磁波性质一样，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性，它在真空中也以光速传播，并具有明显的波粒二相性。,红外发光二极管,常用的红外发光二极管，其外形和发光二极管LED相似，发出红外光。管压降约1.4v，工作电流一般小于20mA。红外线发射与接收的方式有两种，其一是直射式，其二是反射式。直射式指发光管和接收管相对安放在发射与受控物的两端，中间相距一定距离（遥控器的原理）；反射式指发光管与接收管并列一起，平时接收管始终无光照，只在发光管发出的红外光线遇到反射物时，接收管收到反射回来的红外光
13、线才工作。,基于光电管赛道参数检测方法,光电传感器检测路面信息的原理是由发射管发射一定波长的红外线，经地面反射到接收管。如下图，由于在黑色和白色上反射系数不同，在黑色上大部分光线被吸收，而白色上可以反射回大部分光线，所以接收到的反射光强是不一样，进而导致接收管的特性曲线发生变化程度不同，而从外部观测可以近似认为接收管两端输出电阻不同，进而经分压后的电压就不一样，就可以将黑白路面区分开来。,红外管的选择,模拟红外传感器 输出的信号是模拟的，需要A/D转换模块，转换成数字信号，送到单片机的输入口。优点：能得到更加多的路面信息，有利于更准确的判断赛道形状，智能小车能更安全、稳定的行驶。数字红外传感器
14、(一般是集成好的)不需要A/D转换，出来的信号直接是0,1这样的数字信号。,数目的要求 大赛要求的整个智能车上安装的传感器数目不能超过16个，除去测速传感器及其它额外的使用，一般的用于检测赛道的红外传感器数目不要超过14个。传感器排布的方式 大赛对智能车的长宽都有限制，因此小车前方的用于识别路径的红外管排布的整体长度不能超过大赛规定的长度。在规定的宽度内，红外管的排布形状常见的有：一字型 w 型 双排型,14个红外管的一字型排布图,关于这14个传感器之间的间隔大小需要实际的实验验证，一般采取中间密两边疏的形式,数字型光电传感器只有0与1 两种状态，因此各个传感器的布局间隔将影响车对路径的识别精
15、度以及对舵机的控制算法的优劣,南京邮电大学红外传感器的安装,特点：不仅向上翘，而且成弓形，这样小车的红外头不仅可以看得更远，而且可以看得更加宽广，在小车跑赛道是可以提前转弯，切内道。,光电传感器在普通的道路上,黑线引线的宽度为25mm所以在普通的道路上，一般采集到的数据最多有3个1,光电传感器在起跑线处,光电传感器在十字交叉线处,一般14个红外管全部照在黑线上，因此单片机的输入口接收到到的14路数据全为1。,激光光电传感器,特点：抗干扰能力强。红外的会受到日光的影响。调试时要根据环境的不同调整参数。激光的检测范围大(40cm)。功率比红外小得多，省电。,激光光电传感器,检测电磁场的传感器,第五
16、届飞思卡尔智能车大赛中新增了电磁组。在跑道下通有100mA，20KHz的交变电流。根据麦克斯韦电磁场理论，交变电流会在周围产生电磁场。,导线周围存在电磁场。通过检测相应的电磁场强度和方向可以反过来推算导线的位置。这是电磁场导航的原理。,采用电磁感应线圈检测磁场,感应磁场线圈,可以自行绕，也可以购买10mH工字型电感。,信号的选频,信号的选频放大,整体图,利用霍尔效应检测磁场,霍尔效应：当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象便是霍尔效应。这个电势差也被叫做霍尔电势差。,电机转速的测量(实现闭环控制),光电编码器测速发电机霍尔元件测速,光电编
17、码器,通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。,光电编码器实物图,受到外界干扰比较大性能好的光电编码器价格贵,测速发电机,输出电动势与转速成比例的微特电机。测速发电机的绕组和磁路经精确设计，其输出电动势E和转速n成线性关系，即E=Kn,K是常数。改变旋转方向时输出电动势的极性即相应改变。在被测机构
18、与测速发电机同轴联接时，只要检测出输出电动势，就能获得被测机构的转速，故又称速度传感器。,精确测量转速，不受外界干扰增加了系统的重量,霍尔元件测速,在非磁材料的圆盘边上粘贴一块磁钢，霍尔传感器固定在圆盘外缘附近。圆盘每转动一圈，霍尔传感器便输出一个脉冲。通过单片机测量产生脉冲的频率就可以得出圆盘的转速。,实际原理图,受到外界干扰小价格便宜需设计圆、磁钢和转盘的机械结构,超声波传感器,超声波及其物理性质 振动在弹性介质内的传播称为波动，简称波。其频率在162104 Hz之间，能为人耳所闻的机械波，称为声波；低于16 Hz的机械波，称为次声波；高于2104 Hz的机械波，称为超声波,如图10-1所
19、示。频率310831011 Hz之间的波，称微波。,超声波的反射和折射,声波从一种介质传播到另一种介质，在两个介质的分界面上一部分声波被反射,另一部分透射过界面，在另一种介质内部继续传播。这样的两种情况称之为声波的反射和折射。,由物理学知，当波在界面上产生反射时，入射角的正弦与反射角的正弦之比等于波速之比。当波在界面处产生折射时，入射角的正弦与折射角的正弦之比，等于入射波在第一介质中的波速c1与折射波在第二介质中的波速c2之比，即,采用超声波传感器测量物位(距离),超声波物位传感器 超声波物位传感器是利用超声波在两种介质的分界面上的反射特性而制成的。如果从发射超声脉冲开始，到接收换能器接收到反射波为止的这个时间间隔为已知，就可以求出分界面的位置，利用这种方法可以对物位进行测量。,几种超声物位传感器的结构原理示意图(a)超声波在液体中传播；(b)超声波在空气中传播,对于单换能器来说，超声波从发射器到液面，又从液面反射到换能器的时间为,则,式中：h换能器距液面的距离；c超声波在介质中传播的速度。,对于双换能器，超声波从发射到接收经过的路程为2s，而,因此液位高度为,式中：s超声波从反射点到换能器的距离；a两换能器间距之半。,从以上公式中可以看出，只要测得超声波脉冲从发射到接收的时间间隔，便可以求得待测的物位。这是超声波测距的原理。,实验介绍,
