哈工大機(jī)器人技術(shù)課件第一章

1、傳感技術(shù) 趙學(xué)增 黃文濤 陳芳 王廣林 機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 2012.2-2012.4 教材：教材： 現(xiàn)代傳感技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用現(xiàn)代傳感技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用 趙學(xué)增等趙學(xué)增等 清華大學(xué)出版社清華大學(xué)出版社 2 緒論 傳感器的地位與作用 傳感器的定義 傳感器的組成 傳感器的分類 對傳感器的一般性要求 傳感器的發(fā)展方向 3 一、傳感器的地位與作用 地位 l機(jī)械人類的體力的延伸 l計算機(jī)人類智力的延伸 l傳感器人類感知力的延伸 電五官：視、聽、嗅、味、觸5 “覺” l視覺：顯微鏡的發(fā)明，望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明 l聽覺：超聲、次聲波 應(yīng)用 l高新技術(shù)領(lǐng)域：阿波羅 2077個傳感器 l現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域：化工生產(chǎn)線、數(shù)

2、控機(jī)床 l基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域：探索極限、探索未知 4 一、傳感器的地位與作用 基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域：探索極限 l距離、時間:、溫度、壓力、磁場等 l傳感器的發(fā)展推動著生產(chǎn)和科技的進(jìn)步，生 產(chǎn)和科技的進(jìn)步反過來也要求和支持著傳感 器的發(fā)展和進(jìn)步 現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的三大技術(shù)支柱 l傳感技術(shù) l網(wǎng)絡(luò)技術(shù) l計算機(jī)技術(shù) 傳感器與其它學(xué)科的關(guān)系 l“伴生”關(guān)系 5 二、傳感器的定義 傳感器在國內(nèi)外的一些叫法 國外 Transducer, Sensor, Transduction Element, Converter, Gauge, Transponder, Transmitter, Detector, Pick-up,

3、Probe, X-meter. 國內(nèi) 傳感器、換能器、變換器、敏感器件、 探測器、檢出器、檢測器， 計（如加速度計）。 6 傳感器的定義 傳感器是一種以一定的精確度把被測量轉(zhuǎn)換為 與之有確定關(guān)系的、便于應(yīng)用的某種物理量的 測量器件或裝置。 上述定義包含了以下含義： l傳感器是測量裝置，能完成檢測任務(wù)； l其輸入量是某種被測量，可能是物理量，也可能是 化學(xué)量、生物量等； l其輸出量是某種便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理和顯示的物 理量，如氣、光、電量等，目前主要是電量 l輸出量與輸入輸入有對應(yīng)關(guān)系，并且具有一定的精 確度。 7 敏感元件敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路 輔助電源輔助電源 傳感器的組成

4、框圖 三、傳感器的組成 一般由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件2部分組成 有時還有轉(zhuǎn)換電路和輔助電源2部分 被測量電參量 量 電量另一量 8 傳感器的組成 敏感元件：能直接感受或響應(yīng)被測量，并輸出 與之成確定關(guān)系的某一另類物理量。 轉(zhuǎn)換元件：將敏感元件的輸出轉(zhuǎn)換為電參量。 轉(zhuǎn)換電路：把轉(zhuǎn)換元件輸出變?yōu)橐子谔幚怼@ 示、記錄、控制的信號。既可以和敏感元件作 在一起，也可分開。 輔助電源：提供傳感器正常工作所需能量的電 源部分，它有內(nèi)部供電和外部供電2種形式。 9 傳感器的組成 彈性體彈性體1為敏感元件，它感受被測力為敏感元件，它感受被測力F并將它轉(zhuǎn)換成應(yīng)并將它轉(zhuǎn)換成應(yīng) 變；變； 電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片2是轉(zhuǎn)換元

5、件，它將彈性體輸出的應(yīng)變轉(zhuǎn)換是轉(zhuǎn)換元件，它將彈性體輸出的應(yīng)變轉(zhuǎn)換 成電阻值的變化；成電阻值的變化； 電橋電橋3是轉(zhuǎn)換電路，它將電阻值的變化轉(zhuǎn)換成電壓是轉(zhuǎn)換電路，它將電阻值的變化轉(zhuǎn)換成電壓U輸輸 出；出； 電源電源4是輔助電源，它為電橋供電。是輔助電源，它為電橋供電。 3-電橋 4-電源 1-彈性體 2-應(yīng)變片 U F 10 電磁式壓力傳感器 大氣壓大氣壓 Pa 被測氣壓被測氣壓 P 1-殼體殼體 4-線圈線圈 2-膜盒膜盒 3-磁芯磁芯 6-電源 5-交流電橋電量 敏感元件：膜盒，敏感元件：膜盒，P-x 轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件: 磁芯、線圈磁芯、線圈,x-L 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路: 交流電橋，交流電橋，

6、L-V 輔助電源輔助電源: 電源電源 11 傳感器的組成 實際上，有些傳感器并不能明顯區(qū)分敏 感元件和轉(zhuǎn)換元件兩個部分，而是二者 合為一體。如圖所示的熱電偶 TTo A B 12 四、傳感器的分類 分類方法傳感器的種類說 明 按依據(jù)的效應(yīng)分類 物理傳感器 化學(xué)傳感器 生物傳感器 基于物理效應(yīng)，如光、電、聲、磁、熱效應(yīng)； 基于化學(xué)效應(yīng)，如化學(xué)吸附、選擇性化學(xué)反應(yīng) 等；基于生物效應(yīng)，如基于酶、抗體、激素等 分子識別和選擇功能的生物傳感器 按工作原理分類 應(yīng)變式、電容式、電感式、 電磁式、壓電式、熱電式、 光電式傳感器等 傳感器依據(jù)其工作原理命名 按被測量分類 位移、速度、溫度、壓力、 氣體成分、濃

7、度等等 傳感器依據(jù)被測量命名 按使用的敏感材料分類 半導(dǎo)體傳感器、光纖傳感器、 復(fù)合材料傳感器、金屬傳感 器、陶瓷傳感器、高分子材 料傳感器等 傳感器依據(jù)使用的材料命名 按能量關(guān)系分類 能量轉(zhuǎn)換型傳感器 能量控制型傳感器 能量轉(zhuǎn)換型直接將被測量轉(zhuǎn)換為輸出量的能量 能量控制型由外部提供能量，而由被測量控制 輸出量能量 按構(gòu)成原理分類 結(jié)構(gòu)型傳感器 物性型傳感器 結(jié)構(gòu)型通過敏感元件結(jié)構(gòu)參數(shù)變化實現(xiàn)信息轉(zhuǎn) 換；物性型通過敏感元件材料物理性質(zhì)的變化 實現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換 按輸出信號分類 數(shù)字式傳感器 模擬式傳感器 輸出為數(shù)字量 輸出為模擬量 13 五、對傳感器的一般性要求 可靠性 精度（動、靜） 抗干擾 通用

8、性 外形小 成本低 能耗小 14 六、傳感器的發(fā)展方向 提高精度和擴(kuò)大測量范圍提高精度和擴(kuò)大測量范圍 低功耗及無源化低功耗及無源化 新原理新原理 新材料新材料 微型化、集成化、智能化微型化、集成化、智能化 仿生傳感器仿生傳感器 15 第一章 傳感器基礎(chǔ) 傳感器的特性 傳感器的數(shù)學(xué)模型 傳感器的靜態(tài)特性 傳感器的動態(tài)特性 傳感器的標(biāo)定 特性：輸入與輸出之間的關(guān)系，一般用一特性：輸入與輸出之間的關(guān)系，一般用一 個輸入個輸入-輸出曲線、一個函數(shù)關(guān)系或一個輸出曲線、一個函數(shù)關(guān)系或一個 微分方程式來表示。微分方程式來表示。 16 第一節(jié) 傳感器的數(shù)學(xué)模型 什么是模型？ l模型是略去無用和次要因素，對所關(guān)

9、心的具 體問題的內(nèi)在實質(zhì)的抽象反映。 研究數(shù)學(xué)模型的目的和意義 l理論指導(dǎo)實踐，例如 y=kx 線性模型 l可以獲得傳感器的全面信息 l在傳感器的設(shè)計時不盲目 電動式動態(tài)力測力傳感器 F-被測動態(tài)力 v-速度 E-感生電動勢 I-感生電流 F-安培力 FF E I v 18 構(gòu)造一個四端網(wǎng)絡(luò)模型 逆變換器 基本變換器 預(yù) 變 換 器 電 變 換 器 理想變換器 F I Ev 機(jī)機(jī) 械械 端端 口口 電電 端端 口口 F 機(jī)電模擬 F k c m L R CE 機(jī)械系統(tǒng)模型機(jī)械系統(tǒng)模型電路系統(tǒng)模型電路系統(tǒng)模型 機(jī)電模擬 dv mcvk vdtF dt dI LRIC IdtE dt 機(jī)械系統(tǒng)微分

10、方程： 電路系統(tǒng)微分方程： - - v I F E 21 機(jī)電模擬， F-E；v-I Z m e v Y F E I F I E v 預(yù)變換器： 機(jī)械導(dǎo)納 電變換器： 電阻抗 逆變換器： 逆變換器靈敏度 基本變換器： 基本變換器靈敏度 22 進(jìn)一步抽象成信號流程圖 FI Ev YmZe 匯節(jié)點匯節(jié)點 源節(jié)點源節(jié)點 半源半?yún)R節(jié)點半源半?yún)R節(jié)點 激勵信號：F；I 響應(yīng)信號：v；E mm mem vY FY I EY FZYI 23 其它形式的流程圖 逆轉(zhuǎn)支路的傳輸值取倒數(shù) 指向逆轉(zhuǎn)支路的傳輸值取負(fù)數(shù) 24 F-v支路逆轉(zhuǎn)、I-E支路逆轉(zhuǎn) 激勵信號： v；E 響應(yīng)信號： F；I me ee FZYevY E IY vY E FI Ev ZmYe 25 F-v支路逆轉(zhuǎn)、I-E支路不變 激勵信號： v；I 響應(yīng)信號： F；E m e FZ vI EvZ I FI Ev ZmZe 參數(shù)計算 機(jī)械端口可以看作如圖所示 F k c m 22 ()() j t j t j t m mxcxkxF xv xAe xAejj x xAejjx Fk Zj mc vj 參數(shù)計算 EBlv FBlI E Bl v F Bl I 1 1 m m m e e Fk Zj mc vj Y Z ZRj L