傳感器與傳感器網(wǎng)絡(luò) 課件第1-3章 傳感器基礎(chǔ)、典型傳感器、聽(tīng)覺(jué)傳感系統(tǒng)

第1章傳感器基礎(chǔ)1.1信息1.2傳感技術(shù)與傳感器1.3智能傳感器

1.1-信息

“信息”的概念出自古代的“消息”一詞,是語(yǔ)音、文字、圖像系統(tǒng)傳輸和處理的對(duì)象。一般來(lái)講,信息指在人類(lèi)社會(huì)中傳輸?shù)乃袃?nèi)容。人們通過(guò)對(duì)存在的不同信息進(jìn)行劃分,將事物區(qū)別開(kāi)來(lái),從而達(dá)到了認(rèn)識(shí)世界以及改造世界的目的。信息的表現(xiàn)形式是多種多樣的,比如文字、語(yǔ)音、圖片、視頻等。傳統(tǒng)的信息傳遞方式主要有兩種:通信和廣播,可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)、可選擇的點(diǎn)到點(diǎn)、一點(diǎn)到多點(diǎn)和點(diǎn)到面等不同范圍的傳播。

信息主要具有如下幾個(gè)特征:

(1)依附性。

信息的表示、傳播以及存儲(chǔ)要通過(guò)某種載體才能進(jìn)行,它并不能脫離載體。各種形式的媒介都會(huì)承載著一定數(shù)量的信息。

(2)感知性。

人類(lèi)可以通過(guò)各種感覺(jué)器官接收和識(shí)別各種載體形式的信息。

(3)可傳遞性。

信息需要通過(guò)一定的媒介進(jìn)行傳遞,才能發(fā)揮最大的作用。傳遞的形式多種多樣。

(4)可加工性。

要想從繁雜零散的信息中獲得需要的內(nèi)容,使原本無(wú)效的信息具有一定的條理性和系統(tǒng)性,就必須對(duì)其進(jìn)行程序化的處理。信息的一般處理過(guò)程包括:收集、整理、歸納和總結(jié)。

(5)可共享性。

信息可以被不同地點(diǎn)的個(gè)體或群體同時(shí)接收或利用,其有效性并不會(huì)因?yàn)榻邮照邤?shù)量的變化或傳播次數(shù)的增加而發(fā)生內(nèi)容或時(shí)效性上的損耗。

(6)時(shí)效性。

信息的有效性會(huì)受到客觀條件變化的影響。

(7)價(jià)值相對(duì)性。

同一條信息對(duì)不同的人有不同的使用價(jià)值,其價(jià)值大小取決于接收者的需求度以及對(duì)信息的分析與利用能力。

(8)偽裝性。

常言道“眼見(jiàn)為實(shí)”,但隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的不斷發(fā)展,人們也不得不開(kāi)始質(zhì)疑這句話,即“眼見(jiàn)”的信息不一定都是真實(shí)的。

信息技術(shù)在商業(yè)、科研、工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)通信、管理、醫(yī)療健康、文化娛樂(lè)等領(lǐng)域或行業(yè)都發(fā)揮著巨大的作用。隨著5G通信技術(shù)的普及、互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的不斷發(fā)展和成熟,大量數(shù)據(jù)、資源獲得了開(kāi)源和共享,人們可以隨時(shí)隨地獲得需要的信息,極大地提高了學(xué)習(xí)、生活、工作效率。特別是隨著近幾年各種形式的線上交流和互動(dòng)日益盛行和豐富,人們更加深切地體會(huì)到信息技術(shù)對(duì)我們的工作、生活乃至世界發(fā)展所產(chǎn)生的促進(jìn)作用。

1.2傳感技術(shù)與傳感器

1.2.1-傳感技術(shù)傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)并稱(chēng)信息技術(shù)的三大支柱,代表著一個(gè)國(guó)家的信息化程度。伴隨著5G技術(shù)的推廣和應(yīng)用,全世界向著萬(wàn)物互聯(lián)的時(shí)代不斷發(fā)展,傳感技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一,始終在互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)承擔(dān)著舉足輕重的作用。

傳感技術(shù)是一種對(duì)周?chē)胍@取的信息進(jìn)行感知的技術(shù)(如感知溫度、濕度等信息),該技術(shù)通過(guò)傳感器將收集到的物理信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào),再經(jīng)處理得到針對(duì)該物理信號(hào)的數(shù)字表達(dá)結(jié)果。傳感技術(shù)的起步較晚,相比計(jì)算機(jī)技術(shù),其發(fā)展要慢一些,其技術(shù)體系仍需完善。

1.2.2傳感器

1.傳感器發(fā)展現(xiàn)狀

傳感器是一種總稱(chēng),是指對(duì)那些被測(cè)對(duì)象的某一確定的信息具有感受(或響應(yīng)與檢出)功能,并使之按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的可輸出信號(hào)的元器件或裝置。傳感器處于研

究對(duì)象與測(cè)控系統(tǒng)的接口位置,一切科學(xué)研究和生產(chǎn)過(guò)程需要獲取的信息都要通過(guò)它轉(zhuǎn)換為容易傳輸和處理的電信號(hào)。如果把計(jì)算機(jī)比作處理和識(shí)別信息的“大腦”,把通信系統(tǒng)比作傳遞信息的“神經(jīng)系統(tǒng)”,那么傳感器就是感知和獲取信息的“感覺(jué)器官”。

1)國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

美、日、英、法、德等國(guó)家都把傳感器技術(shù)列為國(guó)家重點(diǎn)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。美國(guó)早在20世紀(jì)80年代就提出,世界已經(jīng)進(jìn)入了傳感器時(shí)代,并成立了國(guó)家技術(shù)小組(BTG)幫

助政府組織和領(lǐng)導(dǎo)各大公司與國(guó)家企事業(yè)部門(mén)開(kāi)展傳感器技術(shù)的開(kāi)發(fā)工作。

第二。日本把開(kāi)發(fā)和利用傳感器技術(shù)作為關(guān)系國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展的六大核心技術(shù)之一,日本工商界人士甚至聲稱(chēng)“支配了傳感器技術(shù)就能夠支配新時(shí)代”,日本科學(xué)技術(shù)廳制定的20世紀(jì)90年代的70個(gè)重點(diǎn)科研項(xiàng)目中有18項(xiàng)是與傳感器技術(shù)密切相關(guān)的。

德國(guó)一直視軍用傳感器為優(yōu)先發(fā)展技術(shù),該技術(shù)充分發(fā)揮老牌工業(yè)強(qiáng)國(guó)的固有優(yōu)勢(shì),德國(guó)制造商依托在自有品牌聲譽(yù)、技術(shù)研發(fā)和質(zhì)量管理方面的優(yōu)勢(shì),使產(chǎn)品保持技術(shù)上的領(lǐng)先地位,在傳感器市場(chǎng)上始終保有較高的市場(chǎng)份額。

2)國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)傳感器企業(yè)仍然面臨著六大突出短板,與國(guó)外傳感器產(chǎn)業(yè)相比仍存在較大的差距。

(1)核心產(chǎn)品和技術(shù)依賴(lài)進(jìn)口。

(2)自主研發(fā)率低。

(3)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理。

(4)企業(yè)能力較弱。

(5)人才資源匱乏。

(6)統(tǒng)籌規(guī)劃及投資不足。

2.傳感器的組成

如圖1-1所示,傳感器一般包括敏感元件、轉(zhuǎn)換元件以及轉(zhuǎn)換電路三個(gè)部分,由于采用的敏感材料不同,某些傳感器的組成可能比圖中的更簡(jiǎn)單或更復(fù)雜。圖1-1-傳感器的組成

3.傳感器的分類(lèi)與特性

1)傳感器的分類(lèi)

傳感器種類(lèi)繁多,可以從不同的維度進(jìn)行分類(lèi),圖1-2為比較詳細(xì)的傳感器分類(lèi)圖。從圖中可以看到,傳感器可以從物理原理、被測(cè)量類(lèi)型、制造工藝、用途和敏感元件功能等

維度進(jìn)行劃分。圖1-2傳感器分類(lèi)圖

2)傳感器的特性

傳感器的特性是指?jìng)鞲衅鞯妮斎胼敵鲫P(guān)系特性,即傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)作用關(guān)系的外部特性表現(xiàn)。不同的傳感器有不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù),決定了它們具有不同的外部特性。

傳感器所測(cè)量的物理量基本上有兩種形式:穩(wěn)態(tài)(靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài))和動(dòng)態(tài)(周期變化或瞬態(tài))。前者的信號(hào)不隨時(shí)間變化(或變化很緩慢),后者的信號(hào)是隨時(shí)間變化而變化的。因此,傳感器所表現(xiàn)出來(lái)的輸入輸出關(guān)系特性存在靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性?xún)煞N。

(1)靜態(tài)特性。

傳感器的靜態(tài)特性是指,對(duì)于靜態(tài)的輸入信號(hào),傳感器的輸出量與輸入量之間的相互關(guān)系。因?yàn)檫@時(shí)的輸入量和輸出量與時(shí)間無(wú)關(guān),所以它們之間的關(guān)系可用一個(gè)不含時(shí)間變量的代數(shù)方程來(lái)表示,或者以特性曲線描述,曲線橫坐標(biāo)為輸入量,縱坐標(biāo)為與輸入量對(duì)應(yīng)的輸出量。

當(dāng)傳感器的輸入量恒定或緩慢變化,而輸出量也達(dá)到相應(yīng)穩(wěn)定值的工作狀態(tài)時(shí),輸出量可以由輸入量的確定函數(shù)來(lái)表示。在忽略滯后和蠕變的影響,或者雖然有遲滯及蠕變等

情況但僅需考慮理想的平均特性時(shí),可以將這一確定的函數(shù)表示為如下形式:

式中,x為傳感器的被測(cè)量,Y為傳感器的輸出量,a0為零位輸出,a1-為傳感器的靈敏度,a2,a3,…,an為非線性項(xiàng)待定常數(shù),其數(shù)值由具體的傳感器的非線性特性決定。

但是在實(shí)際應(yīng)用中,由于受到隨機(jī)變化量等因素的影響,

不可能達(dá)到理想的線性關(guān)系,所以需要設(shè)定一系列技術(shù)指標(biāo),來(lái)衡量一個(gè)傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的靜態(tài)特性。常見(jiàn)的傳感器靜態(tài)特性指標(biāo)有:線性度、靈敏度、遲滯、重復(fù)性、漂移、分辨

率、閾值。

?線性度:傳感器輸出量與輸入量之間的實(shí)際關(guān)系曲線偏離擬合直線的程度,其定義為全量程范圍內(nèi)實(shí)際特性曲線與擬合直線之間的最大偏差值與滿量程輸出值之比。

?靈敏度:傳感器靜態(tài)特性的一個(gè)重要指標(biāo),定義為輸出量的增量與引起該增量的相應(yīng)輸入量的增量之比。

?遲滯:傳感器在輸入量由小到大(正行程)及輸入量由大到小(反行程)變化期間,其輸入輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象。對(duì)于同一大小的輸入信號(hào),傳感器的正反行程輸出信號(hào)大小不相等,其差值就稱(chēng)為遲滯差值。

?重復(fù)性:傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變化時(shí),所得的特性曲線不一致的程度。

?漂移:在輸入量不變的情況下,傳感器輸出量隨時(shí)間變化的現(xiàn)象。產(chǎn)生漂移的原因一般有兩個(gè):一是傳感器自身結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響,二是周?chē)h(huán)境(如溫度、濕度等)的影響。

?分辨率:當(dāng)傳感器的輸入從非零值緩慢增加時(shí),在超過(guò)某一增量后輸出會(huì)發(fā)生可觀測(cè)的變化,這個(gè)輸入增量就稱(chēng)為傳感器的分辨率,即最小輸入增量。

?閾值:當(dāng)傳感器的輸入從零值緩慢增加時(shí),在達(dá)到某一值后輸出會(huì)發(fā)生可觀測(cè)的變化,這個(gè)輸入值就稱(chēng)為傳感器的閾值。

(2)動(dòng)態(tài)特性。

動(dòng)態(tài)特性指的是傳感器對(duì)于隨時(shí)間變化的輸入信號(hào)的響應(yīng)特性。在測(cè)量靜態(tài)信號(hào)時(shí),線性測(cè)量系統(tǒng)的輸入輸出特性關(guān)系可以繪制為一條直線,即二者存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。而

當(dāng)傳感器的輸入信號(hào)是隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí),就要求傳感器能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地測(cè)量出信號(hào)幅值的大小,無(wú)失真地再現(xiàn)被測(cè)信號(hào)隨時(shí)間變化的波形。輸入信號(hào)變化的快慢會(huì)影響傳

感器的跟蹤性,具體來(lái)說(shuō),就是輸入信號(hào)變化得愈快,傳感器的隨動(dòng)跟蹤性能會(huì)逐漸下降。

?階躍響應(yīng)(或瞬態(tài)響應(yīng))。階躍響應(yīng)通常是利用輸入階躍信號(hào)來(lái)研究傳感器時(shí)域動(dòng)態(tài)特性的,即輸入階躍信號(hào)時(shí),傳感器的輸出響應(yīng)可描述為傳感器在瞬變的非周期信號(hào)作用

下的響應(yīng)特性。一個(gè)典型的階躍響應(yīng)特性曲線如圖1-3所示,從圖中可以看出,針對(duì)該曲線的描述指標(biāo)一般包括上升時(shí)間trs、響應(yīng)時(shí)間tst、超調(diào)量M等。圖1-3階躍響應(yīng)特性曲線

?頻率響應(yīng)。當(dāng)輸入信號(hào)為正弦信號(hào)時(shí),傳感器的響應(yīng)稱(chēng)為頻率響應(yīng)或穩(wěn)態(tài)響應(yīng),這種響應(yīng)是指?jìng)鞲衅髟谡穹€(wěn)定不變的正弦信號(hào)作用下的響應(yīng)特性。在采用正弦輸入信號(hào)研

究傳感器或測(cè)量系統(tǒng)頻域動(dòng)態(tài)特性時(shí),通常采用幅頻特性和相頻特性來(lái)描述其動(dòng)態(tài)特性,還有一個(gè)非常重要的指標(biāo)是頻帶寬度(簡(jiǎn)稱(chēng)帶寬),定義為增益變化不超過(guò)某一規(guī)定分貝值的頻率范圍。

4.傳感器的應(yīng)用

在當(dāng)代社會(huì)發(fā)展方向下討論傳感器的應(yīng)用,不能僅局限于傳統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景和方法。傳感器也被廣泛用于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域,隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展,其作用尤為重要。以“萬(wàn)物互聯(lián)”

為目標(biāo)的物聯(lián)網(wǎng),是對(duì)互聯(lián)網(wǎng)的延伸和擴(kuò)展,代表著信息領(lǐng)域的發(fā)展與變革。傳感器作為物聯(lián)網(wǎng)感知層最重要的技術(shù)組成部分,是系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸入口,是環(huán)境感知的基礎(chǔ),其不僅在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境、醫(yī)療等傳統(tǒng)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用價(jià)值,還將在更多新興領(lǐng)域體現(xiàn)出優(yōu)越性和重要性,研究發(fā)展前景廣闊。

與傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)相比,物聯(lián)網(wǎng)的最大特征是,通過(guò)部署大量各種類(lèi)型的傳感器設(shè)備,構(gòu)建一個(gè)強(qiáng)大的信息采集網(wǎng)絡(luò),進(jìn)而獲得不同的信息內(nèi)容。物聯(lián)網(wǎng)一般可以分為三個(gè)層級(jí):感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層其中,感知層為物聯(lián)網(wǎng)的底層,負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的獲取和采集,是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)入口。感知層還會(huì)被細(xì)分為傳感器、信息傳輸節(jié)點(diǎn)和傳感器網(wǎng)關(guān)等結(jié)構(gòu),收集到的信息內(nèi)容和信息格式根據(jù)傳感設(shè)備類(lèi)型具有較大的差異。

下面將從幾個(gè)典型的領(lǐng)域?qū)鞲衅鞯膽?yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)單

的介紹。

1)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域主要應(yīng)用的傳感器類(lèi)型

傳感器技術(shù)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容,現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的產(chǎn)業(yè)化、信息化都離不開(kāi)傳感器技術(shù)的支持。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)領(lǐng)域,目前使用的傳感器大致可以分為物理類(lèi)傳感器、化學(xué)類(lèi)傳感器和生物類(lèi)傳感器三大類(lèi)。

(1)物理類(lèi)傳感器。

物理類(lèi)傳感器的作用是感知被檢測(cè)對(duì)象的物理參數(shù)

(2)化學(xué)類(lèi)傳感器。

化學(xué)類(lèi)傳感器是利用材料對(duì)各種化學(xué)物質(zhì)的不同敏感程度,選用特定的敏感材料進(jìn)行對(duì)化學(xué)物質(zhì)的感知,并將其濃度信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的儀器,這類(lèi)傳感器可以模擬人類(lèi)嗅覺(jué)和味覺(jué)器官功能,甚至感受人體器官不能識(shí)別的某些物質(zhì)信息。

(3)生物類(lèi)傳感器。

生物體具有非常重要的生物物質(zhì)資源,如酶、抗體、組織、細(xì)胞等,利用這些生物物質(zhì)能夠有選擇性地分辨某些特定物質(zhì)。生物類(lèi)傳感器是一種對(duì)生物物質(zhì)敏感并且可以將其濃度信息轉(zhuǎn)換為便于測(cè)量的電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的儀器,是基于生物電化學(xué)理論感知被檢測(cè)對(duì)象的生物信息變化的裝置,一般由分子識(shí)別模塊、理化轉(zhuǎn)換模塊及信號(hào)放大模塊組成。

2)工業(yè)領(lǐng)域主要應(yīng)用的傳感器類(lèi)型

有統(tǒng)計(jì)顯示,我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域的傳感器應(yīng)用占比較大,其中以汽車(chē)電子應(yīng)用和通信電子應(yīng)用最為典型。在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域,傳感器作為機(jī)械的觸覺(jué)感知部件,是實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。

3)工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域主要應(yīng)用的傳感器類(lèi)型

工業(yè)機(jī)器人是實(shí)現(xiàn)工作自動(dòng)執(zhí)行的裝置,是工業(yè)智能制造系統(tǒng)中最為重要的智能設(shè)備,而工業(yè)機(jī)器人的傳感器是決定機(jī)器人性能水平的關(guān)鍵因素。不同于普通的工業(yè)傳感器,

工業(yè)機(jī)器人要求傳感器完成更為復(fù)雜且精準(zhǔn)的動(dòng)作,以此來(lái)彌補(bǔ)人工操作的弊端,因此對(duì)傳感器技術(shù)和智能處理技術(shù)的要求更高。

工業(yè)機(jī)器人的外部傳感器按照功能可以細(xì)分為:用于分辨不同材料、顏色等物體特征的視覺(jué)傳感器;用于感知物體形狀、軟硬程度等物理性質(zhì)的觸覺(jué)傳感器;用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人周?chē)臻g的物體定位及空間形狀特征檢測(cè)的距離傳感器;

4)無(wú)人駕駛領(lǐng)域主要應(yīng)用的傳感器類(lèi)型

傳感器、導(dǎo)航系統(tǒng)、GPS定位系統(tǒng)是無(wú)人駕駛汽車(chē)的三個(gè)重要組成部分,汽車(chē)中的傳感器就相當(dāng)于人體的神經(jīng)感知系統(tǒng),可以起到感知、避障、導(dǎo)航、無(wú)線通信等作用。在這一領(lǐng)域使用較多的傳感器有視覺(jué)傳感器和雷達(dá)傳感器。

(1)視覺(jué)傳感器。

無(wú)人駕駛汽車(chē)中的視覺(jué)傳感器是無(wú)人駕駛汽車(chē)的重要信息來(lái)源,主要利用視覺(jué)采集設(shè)備獲取環(huán)境信息和彩色景象信息。

(2)雷達(dá)傳感器。

無(wú)人駕駛汽車(chē)中的雷達(dá)傳感器是另一種重要的信息獲取設(shè)備,而雷達(dá)信號(hào)(特別是激光雷達(dá)信號(hào))因方向性強(qiáng)、測(cè)量精度高、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì),也被廣泛地應(yīng)用在軍事領(lǐng)域,實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)、導(dǎo)彈等移動(dòng)目標(biāo)的精準(zhǔn)探測(cè)、跟蹤和識(shí)別,獲取重要的作戰(zhàn)信息。激光雷達(dá)的工作原理可以概括為:首先通過(guò)發(fā)射激光束照射探測(cè)目標(biāo),然后接收從目標(biāo)反射回來(lái)的信號(hào)并與發(fā)射信號(hào)進(jìn)行比較,最后通過(guò)進(jìn)一步的分析和計(jì)算來(lái)獲取探測(cè)目標(biāo)的位置、速度等關(guān)鍵信息。

一般可以將激光雷達(dá)分為單線和多線兩種:單線激光雷達(dá)通過(guò)發(fā)射激光束對(duì)某一區(qū)域進(jìn)行掃描,并根據(jù)區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)與掃描儀的相對(duì)位置,采用極坐標(biāo)的形式表示實(shí)際測(cè)量值;多線激光雷達(dá)通過(guò)發(fā)射2條及以上(最多可發(fā)射64條)的激光束,在水平和垂直方向分別進(jìn)行探測(cè)。與單線激光雷達(dá)相比,多線激光雷達(dá)因?yàn)榫哂幸欢ǖ母┭鰭呙杞嵌?可以實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)“面”的掃描。但是,激光雷達(dá)也有一定的弊端,比如雷雨、大霧等特殊天氣情況將會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量性能,使激光雷達(dá)無(wú)法正常發(fā)揮作用。

5)在智能交通領(lǐng)域主要應(yīng)用的傳感器類(lèi)型

研究顯示,在智能交通領(lǐng)域?qū)⒍嗄繕?biāo)雷達(dá)傳感器與圖像傳感器結(jié)合,可以在拍攝的單幅靜態(tài)圖片上同時(shí)顯示多輛車(chē)的速度、距離、角度等信息,實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控道路車(chē)輛狀況的高

效獲取。除此之外,車(chē)流量雷達(dá)傳感器、2D/3D多目標(biāo)跟蹤雷達(dá)傳感器等新型傳感器也在逐漸普及,為道路交通狀況實(shí)時(shí)感知及處理提供技術(shù)支撐,為交通的智能化監(jiān)管提供助力。

6)在智能家居領(lǐng)域應(yīng)用的傳感器特點(diǎn)

眾所周知,實(shí)現(xiàn)家居智能化僅僅依靠智能手機(jī)和智能路由是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,這兩種信息獲取渠道并不能準(zhǔn)確呈現(xiàn)用戶(hù)的真實(shí)訴求,要想實(shí)現(xiàn)真正意義上的智能家居,還需要大量的傳感器作為支撐。

5.傳感器的發(fā)展

傳感器技術(shù)作為未來(lái)科技的核心技術(shù)之一,正在向著微型化、智能化、低能耗以及應(yīng)用范圍廣泛化發(fā)展,概括起來(lái)主要體現(xiàn)為：

(1)自動(dòng)校準(zhǔn)。

(2)多通道協(xié)作感知。

(3)柔性化。

(4)精準(zhǔn)感知。

(5)醫(yī)療應(yīng)用

(6)低能耗。

(7)環(huán)境友好型。

(8)系統(tǒng)多樣化

1.3智能傳感器

1.3.1-智能傳感器簡(jiǎn)介傳統(tǒng)意義上的傳感器,只能感受規(guī)定的被測(cè)量,然后按照一定規(guī)律將被測(cè)量信息轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的輸出信號(hào)。智能傳感器則不同,它自身帶有微處理器等具有信息監(jiān)測(cè)與信息處理功能的器件或裝置,這就是它與傳統(tǒng)傳感器最本質(zhì)的區(qū)別。

智能傳感器一般由傳感器模塊、嵌入式系統(tǒng)模塊、通信模塊和供電系統(tǒng)模塊組成(如圖1-4所示),其中嵌入式系統(tǒng)模塊是智能傳感器的核心部分,能夠?qū)鞲衅鳒y(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行

計(jì)算、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理,還可以通過(guò)反饋回路對(duì)傳感器進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)。嵌入式系統(tǒng)可以充分發(fā)揮軟件功能來(lái)完成硬件設(shè)備難以完成的任務(wù),從而在保證傳感器性能的前提下,大大降

低其工藝制造難度和制造成本。圖1-4智能傳感器組成框圖

智能傳感器概括起來(lái)主要具備以下幾個(gè)特征:

①能夠存取測(cè)量數(shù)據(jù),提高檢測(cè)可靠性;

②能夠測(cè)量復(fù)合參數(shù),擴(kuò)展檢測(cè)范圍和類(lèi)型;

③能夠校正補(bǔ)償測(cè)量值,提高檢測(cè)精確度;

④能夠排除外界干擾,有選擇性地測(cè)量,提高檢測(cè)魯棒性;

⑤能夠測(cè)量微小信號(hào),提高檢測(cè)靈敏度;

⑥能夠滿足更多場(chǎng)景測(cè)量要求,豐富檢測(cè)功能;

⑦能夠感知狀態(tài),定位故障位置,實(shí)現(xiàn)自診斷;

⑧能夠利用數(shù)字通信接口,與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)通信連接。

1.3.2智能傳感器應(yīng)用

(1)航空航天。

智能傳感器可用于檢測(cè)航天飛機(jī)的使用情況,通過(guò)在艙身各關(guān)鍵部位安裝智能傳感器,匯總各路傳感器信息后利用中央傳感器發(fā)射電磁波信號(hào),然后將接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并傳輸?shù)奖O(jiān)管計(jì)算機(jī)中,計(jì)算機(jī)利用信號(hào)分析算法處理和分析該數(shù)據(jù)內(nèi)容并進(jìn)行信息反饋,以這種方式實(shí)現(xiàn)對(duì)艙內(nèi)部署設(shè)施以及關(guān)鍵部件健康狀況的跟蹤監(jiān)測(cè)。

(2)海洋探測(cè)。

智能傳感器經(jīng)過(guò)對(duì)海洋觀測(cè)信息的感知、采集、轉(zhuǎn)換、傳輸和處理等步驟,能夠測(cè)量并提供包括溫度、電導(dǎo)率、壓力、深度等各種海洋環(huán)境要素的原始數(shù)據(jù),以用于海洋科學(xué)研究和未來(lái)海洋資源的開(kāi)發(fā)。

(3)軍事國(guó)防。

在軍用飛機(jī)、主戰(zhàn)坦克、船艦及地面戰(zhàn)場(chǎng)警戒系統(tǒng)、軍用機(jī)器人、軍事化學(xué)器材等領(lǐng)域,軍事傳感器都發(fā)揮著舉足輕重的作用。

(4)智慧農(nóng)業(yè)。

農(nóng)業(yè)項(xiàng)目大多是在田間進(jìn)行的,因此對(duì)傳感器設(shè)備的校正工作難以進(jìn)行,人工成本較高。應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的傳感器對(duì)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性方面的要求相對(duì)較高,而智能傳感器的普及是

改變這一現(xiàn)狀最為有效的創(chuàng)新應(yīng)用。

(5)工業(yè)自動(dòng)化。

智能工業(yè)傳感器可以通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或?qū)＜蚁到y(tǒng)建立起可被直接測(cè)量的已知指標(biāo)及無(wú)法直接測(cè)量的未知指標(biāo)之間的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行計(jì)算,更加全面地推斷和預(yù)測(cè)產(chǎn)品的整體質(zhì)

量,解決了傳統(tǒng)傳感器的弊端,實(shí)現(xiàn)了對(duì)黏度、硬度、成分、味道等質(zhì)量指標(biāo)的直接檢測(cè),并完成了在線反饋控制,成為實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0的基礎(chǔ)和變革性力量。

(6)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

智能傳感器在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也發(fā)揮了很重要的作用,應(yīng)用主要集中在醫(yī)學(xué)圖像處理、臨床化學(xué)檢驗(yàn)、生命體征參數(shù)監(jiān)護(hù)、疾病診斷與治療等方面,因?yàn)樾枰_反映身體狀況,所以對(duì)傳感器精確度、可靠性、抗干擾性、體積大小都有很高的要求。

(7)智能家電。

智能家居是影響人類(lèi)生活方式改變的重要模式之一,也是未來(lái)發(fā)展的一大趨勢(shì),與之相關(guān)的智能家電產(chǎn)品將會(huì)成為很多家庭的必備產(chǎn)品。

(8)智能交通。

無(wú)人駕駛汽車(chē)的推廣和使用展現(xiàn)出對(duì)車(chē)輛駕駛方式的創(chuàng)新型變革,這離不開(kāi)智能傳感器的輔助和推動(dòng)。無(wú)人駕駛汽車(chē)的激光測(cè)距系統(tǒng)、攝像頭、雷達(dá)、慣性、車(chē)輪等部件/系統(tǒng)均安裝了智能傳感器,以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和策略制定。若能提高企業(yè)的成本控制能力,無(wú)人駕駛車(chē)輛的全面市場(chǎng)化或可實(shí)現(xiàn)。

1.3.3智能傳感器發(fā)展

1.智能傳感器發(fā)展現(xiàn)狀

1)專(zhuān)業(yè)化程度低

智能傳感器的設(shè)計(jì)研發(fā)涉及的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域廣泛,需要多門(mén)學(xué)科、理論、材料和工藝知識(shí)的全面融合,因此需要各行業(yè)專(zhuān)業(yè)性人才的參與,但是我國(guó)目前面臨著人才匱乏、研發(fā)成

本不足、企業(yè)惡性競(jìng)爭(zhēng)等問(wèn)題,在傳感器的一些共性關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)方面尚未取得突破性進(jìn)展。此外,由于我國(guó)相關(guān)企業(yè)技術(shù)實(shí)力較為落后,未能促使行業(yè)發(fā)展規(guī)范的形成,傳感器各

模塊產(chǎn)品不配套、不成系列,重復(fù)生產(chǎn)等現(xiàn)象頻發(fā),必然帶來(lái)產(chǎn)品性能的降低。

2)資金支持欠缺

智能傳感器產(chǎn)業(yè)技術(shù)含量較高,人才、技術(shù)相對(duì)密集,開(kāi)發(fā)成本也在一定程度上大于其他行業(yè)。而且,與同等高科技企業(yè)或項(xiàng)目相比,國(guó)家對(duì)智能傳感器產(chǎn)業(yè)的政策扶持力度仍需加強(qiáng),多項(xiàng)產(chǎn)業(yè)政策扶持條件的適應(yīng)性不夠,規(guī)模較小的企業(yè)難以獲得項(xiàng)目資金支持,稅費(fèi)負(fù)擔(dān)也相對(duì)較重。這些企業(yè)長(zhǎng)期受到進(jìn)口產(chǎn)品的沖擊,不僅使市場(chǎng)公平性得不到保障,

而且競(jìng)爭(zhēng)壁壘過(guò)高。

2.智能傳感器發(fā)展趨勢(shì)

1)數(shù)字化

智能傳感器是由一個(gè)或多個(gè)敏感元件、微處理器、外圍控制及通信電路、智能軟件系統(tǒng)結(jié)合的產(chǎn)物,兼具監(jiān)測(cè)、判斷、信息處理等功能。與傳統(tǒng)傳感器相比,智能傳感器有很多顯著優(yōu)點(diǎn),如可以確定傳感器的工作狀態(tài),對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行自修正,減少環(huán)境因素(如溫度、濕度)引起的誤差,可以用軟件來(lái)解決硬件難以解決的問(wèn)題,可以完成數(shù)據(jù)計(jì)算與處理工作等。．

2)微型化

智能傳感器中的微型傳感器是基于半導(dǎo)體集成電路技術(shù)發(fā)展的MEMS(MicroElectroMechanicalSystems,微電子機(jī)械系統(tǒng))技術(shù),利用微機(jī)械加工技術(shù)將微米級(jí)的敏感組件、信號(hào)處理器、數(shù)據(jù)處理裝置封裝在一塊芯片上,具有體積小、成本低、便于集成等顯著優(yōu)勢(shì),目前已逐漸取代原有傳統(tǒng)產(chǎn)品。

3)仿生化

利用智能傳感器技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)人類(lèi)各種感覺(jué)器官的模擬,獲取環(huán)境中的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)等信息,是近年來(lái)生物醫(yī)學(xué)、電子學(xué)和工程學(xué)相互滲透發(fā)展起來(lái)的一種新型信

息技術(shù)。

4)集成化

為了實(shí)現(xiàn)傳感器產(chǎn)品和市場(chǎng)的轉(zhuǎn)型升級(jí),實(shí)現(xiàn)離散器件向傳感與數(shù)據(jù)處理一體化集成的智能傳感器的轉(zhuǎn)型發(fā)展,集成化是必然的趨勢(shì),傳感融合、系統(tǒng)集成等提升產(chǎn)品附加價(jià)

值的方法也將會(huì)得到重點(diǎn)關(guān)注和研究。

3.智能傳感器的研究熱點(diǎn)

關(guān)于智能傳感器的研究通常可以概括為兩個(gè)方向,一個(gè)是專(zhuān)注于對(duì)傳感器自身性能的提升;另一個(gè)是結(jié)合網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展進(jìn)程,向著傳感器網(wǎng)絡(luò)化縱深方向研發(fā)。下面著重介紹幾

種實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)化的較典型研究。

1)多傳感器信息融合技術(shù)研究

在實(shí)際生產(chǎn)生活中,傳感器的工作環(huán)境通常較為復(fù)雜,電磁或非電磁干擾無(wú)處不在。當(dāng)傳感器工作于強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中時(shí),就需要采用健壯性和容錯(cuò)性較好的多傳感器信息融合技術(shù)來(lái)處理接收到的不確定的甚至錯(cuò)誤的信息,以保證檢測(cè)任務(wù)的順利完成。

2)分布式測(cè)控系統(tǒng)研究

分布式測(cè)控系統(tǒng)是指通過(guò)總線形式,與分布在各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,以達(dá)到遠(yuǎn)程測(cè)量及控制的目的,是一種分散式的測(cè)控系統(tǒng),主要由分布式主機(jī)及各個(gè)測(cè)控子站組成。其中,分布式主機(jī)主要用于管理各個(gè)子站,將各種傳感器、控制器、執(zhí)行器等連接起來(lái),與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,而測(cè)控子站完成數(shù)據(jù)的采集與控制。

3)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究

傳統(tǒng)的有線傳感器網(wǎng)絡(luò),顧名思義,是利用電纜連接方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收功能。但是在某些特殊的應(yīng)用場(chǎng)景下,如在執(zhí)行軍事偵察任務(wù)或者氣候監(jiān)測(cè)等特殊形式的任務(wù)時(shí),有線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)無(wú)論在技術(shù)難度還是組建成本等方面,都存在著一定的局限性或不可行性。在這種情況下,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的引入會(huì)使這些問(wèn)題迎刃而解。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)替代了電纜的物理連接方式,利用射頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的傳輸?？闪繙y(cè)性、抗干擾性和節(jié)點(diǎn)功耗等都是評(píng)價(jià)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要指標(biāo)。第2章典型傳感器2.1溫度傳感器2.2壓電式傳感器2.3光電傳感器2.4紅外傳感器2.5氣體傳感器2.6速度傳感器2.7數(shù)字傳感器

2.1溫度傳感器

熱敏傳感器是一種比較典型的溫度傳感器,它可以將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),其轉(zhuǎn)換器件又可以分為有源和無(wú)源兩種類(lèi)型。有源轉(zhuǎn)換器是基于熱釋電效應(yīng)、熱電效應(yīng)或半導(dǎo)體結(jié)效應(yīng)等的原理制作而成的,無(wú)源轉(zhuǎn)換器則是利用電阻的熱敏特性進(jìn)行感知和測(cè)量的。

2.1.1溫度傳感器類(lèi)型

1.熱電偶傳感器

電子論觀點(diǎn)認(rèn)為,在金屬和半導(dǎo)體中,電流、熱流的形成都與電子的運(yùn)動(dòng)有關(guān),所以電位差、溫度差會(huì)導(dǎo)致電流、熱流的產(chǎn)生,電流、熱流之間的交叉關(guān)聯(lián)就構(gòu)成了熱電效應(yīng)。熱電偶傳感器就是基于熱電效應(yīng)理論設(shè)計(jì)制作的,通常滿足以下幾個(gè)基本定律。

(1)均質(zhì)導(dǎo)體定律。

當(dāng)同一種均質(zhì)材料(導(dǎo)體或半導(dǎo)體)兩端焊接組成閉合回路時(shí),導(dǎo)體截面和溫度分布的任何變化都不會(huì)產(chǎn)生接觸電勢(shì),溫差電勢(shì)相互抵消,使得回路中的總電勢(shì)為零。

(2)中間導(dǎo)體定律。

在保證插入導(dǎo)體的兩端溫度相等的條件下,假設(shè)在熱電偶回路中插入多種均質(zhì)導(dǎo)體,插入導(dǎo)體的溫度分布情況對(duì)原始熱電偶回路的總電勢(shì)不會(huì)產(chǎn)生影響,這就是熱電偶的中間導(dǎo)體定律。

(3)標(biāo)準(zhǔn)熱電極定律。

任何兩種不同材料的熱電極都可以組成熱電偶,一般可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法計(jì)算熱電勢(shì)與溫度之間的映射關(guān)系。標(biāo)準(zhǔn)熱電極定律是指,如果選定了某一熱電極,分別與其他熱電極進(jìn)行配對(duì)組成不同的熱電偶,并計(jì)算出相應(yīng)的熱電勢(shì),那么當(dāng)其他熱電極之間重新配對(duì)組成新的熱電偶時(shí),該熱電偶的熱電勢(shì)值就可以利用相互之間的關(guān)系轉(zhuǎn)換求得。

(4)中間溫度計(jì)算定律。

設(shè)熱電偶兩個(gè)電極A、B的測(cè)量溫度為(T,T0),則熱電勢(shì)可以由兩個(gè)電極溫度分別為(T,Tn)和(Tn,T0)時(shí)對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)計(jì)算求得,如公式(2-1)所示:

2.熱電阻傳感器

熱電阻傳感器與熱電偶傳感器均屬于溫度測(cè)量中比較常見(jiàn)的接觸式測(cè)溫裝置,但是二者的測(cè)溫原理和特點(diǎn)卻不同。

熱電阻傳感器的測(cè)溫原理是,利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值會(huì)隨著溫度的升高而增大的特性來(lái)進(jìn)行溫度信息感知,建立電阻值與溫度間的映射關(guān)系,這樣溫度就可以通過(guò)電阻值

計(jì)算求得。電阻值與溫度的關(guān)聯(lián)原理其實(shí)也不難理解,溫度升高會(huì)加劇金屬材料內(nèi)部原子晶格的振動(dòng),增加金屬內(nèi)部的自由電子通過(guò)金屬導(dǎo)體的阻力,進(jìn)而導(dǎo)致電阻率的升高以及

總電阻值的增大。

(1)鉑電阻。

鉑電阻的電阻值與溫度之間的關(guān)系會(huì)隨著溫度的變化而變化,鉑電阻具有測(cè)溫范圍寬、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn),但它是一種非線性測(cè)溫元件,根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)提供的數(shù)據(jù),鉑電阻與溫度的關(guān)系式如公式(2-2)所示,其中R0和RT分別表示溫度為0℃和T℃時(shí)鉑電阻的電阻值,A、B、C均為常數(shù)系數(shù)。

由上式可以發(fā)現(xiàn),在相同的溫度情況下,R0的取值會(huì)影響RT的值。目前我國(guó)常用的鉑電阻有兩種,根據(jù)分度表可以表示為Pt100和Pt500,分別代表R0為100Ω和500Ω的鉑電阻。

(2)銅電阻。

在測(cè)溫范圍較小或?qū)y(cè)量精度要求不高的情況下,通?？梢圆捎勉~電阻替代鉑電阻,銅的電阻值與溫度呈線性關(guān)系,如果用R0和RT分別表示溫度為0℃和T℃時(shí)的銅電阻的電阻值,α為常數(shù)系數(shù),那么二者的關(guān)系可以表示為式(2-3):

目前,我國(guó)工業(yè)上常用的銅電阻有兩種,根據(jù)分度表可以表示為Cu50和Cu100。

熱電偶和熱電阻雖然都能夠?qū)囟冗M(jìn)行測(cè)量,但二者還是存在一定差異的,主要表現(xiàn)為以下方面。

①測(cè)溫原理不同:熱電偶的溫度測(cè)量是基于熱電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的,而熱電阻是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值會(huì)隨著溫度的變化而變化的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)溫功能的。

②測(cè)溫材料不同:熱電偶采用的是雙金屬材料,即使用兩種不同的金屬材料,隨著溫度的變化,會(huì)在兩個(gè)熱電極間產(chǎn)生電勢(shì)差;熱電阻采用的是同一種對(duì)溫度變化較為敏感的金屬材料。

③測(cè)溫信號(hào)不同:雖然兩者制成的傳感器都屬于接觸式測(cè)溫儀表,但是它們產(chǎn)生的測(cè)量信號(hào)類(lèi)型是不同的。熱電阻本身就是一種電阻材料,其溫度的變化會(huì)使電阻值產(chǎn)生正向

或者負(fù)向的變化;熱電偶是基于熱電效應(yīng),即感應(yīng)電壓值隨溫度的變化而變化,可通過(guò)測(cè)量電壓計(jì)算溫度值。

3.熱敏電阻傳感器

熱敏電阻傳感器利用的電阻材料是半導(dǎo)體材料制成的電阻,其阻值可以隨溫度的變化而變化。金屬材質(zhì)導(dǎo)體的電阻值通常會(huì)隨著溫度的升高而增大;但是由半導(dǎo)體材質(zhì)制成的

熱敏電阻,電阻值會(huì)隨著溫度的升高而急劇減小且呈現(xiàn)非線性特性。

熱敏電阻的種類(lèi)很多,分類(lèi)的方法也不同,若按照半導(dǎo)體熱敏電阻的材料劃分,一般可以分為半導(dǎo)體類(lèi)、金屬類(lèi)和合金類(lèi);若按熱敏電阻的阻值與溫度關(guān)系這一重要特性劃分,

可分為正溫度系數(shù)(PTC)電阻、負(fù)溫度系數(shù)(NTC)電阻和臨界溫度系數(shù)(CTR)電阻三大類(lèi)。

1)熱敏電阻特性

熱敏電阻在不同阻值下的電阻—溫度特性是不同的,在常溫下阻值很高,但隨著溫度的升高阻值會(huì)出現(xiàn)不同的變化,且具有非常明顯的非線性特性。大部分熱敏電阻都是負(fù)溫

度系數(shù)熱敏電阻。如圖2-1所示。圖2-1熱敏電阻的電阻—溫度特性曲線

2)熱敏電阻基本參數(shù)

?標(biāo)稱(chēng)電阻(Rc):一般指熱敏電阻在(25±0.20)℃的環(huán)境溫度下采用規(guī)定范圍內(nèi)的功率測(cè)得的實(shí)際阻值。

?材料常數(shù):是用來(lái)反映熱敏電阻材料物理特性的參數(shù),也是熱靈敏度的重要技術(shù)指標(biāo),數(shù)值越大表示熱敏電阻器的靈敏度和電阻率越高。

?電阻溫度系數(shù)(單位為%/℃):表示熱敏電阻在溫度變化1℃時(shí),電阻值的變化率。

?最高工作溫度(Tmax):表示熱敏電阻在規(guī)定技術(shù)條件下長(zhǎng)期連續(xù)工作所允許的最高溫度。

?轉(zhuǎn)變點(diǎn)溫度(Tc):表示熱敏電阻器的電阻—溫度特性曲線上的拐點(diǎn)溫度,在PTC和CTR熱敏電阻中會(huì)有標(biāo)注。

?額定功率(PE):熱敏電阻器在規(guī)定的條件下,長(zhǎng)期連續(xù)負(fù)荷工作所允許的消耗功率。工作在這個(gè)功率下,電阻器自身溫度也不應(yīng)超過(guò)Tmax。

?測(cè)量功率(Pc):熱敏電阻器在規(guī)定的環(huán)境溫度下,由于受到測(cè)量電流的加熱而引起的電阻值變化率不超過(guò)0.1%時(shí)所消耗的功率。

?零功率電阻值(RT):指在規(guī)定溫度T下,采用引起電阻值變化(該變化相對(duì)于總的測(cè)量值誤差可以忽略不計(jì))的測(cè)量功率下測(cè)得的電阻值。

?耗散系數(shù)(δ):指在規(guī)定環(huán)境溫度下電阻中耗散功率的變化與受其影響的相應(yīng)溫度變化之比。

2.1.2-溫度傳感器應(yīng)用

(1)溫度測(cè)量。

熱敏電阻傳感器最基礎(chǔ)的功能就是對(duì)溫度的測(cè)量,作為測(cè)溫應(yīng)用的熱敏電阻傳感器,其結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉。外面沒(méi)有保護(hù)層的熱敏電阻一般只能在較為干燥的場(chǎng)景使用,

而經(jīng)過(guò)密封處理的熱敏電阻具有抗腐蝕性和耐濕性,可以在一些較為惡劣的環(huán)境使用,而且測(cè)量的效果和精度不會(huì)受到環(huán)境等外界因素的影響。

(2)溫度補(bǔ)償。

熱敏電阻的高精度和高靈敏度特性使得其得到了廣泛的應(yīng)用,但是其阻值—溫度的非線性屬性,卻無(wú)形中增加了對(duì)采集的溫度信號(hào)的處理難度。通常為了滿足測(cè)量精度的要求,

保障實(shí)際的應(yīng)用效果,熱敏電阻傳感器在設(shè)計(jì)中需要考慮在一定的溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)某些元器件的溫度補(bǔ)償。

(3)過(guò)熱保護(hù)。

在日常生產(chǎn)實(shí)踐中,機(jī)械或電氣原因可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備溫度過(guò)高,甚至出現(xiàn)燒毀的情況。溫度保護(hù)熱敏電阻能夠敏感地捕捉設(shè)備的溫度變化,通常可以作為監(jiān)測(cè)裝置,在一些設(shè)備

的功能管理中發(fā)揮非常關(guān)鍵的作用。

(4)液面測(cè)量。

熱敏電阻傳感器除了應(yīng)用于傳統(tǒng)的測(cè)溫環(huán)節(jié),還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)液面的測(cè)量。比如,向NTC熱敏電阻傳感器施加一定的加熱電流,將使它的表面溫度高于周?chē)目諝鉁囟?此時(shí)它的阻值較小,當(dāng)液體高度高于傳感器的安裝高度時(shí),液體將帶走傳感器的熱量,使傳感器溫度下降、阻值升高,所以根據(jù)阻值的變化就可以知道液面的高度位置,汽車(chē)油箱中的油位報(bào)警傳感器就是利用以上原理制作的。

2.2-壓電式傳感器

2.2.1壓電式傳感器原理1.壓電效應(yīng)當(dāng)晶體受到某固定方向外力作用的時(shí)候,晶體內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生電極化現(xiàn)象,同時(shí)在材料相對(duì)的表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷;當(dāng)外力撤去后,晶體又會(huì)恢復(fù)到不帶電的狀態(tài);當(dāng)外力作用方向改變時(shí),電荷的極性也會(huì)隨之改變。晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。壓電式傳感器大多是利用正壓電效應(yīng)制成的。

(2)逆壓電效應(yīng)。

對(duì)晶體施加交變電場(chǎng)引起晶體機(jī)械變形的現(xiàn)象稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)。壓電敏感元件的變形有厚度變形、長(zhǎng)度變形、體積變形、面切變形、剪切變形五種基本形式。

2.壓電材料

具有壓電效應(yīng)的材料稱(chēng)為壓電材料,這種材料可以實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換,并且具有一定的可逆性,如圖2-2所示。壓電材料是壓電式傳感器的敏感材料,一般,比較常見(jiàn)的壓電材料有石英晶體和壓電陶瓷。圖2-2-壓電材料的可逆性

(1)石英晶體。

天然結(jié)構(gòu)的石英晶體是一個(gè)正六面體,其外形如圖2-3所示。石英晶體各個(gè)方向的特性不同,可以用三個(gè)相互垂直的軸來(lái)表示,其中縱向軸z稱(chēng)為光軸(中性軸),經(jīng)過(guò)六面體棱線并垂直于光軸的x軸稱(chēng)為電軸,與x

和z軸同時(shí)垂直的y軸稱(chēng)為機(jī)械軸。通常把沿電軸x方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱(chēng)為縱向壓電效應(yīng),把沿機(jī)械軸y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱(chēng)為橫向壓電效應(yīng),而沿光軸z方向的力不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。圖2-3石英晶體圖2-4石英晶體壓電模型

(2)壓電陶瓷。

壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料,材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化取向一致的微小區(qū)域,即電疇,它有一定的極化方向,從而使晶體存在電場(chǎng)。在無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí),電疇在晶體中雜亂分布,各電疇的極化效應(yīng)相互抵消,壓電陶瓷內(nèi)部的極化強(qiáng)度為零,所以原始的壓電陶瓷呈中性,不具有壓電性質(zhì),如圖2-5(a)所示;當(dāng)施加一定的外電場(chǎng)后,電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng),并且趨向于沿外電場(chǎng)方向排列,完成材料極化,使壓電陶瓷具有壓電效應(yīng);在外電場(chǎng)強(qiáng)度大到使極化達(dá)到飽和程度時(shí),所有的電疇極化方向都會(huì)與外電場(chǎng)方向一致,如圖2-5(b)所示;在去掉外電場(chǎng)后,電疇的極化方向仍保持不變,即剩余極化強(qiáng)度很大,這時(shí)的材料才具有壓電特性,如圖2-5(c)所示。圖2-5壓電陶瓷的極化

前面也提到過(guò),壓電式傳感器中的壓電元件,按其受力和變形方式的不同,可以分為厚度變形、長(zhǎng)度變形、體積變形、面切變形和剪切變形五種形式,如圖2-6所示。目前最常使用的是厚度變形的壓縮式和剪切變形的剪切式兩種。圖2-6壓電元件變形方式

3.壓電式傳感器測(cè)量電路

1)壓電式傳感器等效電路

壓電元件可以看作以壓電材料為介質(zhì)的電容器,在外力作用下,壓電晶片的兩個(gè)表面會(huì)產(chǎn)生大小相等、方向相反的電荷,聚集正負(fù)電荷的兩個(gè)晶片表面就相當(dāng)于電容器的兩個(gè)極板,極板間的物質(zhì)等效于一種介質(zhì),那么壓電元件的電容量可以表示為式(2-4)的形式:

上式中,A表示壓電晶片的面積,d表示壓電晶片的厚度,εr為壓電材料的相對(duì)介電常數(shù),ε0為真空的介電常數(shù)。在使用壓電式傳感器進(jìn)行電性能測(cè)量時(shí),可以將其等效為一個(gè)與電容Ca相串聯(lián)的電壓源模型(如圖2-7(a)所示),電壓源的電壓表示為Ua,電荷量表示為q,三者的關(guān)系可以表示為式(2-5):

當(dāng)壓電式傳感器被等效為一個(gè)與電容Ca相并聯(lián)的電荷源時(shí),等效電路模型如圖2-7(b)所示。圖2-7壓電式傳感器的等效電路

當(dāng)壓電式傳感器與測(cè)量?jī)x器相連,或者接入測(cè)量電路后,還需要考慮測(cè)量電路的輸入電容Ci、輸入電阻Ri、連接電纜的等效寄生電容Cc、壓電傳感器自泄漏電阻Ra,實(shí)際的等

效電路如圖2-8所示。圖2-8壓電傳感器實(shí)際等效電路

2)壓電式傳感器測(cè)量電路

針對(duì)壓電式傳感器的兩種等效模型,前置放大器也有電壓放大器和電荷放大器兩種形式。從圖2-8的等效電路可以看出,如果使用電壓放大器形式,那么其輸出電壓Ui與電容

C(C=Ca+Ci+Cc)密切相關(guān)。

電荷放大器是由一個(gè)帶有反饋電容Cr的高增益運(yùn)算放大器組成的,由于傳感器的漏電阻和電荷放大器的輸入電阻很大,而運(yùn)算放大器輸入阻抗又極高,在其輸入端幾乎沒(méi)有

分流,在測(cè)量計(jì)算中這部分的影響可以忽略不計(jì)。壓電式傳感器與電荷放大器組成的檢測(cè)電路的等效電路如圖2-9所示。圖2-9壓電式傳感器和電荷放大器組成的檢測(cè)電路的等效電路

2.2.2-壓電式傳感器應(yīng)用

(1)壓電式壓力傳感器。

圖2-10為一種比較典型的壓電式壓力傳感器——壓電式單向測(cè)力傳感器結(jié)構(gòu)圖,這種傳感器主要由石英晶片、絕緣套、電極、上蓋及機(jī)座組成。傳感器上蓋為傳力元件,當(dāng)有

外力作用時(shí),它將產(chǎn)生彈性變形,并將力傳遞到石英晶片上,石英晶片采用xy切型,可以利用其縱向壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)力電轉(zhuǎn)換。這種傳感器的測(cè)力范圍為0~50N,最小分辨率可以達(dá)到0.01N,固有頻率通常在50~60kHz范圍內(nèi)。圖2-10壓力式單向測(cè)力傳感器結(jié)構(gòu)圖

(2)壓電式加速度傳感器。

圖2-11為壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖,其主要由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、螺栓、機(jī)座及外殼組成。壓電式加速度傳感器的壓電元件是壓電晶體,整個(gè)部件裝在外殼區(qū)域內(nèi)部,擰緊螺栓,加以安裝固定。圖2-11壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖

壓電晶體能夠基于正壓電效應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能,用來(lái)測(cè)量振動(dòng)加速度信號(hào)。當(dāng)加速度傳感器用來(lái)測(cè)量被測(cè)對(duì)象振動(dòng)大小時(shí),需要將其安裝在合適的測(cè)試點(diǎn)上,這樣加速度傳感器就會(huì)和被測(cè)對(duì)象一起受到?jīng)_擊并發(fā)生振動(dòng)。壓電元件受質(zhì)量塊慣性力的作用,根據(jù)牛頓第二定律,振動(dòng)方程用公式(2-10)表示,其中F表示質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力,m表示質(zhì)量塊的質(zhì)量,a表示加速度。

如果有慣性力F作用于壓電元件上,則當(dāng)傳感器選定后,m為常數(shù),就可以直接計(jì)算出加速度a的大小。

(3)壓電式雨滴傳感器。

壓電式雨滴傳感器通常由振動(dòng)板、壓電元件、放大器、殼體及阻尼橡膠組成。振動(dòng)板接收雨滴的沖擊能量,并且按照自身固有的振動(dòng)頻率產(chǎn)生彎曲振動(dòng),同時(shí)將振動(dòng)信息傳遞到測(cè)量元件上,實(shí)現(xiàn)形變—電壓的轉(zhuǎn)換過(guò)程。值得注意的是,當(dāng)振動(dòng)板出現(xiàn)機(jī)械形變時(shí),在兩側(cè)的電極上就會(huì)產(chǎn)生電壓,所以當(dāng)雨滴滴落在振動(dòng)板上時(shí),壓電元件上就會(huì)產(chǎn)生電壓,電

(4)壓電式玻璃破碎報(bào)警器。

利用壓電元件對(duì)振動(dòng)比較敏感的特性來(lái)感知玻璃受到撞擊和破碎時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)波,這種類(lèi)型的傳感器就是壓電式報(bào)警器中比較典型的一種——壓電式玻璃破碎報(bào)警器。玻璃破

碎時(shí)會(huì)產(chǎn)生幾千赫茲至幾十千赫茲的振動(dòng)波,壓電式玻璃破碎報(bào)警器的原理是,將高分子壓電薄膜傳感器粘貼在玻璃上,用來(lái)感受玻璃破碎時(shí)的振動(dòng)信息,然后通過(guò)電纜使其和報(bào)警電路相連,實(shí)現(xiàn)了壓電信號(hào)與報(bào)警系統(tǒng)對(duì)這種振動(dòng)波的感知與傳遞。

2.3光電傳感器

2.3.1光電傳感器原理1.光電效應(yīng)光電效應(yīng)是光電傳感器實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ),指的是一束光線照射到物質(zhì)上時(shí),物質(zhì)的電子吸收了光子的能量而產(chǎn)生電效應(yīng)的現(xiàn)象。具有光電效應(yīng)的物質(zhì)稱(chēng)為光電材料,這種材料經(jīng)過(guò)光的照射后會(huì)產(chǎn)生電阻率變化、電子逸出、電動(dòng)勢(shì)變化等現(xiàn)象。

(1)外光電效應(yīng)。

當(dāng)光線照射到光電材料上時(shí),材料表面電子會(huì)吸收光子的能量,當(dāng)光子能量達(dá)到某闕值時(shí),電子就會(huì)掙脫束縛從物體表面逸出。此時(shí),電子將吸收的光子能量轉(zhuǎn)化為兩部分,一部分用于克服正離子的束縛,另一部分轉(zhuǎn)化為其自身能量。當(dāng)光子能量大于逸出功約束時(shí),電子才能夠逸出光電材料表面。光電管、光電倍增管等材料就是利用外光電效應(yīng)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的。

(2)內(nèi)光電效應(yīng)。

當(dāng)光線照射到光電材料上時(shí),材料內(nèi)部的原子會(huì)釋放出電子,與外光電效應(yīng)不同的是,此時(shí)的電子將停留在材料內(nèi)部但并不逸出材料表面,這就使得材料的電阻率發(fā)生變化進(jìn)而

產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。光敏二極管、光電池等光電元件就是基于內(nèi)光電效應(yīng)原理制作而成的。

2.光敏元件

1)光電管

光電管是基于外光電效應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換器件,可以實(shí)現(xiàn)光信號(hào)與電信號(hào)的轉(zhuǎn)換,如圖2-12所示,光電管由玻璃殼、兩個(gè)電極、引出插腳組成。圖2-12-光電管的典型結(jié)構(gòu)

當(dāng)光通量恒定時(shí),陽(yáng)極電流與陽(yáng)極電壓之間的關(guān)系可以用一條曲線來(lái)表示,通常稱(chēng)為伏安特性曲線。圖2-13(a)為真空光電管的伏安特性曲線,圖2-13(b)為充氣光電管的伏安特性曲線,通過(guò)對(duì)比不難發(fā)現(xiàn),兩種光電管的曲線變化趨勢(shì)存在一定的規(guī)律性。在一定陽(yáng)極電壓范圍內(nèi),陽(yáng)極電流不會(huì)隨陽(yáng)極電壓的變化而變化,也就是說(shuō)陽(yáng)極電流達(dá)到了比較穩(wěn)定的飽和狀態(tài)。一般會(huì)在陽(yáng)極電流飽和區(qū)域內(nèi)選擇光電管的工作參數(shù)點(diǎn)。圖2-13光電管的伏安特性曲線

2)光電倍增管

相較于光電管,光電倍增管的靈敏度很高,可以將微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)并進(jìn)行放大處理,其典型結(jié)構(gòu)和工作原理如圖2-14所示。從結(jié)構(gòu)圖中可以看到,光電倍增管主要由玻璃殼、光陰極K、陽(yáng)極A、倍增極D、引出插腳等組成,需要根據(jù)要求選用指定性能的玻璃殼進(jìn)行真空封裝。根據(jù)封裝方式的不同,光電倍增管可以分為端窗式和側(cè)窗式兩種,端窗式如圖2-14(a)所示,可以通過(guò)管殼的端面接受入射光,陰極通常為透射式陰極;側(cè)窗式光電倍增管的工作原理如圖2-14(b)所示,可以通過(guò)管殼的側(cè)面接收入射光,陰極通常為反射式陰極。圖2-14光電倍增管的典型結(jié)構(gòu)和工作原理

圖2-15是光電倍增管的測(cè)量原理圖,從圖中可以看到,聚光系統(tǒng)將標(biāo)準(zhǔn)光源發(fā)出的光聚焦在單色儀的入射狹縫S1上,光通過(guò)單色儀的色散作用在出射狹縫S2-處形成單色光,再經(jīng)過(guò)光電倍增管的放大作用,在陽(yáng)極上就形成可以由數(shù)字電壓表直接讀出的電信號(hào)。圖2-15光電倍增管的測(cè)量原理圖

可以采用光譜響應(yīng)率來(lái)表示不同波長(zhǎng)的入射光對(duì)光電倍增管的響應(yīng)能力。在給定波長(zhǎng)光信號(hào)的單位輻射功率照射下,所產(chǎn)生的陽(yáng)極電流大小被稱(chēng)為光電倍增管的絕對(duì)光譜響應(yīng)率S(λ),可由公式(2-11)表示。

其中,P(λ)為入射到光陰極上的單色輻射功率,I(λ)表示在該輻射功率照射下所產(chǎn)生的陽(yáng)極電流。

3)光敏電阻

光敏電阻的外形及結(jié)構(gòu)如圖2-16所示。圖2-16光敏電阻的外形及結(jié)構(gòu)

光敏電阻的主要特性。

①伏安特性。在一定光照強(qiáng)度下,加在光敏電阻兩端的電壓與電流之間的關(guān)系稱(chēng)為伏安特性。

②光照特性。該特性指的是光敏電阻輸出的電信號(hào)會(huì)隨著光照強(qiáng)度的變化而變化的特性。

③光譜特性。當(dāng)光敏電阻兩端施加的電壓一定時(shí),輸出電流與入射光波長(zhǎng)之間存在一定的關(guān)系,這種關(guān)系被稱(chēng)為光譜特性。

④時(shí)間響應(yīng)特性。光線照射光敏電阻一段時(shí)間后,光電流才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)值,當(dāng)光照停止后,光電流也不會(huì)立刻為零,這種現(xiàn)象就是光敏電阻的時(shí)間響應(yīng)特性。

光敏電阻的主要性能指標(biāo)有暗電阻與暗電流、亮電阻與亮電流、光電流、靈敏度等。

①暗電阻與暗電流。暗電流是指光敏電阻在一定的外加電壓作用下,當(dāng)沒(méi)有光照射的時(shí)候流過(guò)的電流。外加電壓與暗電流之比稱(chēng)為暗電阻。

②亮電阻與亮電流。光敏電阻在一定的外加電壓作用下,當(dāng)有光照射時(shí)流過(guò)的電流稱(chēng)為亮電流。外加電壓與亮電流之比稱(chēng)為亮電阻。

③光電流。光電流是指亮電流與暗電流的差值,兩者的差值越大,光電流就越大,靈敏度越高。

④靈敏度。靈敏度表示光敏電阻不受光照射時(shí)的電阻值(暗電阻)與受光照射時(shí)的電阻值(亮電阻)的相對(duì)變化值。

4)光敏二極管和光敏三極管

如圖2-17所示圖2-17光敏二極管的結(jié)構(gòu)和工作原理

光敏三極管的結(jié)構(gòu)和工作原理與光敏二極管類(lèi)似,可以分為NPN和PNP型兩種,但是在結(jié)構(gòu)上都具有兩個(gè)PN結(jié)。如圖2-18所示圖2-18光敏三極管的結(jié)構(gòu)和工作原理

光敏二極管和光敏三極管的伏安特性曲線如圖2-19所示圖2-19光敏二極管和光敏三極管的伏安特性曲線

光敏二極管和光敏三極管的光照特性如圖2-20所示圖2-20光敏二極管和光敏三極管的光照特性

2.3.2-光電傳感器應(yīng)用

1)輸出為連續(xù)變化光電流的光電傳感器

經(jīng)過(guò)光電傳感器測(cè)量系統(tǒng),被測(cè)量被轉(zhuǎn)化為連續(xù)變化的光電流,輸出與輸入之間呈現(xiàn)單值對(duì)應(yīng)關(guān)系,如圖2-21所示,測(cè)量時(shí)通常有如下四種應(yīng)用方式。圖2-21光電元件的工作原理

①測(cè)量光源。被測(cè)物本身作為光源,其發(fā)出的光通量可以直接照射在光電元件上,多用于光電比色高溫計(jì)中,其光通量和光譜的強(qiáng)度分布與被測(cè)溫度呈函數(shù)關(guān)系。

②測(cè)量物質(zhì)的透明度。采用白熾燈(或其他任何光源)作為恒光源,發(fā)出的光通量穿過(guò)被測(cè)物被部分吸收后最終到達(dá)光電元件,多用于測(cè)量液體、氣體的透明度、渾濁度的光電比色計(jì)中。

③測(cè)量表面光潔度。恒光源發(fā)出的光通量到達(dá)被測(cè)物,經(jīng)過(guò)被測(cè)物表面反射后投射到光電元件上,多用于測(cè)量物體表面光潔度、粗糙度,被測(cè)物體表面的性質(zhì)或狀態(tài)取決于表

面反射條件。

④測(cè)量物體遮蔽情況。恒光源發(fā)出的光通量一部分被被測(cè)物擋住,從而改變了照射到光電元件上的光通量,多用于測(cè)量尺寸或振動(dòng)情況。

2)輸出為斷續(xù)變化光電流的光電傳感器

(1)光電耦合器。

光電耦合器的結(jié)構(gòu)分為金屬密封型和塑料密封型兩種,如圖2-22所示。圖2-22(a)表示的是金屬密封型結(jié)構(gòu),由金屬外殼和絕緣玻璃兩部分對(duì)接組成,采用環(huán)焊的方式將發(fā)光二極管和光敏三極管對(duì)準(zhǔn),以保證器件的靈敏度。圖2-22(b)表示的是塑料密封型結(jié)構(gòu),采用雙立直插式塑料封裝的結(jié)構(gòu),管心首先安裝于管腳上,中間再用具有集光作用的透明樹(shù)脂固定,以進(jìn)一步提高器件的靈敏度。圖2-22-光電耦合器結(jié)構(gòu)圖

光電耦合器的特性曲線可表示為發(fā)光元件的輸入與光電元件的輸出之間的函數(shù)關(guān)系,如圖2-23所示,IF和IC分別代表光電耦合器的輸入量和輸出量,二者均為直流電流。圖中器件的線性度較差,如果想要得到更為精準(zhǔn)的測(cè)量結(jié)果,還需要通過(guò)反饋等其他技術(shù)手段對(duì)非線性失真情況進(jìn)行校正。圖2-23光電耦合器的特性曲線

(2)光電轉(zhuǎn)速計(jì)。

光電轉(zhuǎn)速計(jì)的工作原理圖如圖2-24所示,圖2-24光電轉(zhuǎn)速計(jì)原理圖

(3)光電開(kāi)關(guān)。

光電開(kāi)關(guān)同樣是應(yīng)用光電轉(zhuǎn)換原理制成的,即接收元件接收到發(fā)光元件發(fā)出的光線并完成光電轉(zhuǎn)換后,經(jīng)過(guò)放大裝置最終輸出開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。光電開(kāi)關(guān)主要有透射式和反射式

兩種,工作原理如圖2-25所示。圖2-25光電開(kāi)關(guān)原理圖

2.4紅外傳感器

2.4.1紅外傳感器原理紅外傳感系統(tǒng)是以紅外線為介質(zhì)的測(cè)量系統(tǒng),一般由光學(xué)接收器、紅外調(diào)制器、紅外探測(cè)器、前置放大器、信號(hào)處理器、顯示單元組成,如圖2-26所示。圖2-26紅外傳感系統(tǒng)組成框圖

(1)熱紅外探測(cè)器。

熱紅外探測(cè)器的工作原理是,紅外輻射通過(guò)紅外物鏡后,照射到探測(cè)器敏感材料上,引起此敏感材料的某些可測(cè)物理量的變化,通過(guò)計(jì)算物理參數(shù)的變化,計(jì)算探測(cè)器所吸收的紅外輻射量。熱紅外探測(cè)器響應(yīng)波段寬,響應(yīng)范圍可擴(kuò)展到整個(gè)紅外區(qū)域,適合于室溫環(huán)境下的測(cè)量工作。

(2)光子紅外探測(cè)器。

利用入射紅外輻射的光子流與探測(cè)器材料中電子的相互作用,改變電子的能量狀態(tài),引起測(cè)量材料電子性質(zhì)變化的現(xiàn)象稱(chēng)為光子效應(yīng)。

2.4.2-紅外傳感器應(yīng)用

(1)紅外測(cè)距傳感器。

紅外測(cè)距傳感器是利用紅外信號(hào)距障礙物距離不同,反射強(qiáng)度也不同的原理制作的,可以用來(lái)進(jìn)行障礙物距離的測(cè)量。紅外測(cè)距傳感器具有一對(duì)紅外信號(hào)發(fā)射與接收二極管,

發(fā)射管發(fā)射特定頻率的紅外信號(hào),接收管接收這種頻率的紅外信號(hào)。當(dāng)紅外信號(hào)的檢測(cè)方向遇到障礙物遮擋時(shí),紅外信號(hào)被反射后再被接收管接收,接收到的反射信號(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)處理操作后傳遞到中央處理單元,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)利用紅外信號(hào)的返回信號(hào)來(lái)識(shí)別周?chē)h(huán)境狀態(tài)的目的。

(2)紅外測(cè)溫儀。

紅外測(cè)溫儀由光學(xué)系統(tǒng)、紅外探測(cè)器、信號(hào)放大器及信號(hào)處理、顯示輸出等部分組成。其工作原理圖如圖2-27所示。圖2-27紅外測(cè)溫儀工作原理圖

(3)紅外氣體分析儀。

紅外氣體分析儀是基于某些氣體對(duì)紅外線的選擇性吸收原理設(shè)計(jì)制作的。工業(yè)用紅外氣體分析儀由紅外線輻射光源、氣室、紅外探測(cè)器及電子電路等部分組成,如圖2-28所示。圖2-28紅外氣體分析儀結(jié)構(gòu)原理圖

(4)紅外無(wú)損檢測(cè)。

利用聲、光、磁、電等特性,在不損害或不影響被測(cè)對(duì)象使用性能的前提下,檢測(cè)被測(cè)對(duì)象中是否存在缺陷或不均勻性,同時(shí)給出缺陷的大小、位置、性質(zhì)和數(shù)量等信息,從而判定被測(cè)對(duì)象所處技術(shù)狀態(tài)(如合格與否、剩余壽命等)的所有技術(shù)手段統(tǒng)稱(chēng)為無(wú)損檢測(cè)。

(5)醫(yī)用紅外熱像儀。

人體是一個(gè)天然的生物發(fā)熱體,由于解剖結(jié)構(gòu)、組織代謝、血液循環(huán)及神經(jīng)狀態(tài)的不同,機(jī)體各部位溫度也不同,這就形成了不同的熱場(chǎng)。紅外熱像儀可以通過(guò)光學(xué)電子系統(tǒng)

聚集人體輻射的遠(yuǎn)紅外光波,經(jīng)過(guò)濾波、調(diào)制、光電轉(zhuǎn)換、模數(shù)轉(zhuǎn)換處理,將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為更加便于測(cè)量的電信號(hào),最后利用多媒體圖像處理技術(shù),以偽彩色熱圖的形式顯示人體的

溫度場(chǎng)。

2.5氣體傳感器

2.5.1氣體傳感器類(lèi)型1.氣體傳感器分類(lèi)(1)半導(dǎo)體氣體傳感器。半導(dǎo)體氣體傳感器是基于氣體在半導(dǎo)體表面的氧化還原反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致敏感元件阻值發(fā)生變化的原理而制成的。

(2)電化學(xué)式氣體傳感器。

電化學(xué)式氣體傳感器是基于電化學(xué)原理制作而成的,兩電極系統(tǒng)是這類(lèi)傳感器中最為簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)形式,傳感器的兩個(gè)電極由一個(gè)薄層電解液阻隔,經(jīng)由一個(gè)很小的電阻與外部電路相連。

(3)紅外吸收式氣體傳感器。

吸收峰是指氣體吸收的紅外光能量所處的特定波段,氣體分子對(duì)紅外光具有特定的吸收峰,它不受其他氣體吸收峰的干擾,吸收的能量與氣體在紅外光區(qū)的濃度有關(guān)。

紅外吸收式氣體傳感器的原理是,當(dāng)紅外光通過(guò)待測(cè)氣體時(shí),特征頻率譜光線被氣體吸收,導(dǎo)致該頻率的光能量減弱,其吸收關(guān)系服從Lambert-Beer吸收定律,表示為式(2-12),這樣就可以通過(guò)光強(qiáng)的變化測(cè)量出氣體的濃度信息。

式中,αm表示摩爾分析吸收系數(shù),L表示光程長(zhǎng)度,C表示氣體濃度,β表示瑞利散射系數(shù),γ表示米氏散射系數(shù),δ表示氣體密度波動(dòng)造成的吸收系數(shù),I0和I為輸入、輸出的光強(qiáng)。

(4)熱催化氣體傳感器。

熱催化氣體傳感器由敏感元件、補(bǔ)償元件及電極引線和透氣性良好的金屬防爆外殼等組成。其中,敏感元件和補(bǔ)償元件均由測(cè)溫鉑絲電阻外包裹球形疏松多孔氧化鋁制成,它

們的結(jié)構(gòu)完全一致,二者被分別置于兩個(gè)隔離的對(duì)稱(chēng)分布空腔內(nèi),空腔的熱分布邊界條件一致。二者的差異在于敏感元件載體上添加有催化劑,被測(cè)氣體在敏感元件上可以無(wú)煙燃

燒放熱,導(dǎo)致敏感元件溫度升高、鉑絲電阻增大,根據(jù)敏感元件鉑絲的阻值變化就可以感知可燃性氣體及其濃度;而補(bǔ)償元件上沒(méi)有催化劑,被測(cè)氣體在補(bǔ)償元件上不發(fā)生反應(yīng)。

(5)熱導(dǎo)式氣體傳感器。

熱導(dǎo)式氣體傳感器是指能感知環(huán)境中某種氣體及其濃度的一種裝置或者器件,屬于電學(xué)類(lèi)氣體傳感器的一種。傳感器可以將與氣體種類(lèi)和濃度相關(guān)的信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào),具有檢測(cè)范圍廣、工作穩(wěn)定性高、使用壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、使用維護(hù)方便等優(yōu)勢(shì),但是受到檢測(cè)精度及靈敏度較低、溫度漂移較大等劣勢(shì)的影響,熱導(dǎo)式氣體傳感器的應(yīng)用范圍受限。

2.典型氣體傳感器

下面根據(jù)檢測(cè)對(duì)象的不同,主要介紹幾種典型的用于檢測(cè)有毒氣體、大氣污染氣體、可燃燒性氣體的氣體傳感器。

(1)CO傳感器。

CO傳感器采用密閉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),主要由電極、過(guò)濾器、透氣膜、電解液、電極引出線(管腳)、殼體等部分組成,當(dāng)CO氣體通過(guò)外殼上的氣孔,經(jīng)透氣膜擴(kuò)散到工作電極表面時(shí),在工作電極的催化作用下,就會(huì)在工作電極上發(fā)生氧化反應(yīng),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體及濃度的感知。另外,CO還是一種具有還原特性的氣體,可以與氧化物發(fā)生還原反應(yīng)而生成其他顏色的化合物。比色法就是利用CO的還原性,無(wú)需耗電就可以測(cè)定氣體的濃度,操作簡(jiǎn)單、方便快捷。

(2)CO2-傳感器。

CO2-傳感器被廣泛應(yīng)用于家庭網(wǎng)絡(luò)、通風(fēng)系統(tǒng)、控制器、機(jī)器人、汽車(chē)等領(lǐng)域,完成對(duì)空氣質(zhì)量的檢測(cè)任務(wù)。CO2-傳感器的主要類(lèi)型有紅外吸收型、電化學(xué)型、熱導(dǎo)型和半導(dǎo)體型等。紅外吸收型CO2-傳感器基于氣體的吸收光譜會(huì)隨物質(zhì)的不同而存在差異的原理制成,其靈敏度高、分析速度快、穩(wěn)定性好。

是目前CO2-傳感器研究的重點(diǎn)方向之一。

(3)CH4傳感器。

CH4傳感器的檢測(cè)元件一般是載體催化元件,傳感器在測(cè)量使用中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與CH4含量成比例的微弱信號(hào),信號(hào)經(jīng)過(guò)多級(jí)放大電路放大后生成一個(gè)供模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采集的模

擬輸入量,再轉(zhuǎn)換為便于單片機(jī)使用的數(shù)字信號(hào),通過(guò)單片機(jī)的信號(hào)處理過(guò)程,提供顯示和報(bào)警等擴(kuò)展功能。

2.5.2-氣體傳感器應(yīng)用

1)在潛水中的應(yīng)用

2)在酒精檢測(cè)中的應(yīng)用

3)在安全檢測(cè)中的應(yīng)用

4)在煙氣檢測(cè)中的應(yīng)用

2.6速度傳感器

2.6.1速度傳感器類(lèi)型速度指單位時(shí)間內(nèi)位移的增量,一般包括線速度和角速度。用于測(cè)量線速度或角速度的傳感器就叫做線速度傳感器或角速度傳感器,也可以統(tǒng)稱(chēng)為速度傳感器。

旋轉(zhuǎn)速度傳感器還可以按照安裝形式分為接觸式和非接觸式兩類(lèi)。

(1)接觸式旋轉(zhuǎn)速度傳感器。

接觸式旋轉(zhuǎn)速度傳感器與運(yùn)動(dòng)物體直接接觸,當(dāng)運(yùn)動(dòng)物體與旋轉(zhuǎn)式速度傳感器接觸時(shí),摩擦力會(huì)帶動(dòng)傳感器的滾輪一起轉(zhuǎn)動(dòng),安裝在滾輪上的轉(zhuǎn)動(dòng)脈沖傳感器,就會(huì)發(fā)出一連串的脈沖信號(hào),每個(gè)脈沖信號(hào)就代表著一定的距離值,通過(guò)對(duì)脈沖信號(hào)的測(cè)量就能計(jì)算得到線速度信息。

(2)非接觸式旋轉(zhuǎn)速度傳感器。

非接觸式旋轉(zhuǎn)速度傳感器與運(yùn)動(dòng)物體無(wú)直接接觸,這種傳感器的測(cè)量原理很多,較為常見(jiàn)的是光電流速傳感器和光電風(fēng)速傳感器兩種。光電流速傳感器葉輪的葉片邊緣會(huì)貼上

反射膜,流體的流動(dòng)會(huì)帶動(dòng)葉輪的旋轉(zhuǎn),葉輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一周,光纖傳輸會(huì)反光一次,進(jìn)而產(chǎn)生一個(gè)電脈沖信號(hào),這樣就可根據(jù)檢測(cè)到的脈沖數(shù)來(lái)計(jì)算流速。

2.6.2-速度傳感器應(yīng)用

在車(chē)輛的檢測(cè)應(yīng)用中,速度傳感器為車(chē)輛的安全行駛保駕護(hù)航,可以使駕駛員準(zhǔn)確及時(shí)地掌握車(chē)輛的行駛速度和狀態(tài),以對(duì)駕駛行為進(jìn)行有效安全的調(diào)整。其實(shí),車(chē)輛中使用的速度傳感器類(lèi)型也很多,如車(chē)輪轉(zhuǎn)速傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、減速傳感器、車(chē)速傳感器等。車(chē)輪轉(zhuǎn)速傳感器主要用來(lái)檢測(cè)車(chē)輪的轉(zhuǎn)速,在汽車(chē)制動(dòng)控制和驅(qū)動(dòng)控制兩方面應(yīng)用

較多;發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器用來(lái)檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,利用曲軸位置傳感器來(lái)檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,重點(diǎn)應(yīng)用于燃油噴射量、點(diǎn)火提前角、動(dòng)力傳動(dòng)控制等方面;減速傳感器用來(lái)檢測(cè)汽車(chē)

在減速時(shí)的速度和加速度,主要在汽車(chē)制動(dòng)控制和驅(qū)動(dòng)控制兩方面使用;車(chē)速傳感器通過(guò)直接或間接的形式檢測(cè)汽車(chē)輪胎的轉(zhuǎn)速,組成及原理相對(duì)復(fù)雜。

(1)磁電式速度傳感器。

磁電式速度傳感器主要是利用磁阻元件阻抗值會(huì)隨著磁場(chǎng)的強(qiáng)弱而變化這一特性實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)量的。磁電式速度傳感器內(nèi)部安裝有磁鐵,使得傳感器預(yù)先就帶有一定的磁場(chǎng),當(dāng)金屬的檢測(cè)齒輪靠近傳感元件時(shí),齒輪的齒頂與齒谷所產(chǎn)生的磁場(chǎng)變化會(huì)導(dǎo)致傳感元件磁阻抗的變化。

一種比較典型的磁電式速度傳感器的原理圖如圖2-29所示圖2-29磁電式轉(zhuǎn)速傳感器原理圖

(2)霍爾式速度傳感器。

雖然霍爾效應(yīng)自1879年發(fā)現(xiàn)以來(lái),距今已有100多年的發(fā)展歷史,但是隨著1978年微電子時(shí)代的到來(lái)和快速發(fā)展,霍爾效應(yīng)才被人們重視和推廣使用,不斷地開(kāi)發(fā)出多種霍爾元件。

霍爾傳感器具有靈敏度高、線性度好、穩(wěn)定性高、體積小和耐高溫等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于非電量測(cè)量、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)裝置和現(xiàn)代軍事技術(shù)等各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。

采用霍爾結(jié)構(gòu),基于霍爾效應(yīng)的磁電傳感器被稱(chēng)為霍爾式速度傳感器,這種傳感器對(duì)磁場(chǎng)敏感度高、輸出信號(hào)穩(wěn)定、頻率響應(yīng)高、抗電磁干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便,在

汽車(chē)速度的測(cè)量應(yīng)用中使用較為廣泛。該類(lèi)傳感器由特定磁極對(duì)數(shù)的永久磁鐵(一般為4對(duì)或8對(duì))、霍爾元件、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及輸入/輸出插件等組成,工作原理是,當(dāng)傳感器的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在外驅(qū)動(dòng)的作用下旋轉(zhuǎn)時(shí),會(huì)帶動(dòng)永久磁鐵的旋轉(zhuǎn),使得穿過(guò)霍爾元件的磁場(chǎng)產(chǎn)生周期性變化,引發(fā)霍爾元件輸出電壓的變化,再通過(guò)信號(hào)處理電路的作用,形成穩(wěn)定的脈沖電壓信號(hào)并以此作為速度傳感器的輸出信號(hào)。

此外,集成了高效自動(dòng)測(cè)量、軟件計(jì)算、圖形或數(shù)表顯示的集成化、智能化測(cè)試系統(tǒng)越來(lái)越受到汽車(chē)速度傳感器生產(chǎn)企業(yè)的青睞,這種測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試精度高、數(shù)據(jù)通信可靠、抗干擾能力強(qiáng)、檢測(cè)過(guò)程簡(jiǎn)單直觀、用戶(hù)界面美觀友好、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本低,在車(chē)輛速度檢測(cè)應(yīng)用方面具有較好的推廣市場(chǎng)和應(yīng)用前景。

2.7數(shù)字傳感器

數(shù)字傳感器是指將傳統(tǒng)的模擬式傳感器加裝或改造模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊,使之成為輸出數(shù)字量(或數(shù)字編碼)信號(hào)的傳感器,主要包括放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、微處理器、存儲(chǔ)器、通信接口、溫度測(cè)試電路等。隨著微處理器和傳感器制作成本的逐漸降低,從環(huán)境中獲取的信息類(lèi)型和信息內(nèi)容更加多樣化,很多全自動(dòng)或半自動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)基于這些信息擴(kuò)展出更多的智能性功能。

1)頻率式數(shù)字傳感器

頻率式數(shù)字傳感器是利用諧振原理,將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成諧振頻率變化的一種傳感器。頻率式數(shù)字傳感器的敏感元件(諧振元件)可以是被張緊的金屬絲(振弦)、金屬膜片(振

膜)或薄壁圓筒(振筒)等機(jī)械式諧振元件,也可以是壓電諧振元件(壓電振子)。此類(lèi)傳感器使用敏感元件的振動(dòng)頻率、相位和幅值等作為敏感參數(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力、位移、密度等被測(cè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量的目的。

(1)振弦式傳感器。

振弦式傳感器是基于諧振技術(shù)的傳感器,輸出的是周期信號(hào),只需利用簡(jiǎn)單的數(shù)字電路即可將信號(hào)轉(zhuǎn)換為便于微處理器接收處理的數(shù)字信號(hào)。如果將振弦置于永磁磁場(chǎng)中以電

流方式引起激振,當(dāng)激勵(lì)電流流經(jīng)振弦時(shí),可以把振弦等效為L(zhǎng)C并聯(lián)電路,由于振弦在振動(dòng)過(guò)程中受到的空氣摩擦阻力較小,可以忽略不計(jì),所以施加在振弦上的電流i所產(chǎn)生的激振電磁作用力F將會(huì)被振弦的慣性反作用力FC和彈性反作用力FL所平衡,如公式(2-13)所示。

如果將激振電流i分解成對(duì)應(yīng)于FC與FL的兩個(gè)電流分量iC與iL,式(2-13)可進(jìn)一步推導(dǎo)為式(2-14)的形式。其中,l為振弦置于磁場(chǎng)中的有效長(zhǎng)度,B為永磁磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

(2)壓電式諧振傳感器。

壓電式諧振傳感器是利用逆壓電效應(yīng)將加在振子電極上的輸入電壓轉(zhuǎn)換成振子的機(jī)械振動(dòng)這一原理制成的,由振子、振子表面敷層、緊固件和周?chē)橘|(zhì)等結(jié)構(gòu)元件組成,核心部

件是用壓電材料制成的振子。上述這些結(jié)構(gòu)元件會(huì)在振動(dòng)時(shí)發(fā)生相互作用而產(chǎn)生能量交換,決定著作為電路元件的壓電諧振器的性能及幅頻特性。

根據(jù)壓電式諧振傳感器的感知原理,非常適合用來(lái)完成稱(chēng)重任務(wù),壓電式諧振稱(chēng)重傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖2-30所示,在稱(chēng)重過(guò)程中壓電諧振器受到重物作用力F的影響而產(chǎn)生形變,機(jī)械應(yīng)力的性質(zhì)和大小決定著頻率的變化,頻率變化Δf與外加作用力ΔF呈線性關(guān)系,一般可以用式(2-15)來(lái)表示,其中,k為力頻靈敏度系數(shù)。圖2-30壓電式諧振稱(chēng)重傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

壓電式諧振稱(chēng)重傳感器電子線路原理圖如圖2-31所示,振蕩電路用于激勵(lì)壓電諧振器進(jìn)行振蕩并產(chǎn)生信號(hào)輸出,差頻整形電路將壓電諧振器的輸出頻率f1與基準(zhǔn)頻率f0進(jìn)行比較后輸出值(f1-f0)的方波信號(hào),差頻整形后輸出的頻率信號(hào)可以反映出傳感器的受力情況。假設(shè)壓電諧振器的基準(zhǔn)頻率也是f0,那么當(dāng)力F作用于壓電諧振器時(shí),其頻率將按照式(2-16)變化。圖2-31壓電式諧振稱(chēng)重傳感器電子線路原理圖

2)脈沖式數(shù)字傳感器

光柵傳感器是一種典型的脈沖式數(shù)字傳感器,通過(guò)計(jì)量光柵的莫爾條紋現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)精密測(cè)量。光柵的制作方式通常為:在一塊平面玻璃或金屬片上,刻上平行等寬、等距的刻線,

刻線不透光,兩刻線之間可以透光,這些大量相同的等間隔平行排列的狹縫就形成了一個(gè)光柵,如圖2-32所示。其圖2-32-光柵條紋示意圖

光柵的種類(lèi)很多,按工作原理可以分為物理光柵和計(jì)量光柵,按柵線形式可以分為黑白光柵(幅值光柵)和閃耀光柵(相位光柵),按透射形式又可以分為透射式和反射式兩種,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-33所示。圖2-33不同透射方式下的光柵結(jié)構(gòu)示意圖

在說(shuō)明光柵的工作原理前,首先需要理解什么是莫爾條紋。按照光學(xué)原理,對(duì)于柵距遠(yuǎn)大于光波長(zhǎng)的粗光柵,可以利用幾何光學(xué)的遮光原理來(lái)解釋莫爾條紋的形成及其原理。如圖2-34(a)所示,當(dāng)兩個(gè)柵距相同的光柵合在一起時(shí),將其柵線之間傾斜一個(gè)很小的夾角θ,那么在近乎垂直于柵線的方向上就會(huì)出現(xiàn)明暗相間的條紋,這樣的條紋就是莫爾條紋。假設(shè)在圖中h-h線上,兩個(gè)光柵的柵線彼此重合,那么從縫隙中會(huì)通過(guò)一半的光,使得透光面積最大,形成莫爾條紋的亮帶,同樣的道理,在g-g線上將兩光柵的柵線彼此錯(cuò)開(kāi),可以形成條紋的暗帶。圖2-34莫爾條紋形成原理

橫向莫爾條紋的寬度B(見(jiàn)圖2-34(b))與柵距W和傾斜角θ之間的關(guān)系可用公式(2-17)來(lái)表示,光柵每移動(dòng)一個(gè)柵距W,莫爾條紋就移過(guò)一個(gè)間距B。由于光柵的遮光作用,透過(guò)光柵的光強(qiáng)會(huì)隨著莫爾條紋的移動(dòng)而變化,變化的規(guī)律近似于直流信號(hào)和交流信號(hào)的疊加,那么只要測(cè)量出波形變化的周期數(shù),即莫爾條紋移動(dòng)數(shù),就可間接獲得光柵的位移量。

結(jié)合圖2-33(a)中光柵的組成結(jié)構(gòu),光源發(fā)射的光線穿過(guò)透鏡形成平行光束,照射在由兩塊光柵常數(shù)相同的主光柵和指示光柵上,二者均可移動(dòng)或固定不動(dòng),刻線面相對(duì)放置,之間留有很小的間隙相疊合,那么在近似垂直于柵線的方向上就能夠形成比柵距W寬得多的明暗相間的莫爾條紋,中間為亮帶,上下為兩條暗帶,光強(qiáng)分布曲線如圖2-35所示。圖2-35光強(qiáng)分布曲線

光柵轉(zhuǎn)速計(jì)測(cè)速系統(tǒng)工作原理如圖2-36所示,在被測(cè)物轉(zhuǎn)軸上安裝光柵元件,光源經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)將一束光照射到被測(cè)轉(zhuǎn)軸的光柵元件上,轉(zhuǎn)軸每旋轉(zhuǎn)一周,會(huì)將光線透射到光電元件上。圖2-36光柵轉(zhuǎn)速計(jì)測(cè)速系統(tǒng)工作原理示意圖

3)數(shù)碼式數(shù)字傳感器

編碼器是數(shù)碼式數(shù)字傳感器的典型代表之一,編碼器又可分為脈沖盤(pán)式和碼盤(pán)式兩種,下面重點(diǎn)圍繞碼盤(pán)式編碼器(也稱(chēng)絕對(duì)式編碼器)進(jìn)行講解。碼盤(pán)式編碼器又稱(chēng)旋轉(zhuǎn)編碼器,是一種旋轉(zhuǎn)式的位置傳感器,它的轉(zhuǎn)軸通常是通過(guò)聯(lián)軸器等與被測(cè)軸連接,隨被測(cè)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng),可以將被測(cè)軸的角位移轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制編碼或者一串脈沖信號(hào)。

圖2-37(a)為一個(gè)普通的四位二進(jìn)制碼盤(pán),這種碼盤(pán)會(huì)產(chǎn)生讀數(shù)誤差,當(dāng)碼盤(pán)回轉(zhuǎn)(交替過(guò)程)在兩碼段中時(shí)(如碼盤(pán)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),相鄰兩格“1111”變?yōu)椤?000”時(shí)),四位數(shù)編碼要求同時(shí)變化,就有可能出現(xiàn)數(shù)碼誤讀的情況。為了解決這個(gè)問(wèn)題,可以采用如圖2-37(b)所示的循環(huán)編碼方式,四位二進(jìn)制循環(huán)碼盤(pán)也只有“0”和“1”兩個(gè)數(shù)組成的16種編碼組合,但是循環(huán)碼盤(pán)上相鄰兩個(gè)四位代碼只有一位代碼會(huì)發(fā)生變化,這就極大地降低了誤差出現(xiàn)的概率。圖2-37四位二進(jìn)制碼盤(pán)

絕對(duì)式編碼器每一個(gè)編碼碼道位置絕對(duì)唯一、抗干擾性強(qiáng)、斷電無(wú)需記憶、性能優(yōu)良、價(jià)格低廉,常常作為工業(yè)系統(tǒng)中針對(duì)角度測(cè)量、長(zhǎng)度測(cè)量和定位控制的首要選擇,在涉及科研、軍事、航天等行業(yè)的自動(dòng)測(cè)量和自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用中,一般作為精密位移傳感器使用。第3章聽(tīng)覺(jué)傳感系統(tǒng)3.1振動(dòng)傳感器3.2聲吶3.3

超聲波傳感器

3.1振動(dòng)傳感器

3.1.1振動(dòng)傳感器原理

振動(dòng)傳感器是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為與之成比例的電信號(hào)的設(shè)備。通常,振動(dòng)傳感器并不是直接將待測(cè)量的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電量,而是將原始機(jī)械量作為振動(dòng)傳感器的輸入。原始機(jī)械量經(jīng)由機(jī)械接收部件加以接收,形成另一個(gè)適合于變換的機(jī)械量,最后經(jīng)由機(jī)電變換部分再轉(zhuǎn)換為電量輸出。

1.機(jī)械接收

機(jī)械接收可以分為相對(duì)式和慣性式兩種。

1)相對(duì)式機(jī)械接收

機(jī)械運(yùn)動(dòng)是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的最簡(jiǎn)單形式,最初人們普遍利用機(jī)械式測(cè)振儀來(lái)測(cè)量振動(dòng)的,并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出了相應(yīng)的傳感器裝置——機(jī)械測(cè)振儀。相對(duì)式機(jī)械測(cè)振儀的工作原理是在測(cè)量時(shí),把儀器固定在不動(dòng)的支架上,使觸桿與被測(cè)物體的振動(dòng)方向保持一致,借助彈簧的彈性力使觸桿與被測(cè)物體表面接觸,當(dāng)物體振動(dòng)時(shí),觸桿就會(huì)跟隨著物體一起運(yùn)動(dòng),并推動(dòng)記錄筆桿在移動(dòng)的紙帶上描繪出振動(dòng)物體隨時(shí)間變化的位移變化曲線,根據(jù)這個(gè)曲線就可以計(jì)算出位移的大小及頻率等相關(guān)參數(shù)。

2)慣性式機(jī)械接收

慣性式機(jī)械測(cè)振儀是將測(cè)振儀直接固定在被測(cè)振動(dòng)物體的測(cè)點(diǎn)上,當(dāng)傳感器外殼隨被測(cè)振動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)時(shí),由彈性支承的慣性質(zhì)量塊將與傳感器外殼發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),安裝在質(zhì)量塊上的記錄筆就可以記錄下質(zhì)量塊與外殼的相對(duì)振動(dòng)位移及幅值,然后利用慣性質(zhì)量塊與外殼的相對(duì)振動(dòng)位移關(guān)系式,即可求出被測(cè)物體的絕對(duì)振動(dòng)位移。

2.機(jī)電變換

與傳統(tǒng)意義上獨(dú)立的機(jī)械測(cè)量裝置不同,現(xiàn)代振動(dòng)測(cè)量中所用的傳感器僅僅是整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)中的一部分,還需要借助其他相關(guān)的電子線路共同完成測(cè)量任務(wù)。由于振動(dòng)傳感器

內(nèi)部機(jī)電變換原理不同,輸出的電量也各不相同,測(cè)得的機(jī)械量可以變換為電動(dòng)勢(shì)、電荷的變化或電阻、電感等電參量,但是一般來(lái)說(shuō),這些參數(shù)并不能直接進(jìn)行顯示、記錄和分析,必須附以對(duì)應(yīng)的測(cè)量電路,以便將傳感器的輸出電量轉(zhuǎn)化為可供顯示或?yàn)榉治鰞x器所接受的一般電壓信號(hào)。

按照機(jī)電變換原理的不同,傳感器可以分為電動(dòng)式、壓電式、電渦流式、電感式、電容式、電阻式、光電式等多種形式;而按照所測(cè)機(jī)械量的不同,傳感器又可以分為位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、力傳感器、應(yīng)變傳感器等。

1)電動(dòng)式傳感器

電