自动控制--传感器技术.ppt

自动控制-重点与难点了传感器的基本知识掌握各类传感器的基本特性了解各类传感器的典型应用掌握传感器的接口电路原理一、概述 传感器是自动控制技术中首要信号器件，其信号的灵敏度与可靠性决定自动控制系统的正常与否，就像人的五官眼、耳、鼻、口、舌，将所采集的信息输入大脑，经大脑处理后，发出相应的动作指令。而传感器则是取出相应的信号经放大处理后控制系统自动运行。如电冰箱内安装有温度传感器，当电冰箱内温度达到设定值时，传感器检测到该值并将其温度转变为电信号，控制电冰箱的运行与停机。再如机器人安装有各种传感器，当其检测到对应信号，便输入计算机进行运算处理，驱动肢体运动。本课介绍传感器和变送器的基本知识、测量和检测技术。通过学习，了解检测的目的、意义，掌握传感器的定义、分类和命名方法及其应用原理。1.1.人与机器的机能对应关系人与机器的机能对应关系 外界对象感官传感器人脑微机肢体执行器 2.传感器采集信号的传输过程 传感器传感器将被测物理量(如噪声、温度等)检出并转换为电量；中间变换装置对接收到的电信号用硬件电路进行分析处理或经A/D变换后，显示测量结果，并提供给观察者或其它自动控制装置。信息获取信息获取信号转换信号转换5数据分析与处理 3 3 传感器接入控制系统工作示意传感器接入控制系统工作示意 例例1 1：生产生产车间车间的感温、的感温、感烟火灾报警感烟火灾报警系统框图系统框图集控器1中央监控图 监控系统组成框图传感器 1传感器 2传感器 N 例例2 粮仓温度、湿度检测粮仓温度、湿度检测通风口探头通风口通风口装有温湿度探头的粮仓示意图装有温湿度探头的粮仓示意图二、传感器的定义与分类1.传感器的定义 传感器的定义在国家标准GB7665-87中表述：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器处于检测系统的最前端，起着获取检测信息与转换信息的作用。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器习惯上又被称为：发送器、传送器、变送器、检测器、探头等。2.传感器工作性质 m传感器处于被测对象与测试系统的接口位置，是一个信号变换器。m它直接从被测对象中提取被测量的信息，感受其变化并变换成便于测量的其他量。例如将速度变换成电压，将流量变换成压力等。3.传感器的特征m传感器是测量装置，能完成检测任务；m输入量是物理、化学、生物等被测量；m输出量是气、光、电等物理量，主要是电物理量，如：m 电压（V）、电流（I）、频率（F）、功率（P）等；m输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。m4.传感器功能m传感器功能可以用“一感二传”来描述，即感受被测信息，并传送出去。5.传感器的组成m传感器将非电量转换成电量输出。通常，传感器由敏感元件、转换元件和基本转换电路三部分组成。敏感元件 能够灵敏地感受被测量并作出响应的物理量变化，为敏感元件。如金属或半导体应变片，能感受压力的大小而引起形变，形变程度就是对压力大小的响应。因此是一种压力敏感元件；铂电阻能感受温度的升降而改变其阻值，阻值的变化就是对温度升降的响应。所以铂电阻就是一种温度敏感元件。转换元件 就是将敏感元件感受的被测量转换成电路参数的元件。基本转换电路 将电路参数转换成便于测量的电量（如：电压、电流、频率等）。例3 传感器的能量转换mVTT0BAIhfG光电池f+Q压电传感器RRTR0RU0Ui热敏电阻传感器热电偶把热能变为电能光电池把光能变为电能6.6.传感器的分类传感器的分类（1 1）按被测物理量分类）按被测物理量分类此类表明传感器的用途，便于使用者选择，如位移传感器用于位移测量（2 2）按传感器工作原理分类）按传感器工作原理分类表明了传感器工作原理，有利于传感器设计和应用，如电感式传感器、电容式传感器等。（3 3）按传感器转换能量的情况分类）按传感器转换能量的情况分类 能量转换型。又称发电型，不需外加电源而将被测能量转换成电能输出，这类传感器有压电式、热电偶、光电池等。能量控制型。又称参量型，需外加电源才能输出电能量。这类传感器有电阻、电感、霍尔式等传感器以及热敏电阻、光敏电阻、湿敏电阻等。例例4 传感器实传感器实物外形物外形压力传感器 温度传感器 液位传感器7.传感器的代号 传感器的代号：依次为主称-被测量-转换原理-序号。主称-传感器代号C；被测量-用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记；转换原理-用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记；序号-用来表征产品设计特性、性能参数、产品系列等。例如：应变式位移传感器：C WY-YB-20；光纤压力传感 器：C Y-GQ-2。8.变送器 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的总称。当传感器的输出为规定的标准信号时，则称为变送器。变送器可定义为将物理测量信号或普通电信号转换为标准电信号输出或能够以通讯协议方式输出的设备，它是从传感器发展而来的。变送器输出的标准信号是符合国际标准的信号。如直流电流010mA、420mA。无论被测变量是哪种物理或化学参数，也不论测量范围如何，经过变送器之后的信息都必须包含在标准信号之中。三、检测技术m1.检测技术的目的和意义m检测是指在各类生产、科研、试验及服务等各个领域为及时获得被测、被控对象的有关信息而实时或非实时地对一些参量进行定性检查和定量测量的技术措施。m2.检测技术的作用检测技术是通过传感器获取相应的信号，控制电气系统工作。不同的设备需要的信号亦不相同，根据信号类别选择对应的传感器与之匹配，才能实现检测技术的作用。1 3.检测技术的应用检测技术的应用 机械手、机器机械手、机器狗狗中的传感器中的传感器：转转动动/移移动动位位置置传传感感器器、力力传传感感器器、视视觉觉传传感感器器、听听觉觉传传感感器器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。在各种自动控制系统中，测试环节起着系统感官在各种自动控制系统中，测试环节起着系统感官的作用，是其重要组成部分。的作用，是其重要组成部分。机械手装配模型机械手装配模型数码机器狗数码机器狗3b AGV自动送货车自动送货车中的传感器中的传感器 超声波测距传感器超声波测距传感器：判断判断建筑物内人和物所在位置建筑物内人和物所在位置；红红外线色彩传感器外线色彩传感器：控制运动轨迹和控制运动轨迹和AGV小车位置小车位置识别；识别；条形码传感器条形码传感器：货品货品识别。识别。AGV模型模型4 切削力传感器切削力传感器、加工噪声传感器加工噪声传感器、超声波测距传感器、超声波测距传感器、红外接近开关传感器等红外接近开关传感器等应用实例：应用实例：大学数字化工厂大学数字化工厂21c)生产加工过程监测生产加工过程监测 2、流程工业设备运行状态监控、流程工业设备运行状态监控 在电力、冶金、石化等工业生产设备在电力、冶金、石化等工业生产设备安装的设备流程安装的设备流程运行状态运行状态监视传感器。监视传感器。石化企业输石化企业输油管道、储油管道、储油罐等压力油罐等压力容器的破损容器的破损和泄露检测。和泄露检测。53、产品质量测量、产品质量测量 用传感器检测汽车、机床等设备的用传感器检测汽车、机床等设备的电机、发动机电机、发动机零部件零部件的的性能性能和质量和质量。上上图为汽车出厂图为汽车出厂前的前的检验测量检验测量：润滑油温度、润滑油温度、冷却水温度、燃油压力冷却水温度、燃油压力和和发动机转速等。通发动机转速等。通过测试，过测试，可可了解产品质量。了解产品质量。汽汽车扭距测量车扭距测量机床加工精度测量机床加工精度测量6 为使为使楼宇楼宇安全、舒适、安全、舒适、健康、健康、温馨温馨，在楼宇中应用了在楼宇中应用了检测检测技术，如闯入监测、空气监测、温度监测、电梯运行状况技术，如闯入监测、空气监测、温度监测、电梯运行状况监视监视等等。图示为某公司楼宇自动化系统。图示为某公司楼宇自动化系统。该系统分为：电源管理、安全该系统分为：电源管理、安全监测、照明控制、空调控制、监测、照明控制、空调控制、停车管理、水停车管理、水/废水管理和电废水管理和电梯监控梯监控等装置等装置。烟雾传感器亮度传感器红外人体探测器75、家庭与办公自动化、家庭与办公自动化 家电产品和办公自动化产品设计中，人们大量的应用家电产品和办公自动化产品设计中，人们大量的应用了传感器和测试技术来提高产品性能和质量。了传感器和测试技术来提高产品性能和质量。如如全自动洗衣机中的传感全自动洗衣机中的传感器：衣物重量传感器器：衣物重量传感器、衣衣质传感器质传感器、水温传感器水温传感器、水质传感器水质传感器、透光率光传透光率光传感器感器(洗净度洗净度)液位传感器液位传感器、电阻传感器电阻传感器(衣物烘干检测衣物烘干检测)。指纹传感器指纹传感器透光率传感器透光率传感器温湿度传感器温湿度传感器温度传感器温度传感器8 航天、交通、医学、农业的航天、交通、医学、农业的应用应用航天航天农业农业交通交通医学医学9鼠标鼠标:光电位移传感器光电位移传感器摄象头摄象头:CCD传感器传感器话筒话筒:电容电容式语音式语音传声器传声器声卡声卡:A/D卡卡+D/A卡卡软驱软驱:速度速度,位置伺服位置伺服 PC机中的测试技术应用机中的测试技术应用10 四、传感器的接口电路 传感器只能获取相应的信号，且信号较为微弱，不能直接驱动后续电路，因此必须连接配套的接口电路，才能实现控制目的。现列举如下几类传感器驱动电路，以剖析其作用原理。1 语音传感器放大电路 对着话筒讲话，语音传感器将声波变换成微小的电流信号，经vi端输入，集成块TDA2030放大后，4脚输出通过喇叭发出强大的声音。话筒话筒:语音语音传传感感器器2.水位传感器连接电路 全自动洗衣机控制原理框图水位传感器检测洗衣机内水位，当水位达到设定值，自动关断进水阀。当洗衣机门关好后，才能启动，否则不能启动。全自动洗衣机电路图水位开关为水位传感器：用于检测洗衣机桶内水位；桶盖开关为光电传感器：用于安全联锁控制，当桶盖未盖好，洗衣机不能启动。3 液位传感器检测管道液位下图为液位传感器安装于管道内的示意图。4.人体红外传感器传感器模块IMC-C7601各脚功能：3脚-电源端，2脚-接地，4脚-定时设置，4脚-输出。当有人接近该传感器时，就会检测到人体信号，并从4脚输出，驱动光电藕合器件工作，灯泡E被点亮。此电路也可作为报警控制。5.数控机床中的传感器感应同步器感应同步器是一种电磁式位置检测传感器，其结构由定尺和滑尺两部分组成，定尺安装在机床上，滑尺则安装在移动部件上，两者平行放置，如上图所示。在定尺上安装有一组绕组；而滑尺上则安装两组绕组：一组为正弦绕组；另一组为余弦绕组。当滑尺的正弦绕组加交流电压时，定尺绕组则感应到相对应的位移电压，即滑尺相对应于定尺的移动距离，也就是获取的位移信号。5.数控机床感应同步器感应同步器接口电路感应同步器输出的位移信号经放大处理后，送至专用集成电路AD2S90进行系统控制，完成数控机床自动加工工序。