传感器与测控技术.ppt

测控技术属信息科学技术学科领域，研究信息的获取、处理、以及对相关要素进行控制的理论与技术；是电子、光学、精密机械、计算机、信息与控制技术多学科互相渗透而形成的一门高新技术密集型综合学科。它是集模拟数字技术、计算机应用、传感器技术、光电技术和自动化控制于一体的工程类学科。,测控技术SensorPrincipleDetectingTechnology,开环控制由控制器（计算机）控制设备按预定的动作运行，此过程不检测运行结果，因而不会调整运行模式。如自动洗衣机、微波炉等。,控制模式,闭环控制由控制器（计算机）控制设备执行，检测执行结果，若没有达到规定要求，将信号反馈到控制器，控制器发出执行信号，调整执行动作，直到满足要求为止。闭环控制的核心，必须能够检测到设定值。如空调、电梯等。,传感器与测控技术,全国大学生电子设计大赛几乎都包含测控题目，对于测控题目需要解决的两个关键问题是检测与控制。检测是判断控制对象的状态；控制是根据检测状态作出控制动作。控制的核心部件是单片机（或计算机），由于处理系统是数字系统，因此必须经过A/D、D/A转换。检测的手段是利用检测各种状态的传感器；控制的执行装置一般是直流电机、步进电机、继电器等。,传感器,A/D,D/A,执行装置,放大电路,驱动电路,传感器Sensor,人通过五官（视、听、嗅、味、触）接受外界的信息，经过大脑的思维（信息处理），作出相应的动作。而用计算机控制的自动化装置来代替人的劳动，则可以说电子计算机相当于人的大脑（一般俗称电脑），而传感器则相当于人的五官部分（“电五官”）。,传感器技术在工业自动化、军事国防和以宇宙开发、海洋开发为代表的尖端科学与工程等重要领域有广泛应用。同时，它正以自己的巨大潜力，向着与人们生活密切相关的方面渗透；生物工程、医疗卫生、环境保护、安全防范、家用电器、网络家居等方面的传感器已层出不穷，并在日新月异地发展。,定义传感器是能感受规定的被测物理量，并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装置。传感器通常由敏感元件（Sensitiveelement）和转换元件（Transductionelement）组成。其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适合传输或测量的电信号部分。,敏感元件,转换元件,测量电路,记录仪,显示器,数据处理仪,,辅助电源,,有些传感器很简单，仅由一个敏感元件（兼作转换元件）组成，它感受被测量时直接输出电量。如热电偶。有些传感器由敏感元件和转换元件组成，没有转换电路。有些传感器，转换元件不止一个，要经过若干次转换。,传感器分类,结构型（按能源分类）,,微动开关,弹道振动子,机械式,,磁电式,磁电式传感器,电式,电阻传感器,电容传感器,,电感传感器,屋性型（按效应分类）,,磁致伸缩传感器,压磁式传感器,压磁式,,光电式,光敏电阻,光电管、光电倍增管、光电池,,电荷耦合器件,压电式,压电力传感器,压电压力传感器,,压电加速度传感器,磁电感应式传感器,霍尔式传感器,磁电式,,热电偶传感器、热敏电阻、热电阻,PN结型温度传感器,热电式,,光耦合器件,仿生式,视觉光敏传感器、色敏传感器、红外传感器,听觉超声波传感器、微波传感器,,触觉压力传感器、温度传感器,嗅觉湿度传感器、气体传感器,味觉酸度传感器、盐度传感器,超导传感器,超导光传感器,超导微波传感器,,超导磁场传感器,射线传感器,X射线传感器,β射线传感器,,Γ射线传感器,射线剂量传感器,化学量传感器,光纤化学传感器,质量传感器,,电化学传感器,复合智能传感器,压力集成传感器,温度集成传感器,,传感执行器,自感知执行器,传感器应用的难点传感器能否检测到信号不是传感器应用难点，而是如何保证传感器的灵敏度、精度、响应速度、安装难易等等。,传感器应用的难点,足够的容量传感器的工作范围或量程足够大；具有一定的过载能力。灵敏度高，精度适当即要求其输出信号与被测信号成确定的关系（通常为线性），且比值要大；传感器的静态响应与动态响应的准确度能满足要求。响应速度快，工作稳定，可靠性好。使用性和适应性强体积小，重量轻，动作能量小，对被测对象的状态影响小；内部噪声小而又不易受外界干扰的影响；其输出力求采用通用或标准形式，以便与系统对接。使用经济成本低，寿命长，且便于使用、维修和校准。,传感器的应用领域和需求量,传感器的应用,参数直接测量有些物理量可以直接由传感器测量。比如温度、光、压力等。这类传感器在使用时需要注意的是一定要准确测量出被测物理量与输出信号的关系，如果信号变化与被测物理量成线性关系，问题比较简单，若不是线性关系，一定要补偿。或软件补偿或硬件补偿。参数间接测量有些物理量是无法直接由传感器得到，这就要巧妙利用已有的知识，将被测量转换为电信号，以便送入计算机。比如转速，液体高度、运动物体的位置等。有的被测物理量既可以直接测量，也可以间接测量，关键看哪种方法简单、准确。比如液体高度测试。,压力传感器,限位开关,传感器信号的处理,被测参数为模拟量由于控制核心元件是单片机，所以对模拟量的处理就是A/D转换。将转换后的数字量送入单片机，经过处理决定控制对象的动作。控制对象可以是数字对象，也可以是模拟对象，若为模拟对象（象直流电机），要经过D/A转换，若为数字量可直接输出控制驱动设备（如步进电机）。被测信号为数字量直接将被测信号输入单片机，经单片机处理、判断以输出控制信号。,模拟传感器,A/D,D/A,模拟执行装置,数字传感器,数字执行装置,温度传感器,温度传感器主要用于测量温度。象工业炉温、环境温度及人体体温等。选择温度传感器应根据被测对象的温度、精度、灵敏度、响应速度、安装特点来选择。设计产品时还要考虑价格、体积大小等因素。,直接测试温度测量常用是热敏电阻或铂热电阻。原理是温度改变，电阻的值改变。热电阻是将热电阻材料（如铂、钨等）的金属丝绕在耐热的玻璃上构成绕线型温度传感器。热电阻中常用的是铂热电阻，主要是电阻值稳定，电阻值随温度变化线性度好。间接测试非接触红外测温仪，易于操作、只需在安全距离之外将温度枪对准发热或移动的物体，非典时期开发出来的体温测试仪,热电阻典型电路,,,,热电偶测量温度,1.热电偶测温原理,热电偶是利用物理学中的塞贝克Seeback效应制成的温度传感器。当两种不同导体A和B组成回路时，若两接合点处温度不同T≠T0，两者之间产生电动势，因而在闭合回路中产生一定大小的电流。,,,2.热电偶测温方法,产生电动势,只要1和2点的温度相同，与将1、2点直接连接起来产生的热电势一样。在A、B间接如第三种材料C，只要1、2处温度相同，1‘和2间的热电势与1、2间相同。,3.热电偶使用特性,4.热电偶优缺点,1优点①热电偶是将温度变换为电量，方便记录与控制。②价廉且容易买到，测量方法简单且精度高，测量时间也比较短③测量温度范围较宽，可以根据灵敏度与寿命选用热电偶种类与线径④可以测量较小物体的温度以及狭窄场所的温度⑤被测物体与计量器之间距离可以较远，途中即使局部发生温度变化，对测量值几乎没有影响。,2缺点①能使用热电偶的种类受到测量场所环境的限制。②除需绝缘管和保护管外，还需基准点或基准节点补偿③精度限定为测量温度或裸线温度的0.2左右④高温或长期使用时由于环境影响使其性能下降。⑤易出现测温结点短线故障以及外电路短路事故。,4.基准结点,1冰点式基准结点,2补偿式基准结点热电偶产生信号较小（毫伏级）。采用模拟补偿的热电偶电路。采用AD590集成温度传感器实现冷端模拟温度补偿，冷端温度补偿范围050℃,,,扬声器与话筒,1.扬声器,扬声器常用的有动圈式和压电陶瓷。1动圈式原理在一个放于磁场中的线圈中通以声音为频率信号，使线圈中产生与声音相关的磁场，这个磁场与线圈外的永久磁铁的磁场产生相互作用力，依靠这个作用力来带动扬声器纸盆震动发声。注意音圈的阻抗和额定功率。电路的输出阻抗与扬声器阻抗要匹配，功率不能长时间超过额定功率。,,,2压电陶瓷式在一块弹性铜片上粘上一片特殊的陶瓷（压电陶瓷），并在另一面镀上一层金属导电层。陶瓷两面的铜片和金属层就是它的两极，利用压电陶瓷的压电效应产生形变发出声音。,3耳机耳机是缩小的扬声器。目前使用的耳机都是与动圈式扬声器相同原理工作。,2.话筒,动圈式话筒与扬声器的工作原理相同。驻极体话筒是一个驻有永久电荷的薄膜（驻极体）和一个金属片构成的电容器。当薄膜感受到声音而振动时，这个电容的容量会随声音的震动而改变。由于驻极体上面的电荷量不能改变，电容容量的改变就会导致电压的改变。驻极体话筒的阻抗很高，可达108Ω。,光电传感器,光电传感器是使用非常广泛的一种传感器。主要用来接收编码信息、计数或测速（生产线或移动物体）、自动控制（如路灯、闪光灯）等。根据用途不同选用的光电传感器类型也不同。光电传感器检测的对象有可见光、不可见光。光电传感器主要有光敏二极管、光敏晶体管、光敏电阻CdS、集成光电传感器、太阳电池、图像传感器等。选择光电传感器的原则是高速的光检测、宽范围照度、超高速的激光宜选用光敏二极管；几千赫兹的脉冲光、低速脉冲光宜选用光敏晶体管；响应速度慢、随光的强弱成比例改变（如路灯控制）的宜选用CdS或PbS光敏电阻；旋转编码器、速度传感器、超高速的激光宜选用集成光电传感器。,运行轨迹检测由于运行轨迹是一段直线和一段半径为一定的园弧，若不用检测手段，就必须用软件控制小车运行，硬件设计简单，带来的是软件编写复杂。所以一般用检测技术后，可以使软件设计大大简化。软件只需根据检测结果，控制左转和右转。,,,速度检测无法直接检测到速度，可以通过间接检测法计算出速度。如图所示。检测出n转/秒速度n*2*R米/秒,光源检测无法直接检测到速度，可以通过间接检测法计算出速度。如图所示。检测出n转/秒速度n*2*R米/秒,光敏二极管应用电路,光敏二极管的光源一般选用发光二极管作为光源，原因是LED的发光波长与光敏二极管的受光特性非常类似。,光敏晶体管应用电路,光敏电阻应用电路,光敏电阻CdS是一种硫化镉为主要成分的光敏元件，其内部电阻随光照射而变化，可以根据电阻的变化以确定光的强弱，光越强电阻越小。,在光敏电阻RG旁并联一个电阻RD，其作用是压缩输出信号，在电路中，即使RG的内阻增大，由于并联电阻RD的作用，可以拟制其变化，从而抑制输出电阻的变化。这是一个桥路。桥路的平衡条件是,不平衡时输出电压为,压力传感器,压力是很重要的物理量，它是指作用于单位面积上的力。压力传感器是检测气体、液体、固体、声音等所有物质间作用力能量的总称。分类按传感器结构特点分。,应变式传感器利用电阻应变片作为变换元件，将被测量转换为电阻输出。属物性型，具有精度高的特点。,电容式传感器利用弹性电极在输入力作用下产生位移，使电容量发生变化而输出。它具有良好的动态性能。,压电式传感器利用压电材料的压阻效应，将被测量转换成电荷输出的传感器。,压阻式传感器利用半导体材料的压阻效应，在半导体基片上采用集成电路制造工艺制成的一种输出电阻变化的固体传感器。,压力传感器应用较广的是半导体应变片，根据制造工艺不同分为体型半导体应变片与薄膜型半导体应变片。扩散型半导体压力传感器是由4个应变片构成的桥式电路，但外加压力时应变片就会变形，相应的电阻值发生变化，从而使桥路失去平衡，产生与压力成比例的电压。,压力传感器应用电路,压力传感器的驱动电路。压力传感器有恒流驱动方式和恒压驱动方式两种。主要目的是使敏感元件工作而外加的电源。,红外传感器,红外传感器种类很多，一般分为量子型和热电型。热电型主要利用热电效应，灵敏度较低、响应速度较慢；量子型主要利用光生伏特和光电效应，特点是灵敏度较高、响应速度快，但灵敏度与波长有关。红外传感器主要用于物体有无测量，位置、方向测量，厚度、浓度测量，光通信与光隔离等。现在的遥控器大都使用红外LED和PIN光敏二极管组合，而人体移动报警装置多使用热电传感器来实现。红外发光LED常采用GL350，红外光敏二极管常选用S2386。,,红外传感器应用电路,红外线LED驱动电路为了减少自然光、照明光以及干扰光的影响，要对LED发光进行脉冲调制。,受光基本电路，还有其他电路这里不再赘述。,磁敏传感器,磁敏传感器根据原理有不同类型，如，利用磁感应的电流互感器和转速传感器、利用电流磁效应的霍尔元件和磁敏二极管、利用磁作用的舌簧继电器和磁性流体、利用超导效应SQUID、利用核磁共振的传感器、利用磁光效应的不可逆倒相器、利用磁热效应的热敏继电器和热铁氧体等。现只介绍使用较多的霍尔元件。霍尔元件是基于电流磁效应制成的一种磁敏传感器。,霍尔元件的工作原理若在a、b间有流过半导体的电流IL，在垂直方向施加磁场B，则在c、d间感应与磁场B成比例的电动势UH。,Kh为霍尔系数，d为元件厚度，θ为磁场与磁敏元件表面垂直方向的夹角，Ke为不平衡系数。KeIH可以忽略，令KSKH/d，则,霍尔元件偏置电路,恒压源驱动电路Eb施加1V电源不变，元件的内阻随外部条件变化而变化，则霍尔电流IH随之变化。,恒流源驱动电路外施电压Eb足够大，霍儿元件内阻为RIN，当R1R2RIN时，不管RIN如何变化，霍尔电流IH保持恒定。输出电压将随外部条件变化而变化。,霍尔元件测速电路,超声波传感器,人们可以听到的声音为20Hz20kHz。低于20Hz称为低频声波，20kHz以上称为超声波。超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强，利用超声波的反射能力强的特点，可以制作超声波传感器。超声波传感器在空气中的传播速度为340m/s。可用来测量距离，或者测量物体厚度（探头发射的超声波脉冲到达被测物体并在物体中传播，到达材料分界面时被反射回探头，通过精确测量超声波在材料中传播的时间来确定被测材料的厚度。）超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用，即为可逆元件。市场上的超声波传感器有专用型和兼用型，专用型就是发送器用作发送超声波，接收器用作接收超声波；兼用型就是发送器和接收器为一体的传感器。超声波传感器的谐振频率有23kHz、40kHz、75kHz、200kHz、400kHz等。谐振频率越高，检测距离越短，但分解力变高。超声波传感器是利用压电效应的原理，压电效应有逆效应和顺效应。所谓压电逆效应就是在压电元件施加电压，元件就变形。,采用双晶振子，将双压电陶瓷片以相反激化方向粘在一起，在长度方向上，一片伸长，另一片就缩短。在双晶振子的两面涂薄膜电极，其上面用引线通过金属板（振动板）接到一个电极端，下面用引线直接接到另一个电极端。两初支点就成为振子振动的节点。金属板的中心有圆锥形振子，发出超声波时，圆锥形振子有较强的方向性。接收超声波时，超声波的振子集中于振子的中心，所以能产生高效率的高频电压。,,超声波传感器结构,若在发送器的双晶振子（谐振频率为40kHz）上施加40kHz的高频电压，压电陶瓷片就根据所加高频电压极性伸长与缩短，于是就发出40kHz频率的超声波。,超声波传感器工作原理,,,,其他类型传感器,传感器的种类还很多，同学们在使用时查阅相关手册。常见的物理量测试还有湿度测量的湿度传感器；各种气体测量的气体传感器；利用超声波的直线传播方式测量物体位置的超声波传感器等。,执行机构介绍,在测控系统中，执行各种动作的器件继电器、电动机。但主要是电动机。电动机的类型很多，但在控制系统中常用的电动机有直流电机、步进电机、交流异步电机、交流同步电机和自整角机等。但对于我们目前的情况，主要使用直流电机和步进电机。直流电机的转速主要与加在电机上的电压成正比。步进电机的速度与加在电机上的脉冲频率有关；步进电机的转动圈数与脉冲个数有关。对于数字（计算机）控制系统，若执行机构是直流电机，可将数字信号经模数转换控制电机；若执行机构是步进电机，可直接将脉冲信号放大后驱动步进电机。,直流电机介绍,绝缘,,在磁场不变（Φ）的情况下，转速与电压（Ua）成正比，改变电压极性可以改变转动方向。,电流Ia在磁场中要受到一个力，可以证明在驱动转矩为,所以,n0理想空载转速，T为转矩,n是电机转速，Ua是加在电机上的电压，Ra是电机内阻，Φ是磁通。当启动时，n0，Ia越大,引脚和输出引脚的逻辑关系EN12IN1IN3IN2IN4电机运行情况HHL正转HLH反转H同IN2（IN4）同IN1（IN3）快速停止LXX停止,A为低电平，B为高电平。VT3、VT2导通，VT4、VT1截止电机正转，反之，电机反转。,由于转子是用导磁性能好的硅钢片叠成，磁通力图走磁阻最小路径的特点,,步进电机介绍,步进电机又称脉冲电机，是数字控制系统中的一个主要执行元件，其功能是将脉冲信号变换为相应的角位移，通俗地说，就是给一个脉冲信号，电动机就转动一个角度或前进一步。,A极通电,B极通电,C极通电,三相单三拍运行方式,A极通电,AB极通电,B极通电,BC极通电,三相六拍运行方式,三相三拍每步移动30，三相六拍每步移动15。除三相单三拍、三相六拍外，有时还用三相双三拍，即AB-BC-CA-AC。通电顺序改变，则电机反转。A-C-B-A；A-CA-C-CB-B-BA。为了提高转动精度，每步转动角度应该更小。所以实际的步进电机相数可能更多，更重要的是转子齿数更多。,设步进电机为四相，运行单四排，即A-B-C-D-A。转子有50个齿，每个齿距角为7.2，则定子一个极所占转子的齿数为,若当A-A极通电时，定子的齿与转子对齐的话，定子B-B极的齿与转子的齿错开1.8。当B-B极通电时，B-B极的齿与转子的齿对齐。所以电机旋转1.8。若四相八拍，则电机旋转0.9。,分配器,步进电机,三相单三拍电路,通电顺序AC→AB→BC→AC,,根据设计要求，电机驱动采用NEC电子电机控制ASSP芯片MMC-1和L293D芯片。,可以不用，直接由单片机控制L293D,电机驱动采用了东芝公司生产的TA8435单片正弦细分二相步进电机驱动专用芯片，驱动电路图如下所示（电源用12V，步进电机功耗大）,光电隔离,控制脉冲,车从B出发，到达G后停10秒，然后返回B（可倒车返回）；要求离到达终点线和返回起跑线偏差最小；在限速区要求低速通过，通过时间8秒；往返时间在车上显示；记录行驶距离；,