【正文】 可靠性 重復(fù)精度 精 度 內(nèi)傳感器： ? 內(nèi)傳感器是用于測(cè)量機(jī)器人自身狀態(tài)的功能元件 。 激光焊接機(jī)械手 （參考上海大眾汽車有限公司資料） 采用兩級(jí)分布式計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng) 在機(jī)器人中，起到內(nèi)部反饋控制作用或感知與外部環(huán)境的相互作用的裝置被稱為傳感器。 光纖 耦合器 傳輸光纖 出射光纖 2022/5/31 79 光纖式光電開(kāi)關(guān)應(yīng)用 遮斷型光纖光電開(kāi)關(guān) 出射光纖 接收光纖 2022/5/31 80 光纖的其他應(yīng)用 軍用光纖陀螺： 將激光射入繞成線圈的光纖，當(dāng)線圈的底座隨運(yùn)動(dòng)物體旋轉(zhuǎn)時(shí)，可以測(cè)得出射光的相位發(fā)生變化，它的靈敏度比機(jī)械陀螺高，無(wú)機(jī)械磨擦力。 2022/5/31 75 光纖傳感器的應(yīng)用 光纖加速度傳感器 激光束激光干涉儀信號(hào)處理電路質(zhì)量塊 M固定座單模參考光纖分光板單模測(cè)量光纖2022/5/31 76 光纖傳感器的應(yīng)用 光纖輻射溫度傳感器 單波長(zhǎng)測(cè)量原理：當(dāng)達(dá)到某一溫度時(shí)，會(huì)出現(xiàn)暗紅色的輻射，隨著溫度增加，亮度也在加強(qiáng)。 ? （ 4）適于遙測(cè)。 光纖傳感器的類型及組成 2022/5/31 72 光纖傳感器組成示意圖 被測(cè)對(duì)象光纖敏感元件光源光探測(cè)器信號(hào)處理系統(tǒng)光纖光纖被測(cè)對(duì)象( a )( b )光纖敏感元件光探測(cè)器光源信號(hào)處理系統(tǒng)2022/5/31 73 光纖傳感器的工作原理及類型特點(diǎn) ? （ 1）抗電磁干擾能力強(qiáng)。 2212nn?2022/5/31 70 光纖傳感器的工作原理及類型特點(diǎn) ? 光纖傳感器是將光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)光纖再送入調(diào)制器，使待測(cè)參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)如光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位、偏振態(tài)等發(fā)生變化，成為被調(diào)制的信號(hào)光。 1．光纖的結(jié)構(gòu) 2022/5/31 64 光纖的結(jié)構(gòu) 尼 龍 外 套外層直徑1mm1 0 0 ～2 0 0μ m包 層玻 璃 纖 維纖 芯 涂 敷 層2022/5/31 65 光纖的結(jié)構(gòu) 2022/5/31 66 光纖傳感器 外形 2022/5/31 67 光纖的分類 ? (1)按光纖的折射率可分為階躍型和梯度型。在計(jì)算機(jī)控制下，可產(chǎn)生動(dòng)態(tài)圖案。 2022/5/31 60 分類 ? 光纖傳感器可以分為兩大類：一類是功能型（傳感型）傳感器；另一類是非功能型（傳光型）傳感器。 若待測(cè)鋼棒沒(méi)有損傷的部分在鐵芯之下時(shí) ， 鐵芯和鋼棒被磁化部分構(gòu)成閉合磁路 ， 激勵(lì)線圈感應(yīng)的磁通為 Φ， 此時(shí)無(wú)泄漏磁通 ， 磁場(chǎng)二極管探頭沒(méi)有信號(hào)輸出 。 磁敏二 極 管漏磁探傷 儀 磁敏二極管漏磁探傷儀是利用磁敏二極管可以檢測(cè)弱磁場(chǎng)變化的特性而設(shè)計(jì)的 。用磁敏管作成的磁場(chǎng)探測(cè)儀，可測(cè)量 107T左右的弱磁場(chǎng)。 圖 (b)是利用鍺磁敏二極管電流隨溫度升高而增加的這一特性使其作硅磁敏三極管的負(fù)載 ， 當(dāng)溫度升高時(shí) ， 可以彌補(bǔ)硅磁敏三極管的負(fù)溫度漂移系數(shù)所引起的電流下降的問(wèn)題 。 對(duì)于鍺磁敏三極管 ， 例如 ， 3ACM， 3BCM， 其磁靈敏度的溫度系數(shù)為 ％ /℃ ；硅磁敏三極管 (3CCM)磁靈敏度的溫度系數(shù)為 ％/℃ 。 下右圖 (a)為不受磁場(chǎng)作用時(shí) ， 磁敏三極管的伏安特性曲線；下右圖 (b)是磁場(chǎng)為177。 (b)H=H+。 2．磁敏三極管的工作原理 當(dāng)磁敏三極管 未受到磁場(chǎng) 作用時(shí)，由于基區(qū)寬度大于載流子有效擴(kuò)散長(zhǎng)度，大部分載流子通過(guò) eIb，形成基極電流；少數(shù)載流子輸入到 c極，因而基極電流大于集電極電流。 熱敏電阻補(bǔ)償電路的成本略低于上述三種溫度補(bǔ)償電路 ， 因此是常被采用的一種溫度補(bǔ)償電路 。 該電路在給定的磁場(chǎng)下 ， 其輸出電壓是差分電路的兩倍 。 差分電路不僅能很好地實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償 ， 提高靈敏度 ，還可以彌補(bǔ)互補(bǔ)電路的不足 。 ① 互補(bǔ)式溫度補(bǔ)償電路 選用兩只性能相近的磁敏二極管，按相反磁極性組合，即將它們的磁敏面相對(duì)或背 2R22 RR ?? 1R11 RR ??IUkGs1?kGs1??? 1U?? 2U向放置串接在電路中。 圖 (a)為鍺磁敏二極管的伏安特性； (b)為硅磁敏二極管的伏安特性 。 它們的磁電特性如下圖所示 。 磁敏二極管反向偏置時(shí)，則在 r區(qū)僅流過(guò)很微小的電流，顯得幾乎與磁場(chǎng)無(wú)關(guān)。 ? 因此，該器件僅能在正向偏壓下工作。 ? 當(dāng)磁敏二極管受到如下圖 (b)所示的外界磁場(chǎng) H+(正向磁場(chǎng) )作用時(shí)，則電子和空穴受到洛侖茲力的作用而向 r區(qū)偏轉(zhuǎn)，由于 r區(qū)的電子和空穴復(fù)合速度比光滑面 I區(qū)快， 空穴和電子一旦復(fù)合就失去導(dǎo)電作用，意味著基區(qū)的等效電阻增大，電流減小。 一、磁敏二極管的結(jié)構(gòu)和工作原理 1．結(jié)構(gòu) 磁敏二極管的 P型和 N型電極由高阻材料制成，在 P、 N之間有一個(gè)較長(zhǎng)的本征區(qū) I，本征區(qū) I的一面磨成光滑的低復(fù)合表面 (為 I區(qū) )，另一面打毛，設(shè)置成高復(fù)合區(qū) (為 r區(qū) )，其目的是因?yàn)殡娮? — 空穴對(duì)易于在粗糙表面復(fù)合而消失。其工作原理和輸出電壓隨旋轉(zhuǎn)角度變化的關(guān)系曲線如圖所示。 磁敏無(wú)接觸電位器工作原理示圖和輸出特性曲線 0176。 半導(dǎo)體 InSb磁敏無(wú)接觸電位器 半導(dǎo)體 InSb磁敏無(wú)接觸電位器是半導(dǎo)體 InSb磁阻效應(yīng)的典型應(yīng)用之一 。 5．作模擬元件 可在非線性模擬、平方模擬、立方模擬、三次代數(shù)式模擬和負(fù)阻抗模擬等方面使用。 磁敏電阻器的應(yīng)用： 1． 作控制元件 可將磁敏電阻用于交流變換器、頻率變換器、功率電壓變換器、磁通密度電壓變換器和位移電壓變換器等電路中作控制元件。由圖可見(jiàn)，圓盤(pán)形樣品的磁阻最大。 在結(jié)晶制作過(guò)程中有方向性地析出金屬而制成磁敏電阻 ， 如上圖 (b)所示 。實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于InSb材料，當(dāng) B=1T時(shí)，電阻可增大 10倍 (因?yàn)閬?lái)不及形成較大的霍爾電場(chǎng) EH)。 圖 （ a） 為器件長(zhǎng)寬比 l／ wl的縱長(zhǎng)方形片 ， 由于電子運(yùn)動(dòng)偏向一側(cè) ， 必然產(chǎn)生霍爾效應(yīng) ， 當(dāng)霍爾電場(chǎng) EH對(duì)電子施加的電場(chǎng)力 fE和磁場(chǎng)對(duì)電子施加的洛倫茲力 fL平衡時(shí) ， 電子運(yùn)動(dòng)軌跡就不再繼續(xù)偏移 ， 所以片內(nèi)中段電子運(yùn)動(dòng)方向和長(zhǎng)度 l的方向平行 ， 只有兩端才是傾斜的 。若考慮其形狀的影響。 當(dāng)材料中僅存在一種載流子時(shí)磁阻效應(yīng)幾乎可以忽略，此時(shí)霍耳效應(yīng)更為強(qiáng)烈。 在外加磁場(chǎng)作用下，某些載流子受到的洛倫茲力比霍爾電場(chǎng)作用力大時(shí)，它的運(yùn)動(dòng)軌跡就偏向洛倫茲力的方向；這些載流子從一個(gè)電極流到另一個(gè)電極所通過(guò)的路徑就要比無(wú)磁場(chǎng)時(shí)的路徑長(zhǎng)些，因此增加了電阻率。 磁敏電阻器 磁敏電阻器 （ Magic Resistance ） 是基于磁阻效應(yīng)的磁敏元件 ,也稱MR元件 。早在 1856年和1879年就發(fā)現(xiàn)了磁阻效應(yīng)和霍爾效應(yīng)，但作為實(shí)用的磁敏傳感器則產(chǎn)生于半導(dǎo)體材料發(fā)現(xiàn)之后。 集成溫度傳感器 六 、 一體化溫度變送器 一體化溫度變送器是溫度傳感元件與變送電路的緊密結(jié)合體 。 這三種變送器在線路結(jié)構(gòu)上都分為 量程單元 和 放大單元 兩個(gè)部分 ， 其中放大單元是通用的 ， 量程單元隨品種 、 測(cè)量范圍而變 。一般情況下的溫度值應(yīng)為 9位（符號(hào)點(diǎn) 1位），但因符號(hào)位擴(kuò)展成高 8位，故以 16位補(bǔ)碼形式讀出，表 了 DS1820溫度和數(shù)字量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 (1 ) 寄生電源 DS1820內(nèi)部的低溫度系數(shù)振蕩器能產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率信號(hào) f0，高溫度系數(shù)振蕩器則將被測(cè)溫度轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào) f。寄生電源供電時(shí) ,電源端接地，器件從總線上獲取電源。 數(shù)字輸出型 IC溫度傳感器 １、 DS1820的特性 ? 單線接口：僅需一根口線與 MCU連接； ? 無(wú)需外圍元件； ? 由總線提供電源； ? 測(cè)溫范圍為 55℃ ～ 125℃ ，精度為 ℃ ； ? 九位溫度讀數(shù)； ? A/D變換時(shí)間為 200ms； ? 用戶可以任意設(shè)置溫度上、下限報(bào)警值，且能夠識(shí)別具體報(bào)警傳感器。 由于每片 DS1820含有唯一的串行序列號(hào) ， 所以在一條總線上可掛接任意多個(gè) DS1820芯片 。第 11章 新型傳感器 集成溫度傳感器 磁敏傳感器 光纖 傳感器 傳感器在機(jī)器人中的應(yīng)用 集成溫度傳感器 一 、 所謂集成傳感器 就是在一塊極小的半導(dǎo)體芯片上集成了包括 溫度敏感器件 、 信號(hào) 放大電路 、 溫度補(bǔ)償電路 、 基準(zhǔn)電源電路等在內(nèi)的各個(gè)單元 ， 它使傳感器和集成電路融為一體 。 外形圖 電路符號(hào) 電源 + 電流輸出端 美國(guó) DALLAS公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器 DS1820， 可把溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號(hào)供微機(jī)處理 。 DS1820提供九位溫度讀數(shù) ， 構(gòu)成多點(diǎn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)而無(wú)需任何外圍硬件 。電源檢測(cè)電路用于判定供電方式。若采用外部電源 ,則通過(guò)二極管向器件供電。測(cè)量結(jié)果存入溫度寄存器中。 將輸入的直流毫伏信號(hào)及被測(cè)溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為 4mA～ 20mA DC和 IV～ 5VDC輸出的統(tǒng)一信號(hào)的裝置稱為變送器 。 集成溫度傳感器 五 、 溫度變送器 溫度變送器有三個(gè)品種： 直流毫伏變送器 、 熱電偶溫度變送器 和 熱電阻溫度變送器 。 一體化溫度變送器原理框圖 溫度傳感器 典型應(yīng)用 一 、 金屬表面溫度的測(cè)量 二、熱電偶爐溫控制系統(tǒng) 溫度傳感器 典型應(yīng)用 三 、 采用集成溫度傳感器的數(shù)字式溫度計(jì) 溫度傳感器 典型應(yīng)用 四 、 電動(dòng)機(jī)保護(hù)器 磁敏傳感器 ? 磁敏傳感器是基于磁電轉(zhuǎn)換原理的傳感器。 ? 磁敏傳感器主要有 磁敏電阻 、 磁敏二極管 、 磁敏三極管 和霍爾式磁敏傳感器 。 稱此種現(xiàn)象為磁致電阻變化效應(yīng) ， 簡(jiǎn)稱為磁阻效應(yīng) 。 當(dāng)電阻率變化為 Δρ＝ ρB － ρ0時(shí) ， 則電阻率的相對(duì)變化為： Δρ/ρ0 = = Kμ2B2 由此可知，磁場(chǎng)一定時(shí) 電子遷移率越高 的材料（如 InSb、 InAs和 NiSb等半導(dǎo)體材料），其磁阻效應(yīng)越明顯。這種 與磁敏電阻 形狀、尺寸有關(guān)的磁阻效應(yīng)稱為磁阻效應(yīng)的幾何磁阻效應(yīng) 。 為形狀效應(yīng)系數(shù) 。所以柵格磁阻器件既增加了零磁場(chǎng)電阻值、又提高了磁阻器件的靈敏度。 由于 InSb的溫度特性不佳 ， 往往在材料中加人一些 N型碲或硒 ， 形成摻雜的共晶 ， 但靈敏度要損失一些 。 二、磁敏電阻的結(jié)構(gòu) 各種形狀的磁敏電阻，其磁阻與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系如右圖所示。 磁阻元件的電阻值與磁場(chǎng)的極性無(wú)關(guān)，它只隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而增加 磁阻元件的 溫度特性不好，在應(yīng)用時(shí)，一般都要設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償電路。 4．作運(yùn)算器 可用磁敏電阻在乘法器、除法器、平方器、開(kāi)平方器、立方器和開(kāi)立方器等方面使用。 電路工作原理圖 InSb偽幣檢測(cè)傳感器工作原理與輸出特性 當(dāng)紙幣上的磁性油墨沒(méi)有進(jìn)入位置 1時(shí)，設(shè)輸出變化為零，如果進(jìn)入位置 1，由于 R2電阻增大，則輸出變化為 ；如果進(jìn)