機(jī)器人傳感技術(shù)課程簡(jiǎn)介：“機(jī)器人工程”專業(yè)主干課程較為系統(tǒng)地講解機(jī)器人信息獲取所用重要傳感器及其相關(guān)檢測(cè)技術(shù)任課老師提供相應(yīng)教材復(fù)印件/電子課件成績(jī)考核：半開卷考試平時(shí)40%考試60%1張A4紙2機(jī)器人傳感技術(shù)-第1章緒論提綱：機(jī)器人概述機(jī)器人傳感器需要實(shí)現(xiàn)的功能機(jī)器人對(duì)傳感器的基本性能要求機(jī)器人傳感器現(xiàn)狀機(jī)器人傳感技術(shù)未來(lái)的主要發(fā)展趨勢(shì)4歷史沿革與“機(jī)器人三準(zhǔn)則”：根據(jù)文獻(xiàn)，機(jī)器人（Robot）一詞可溯源于20世紀(jì)20年代初捷克作家卡雷爾·凱佩克（KarelCapek）的科幻劇作《羅薩姆的萬(wàn)能機(jī)器人》（“R.U.R.Rossum’sUniversalRobots”）。1950年著名科幻作家阿西莫夫（IsaacAsimov）在《我，機(jī)器人》（“I,Robot”）中提出了著名的“機(jī)器人三準(zhǔn)則”：1）機(jī)器人不得傷害人類，也不允許它看到人類將受到傷害而袖手旁觀；2）機(jī)器人必須服從人類的指令，除非這些指令與第一條相違背；3）機(jī)器人必須保護(hù)自己不受傷害，除非這與第一條或第二條相違背。機(jī)器人三準(zhǔn)則的核心思想是確保機(jī)器人不會(huì)對(duì)人類造成任何傷害并保護(hù)人類的生命和財(cái)產(chǎn)安全。20世紀(jì)中葉世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人誕生，標(biāo)志著機(jī)器人已不再是科幻小說中的虛構(gòu)角色，它達(dá)到了實(shí)用階段并真正進(jìn)入了人類社會(huì)。20世紀(jì)80年代以來(lái)，伴隨著相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)方面的研究和應(yīng)用越來(lái)越深入而廣泛。目前機(jī)器人已成為一個(gè)重要的學(xué)科方向，并形成了一個(gè)欣欣向榮的產(chǎn)業(yè)。機(jī)器人概述

5機(jī)器人的定義：目前國(guó)際上還未有統(tǒng)一和普適性的定義。我國(guó)科學(xué)家對(duì)機(jī)器人的定義是：機(jī)器人是一種自動(dòng)化的機(jī)器，所不同的是，這種機(jī)器具備與人或生物相似的智能能力，例如感知能力、規(guī)劃能力、動(dòng)作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動(dòng)化機(jī)器。機(jī)器人的分類：從應(yīng)用環(huán)境角度出發(fā)，我國(guó)將機(jī)器人分為工業(yè)機(jī)器人和特種機(jī)器人兩類。國(guó)際上從應(yīng)用環(huán)境角度出發(fā)，機(jī)器人的分類與我國(guó)類似，也分為兩類，即制造業(yè)工業(yè)機(jī)器人和非制造業(yè)服務(wù)與仿人機(jī)器人。從機(jī)器人的移動(dòng)性角度出發(fā)，機(jī)器人可分為固定機(jī)器人和移動(dòng)機(jī)器人兩類。固定機(jī)器人也常稱為半移動(dòng)機(jī)器人，以應(yīng)用于制造業(yè)的機(jī)械臂為典型代表，機(jī)器人主體被安裝在某一固定位置，但其關(guān)節(jié)或某些部件可移動(dòng)并可進(jìn)行相關(guān)的操作。而移動(dòng)機(jī)器人的主體則可在各個(gè)方向上移動(dòng)（運(yùn)動(dòng)），例如各種仿人/仿生機(jī)器人、無(wú)人機(jī)、水下機(jī)器人、物流機(jī)器人、搜救機(jī)器人、防爆機(jī)器人和月球/火星探測(cè)機(jī)器人等。機(jī)器人概述

6感知自身的狀態(tài)：機(jī)器人需要通過傳感器監(jiān)測(cè)機(jī)器人本身（包括機(jī)器人主體及其各個(gè)部件）的狀態(tài)，例如當(dāng)前機(jī)器人是否處于工作狀態(tài)？處于何種工作狀態(tài)？機(jī)器人本體及各個(gè)部件是否工作正常？各個(gè)部件相對(duì)于本體處于什么位置？機(jī)器人本體或各個(gè)部件是否處于運(yùn)動(dòng)中？運(yùn)動(dòng)速度如何？移動(dòng)方向如何等。獲取環(huán)境信息以實(shí)現(xiàn)交互：機(jī)器人需要通過傳感器獲取與任務(wù)相關(guān)的環(huán)境信息，以使機(jī)器人和環(huán)境發(fā)生良好的交互，適應(yīng)環(huán)境并順利完成既定的任務(wù)。例如自主移動(dòng)機(jī)器人需基于各傳感器測(cè)量所獲信息需確定自身在環(huán)境中的位置（即實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自身的定位），搞清楚行進(jìn)方向上是否有障礙物以及障礙物與機(jī)器人之間的相對(duì)位置（即實(shí)現(xiàn)環(huán)境目標(biāo)物定位）。若該機(jī)器人還需實(shí)現(xiàn)抓取和裝配等任務(wù)，則還需要利用相應(yīng)的傳感器獲得目標(biāo)物的相對(duì)位置、目標(biāo)物的圖像、是否與目標(biāo)物接觸、機(jī)器人與目標(biāo)物相互間作用力為多少等信息。機(jī)器人傳感器需要實(shí)現(xiàn)的功能7機(jī)器人傳感器概貌8高精度和高實(shí)時(shí)性高可靠性和高環(huán)境適應(yīng)性高兼容性和高適配性傳感器重量、體積和成本機(jī)器人對(duì)傳感器的基本性能要求9從仿生和功能需求角度而言，對(duì)于機(jī)器人視覺、聽覺和觸覺/力覺等重要感知需求，目前已有不少商品化和實(shí)用化傳感器，其性能也已能基本滿足大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用的要求；對(duì)于機(jī)器人測(cè)距/定位/導(dǎo)航方面的需求，目前亦有機(jī)器視覺、激光測(cè)距儀/激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、超聲波傳感器陣列/超聲雷達(dá)以及全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GlobalNavigationSatelliteSystem,簡(jiǎn)記GNSS）等多種方案或產(chǎn)品可供選擇，并在不同的應(yīng)用場(chǎng)景下取得了很好的測(cè)量效果；對(duì)于機(jī)器人嗅覺和味覺方面的感知需求，雖有一定的進(jìn)展，但整體而言研究還較為薄弱，突破性的進(jìn)展還較少。成熟傳感器種類少且功能還較為簡(jiǎn)單。機(jī)器人傳感器現(xiàn)狀經(jīng)過幾十年的研究和發(fā)展，機(jī)器人傳感技術(shù)已取得了很大的進(jìn)展。目前機(jī)器人傳感技術(shù)的發(fā)展水平還未達(dá)到人們的預(yù)期。現(xiàn)有機(jī)器人僅具有有限的感知能力，要想達(dá)到“人類”或“擬人/仿生”目標(biāo)還有相當(dāng)?shù)穆芬?，仍有不少科學(xué)與工程問題亟待突破。10充分利用現(xiàn)有成熟的傳感原理或測(cè)量方法結(jié)合相關(guān)新技術(shù)研發(fā)性能更好的傳感器；研究新型敏感材料；充分利用各種先進(jìn)信息處理方法和多傳感器信息融合技術(shù)以提升測(cè)量性能和智能化水平研究仿生傳感機(jī)理研究極端條件或惡劣環(huán)境下的機(jī)器人傳感技術(shù)……機(jī)器人傳感技術(shù)主要發(fā)展趨勢(shì)11浙江大學(xué)歡迎您！12機(jī)器人傳感技術(shù)—

傳感與檢測(cè)基礎(chǔ)（1）第2章傳感與檢測(cè)基礎(chǔ)提綱：概述2.1傳感器的分類2.2基本術(shù)語(yǔ)和傳感器的靜態(tài)性能指標(biāo)2.3傳感器動(dòng)態(tài)特性2.4傳感器和檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性2.5測(cè)量誤差分析和處理基礎(chǔ)14傳感器（Sensor/transducer）是信息獲取的工具。傳感器是能利用敏感元件感受被測(cè)量的大小及其變化，并按一定的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)律轉(zhuǎn)化成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。除了傳感器這一名稱外，作為信息獲取的工具，在不同的科學(xué)和工程領(lǐng)域中，還有儀器或儀表（Instrument）等稱謂，傳感器、儀器和儀表三者定義和概念大同小異。但傳感器這一稱謂最為通用。采用傳感器進(jìn)行檢測(cè)或測(cè)量（Measurement）是獲得信息的過程，即按特定的方法利用傳感器獲取相應(yīng)被測(cè)量測(cè)量信息的過程。檢測(cè)和測(cè)量?jī)稍~基本上可以通用。概述

15傳感器大致可分為敏感元件、轉(zhuǎn)換元件以及測(cè)量/信號(hào)處理電路等其中敏感元件和轉(zhuǎn)換元件是兩個(gè)基本組成部分。敏感元件(SensingElement)是依據(jù)相應(yīng)的傳感/敏感原理直接感受被測(cè)量。轉(zhuǎn)換元件(TransductionElement)是對(duì)敏感元件的輸出進(jìn)行相應(yīng)的變換和處理將敏感元件的輸出轉(zhuǎn)化為便于應(yīng)用和后續(xù)處理的信號(hào)（通常為電信號(hào)，例如電流或電壓等）。測(cè)量和信號(hào)處理電路則是轉(zhuǎn)換元件的輸出信息進(jìn)行進(jìn)一步的處理，顯示或輸出反映被測(cè)參數(shù)大小及其變化的測(cè)量信息。16變送器（Transmitter）：如果傳感器敏感元件的輸出經(jīng)轉(zhuǎn)換元件和測(cè)量/信號(hào)處理處理后，傳感器能輸出標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)則該傳感器也可稱為變送器（Transmitter）。標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)：直流電流4~20mA，直流電壓1~5V，各種標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)通訊協(xié)議，以及20~100kPa空氣壓力（氣動(dòng)儀表）等。

測(cè)量系統(tǒng)（MeasurementSystem）：利用若干個(gè)傳感器實(shí)現(xiàn)某一個(gè)或多個(gè)參數(shù)檢測(cè)所構(gòu)成的系統(tǒng)稱為檢測(cè)系統(tǒng)或測(cè)量系統(tǒng)。隨著科技的發(fā)展，傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)之間界線越來(lái)越模糊。172.1傳感器的分類18

2.2基本術(shù)語(yǔ)和傳感器的靜態(tài)性能指標(biāo)

19傳感器靜態(tài)性能指標(biāo)20

21

22

232.3傳感器動(dòng)態(tài)特性24

252.4傳感器和檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性26浙江大學(xué)歡迎您！27機(jī)器人傳感技術(shù)—

傳感與檢測(cè)基礎(chǔ)（2）第2章傳感與檢測(cè)基礎(chǔ)提綱：2.5測(cè)量誤差分析和處理基礎(chǔ)292.5.1測(cè)量誤差的分類按出現(xiàn)的規(guī)律（或性質(zhì)）來(lái)分類，測(cè)量誤差可分為隨機(jī)誤差、系統(tǒng)誤差和粗大誤差三類。隨機(jī)誤差(Randomerror)：測(cè)量結(jié)果減去重復(fù)性條件下對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行無(wú)限多次測(cè)量所得結(jié)果的平均值。它是指在同一測(cè)量條件下，多次重復(fù)測(cè)量同一被測(cè)量時(shí)，其絕對(duì)值和符號(hào)以不可預(yù)定的方式變化，具有隨機(jī)性的誤差。隨機(jī)誤差一般由目前人們尚未認(rèn)知或無(wú)法控制的某些因素引起，例如電子線路中的噪聲、部件的形變和摩擦、工作環(huán)境條件（如溫度、壓力、濕度、振動(dòng)、電磁場(chǎng)等）的變化等等。隨機(jī)誤差是測(cè)量值與其數(shù)學(xué)期望之差，表示測(cè)量結(jié)果的離散（或彌散）性。當(dāng)重復(fù)測(cè)量次數(shù)為足夠多時(shí)，隨機(jī)誤差的平均值趨近于零。精密度（Precision）用于表征由隨機(jī)誤差引起的測(cè)量值與其數(shù)學(xué)期望之間的偏離程度。精密度僅依賴于隨機(jī)誤差的分布與真值無(wú)關(guān)。30系統(tǒng)誤差（Systematicerror）：在重復(fù)性條件下對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行無(wú)限多次測(cè)量所得結(jié)果的平均值減去被測(cè)量的真值。它是指在同一條件下，對(duì)同一被測(cè)參數(shù)進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量時(shí)，所出現(xiàn)的數(shù)值、符號(hào)都相同的誤差，或者在條件改變時(shí)，按一定規(guī)律變化的誤差。系統(tǒng)誤差一般由測(cè)量原理或測(cè)量方法的不完善、標(biāo)準(zhǔn)量值的不準(zhǔn)確、傳感器設(shè)計(jì)或制造的缺陷，傳感器安裝和調(diào)試不恰當(dāng)?shù)仍蛞?。由于系統(tǒng)誤差通常是固定的或按一定規(guī)律變化的，因此可以對(duì)其進(jìn)行修正。正確度（Trueness）用于表征由系統(tǒng)誤差引起的測(cè)量值與真值之間的偏離程度。它可用大量測(cè)試結(jié)果得到的平均值（測(cè)試結(jié)果的數(shù)學(xué)期望）與真值之差來(lái)度量。偏差越小，測(cè)量結(jié)果越正確。31粗大誤差(Grosserror)：粗大誤差是指明顯超出在規(guī)定條件下預(yù)期的誤差。粗大誤差數(shù)值較大，明顯表現(xiàn)為測(cè)量結(jié)果異常。含有粗大誤差的測(cè)量值不能視為有效的測(cè)量值，必須剔除。導(dǎo)致粗大誤差的原因有主觀和客觀兩類。主觀原因主要是指測(cè)量人員的操作失誤、錯(cuò)誤讀數(shù)、指示或記錄等；客觀原因主要是指測(cè)量條件或傳感器工作環(huán)境意外發(fā)生變化，例如突然的機(jī)械沖擊和振動(dòng)、偶發(fā)的劇烈電磁干擾等。系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差示例32

33

3435

36減少隨機(jī)誤差的方法372.5.3系統(tǒng)誤差的分析與處理38392.5.4粗大誤差的分析與處理4041422.5.5測(cè)量不確定度43浙江大學(xué)歡迎您！443傳感原理與敏感元件傳感器的一般原理典型的傳感系統(tǒng)顯示裝置敏感元件轉(zhuǎn)換元件

直接關(guān)系到被測(cè)參數(shù)的可測(cè)范圍、測(cè)量準(zhǔn)確度，以及機(jī)器人傳感系統(tǒng)的使用條件、使用場(chǎng)合等。46參數(shù)檢測(cè)的一般方法電學(xué)法用敏感元件把被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電壓、電阻、電容等電學(xué)量。磁學(xué)法利用被測(cè)介質(zhì)磁性參數(shù)的差異及在磁場(chǎng)中表現(xiàn)出的特性。聲學(xué)法利用超聲波的傳播及在界面處的反射。光學(xué)法

利用光的散射、透射、折射和反射，用光強(qiáng)表示被測(cè)量大小，用光電元件接收光信號(hào)。同一方法可以測(cè)量不同的參數(shù)同一參數(shù)可以用不同的方法測(cè)量47基礎(chǔ)效應(yīng)類型基礎(chǔ)效應(yīng)/原理物理量變化敏感元件/傳感器舉例電阻式應(yīng)變效應(yīng)電阻金屬應(yīng)變片壓阻效應(yīng)壓敏電阻電容式極板間距、面積、介電常數(shù)引起電容變化電容變極距型、變面積型、變介電常數(shù)型電容敏感元件壓電式正壓電效應(yīng)電壓壓電元件，超聲波接收器負(fù)壓電效應(yīng)頻率超聲波發(fā)生器磁電式電磁感應(yīng)電壓磁電式敏感元件電感現(xiàn)象電感、電壓差動(dòng)變壓器電感式傳感器電渦流效應(yīng)電流電渦流傳感器霍爾效應(yīng)電壓霍爾元件光電式光電發(fā)射效應(yīng)電流光電管、光電倍增管光電導(dǎo)效應(yīng)電阻光敏電阻光生伏特效應(yīng)電壓、電流光電池，光敏二極管，光敏三極管483.1電學(xué)式傳感原理和敏感元件電阻式傳感器電容式傳感器壓電式傳感器493.1.1電阻式敏感元件501、定義

電阻式檢測(cè)元件被測(cè)量電阻值力壓力加速度溫度氣體組成、含量電阻應(yīng)變片熱（敏）電阻氣敏電阻濕敏電阻濕度

通過電阻參數(shù)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)物理量測(cè)量的傳感器統(tǒng)稱為電阻式傳感器。512、電阻應(yīng)變片

金屬導(dǎo)體材料在外界拉力或壓力作用下會(huì)發(fā)生機(jī)械形變，導(dǎo)致電阻率和幾何因子發(fā)生改變，從而引起電阻阻值變化，這種現(xiàn)象稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。電阻變化相對(duì)電阻變化52應(yīng)變效應(yīng)

徑向應(yīng)變

軸向應(yīng)變

泊松比對(duì)于大多數(shù)金屬，μ=0.3~0.553

幾何尺寸效應(yīng)

靈敏度應(yīng)變效應(yīng)壓阻效應(yīng)金屬半導(dǎo)體54電阻應(yīng)變片金屬應(yīng)變片絲式箔式膜式半導(dǎo)體應(yīng)變片體型薄膜型擴(kuò)散型3、應(yīng)變片種類與結(jié)構(gòu)55金屬材料的電阻率相對(duì)變化正比于體積的相對(duì)變化

C是與金屬導(dǎo)體晶格結(jié)構(gòu)相關(guān)的比例系數(shù)，由材料和加工方式?jīng)Q定

對(duì)于康銅，μ≈0.33，C≈1

1）金屬應(yīng)變片56

有一金屬電阻應(yīng)變片Rx，其應(yīng)變系數(shù)K=2.5/m，Rx=120Ω，當(dāng)工作時(shí)其應(yīng)變?yōu)?200μm，試問相應(yīng)的電阻值變化多少？例題157絲式應(yīng)變片58線條均勻、尺寸準(zhǔn)確、任意形狀，易于大批量生產(chǎn)；表面積大，散熱性好，較大的工作電流，增大了輸出信號(hào)。箔式應(yīng)變片59滯后和蠕變很小、靈敏度高膜式應(yīng)變片60

半導(dǎo)體材料在某一方向受到作用力時(shí)，電阻率會(huì)發(fā)生明顯變化，這種現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。

π為壓阻系數(shù)

2）半導(dǎo)體應(yīng)變片61體型：

將原材料按所需晶向切割成片狀或者條狀。薄膜型：

利用真空蒸鍍法形成厚度為0.1μm以下的薄膜。擴(kuò)散型：

在電阻率很大的單晶硅支持片上通過擴(kuò)散或滲透方法直接摻雜P型或N型雜質(zhì)，形成一層極薄的P型或N型導(dǎo)電層。類型62電阻應(yīng)變片金屬應(yīng)變片絲式箔式模式半導(dǎo)體應(yīng)變片體型薄膜型擴(kuò)散型Km=1.5~2

Ks=50-100

應(yīng)變片種類與結(jié)構(gòu)63

4、測(cè)量電路64單臂工作電橋

雙臂工作電橋

全臂工作電橋

三種形式65

1）單臂工作電橋66

單臂工作電橋67

非線性誤差為：當(dāng)n=1時(shí)非線性誤差68半橋差動(dòng)電路

兩個(gè)完全相同的應(yīng)變片，在外力作用下其中一片受壓，而另一片受拉

2）雙臂工作電橋69

3）全臂工作電橋701）電阻溫度系數(shù)影響

等效成應(yīng)變

2）膨脹系數(shù)不同

溫度變化引起的應(yīng)變5、溫度效應(yīng)補(bǔ)償711）自補(bǔ)償法2）橋路補(bǔ)償法

補(bǔ)償方法72電阻值靈敏系數(shù)絕緣電阻零漂和蠕變?cè)试S電流應(yīng)變極限應(yīng)變計(jì)的敏感柵和引線與被測(cè)件之間的電阻零漂：不承受機(jī)械應(yīng)變時(shí)，指示應(yīng)變值隨時(shí)間變化蠕變：承受恒定的應(yīng)變時(shí)，指示應(yīng)變值隨時(shí)間變化應(yīng)變片不因電流放熱而影響測(cè)量所允許的最大電流真實(shí)應(yīng)變—指示應(yīng)變真實(shí)應(yīng)變時(shí)的最大真實(shí)應(yīng)變應(yīng)變極限測(cè)量電路應(yīng)與電阻值的大小相配合6、應(yīng)變片的主要特性73位移傳感器力傳感器壓力傳感器加速度傳感器……7、應(yīng)用743.1.2電容式敏感元件75

電容式檢測(cè)元件被測(cè)量電容量將待測(cè)物理量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙萘孔兓囊活悅鞲衅魑灰平俏灰普駝?dòng)加速度壓力差壓物位1、定義76

變介電常數(shù)式變極距式變面積式2、工作原理

1）變極距式78非線性關(guān)系79

冪級(jí)數(shù)產(chǎn)開

靈敏度80

怎樣才能消除非線性誤差以及溫度的影響呢？差動(dòng)式電容！??！非線性誤差81

d0差動(dòng)式電容82

靈敏度非線性誤差、環(huán)境影響差動(dòng)式電容83

已知極板面為A，極板間介質(zhì)為空氣，極板間距1

mm，當(dāng)極距減少0.1

mm時(shí)，求其電容變化量及相對(duì)變化率？

例題：84

雙極板電容器差動(dòng)式電容器解題：85與差動(dòng)電容的比較86

2）變面積式87

線位移測(cè)量88

角位移測(cè)量89

3）變介電常數(shù)式90

串聯(lián)結(jié)構(gòu)91

并聯(lián)結(jié)構(gòu)92

串并聯(lián)結(jié)構(gòu)93

圓筒狀電容器94C為電容式傳感器；Rp為并聯(lián)損耗，包括極板間泄漏電阻和介質(zhì)損耗等；Rs為串聯(lián)損耗，包括引線電阻、極板電阻和金屬支架電阻；L由電容器自身電感和引線電感組成，與電容器的結(jié)構(gòu)形式及引線長(zhǎng)度有關(guān)；Cp為寄生電容。3、等效電路95

對(duì)于任一諧振頻率以下的頻率，由于L的存在，檢測(cè)元件的有效電容Ce在忽略Rp、Rs的影響時(shí)，可表示為有效電容96消除溫度對(duì)電容的影響溫度補(bǔ)償溫度變化附加誤差測(cè)量誤差幾何尺寸變化介電常數(shù)變化選用溫度系數(shù)小且穩(wěn)定的材料在轉(zhuǎn)換電路中采取補(bǔ)償措施消除寄生電容的影響驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù)整體屏蔽技術(shù)增加初始電容集成法驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù)整體屏蔽技術(shù)4、溫度與寄生電容影響97位移檢測(cè)角位移檢測(cè)壓力加速度物位……5、應(yīng)用983.1.3壓電式敏感元件99

壓電式檢測(cè)元件被測(cè)量電荷量

壓電式敏感元件是利用壓電材料的壓電效應(yīng)工作的。當(dāng)其受到外力作用時(shí)，壓電材料的表面將產(chǎn)生電荷，因而是一種典型的有源器件。力、壓力扭矩加速度1、定義100正壓電效應(yīng)：

某些電介質(zhì)在沿一定方向受外力（壓力或拉力）時(shí)，其內(nèi)部正負(fù)電荷中心會(huì)發(fā)生相對(duì)位移產(chǎn)生極化現(xiàn)象，從而在它的兩個(gè)相對(duì)的表面上集聚正負(fù)相反的電荷。作用力越大，則機(jī)械變形越大，所產(chǎn)生的電荷量越多作用力去掉后，恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；動(dòng)態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時(shí)，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變；輸出電壓的頻率與動(dòng)態(tài)力的頻率相同2、壓電效應(yīng)101

當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì)發(fā)生變形，電場(chǎng)去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，或稱為電致伸縮現(xiàn)象。壓電元件機(jī)械能電能正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)是可逆的逆壓電效應(yīng)102壓電晶體壓電陶瓷高分子材料石英晶體鈦酸鋇鋯鈦酸鉛系PZT聚偏氟乙烯復(fù)合壓電材料3、壓電材料103石英晶體俗稱水晶，有天然和人工之分。目前傳感器中使用的均是以居里點(diǎn)為573℃，晶體的結(jié)構(gòu)為六角晶系的α-石英，呈六角棱柱體。z軸：通過上下晶錐頂點(diǎn)，稱為光軸x軸：通過六面體相對(duì)的兩個(gè)棱線并垂直于光軸，稱為電軸y軸：與x和z軸都垂直，稱為機(jī)械軸1）石英晶體（SiO2）104縱向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)無(wú)壓電效應(yīng)壓電系數(shù)光軸電軸機(jī)械軸受力方向與電荷105壓電材料壓電材料壓電材料壓電材料正壓電效應(yīng)106壓電材料壓電材料壓電材料壓電材料逆壓電效應(yīng)107石英晶體的壓電效應(yīng)與其內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。在每個(gè)晶格單元中，硅離子Si4＋和氧離子O2－在x-y平面成正六邊形排列。當(dāng)石英晶體未受外力作用時(shí)，正、負(fù)離子正好分布在正六邊形的頂角上，形成三個(gè)互成120°夾角的電偶極矩P1、P2、P3，它們的矢量和為零。p1+p2+p3>0

p1+p2+p3<0

壓電效應(yīng)機(jī)理108壓電常數(shù)小。其時(shí)間和溫度穩(wěn)定性極好，常溫下幾乎不變，在20～200℃范圍內(nèi)其溫度變化率僅為-0.016％/℃；機(jī)械強(qiáng)度和品質(zhì)因素高。許用應(yīng)力高達(dá)（6.8～9.8）×107Pa，且剛度大，固有頻率高，動(dòng)態(tài)特性好；居里點(diǎn)573℃，無(wú)熱釋電性，且絕緣性、重復(fù)性均好。

天然石英的上述性能尤佳。因此，它們常用于精度和穩(wěn)定性要求高的場(chǎng)合和制作標(biāo)準(zhǔn)傳感器。壓電石英特性109人工制造的多晶體壓電材料，具有與鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)類似的電疇結(jié)構(gòu)。晶粒晶界電疇鈦酸鋇（BaTiO3）鋯鈦酸鉛系PZT（PbZrO3PbTiO3）2）壓電陶瓷110電致伸長(zhǎng)剩余伸長(zhǎng)Z去掉EE

壓電陶瓷的極化111自由電荷束縛電荷電極極化強(qiáng)度變小，釋放自由電荷放電現(xiàn)象極化強(qiáng)度變大，吸附自由電荷充電現(xiàn)象壓電陶瓷受到力的作用112電荷計(jì)算：為縱向壓電系數(shù)取壓電材料的極化方向?yàn)閆軸電荷計(jì)算：Z受壓Y受壓極化面面積受力面面積且：113壓電材料性

能石英鈦酸鋇鋯鈦酸鉛PZT-4鋯鈦酸鉛PZT-5鋯鈦酸鉛PZT-8壓電系數(shù)/(pC/N)d11=2.31d14=0.73d15=260d31=?78d33=190d15≈410d31=?100d33=230d15≈670d31=?185d33=600d15≈330d31=?90d33=200相對(duì)介電常數(shù)/εr4.51200105021001000居里點(diǎn)溫度/℃573115310260300密度/(103kg/m3)2.655.57.457.57.45彈性模量/(103N/m2)8011083.3117123機(jī)械品質(zhì)因數(shù)105~106

≥50080≥800最大安全應(yīng)力/(105N/m2)95~10081767683體積電阻率/Ω·m＞10121010(25℃)＞10101011(25℃)

最高允許溫度/℃55080250250

最高允許濕度/%100100100100

表3.2幾種常見壓電材料的性能參數(shù)114當(dāng)壓電元件受外力作用時(shí)，會(huì)在一個(gè)極板上聚集正電荷，另一個(gè)極板上聚集等量的負(fù)電荷，因此它相當(dāng)于一個(gè)電荷源（靜電發(fā)生器）。當(dāng)壓電元件電極表面聚集電荷時(shí)，它又相當(dāng)于一個(gè)以壓電材料為電介質(zhì)的電容器。電荷源和電容并聯(lián)電壓源和電容串聯(lián)

4、等效電路115由等效電路可知，只有在外電路負(fù)載為無(wú)窮大（開路），且內(nèi)部無(wú)漏電時(shí)，受力產(chǎn)生的電荷或電壓源才能保持長(zhǎng)期不變。如果負(fù)載不是無(wú)窮大，則電路就會(huì)按指數(shù)規(guī)律放電，只有外力以較高頻率不斷地作用，傳感器的電荷才能得以補(bǔ)充。這對(duì)于靜態(tài)標(biāo)定以及低頻準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量極為不利。所以壓電傳感器不適宜靜態(tài)測(cè)量。等效電路116

在實(shí)際應(yīng)用中，壓電元件總要與一定的測(cè)量電路相連接，因此還需要考慮連接電纜的等效電容Cc、放大器的輸入電阻Ri、放大器的輸入電容Ci以及壓電元件的泄漏電阻Ra。傳感器的泄露電阻電纜電容放大器輸入電阻、電容電纜電容傳感器的泄露電阻放大器輸入電阻、電容等效電路117從作用力看，元件是串接的，因而每片受到的作用力相同，產(chǎn)生的變形和電荷數(shù)量大小都與單片時(shí)相同。并聯(lián)接法類似兩個(gè)電容的并聯(lián)，外力作用下正負(fù)電極上的電荷量增加了1倍，電容量也增加了1倍，輸出電壓與單片時(shí)相同。串聯(lián)接法兩壓電片中間粘接處正負(fù)電荷中和，上、下極板的電荷量與單片時(shí)相同，總電容量為單片的一半，輸出電壓增大了1倍。

5、結(jié)構(gòu)形式118溫度引起的誤差壓電系數(shù)、介電常數(shù)、體電阻和彈性模量等參數(shù)發(fā)生變化瞬態(tài)環(huán)境溫度變化對(duì)檢測(cè)元件也會(huì)產(chǎn)生較大影響選用靈敏度隨溫度變化較小的檢測(cè)元件。受瞬變溫度影響較小的檢測(cè)元件采用隔熱片，以減少溫度的影響；采用溫度補(bǔ)償片，通過它的的熱膨脹變形來(lái)起抵消殼體等部件變形的作用壓電材料的溫度上限為1/2居里溫度。超過有效溫度會(huì)引起較大測(cè)量誤差。6、壓電式檢測(cè)元件的誤差119噪聲影響元件受振動(dòng)引起的噪聲電纜受到振動(dòng)或彎曲會(huì)由于摩擦引入感應(yīng)電荷隔離基座、獨(dú)立外殼低噪聲電纜、緊固電纜阻抗變換器靈敏度變化隨時(shí)間延續(xù)而變化每半年進(jìn)行一次校正（石英晶體穩(wěn)定性好）安裝差異安裝面具有較高的平行度、平直度和較低的粗糙度事先給壓電片有一定的預(yù)應(yīng)力6、壓電式檢測(cè)元件的誤差120傳感器類型生物功能轉(zhuǎn)換力敏觸覺力

電熱敏觸覺熱電光敏視覺光電聲敏聽覺聲電7、應(yīng)用1213.2磁學(xué)式傳感原理和敏感元件電感式傳感器磁電式傳感器1223.2.1電感式敏感元件123

電感式檢測(cè)元件被測(cè)量

將待測(cè)物理量轉(zhuǎn)變?yōu)榫€圈自感系數(shù)L或互感系數(shù)M的變化，從而導(dǎo)致線圈電感量改變。位移振動(dòng)流量比重壓力應(yīng)變感應(yīng)系數(shù)1、定義124

電感式檢測(cè)元件被測(cè)量根據(jù)工作原理可以分為自感式和互感式兩大類根據(jù)結(jié)構(gòu)形式，可以分為變磁阻式、變壓器式和電渦流式三種變磁阻式電感式傳感器自感式渦流式互感式差動(dòng)變壓器感應(yīng)系數(shù)2、類型125

根據(jù)電感的定義，線圈中的電感量為

磁路歐姆定律

1）變磁阻電感式傳感器（自感式）126

鐵芯、銜鐵和氣隙磁阻之和

磁路總磁阻127

測(cè)量原理128

初始時(shí)變氣隙厚度——輸出特性129

線性化

靈敏度

變氣隙厚度——輸出特性130

上移時(shí)，靈敏度下移時(shí)，靈敏度

變氣隙厚度——輸出特性131

差動(dòng)式傳感器132①差動(dòng)式變間隙電感傳感器的靈敏度是單線圈式的兩倍。②差動(dòng)式的非線性高次項(xiàng)：

單線圈的非線性高次項(xiàng)：

由于Δδ/δ0<<1，因此，差動(dòng)式的線性度得到明顯改善。單線圈與差動(dòng)式比較133把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感變化的傳感器稱為互感式傳感器。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且次級(jí)繞組用差動(dòng)形式連接，故稱差動(dòng)變壓器式傳感器。差動(dòng)變壓器形式：變氣隙式、變面積式和螺線管式等在非電量測(cè)量中，應(yīng)用最多的是螺線管式差動(dòng)變壓器，它可以測(cè)量1～100mm機(jī)械位移，并具有測(cè)量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。2）差動(dòng)變壓器式傳感器（互感式）134順向串接反向串接

（1）變氣隙式差動(dòng)變壓器135

上移下移與電源電壓反相變氣隙式差動(dòng)變壓器136

變氣隙式差動(dòng)變壓器137

左移：右移：（2）螺管式差動(dòng)變壓器138特性曲線139根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，一個(gè)塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體中將產(chǎn)生旋渦狀的閉合感應(yīng)電流，稱為電渦流。線圈的等效電感和等效阻抗發(fā)生變化，于是流過線圈的電流大小和相位都會(huì)發(fā)生改變。

3）電渦流電感式傳感器（互感式）140

測(cè)量方法141（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量力?。?）工作可靠、壽命長(zhǎng)（3）分辨力高，能測(cè)量0.1

μm甚至更小的機(jī)械位移，能感受0.1秒的微小角位移；（4）傳感器輸出信號(hào)強(qiáng)，電壓靈敏度一般1mm可達(dá)數(shù)百mV，因此，有利于信號(hào)的

傳輸和放大。（5）重復(fù)性好，線性度優(yōu)良。在幾十μm至數(shù)百mm）內(nèi)，輸出線性可達(dá)±0.1%，

且比較穩(wěn)定。頻率響應(yīng)較低，不宜快速動(dòng)態(tài)測(cè)量。分辨率與測(cè)量范圍有關(guān)。測(cè)量范圍小，分辨率高；測(cè)量范圍大，則分辨率低。

3、電感式傳感器的特點(diǎn)142

可直接用于位移測(cè)量，也可以測(cè)量與位移有關(guān)的任何機(jī)械量，如振動(dòng)、加速度、應(yīng)變、比重、張力和厚度等。4、應(yīng)用1433.2.2磁電式敏感元件144

利用電磁感應(yīng)原理，將運(yùn)動(dòng)速度、轉(zhuǎn)速等物理量變換成感應(yīng)電勢(shì)。

磁電式檢測(cè)元件被測(cè)量電信號(hào)振動(dòng)轉(zhuǎn)速扭矩位移壓力磁場(chǎng)電流磁電感應(yīng)式電流感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)霍爾元件霍爾電壓定義145

磁電感應(yīng)式敏感元件是利用導(dǎo)體和磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而在導(dǎo)體兩端輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行工作的，因此也被稱為感應(yīng)式或者電動(dòng)式敏感元件。電磁感應(yīng)定律導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)切割磁力線，或者通過閉合線圈的磁通發(fā)生變化時(shí)，在導(dǎo)體兩端或者線圈內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小正比于磁通變化率

1、磁電感應(yīng)式敏感元件146磁通變化率：由磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁路磁阻、線圈運(yùn)動(dòng)速度決定磁通量Ф的變化實(shí)現(xiàn)辦法:

磁場(chǎng)強(qiáng)度變化

磁路中磁阻的變化磁鐵與線圈之間做相對(duì)運(yùn)動(dòng)恒定磁場(chǎng)中線圈面積的變化恒磁通（磁阻）式變磁通（磁阻）式工作原理147

磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的磁場(chǎng)，磁路中的工作氣隙固定不變，因而磁路中的磁阻也是恒定不變的，測(cè)量線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)主要是由于線圈與永久磁鐵間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即通過切割磁力線導(dǎo)致磁通量發(fā)生變化。

1－永久磁鐵；2－感應(yīng)線圈；3—彈簧；4—極掌；5－磁軛；6—?dú)んw動(dòng)圈式

動(dòng)鐵式

測(cè)定速度：

在信號(hào)調(diào)節(jié)電路中接積分電路，或微分電路，磁電式傳感器就可以用來(lái)測(cè)量位移或加速度。1）恒磁通（磁阻）式148線圈和磁鐵部分都是靜止的，線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是通過改變磁路中的氣隙大小來(lái)改變磁路的磁阻，從而導(dǎo)致磁通發(fā)生變化，在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。用來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率作為輸出，而感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率取決于磁通變化的頻率。結(jié)構(gòu)：開磁路、閉磁路2）變磁阻式檢測(cè)元件1491--永久磁鐵；2--銜鐵；3--感應(yīng)線圈；4--齒輪

f為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率，z為齒輪的齒數(shù)，n為齒輪轉(zhuǎn)速（r/s），N為t時(shí)間內(nèi)的采樣脈沖數(shù)。開磁路式1501--轉(zhuǎn)軸；2--內(nèi)齒輪；3a、3b--外齒輪；4--線圈；5--永久磁鐵在振動(dòng)信號(hào)或轉(zhuǎn)速高的場(chǎng)合，其測(cè)量精度高于開磁路式的。變磁通式敏感元件的輸出電勢(shì)取決于線圈中磁通的變化速度，當(dāng)轉(zhuǎn)速過低時(shí)，輸出電勢(shì)太小，因此該類敏感檢測(cè)元件通常有一個(gè)下限工作頻率，一般為50Hz。閉磁路式151磁電感應(yīng)式檢測(cè)元件相當(dāng)于一個(gè)電源R——為內(nèi)阻，RL——為負(fù)載電阻

3）等效電路152以線速度型恒磁阻式檢測(cè)元件為例

靈敏度153工作溫度發(fā)生變化受到外磁場(chǎng)干擾受到機(jī)械振動(dòng)或沖擊靈敏度都將發(fā)生變化而產(chǎn)生測(cè)量誤差

4）誤差及補(bǔ)償154最主要的影響因素

磁感應(yīng)強(qiáng)度的溫度系數(shù)為負(fù)；線圈長(zhǎng)度的溫度系數(shù)是正；負(fù)載電阻的溫度系數(shù)為正；補(bǔ)償方法——熱磁分流器具有負(fù)溫度系數(shù)的熱磁合金材料加在磁路系統(tǒng)的兩個(gè)極靴上;在正常溫度下，熱磁分流器將空氣隙磁通分流一部分當(dāng)溫度升高時(shí)，熱磁分流器的磁導(dǎo)率顯著下降，經(jīng)它分流掉的磁通占總磁通的比例較正常溫度下顯著降低，從而保持空氣隙中的工作磁通不隨溫度變化。①

溫度誤差155感應(yīng)電流會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)會(huì)削弱永久磁鐵所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，從而使磁電式檢測(cè)元件的實(shí)際磁通量變化，引起嚴(yán)重的非線性；解決辦法：補(bǔ)償線圈，補(bǔ)償線圈的反饋電流為②

非線性誤差156當(dāng)測(cè)量電路滿足R<<

RL時(shí)，電磁感應(yīng)式檢測(cè)元件的電壓靈敏度可近似為

則靈敏度的相對(duì)誤差為一般線圈長(zhǎng)度具有較好的時(shí)間穩(wěn)定性，而經(jīng)磁化的永久磁鐵的磁性一般會(huì)隨時(shí)間而發(fā)生變化解決辦法：永磁材料在充磁前先進(jìn)行退火處理，以消除內(nèi)應(yīng)力。充磁后再進(jìn)行老化處理。

③

永久磁鐵不穩(wěn)定誤差157霍爾效應(yīng)：

美國(guó)物理學(xué)家霍爾(EdwinH.Hall，1855-1938)于1879年在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電流垂直于外磁場(chǎng)通過導(dǎo)體時(shí)，在導(dǎo)體的垂直于磁場(chǎng)和電流方向的兩個(gè)端面之間會(huì)出現(xiàn)電勢(shì)差，這一現(xiàn)象便是霍爾效應(yīng)，所產(chǎn)生的電勢(shì)稱為做霍爾電勢(shì)。2、霍爾傳感器158

霍爾效應(yīng)

wdl霍爾系數(shù)

霍爾元件的靈敏度

1）基本原理159Ge/Si/InAs/InSb21歐姆接觸控制電流引線霍爾電壓引線控制電流I；霍耳電勢(shì)VH；控制電壓V；霍耳負(fù)載電阻R3；霍耳電流IH。

2）霍爾元件160I恒定

U~B在一定范圍內(nèi)呈線性B交變

U交變B恒定

U~I呈線性|B|

霍爾元件內(nèi)阻霍爾元件的性質(zhì)161溫度補(bǔ)償

半導(dǎo)體材料的載流子濃度、遷移率和電阻率都會(huì)發(fā)生變化，從而造成霍爾元件的霍爾系數(shù)、靈敏度、輸入電阻及輸出電阻變化。補(bǔ)償措施溫度系數(shù)小的半導(dǎo)體材料采用恒流源供電使UH保持穩(wěn)定輸入回路中并聯(lián)一個(gè)電阻RP，起到分流的作用，使KHI保持恒定

霍爾元件的誤差補(bǔ)償162不等位電勢(shì)霍爾電極安裝不對(duì)稱半導(dǎo)體材料不均勻造成電阻率不均勻元件幾何尺寸不對(duì)稱激勵(lì)電極接觸不良導(dǎo)致電流不均勻激勵(lì)電流I流經(jīng)不等位電阻r0所產(chǎn)生的電壓U0

電橋補(bǔ)償霍爾元件的誤差補(bǔ)償163

將霍爾元件、放大器、施密特觸發(fā)器及輸出電路通過集成化制作工藝構(gòu)成獨(dú)立元件。

線性集成器件

開關(guān)集成器件BADBA差分輸出功率放大U~B在一定范圍內(nèi)呈線性開關(guān)特性有回差HL3）集成霍爾器件1643.3聲學(xué)式傳感原理和敏感元件1653.3、聲學(xué)式敏感元件166

超聲波傳感器被測(cè)量距離避障通過（超）聲波信號(hào)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)物理量測(cè)量的傳感器。聲波信號(hào)定義167從本質(zhì)上來(lái)講，聲波的產(chǎn)生就是源于物體的振動(dòng)，而聲波的傳播則是介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)傳遞過程。聲波必須通過中間介質(zhì)（固體、液體和氣體）才能傳播，例如，在空氣中我們可以聽到聲音，而在真空中卻聽不到。分類方法頻率不同波陣面形狀不同質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與聲波傳播方向的關(guān)1、聲波的產(chǎn)生與分類168可聽聲波：人耳可聽到聲音的頻率范圍，20

Hz

~

20

kHz次聲波：頻率低于20

Hz超聲波：頻率高于20kHz10

Hz20-60

kHz300

kHz能聽到45kHz的聲波（1）聲波頻率169平面波：波陣面與傳播方向垂直且為互相平行的平面聲波球面波：波陣面為同心球面的聲波柱面波：波陣面為同軸圓柱面的聲波（2）波陣面形狀170縱波，L波橫波，S波表面波，Rayleigh波板波，Lamb波

（3）質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波傳播方向的關(guān)系171①

縱波，簡(jiǎn)稱L波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波傳播方向一致或平行其傳播是由于介質(zhì)中各體元發(fā)生壓縮和拉伸的變形，并產(chǎn)生使體元回復(fù)原狀的縱向彈性力而實(shí)現(xiàn)的在介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生質(zhì)點(diǎn)稠密和稀疏部分，也稱為疏密波可在固體、液體和氣體中傳播容易激發(fā)和接收，在參數(shù)檢測(cè)中有廣泛的應(yīng)用172②

橫波，簡(jiǎn)稱S波質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向是垂直的質(zhì)點(diǎn)上下振動(dòng)是可以產(chǎn)生橫波，稱為垂直偏振橫波（SV波）水平振動(dòng)時(shí)同樣可以產(chǎn)生橫波，稱為水平偏振橫波（SH波）橫波不能在液體或氣體介質(zhì)中傳播。173③

表面波，瑞利波（Rayleigh波)在半無(wú)限大固體介質(zhì)與氣體介質(zhì)的交界面產(chǎn)生的波運(yùn)動(dòng)軌跡為橢圓形，可視為縱波和橫波的合成表面波不能在液體或者氣體介質(zhì)中傳播表面波常用于材料表面缺陷的檢測(cè)174④

板波，蘭姆波（Lamb波)在板厚與波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)谋“逯袀鞑サ牟ㄌm姆波是板波中最重要的一種波可看成是兩個(gè)Rayleigh波在板的上下表面上相互作用的結(jié)果可用于檢測(cè)板厚、分層和裂紋等缺陷175波長(zhǎng)：在聲波的傳播方向上，相鄰兩個(gè)振動(dòng)相位相同的點(diǎn)之間的距離稱為波長(zhǎng)。（1）波長(zhǎng)、頻率和聲速2、聲波的傳播特性176速度：主要取決于材料特性：彈性系數(shù)、介質(zhì)的密度以及聲阻抗對(duì)于氣體介質(zhì)對(duì)空氣，聲波的傳播速度約為344m/s；T

越高，c

越大對(duì)于固體和液體介質(zhì)E介質(zhì)的楊氏彈性模量；M與波型有關(guān)的常數(shù)

為氣體的定壓比熱與定容比熱之比；R為理想氣體常數(shù)；T為絕對(duì)溫度；M為氣體的摩爾質(zhì)量。

是液體的密度；kj是絕熱壓縮系數(shù)2、聲波的傳播特性177聲波在介質(zhì)中傳播就會(huì)引起內(nèi)部壓強(qiáng)的變化，形成聲場(chǎng)描述聲場(chǎng)特性的參量主要有聲壓聲強(qiáng)聲阻抗聲能量（2）聲場(chǎng)參量聲波的傳播特性178某一點(diǎn)的瞬時(shí)壓強(qiáng)與沒有聲波時(shí)該點(diǎn)的靜壓強(qiáng)之差聲壓是個(gè)交變量，即同一時(shí)刻不同體積單元、以及同一體積單元不同時(shí)刻的聲壓是不同的對(duì)于簡(jiǎn)諧聲波，設(shè)聲壓的振幅

pa，則有效聲壓為聲壓的大小反應(yīng)了聲音的強(qiáng)弱。人耳對(duì)于1kHz聲音的可聽閾約為2×10-5Pa，微風(fēng)吹動(dòng)樹葉的聲音約為2×10-4Pa在房間內(nèi)高聲談話的聲音（相距1m處）為0.05-0.1Pa飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的聲音（相距5m處）約200Pa。

聲壓179聲阻抗Za是指在波陣面的一定面積上，聲壓與通過該面積的體積速度的比值。

由于體積速度U的含義是不明確的，因此通常使用質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度v來(lái)代替，得到聲阻抗率Zs，即介質(zhì)中某一點(diǎn)的聲壓與該點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的比值。

聲阻抗180聲強(qiáng)是單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于聲波傳播方向的單位面積的聲能量。

聲強(qiáng)181為什么需要用分貝來(lái)表示？①

聲振動(dòng)的能量范圍非常寬，例如，人講話的聲功率只有約10-5W，而火箭發(fā)射的噪聲功率卻可以高達(dá)109W，兩者相差十幾個(gè)數(shù)量級(jí)。②從聲音接收的角度，人耳感受到的“響度感覺”并不正比于聲音強(qiáng)度的絕對(duì)值，而是更接近于與強(qiáng)度的對(duì)數(shù)成正比。③在聲學(xué)以及電子、通訊等領(lǐng)域，人們更感興趣的是信號(hào)的相對(duì)比值，而非其絕對(duì)值。基于以上這些原因，在聲學(xué)領(lǐng)域普遍使用對(duì)數(shù)標(biāo)度來(lái)表示這些聲場(chǎng)參量，并稱之為“級(jí)”，如聲壓級(jí)、聲強(qiáng)級(jí)等，單位為分貝（dB）。聲場(chǎng)參量的級(jí)與分貝182聲壓級(jí)

對(duì)于人耳，從可聽閾聲壓2×10-5Pa到痛閾聲壓20Pa，兩者相差100萬(wàn)倍，而使用聲壓級(jí)表示的范圍則是0~120dB人耳對(duì)于1kHz聲音的可聽閾為

0dB，微風(fēng)吹動(dòng)樹葉的聲音約為

14dB，在房間內(nèi)高聲談話的聲音（相距1m處）為

68~74dB，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的聲音（相距5m處）約

140dB。聲強(qiáng)級(jí)

聲壓級(jí)與聲強(qiáng)級(jí)pref為基準(zhǔn)聲壓，或稱為參考聲壓。在空氣中，pref

=2×10-5Pa，是正常人耳剛剛能覺察到的聲壓。

Iref為基準(zhǔn)聲強(qiáng)，對(duì)應(yīng)于基準(zhǔn)聲壓的聲強(qiáng)值。183（3）聲波的反射、折射與透射聲波在產(chǎn)生反射、折射時(shí)，遵循類似于幾何光學(xué)的反射定律和折射定律

聲波的傳播特性184

①

當(dāng)Z2=Z1時(shí)，r=0，沒有反射，即全透射，也就是說即使存在兩種不同的介質(zhì)分界面，只要它們的特性特性阻抗相同，是不會(huì)有反射發(fā)生的，就好像分界面不存在一樣。②

當(dāng)Z2>Z1時(shí)，r>0，反射波聲壓與入射波聲壓相位相同，在界面上的合成聲壓增大。當(dāng)Z2?Z1時(shí)，r≈1，即發(fā)生全反射；此時(shí)，反射波聲壓與入射波聲壓相位相同、大小相等，在界面上的合成聲壓是入射聲壓的2倍。③

當(dāng)Z2<Z1時(shí)，r<0，反射波聲壓與入射波聲壓相位相反，在界面上的合成聲壓減小。類似地，當(dāng)Z2?Z1時(shí)，r≈-1，即也會(huì)發(fā)生全反射。垂直入射185接收原理壓強(qiáng)原理

差壓原理

壓強(qiáng)差壓復(fù)合多聲道干涉原理3、聲波的接收186常見傳聲器電容式傳聲器

壓電式傳聲器

動(dòng)圈式傳聲器

聲波的接收187

超聲波是指頻率大于20kHz的聲波。由于具有波長(zhǎng)短，不易產(chǎn)生繞射，方向性好，衰減小，穿透性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，超聲波在傳感領(lǐng)域的應(yīng)用極為廣泛。超聲波探頭電氣方式壓電型磁致伸縮型電動(dòng)型機(jī)械方式加爾統(tǒng)笛液哨氣流旋笛4、超聲波傳感器188直探頭（縱波）斜探頭（橫波）表面波探頭（表面波）蘭姆波探頭（蘭姆波）可變角探頭（縱波、橫波、表面波、蘭姆波）雙晶探頭（一個(gè)探頭內(nèi)含兩個(gè)晶片，一個(gè)用于發(fā)射，另一個(gè)用于接收）聚焦探頭（將聲波聚集為一細(xì)束）探頭類型189介電損耗并聯(lián)漏電阻

極間電容

機(jī)械共振回路等效電阻、電容和電感

等效電阻低頻共振點(diǎn)高頻共振點(diǎn)發(fā)射接收等效電路190超聲波信號(hào)在中心頻率處最強(qiáng)，即超聲聲壓能級(jí)最高采用工作在中心頻率的穩(wěn)定交流電壓來(lái)激勵(lì)沿著探頭中軸線方向上的超聲輻射能量最大頻率特性、方向性191在確定的介質(zhì)中，其傳播速度是確定的

空氣：344

m/s自來(lái)水：1430

m/s海水：1500

m/s鋼鐵：5800

m/s超聲波縱波在氣體中的傳播速度最低，液體次之，固體最高在固體中，橫波聲速為縱波的一半，表面波聲速為橫波聲速的90%物體距離工件厚度液體液位流體流速超聲波傳感器工作原理192從激發(fā)到接收的時(shí)間探頭布置方式193超聲波在空氣中的傳播速度受溫度影響v——超聲波傳播速度M——?dú)怏w的摩爾質(zhì)量r——?dú)怏w的定壓比熱Cp與定容比熱Cv之比T——熱力學(xué)溫度誤差影響因素1941）移動(dòng)機(jī)器人測(cè)距和避障2）汽車?yán)走_(dá)3）材料厚度、密度、液位4）流速、流量5）……5、應(yīng)用1953.4光學(xué)式傳感原理和敏感元件1963.4光電式敏感元件197

光電傳感器被測(cè)量

光電式敏感元件是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的元件，物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。

光學(xué)信號(hào)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、非接觸、高可靠性、高精度、反應(yīng)快

定義198光照射到物質(zhì)上引起其電特性發(fā)生變化的現(xiàn)象

電子發(fā)射電導(dǎo)率電位電流1、光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)外光電效應(yīng)199物質(zhì)受到光照后，內(nèi)部電子逸出物體表面的現(xiàn)象，也稱為光電發(fā)射效

應(yīng)，多發(fā)生于金屬和金屬氧化物。光電管光電倍增管外光電效應(yīng)服從以下規(guī)律光譜成分不變時(shí)，光電流的大小與入射光的強(qiáng)度成正比入射光子的能量E大于該物質(zhì)的表面逸出功A0

紅限波長(zhǎng)1）外光電效應(yīng)200

物質(zhì)受到光照后所產(chǎn)生的光電子只在物質(zhì)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，而不會(huì)逸出物質(zhì)外部的現(xiàn)象，多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。光電導(dǎo)效應(yīng)：某些物體受到光照時(shí)，其內(nèi)部原子釋放的電子留在物體內(nèi)部而使得物體的導(dǎo)電性增加，電阻值下降。光敏電阻光生伏特效應(yīng)：某些物體受到光照時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)。光電池光敏二極管光敏三極管2）內(nèi)光電效應(yīng)201光敏元件外光電效應(yīng)真空光電管光電倍增管內(nèi)光電效應(yīng)光敏電阻光電池光電晶體管光敏二極管光敏三極管PIN光電二極管雪崩光電二極管......2、光敏元件202

光電管由一個(gè)陰極和一個(gè)陽(yáng)極構(gòu)成，密封在一只真空玻璃管內(nèi)。陰極裝在玻璃管內(nèi)壁上，其上涂有光電發(fā)射材料。陽(yáng)極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管的中央。1）光電管203

當(dāng)入射光很弱時(shí)，光電管產(chǎn)生的光電流很弱（零點(diǎn)幾μA），不易檢測(cè)，誤差也大。

2）光電倍增管204光敏電阻是利用光電導(dǎo)效應(yīng)原理工作的在無(wú)光照時(shí)，光敏電阻呈高阻態(tài)（MΩ級(jí)），回路中僅有微弱的電流。在有光照時(shí)，內(nèi)部電子從價(jià)帶越過禁帶躍遷到導(dǎo)帶，并在價(jià)帶留下空穴，從而使得載流子（電子-空穴對(duì)）濃度增加，導(dǎo)電性能增強(qiáng)，電阻值下降（kΩ級(jí)）。利用檢流計(jì)可以檢測(cè)到電流隨光照強(qiáng)度的變化（或者測(cè)量負(fù)載電阻的壓降），即，光照越強(qiáng)，光敏電阻的阻值越小，回路中的電流越大。1-玻璃窗口2-光電導(dǎo)層3-電極4-陶瓷基座5-金屬殼6-黑色絕緣玻璃7-引線3）光敏電阻205種類很多：如硫化鎘、硫化鉛、硫化鉈、硒化鎘、硒化鉛等。由于材料、工藝不同，其光電性能也相差很大。（1）暗電阻、暗電流：光敏電阻在無(wú)光照時(shí)所測(cè)得的電阻值稱為暗電阻，此時(shí)在給定工作電壓下流過的電流稱為暗電流。（2）亮電阻、亮電流：光敏電阻在有光照時(shí)的電阻值稱為亮電阻，此時(shí)在給定工作電壓下流過的電流稱為亮電流。（3）光電流：亮電流與暗電流之差稱為光電流。光敏電阻的暗電阻越大，亮電阻越小，即暗電流小而亮電流大，因而其靈敏度越高。實(shí)際用的光敏電阻，其暗電阻一般為1～100MΩ，而亮電阻則在幾千歐以下，可見光敏電阻的靈敏度是相當(dāng)高的。主要特性206利用光生伏特效應(yīng)直接將光能轉(zhuǎn)換為電能硅光電池、硒光電池、鍺光電池、砷化鎵光電池、氧化亞銅光電池短路電流、負(fù)載電壓、開路電壓硅光電池結(jié)構(gòu)圖4）光電池207（1）光敏二極管在無(wú)光照時(shí)，處于截止?fàn)顟B(tài)，反向飽和電流極??；當(dāng)受到光照時(shí)，產(chǎn)生光生載流子，反向飽和電流增加約1000倍；極好的線性，更好的頻率特性。5）光敏晶體管208（2）光敏三極管

當(dāng)光照射到集電極（c）和基極（b）的PN結(jié)時(shí)，產(chǎn)生的光電子在反向偏壓下流向集電極，空穴流向基極，形成由集電極到發(fā)射極的電流（相當(dāng)于普通三極管的基極電流Ib），同時(shí)使發(fā)射極和基極之間的正向偏壓升高，于是便有大量電子經(jīng)基極流向集電極，形成集電極電流Ic。結(jié)果表現(xiàn)為，基極電流被放大了，因而光敏三極管比光敏二極管具有更高的靈敏度。ceb光NNP光敏晶體管209PIN結(jié)光電二極管（PIN-PD）雪崩光電二極管陣列式結(jié)型光電器件位置敏感器件四象限光電池CCD和CMOS圖像傳感器6）其他類型光敏元件210LASER：LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation“受激輻射放大產(chǎn)生的光”主要特點(diǎn)：方向性好：發(fā)散角很?。s0.18o），比普通光小2~3數(shù)量；亮度高：能量高度集中，比普通光高幾百萬(wàn)倍單色性好：光譜范圍極小，He-Ne激光:

λ=632.8nm,

Δλ=10-6

nm相干性好：受激輻射，傳播方向/振動(dòng)方向/頻率/相位一致時(shí)間相干性、空間相干性均好3、激光傳感器211光與物質(zhì)的共振作用處于高能級(jí)E2的原子是不穩(wěn)定的，在沒有外界影響時(shí)也會(huì)自發(fā)地向低能級(jí)E1躍遷，同時(shí)發(fā)射出能量為h??的光子處于低能級(jí)E1的原子在頻率為??的光子激勵(lì)下，完全吸收光子能量而躍遷到高能級(jí)E2的過程受激輻射是與受激吸收相反的過程，即處于高能級(jí)E2的原子在頻率為??的光子作用下，躍遷到低能級(jí)E1，并發(fā)射一個(gè)能量為h??的光子受激輻射光子與入射光子屬于同一光子態(tài)，結(jié)果是使外來(lái)的光強(qiáng)得到放大

1）激光產(chǎn)生原理212兩個(gè)矛盾在熱平衡狀態(tài)下，受激輻射的比例很小在熱平衡狀態(tài)下，受激吸收過程通常大于受激輻射解決方案粒子數(shù)反轉(zhuǎn)與光放大光的自激振蕩從外界提供能量（激勵(lì)或泵浦過程）存在亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)激光產(chǎn)生的條件213工作波段：紅外激光器、可見光激光器、紫外激光器等；工作方式：連續(xù)激光器、脈沖激光器、超短脈沖激光器；工作介質(zhì)：固體激光器、氣體激光器、半導(dǎo)體激光器等。2）典型激光器214紅寶石（Cr3+:Al2O3）激光器：694.3nm摻釹釔鋁石榴石（Nd3+:YAG）激光器：1.06μｍ

釹玻璃激光器

：1.06μｍ、1.37μｍ?yè)解佀{(lán)寶石（Ti3+:Al2O3）激光器：680~1180nm，具有寬的調(diào)諧范圍，因而是最具應(yīng)用價(jià)值的激光器之一固體激光器的特點(diǎn)是輸出能量大，峰值功率高，結(jié)構(gòu)緊湊，牢固耐用。傳統(tǒng)的固體激光器是以氣體放電燈作為泵浦源，其主要缺點(diǎn)是效率低、噪聲大、穩(wěn)定性差。全固態(tài)激光器以半導(dǎo)體激光二極管作為泵浦源，具有效率高、體積小、穩(wěn)定性好等許多有點(diǎn)，因而近年來(lái)發(fā)展及其迅速。固體激光器215氦氖（He-Ne）激光器：0.6328μｍ、1.15μｍ、3.39μｍ二氧化碳（CO2）激光器：10.6μｍ和9.6μｍ氬離子（Ar+）激光器：譜線豐富，400多條，488nm、514.5nm

氣體激光器是目前品種最多、應(yīng)用最廣泛的一類激光器。譜線范圍寬（譜線不下萬(wàn)余條，從亞毫米波到真空紫外線，甚至X射線、

射線），輸出功率大（如CO2激光器的輸出功率可達(dá)數(shù)十萬(wàn)瓦），光束質(zhì)量好（單色性、相干性、方向性和穩(wěn)定性均優(yōu)于固體激光器和半導(dǎo)體激光器），轉(zhuǎn)換效率高（CO2激光器的轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到20-25%）。氣體激光器216

半導(dǎo)體激光器是半導(dǎo)體材料作為工作介質(zhì)的激光器。它們具有效率高（70%以上，理論效率可接近100%），波段范圍覆蓋最廣，可以高速調(diào)制（高達(dá)GHz），并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、價(jià)格低廉、壽命長(zhǎng)（幾十萬(wàn)乃至百萬(wàn)小時(shí)）

激光二極管（Laserdiode，LD）發(fā)展非常迅速，因其具有更小的體積，更加低廉的成本，在機(jī)器人傳感等許多領(lǐng)域都獲得了十分廣泛的應(yīng)用。其中，紅外激光二極管可以避免造成光污染，因而在機(jī)器人導(dǎo)航和避障中被大量使用。目前，最常用的波長(zhǎng)包括808nm、850nm和940nm，是人眼不可見波長(zhǎng)。半導(dǎo)體激光器217

紅外傳感器被測(cè)量利用紅外線的物理性質(zhì)進(jìn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)的傳感器電信號(hào)4、紅外傳感器218紅外線是特定區(qū)段的電磁波，其波長(zhǎng)范圍為：0.76~1000

μｍ1）紅外輻射219基爾霍夫定律物體向周圍發(fā)射紅外輻射時(shí)，同時(shí)也吸收周圍物體發(fā)射的紅外輻射。如果幾個(gè)物體處于同一溫度場(chǎng)中，各物體的熱發(fā)射本領(lǐng)正比于它的吸收本領(lǐng)。為物體在單位時(shí)間和單位面積內(nèi)輻射出的輻射能為物體輻射吸收度為常數(shù)，為黑體在相同條件下輻射出的輻射能黑體：在任何情況下對(duì)一切波長(zhǎng)的入射輻射吸收率都等于1的物體2）紅外輻射的基本定律220斯蒂芬-玻爾茲曼定律

物體溫度越高，發(fā)射的紅外輻射能越多，在單位時(shí)間內(nèi)其單位面積輻射的總能量與溫度的四次方成正比。黑度系數(shù)，即物體表面輻射本領(lǐng)與黑體輻射本領(lǐng)之比值斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)物體的熱力學(xué)溫度紅外輻射的基本定律221維恩位移定律

紅外輻射的電磁波中，包含著各種波長(zhǎng)，其峰值輻射波長(zhǎng)與物體自身的絕對(duì)溫度成反比。

隨著溫度的升高，其峰值波長(zhǎng)向短波方向偏移，在溫度不是很高的情況下，峰值輻射波長(zhǎng)在紅外區(qū)域。紅外輻射的基本定律222紅外衰減氣體分子水蒸氣固體顆粒塵埃吸收散射紅外吸收極性分子非極性分子H2O、CO2、O3、NO、CH4、CON2、O2、H21~2.5

μｍ3~5

μｍ8~14

μｍ

大氣窗口3）大氣窗口223透射式被動(dòng)式：被測(cè)物體本身就是紅外輻射源，利用紅外敏感元件測(cè)量物體的輻射強(qiáng)度/溫度，或者進(jìn)行熱成像。主動(dòng)式：利用紅外輻射源對(duì)物體進(jìn)行照射，使紅外輻射被吸收、反射或者透射，從而導(dǎo)致物體自身或者紅外光性質(zhì)發(fā)生變化，再利用外敏感元件組成進(jìn)行檢測(cè)。反射式4）紅外傳感器分類224熱探測(cè)器：利用紅外輻射的熱效應(yīng)工作

探測(cè)原理物體吸收紅外輻射

自身溫度升高

有關(guān)物理參數(shù)（如阻值）變化通過測(cè)量該物理參數(shù)的變化來(lái)確定探測(cè)器所吸收的紅外輻射常用的熱電探測(cè)器有熱敏電阻型、熱電偶型、高萊氣動(dòng)型及熱釋電型5）紅外探測(cè)器225主要優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)波段寬，響應(yīng)范圍可擴(kuò)展到整個(gè)紅外區(qū)域可在常溫下工作，使用方便，應(yīng)用相當(dāng)廣泛主要缺點(diǎn)

熱敏材料的熱效應(yīng)需要一定的平衡時(shí)間，因此，熱敏電阻型、熱電偶型和高萊氣動(dòng)型熱電探測(cè)器的響應(yīng)速度慢，響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)熱電紅外傳感器226鐵電體：材料極化后，去除電場(chǎng)仍能保持極化狀態(tài)，這類材料稱為鐵電體，例如磷酸三甘肽，壓電材料熱釋電效應(yīng)：鐵電體的極化強(qiáng)度與溫度有關(guān)。當(dāng)受熱發(fā)生溫度變化時(shí)，鐵電體內(nèi)的正負(fù)電荷中心將發(fā)生相對(duì)位移，從而使其極化強(qiáng)度降低，這相當(dāng)于釋放一部分電荷，因而稱為熱釋電效應(yīng)測(cè)量方法：將鐵電體與負(fù)載電阻相連，則可以測(cè)得該負(fù)載電阻上的電輸出壓信號(hào)注意事項(xiàng)：輸出信號(hào)的強(qiáng)弱取決于鐵電體溫度變化的快慢；作為紅外探測(cè)器，其響應(yīng)正比于入射光輻射變化的速率，不適宜測(cè)量恒定紅外輻射熱釋電紅外傳感器227利用紅外輻射的光電效應(yīng)原理

靈敏度高，響應(yīng)速度快，具有較寬的響應(yīng)頻率

探測(cè)波段較窄，一般需在低溫下工作，光電紅外傳感器的靈敏度是依賴于傳感器自身的溫度。要得到較高的靈敏度，就必須將光電紅外傳感器冷卻至較低的溫度。通常采用的冷卻劑為液氮光電紅外傳感器228光敏元件外光電效應(yīng)真空光電管光電倍增管內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)傳感器光生伏特傳感器紅外二極管紅外三極管光電磁傳感器

要產(chǎn)生外光電效應(yīng)，要求入射光子具有較高的能量，只適宜工作在近紅外輻射區(qū)域

當(dāng)紅外輻射照射在某些半導(dǎo)體材料的表面時(shí)，材料表面的電子和空穴將向內(nèi)擴(kuò)散，在擴(kuò)散中若受強(qiáng)磁場(chǎng)的作用，電子和空穴則各偏向一邊，因而產(chǎn)生開路電壓。光敏元件229

紅外測(cè)溫、紅外成像、紅外遙感、紅外測(cè)距工業(yè)：溫度測(cè)量、氣體成分分析、厚度測(cè)量、以及無(wú)損探傷、自動(dòng)開關(guān)居家：自動(dòng)電燈開關(guān)、自動(dòng)水龍頭開關(guān)、自動(dòng)門開關(guān)機(jī)器人：搜索跟蹤、避障、紅外測(cè)距、紅外成像尋跡小車可以根據(jù)不同顏色對(duì)于紅外反射作用的差異（深色吸收強(qiáng)，反射弱），實(shí)現(xiàn)尋跡、避障等功能。紅外測(cè)距主要是依據(jù)紅外線從發(fā)射到碰到障礙物被反射回來(lái)的時(shí)間不同，并按照其傳播速度來(lái)計(jì)算距離。紅外成像是利用紅外相機(jī)接收物體發(fā)出的紅外輻射信號(hào)，然后將其轉(zhuǎn)換成熱像信號(hào)，再通過計(jì)算機(jī)處理成圖像。通過紅外成像技術(shù)得到物體表面的溫度分布圖，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的檢測(cè)和識(shí)別。6）紅外傳感器的應(yīng)用230歷史沿革與“機(jī)器人三準(zhǔn)則”：根據(jù)文獻(xiàn)，機(jī)器人（Robot）一詞可溯源于20世紀(jì)20年代初捷克作家卡雷爾·凱佩克（KarelCapek）的科幻劇作《羅薩姆的萬(wàn)能機(jī)器人》（“R.U.R.Rossum’sUniversalRobots”）。1950年著名科幻作家阿西莫夫（IsaacAsimov）在《我，機(jī)器人》（“I,Robot”）中提出了著名的“機(jī)器人三準(zhǔn)則”：1）機(jī)器人不得傷害人類，也不允許它看到人類將受到傷害而袖手旁觀；2）機(jī)器人必須服從人類的指令，除非這些指令與第一條相違背；3）機(jī)器人必須保護(hù)自己不受傷害，除非這與第一條或第二條相違背。機(jī)器人三準(zhǔn)則的核心思想是確保機(jī)器人不會(huì)對(duì)人類造成任何傷害并保護(hù)人類的生命和財(cái)產(chǎn)安全。20世紀(jì)中葉世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人誕生，標(biāo)志著機(jī)器人已不再是科幻小說中的虛構(gòu)角色，它達(dá)到了實(shí)用階段并真正進(jìn)入了人類社會(huì)。20世紀(jì)80年代以來(lái)，伴隨著相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)方面的研究和應(yīng)用越來(lái)越深入而廣泛。目前機(jī)器人已成為一個(gè)重要的學(xué)科方向，并形成了一個(gè)欣欣向榮的產(chǎn)業(yè)。機(jī)器人概述

231機(jī)器人的定義：目前國(guó)際上還未有統(tǒng)一和普適性的定義。我國(guó)科學(xué)家對(duì)機(jī)器人的定義是：機(jī)器人是一種自動(dòng)化的機(jī)器，所不同的是，這種機(jī)器具備與人或生物相似的智能能力，例如感知能力、規(guī)劃能力、動(dòng)作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動(dòng)化機(jī)器。機(jī)器人的分類：從應(yīng)用環(huán)境角度出發(fā)，我國(guó)將機(jī)器人分為工業(yè)機(jī)器人和特種機(jī)器人兩類。國(guó)際上從應(yīng)用環(huán)境角度出發(fā)，機(jī)器人的分類與我國(guó)類似，也分為兩類，即制造業(yè)工業(yè)機(jī)器人和非制造業(yè)服務(wù)與仿人機(jī)器人。從機(jī)器人的移動(dòng)性角度出發(fā)，機(jī)器人可分為固定機(jī)器人和移動(dòng)機(jī)器人兩類。固定機(jī)器人也常稱為半移動(dòng)機(jī)器人，以應(yīng)用于制造業(yè)的機(jī)械臂為典型代表，機(jī)器人主體被安裝在某一固定位置，但其關(guān)節(jié)或某些部件可移動(dòng)并可進(jìn)行相關(guān)的操作。而移動(dòng)機(jī)器人的主體則可在各個(gè)方向上移動(dòng)（運(yùn)動(dòng)），例如各種仿人/仿生機(jī)器人、無(wú)人機(jī)、水下機(jī)器人、物流機(jī)器人、搜救機(jī)器人、防爆機(jī)器人和月球/火星探測(cè)機(jī)器人等。機(jī)器人概述

232感知自身的狀態(tài)：機(jī)器人需要通過傳感器監(jiān)測(cè)機(jī)器人本身（包括機(jī)器人主體及其各個(gè)部件）的狀態(tài)，例如當(dāng)前機(jī)器人是否處于工作狀態(tài)？處于何種工作狀態(tài)？機(jī)器人本體及各個(gè)部件是否工作正常？各個(gè)部件相對(duì)于本體處于什么位置？機(jī)器人本體或各個(gè)部件是否處于運(yùn)動(dòng)中？運(yùn)動(dòng)速度如何？移動(dòng)方向如何等。獲取環(huán)境信息以實(shí)現(xiàn)交互：機(jī)器人需要通過傳感器獲取與任務(wù)相關(guān)的環(huán)境信息，以使機(jī)器人和環(huán)境發(fā)生良好的交互，適應(yīng)環(huán)境并順利完成既定的任務(wù)。例如自主移動(dòng)機(jī)器人需基于各傳感器測(cè)量所獲信息需確定自身在環(huán)境中的位置（即實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自身的定位），搞清楚行進(jìn)方向上是否有障礙物以及障礙物與機(jī)器人之間的相對(duì)位置（即實(shí)現(xiàn)環(huán)境目標(biāo)物定位）。若該機(jī)器人還需實(shí)現(xiàn)抓取和裝配等任務(wù)，則還需要利用相應(yīng)的傳感器獲得目標(biāo)物的相對(duì)位置、目標(biāo)物的圖像、是否與目標(biāo)物接觸、機(jī)器人與目標(biāo)物相互間作用力為多少等信息。機(jī)器人傳感器需要實(shí)現(xiàn)的功能233機(jī)器人傳感器概貌234高精度和高實(shí)時(shí)性高可靠性和高環(huán)境適應(yīng)性高兼容性和高適配性傳感器重量、體積和成本機(jī)器人對(duì)傳感器的基本性能要求235從仿生和功能需求角度而言，對(duì)于機(jī)器人視覺、聽覺和觸覺/力覺等重要感知需求，目前已有不少商品化和實(shí)用化傳感器，其性能也已能基本滿足大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用的要求；對(duì)于機(jī)器人測(cè)距/定位/導(dǎo)航方面的需求，目前亦有機(jī)器視覺、激光測(cè)距儀/激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、超聲波傳感器陣列/超聲雷達(dá)以及全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GlobalNavigationSatelliteSystem,簡(jiǎn)記GNSS）等多種方案或產(chǎn)品可供選擇，并在不同的應(yīng)用場(chǎng)景下取得了很好的測(cè)量效果；對(duì)于機(jī)器人嗅覺和味覺方面的感知需求，雖有一定的進(jìn)展，但整體而言研究還較為薄弱，突破性的進(jìn)展還較少。成熟傳感器種類少且功能還較為簡(jiǎn)單。機(jī)器人傳感器現(xiàn)狀經(jīng)過幾十年的研究和發(fā)展，機(jī)器人傳感技術(shù)已取得了很大的進(jìn)展。目前機(jī)器人傳感技術(shù)的發(fā)展水平還未達(dá)到人們的預(yù)期?，F(xiàn)有機(jī)器人僅具有有限的感知能力，要想達(dá)到“人類”或“擬人/仿生”目標(biāo)還有相當(dāng)?shù)穆芬?，仍有不少科學(xué)與工程問題亟待突破。236充分利用現(xiàn)有成熟的傳感原理或測(cè)量方法結(jié)合相關(guān)新技術(shù)研發(fā)性能更好的傳感器；研究新型敏感材料；充分利用各種先進(jìn)信息處理方法和多傳感器信息融合技術(shù)以提升測(cè)量性能和智能化水平研究仿生傳感機(jī)理研究極端條件或惡劣環(huán)境下的機(jī)器人傳感技術(shù)……機(jī)器人傳感技術(shù)主要發(fā)展趨勢(shì)237浙江大學(xué)歡迎您！238機(jī)器人傳感技術(shù)—第4章

定位與測(cè)距傳感器1提綱：定位與測(cè)距概述三角測(cè)量法和多邊測(cè)量法激光測(cè)距與定位傳感器1）基于ToF的激光測(cè)距與定位傳感器2）基于三角測(cè)量法的激光測(cè)距與定位傳感器3）激光雷達(dá)、ToF攝像機(jī)和結(jié)構(gòu)光攝相機(jī)4）激光測(cè)距與定位傳感器應(yīng)用中需注意的問題240定義：測(cè)距(RangingSensing)是確定機(jī)器人與環(huán)境物體的距離。定位(Positioning/Localization)則相對(duì)復(fù)雜一點(diǎn)，是確定機(jī)器人與環(huán)境物體的相對(duì)（或絕對(duì)）坐標(biāo)。分類：按測(cè)距或定位過程中是否利用了視覺信息，機(jī)器人測(cè)距和定位可分為視覺測(cè)距或定位和非視覺測(cè)距或定位。本章主要介紹非視覺測(cè)距和定位傳感器。本章主要介紹目前實(shí)現(xiàn)測(cè)距和定位廣泛采用的基于激光、聲學(xué)敏感原理和毫米波雷達(dá)的測(cè)距/定位技術(shù)以及全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GlobalNavigationSatelliteSystem,簡(jiǎn)記GNSS）。定位與測(cè)距概述

241測(cè)距與定位的物理機(jī)制：傳感器或系統(tǒng)主要以聲音或電磁波為信號(hào)源。聲音信號(hào)包括日常的可聽聲波、超聲波和水下聲納波等。電磁波信號(hào)依據(jù)不同的頻率波段可分為好多種，常用的主要有可見光、紅外、激光、毫米波、導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)、射頻以及各種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)（例如Wi-Fi和藍(lán)牙）等。依據(jù)聲波或電磁波在空間中傳播時(shí)間信息利用方式的不同，相應(yīng)的傳感器或系統(tǒng)可分為渡越時(shí)間（TimeofFlight,簡(jiǎn)記ToF，為聲波或電磁波傳播的時(shí)間或時(shí)延，也常稱為飛行時(shí)間）、信號(hào)到達(dá)時(shí)間（TimeofArrival，簡(jiǎn)記ToA，為信號(hào)到達(dá)相應(yīng)探測(cè)傳感器的時(shí)間）以及信號(hào)到達(dá)時(shí)間差(TimeDifferenceofArrival，簡(jiǎn)記TDoA，為信號(hào)到達(dá)不同探測(cè)傳感器的時(shí)間差)等三類。由于聲波或電磁波在傳播過程中信號(hào)的強(qiáng)度將會(huì)衰減，基于接收到信號(hào)強(qiáng)度（ReceivedSignalStrength,簡(jiǎn)記RSS）也是一種獲取距離和位置信息的有效途徑。242三角測(cè)量法原理

三角測(cè)量法和多邊測(cè)量法243多邊測(cè)量法基本原理多邊測(cè)量法（Multilateration）是一種基于距離信息進(jìn)行坐標(biāo)解算從而實(shí)現(xiàn)被測(cè)物定位的方法。

多邊測(cè)量法原理圖244

有兩種可能性：內(nèi)部與外部245

246多邊測(cè)量法是定位的基本方法。由于被測(cè)物是客觀存在，非線性方程組的解必然是存在的。非線性方程組求解過程中一般不需要考慮解的存在性問題，需要重點(diǎn)關(guān)注的是：解的唯一性解的穩(wěn)定性多年實(shí)踐表明：1）優(yōu)化這n個(gè)測(cè)距傳感器的布局；2）構(gòu)建合適的方程求解算法（數(shù)值解或解析解算法）3）提高測(cè)距傳感器測(cè)距準(zhǔn)確度是保證非線性方程具有唯一而穩(wěn)定的解的有效途徑。合理綜合運(yùn)用這些途徑，多邊測(cè)量法在實(shí)際定位應(yīng)用過程中能獲得理想的定位效果。247

激光測(cè)距與定位傳感器248

脈沖控制單元脈沖激光器激光探測(cè)器（光電轉(zhuǎn)化+信號(hào)調(diào)理）

被測(cè)物249

激光器（產(chǎn)生經(jīng)過調(diào)制的連續(xù)激光光波）激光探測(cè)器