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机器人是如何知轻重的全靠传感器来实现 传感器常见问题解决方法

时间:2020-07-24    来源:仪多多仪器网    作者:仪多多商城     

人体具有压觉,人体皮肤深层结构内存在大量压力感受器。当机械刺激导致皮肤变形时,会引起感受器及神经末梢变形,压力感受器进入兴奋状态,引起神经末梢发出神经冲动,传入大脑皮层感觉区产生压觉。

 

机器的压觉来自各种压力传感器(Pressure Transducer)。压力传感器是能感受压力信号,并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的电信号的器件或装置,通常由基于不同物理效应的压力敏感元件和信号处理单元组成。下面介绍几种常见的压力传感器。

 

1. 基于金属电阻应变效应的压力传感器,我们知道,金属导体的电阻值R与电阻率ρ和导体长度L成正比,与截面积S成反比。当金属导体受力而产生拉伸或压缩等机械变形时,L和S都会发生改变,从而引起电阻值发生变化,这种现象称为金属的电阻应变效应。从图中可以看出,当金属导体受到拉力F作用时产生了拉伸变形,长度由L变为L+ΔL,面积由S缩小到S’,从而导致该导体电阻值增大。

 

利用金属的电阻应变效应可以制作压力传感器的感压元件——金属电阻应变片,常用的有金属丝式和金属箔式两种类型。下面的图给出一种金属丝电阻应变片的基本结构,由电阻丝式敏感栅、基底、覆盖层和引线四部分构成。电阻应变式压力传感器的工作电流大,输出信号也大,灵敏度就高。但工作电流过大会使应变片过热,甚至烧毁应变片。金属箔敏感珊与基底的接触面积比金属丝大,因此散热条件好,工作电流可取得更大一些。

 

2. 基于压阻效应的压力传感器,1954年美国材料学家C.S 史密斯在对硅和锗的电阻率与应力变化特性测试时发现,当受到外力作用时电阻率会发生变化,这种现象称为压阻效应。利用半导体的压阻效应制作的压力传感器的感压元件称为半导体电阻应变片,其灵敏系数比金属电阻应变片大几十倍,且机械滞后小,但温度稳定性和线性度比金属电阻应变片差得多。

 

在我们的日常生活中,随处可以发现压阻材料的应用。例如,一种称为压敏导电橡胶的压阻材料,在不受力时如同绝缘体,但施压时其电阻随着压力的增加而变小。利于这个特点,可以制作各种压控开关。无压力时压敏导电橡胶是绝缘体,如同开关断开;当压力达到某阈值时,其电阻大大降低,压敏导电橡胶转变为导体,如同开关接通。

 

金属的电阻应变效应与半导体的压阻效应都表现为感压元件的电阻随外力的变化而改变,两者的区别是:前者的电阻变化是截面和长度等结构尺寸变化所致,而后者的电阻变化是电阻率变化所致。

 

3. 基于压电效应的压力传感器,1880年,两位年轻的法国科学家兄弟皮埃尔·居里(Pierre Curie)和他的哥哥雅克·居里(Jacques Curie)发现晶体具有一个特殊性质:当沿一定方向对满足一定对称性的晶体材料施加外力时,晶体材料会发生形状改变,同时其两个相对的表面上会出现正负相反的电荷,电荷量与受力大小成正比;当作用力的方向改变时,电荷的极性也随着改变;当外力撤掉后,它又会恢复不带电状态。这个性质称为晶体的压电效应。

 

晶体是否具有压电效应,是由晶体结构的对称性所决定的。以石英晶体为例,从下图以看出,当没有外力作用时,石英晶体的结构对称性使其内部正负电荷的作用相互抵消,对外呈不带电状态。当在外力的作用下发生形状改变时,其结构对称性发生改变,内部正负电荷的作用不再相互抵消,出现了电极化,对外呈现带电状态。

 

利用压电效应可以制作压电传感器。常用的压电材料有压电陶瓷、压电晶体、压电复合材料等,其应用遍及我们日常生活和高新技术领域的方方面面。例如,打火机、煤气灶、热水器、汽车等的点火要用到压电点火器,雷达、通信和导航设备中需要大量压电陶瓷滤波器,医学领域利用压电材料进行免疫检测、制作人工耳蜗等。

 

 

 

 

 

 

 

 

(来源:网络,版权归原作者)

电子秤出现以下几种现象,需怀疑是称重传感器的故障:
  
  (1)电子秤不显示零,显示屏不断闪烁。
  
  (2)电子秤显示零以后,在加放砝码,不显示称量数字。
  
  (3)电子秤空载或加载时,显示的数字不稳定,漂移或者跳变。
  
  (4)电子秤称量不准确,显示的称量数字与加放的砝码数量不一致。
  
  (5)电子秤重复性不好,加放同一砝码,有时称量准确,有时称量不准确。
  
  以上几种现象都有可能是称重传感器的故障。将需要判断的传感器从系统中单独摘除,分别测量输入阻抗、输出阻抗。输入阻抗正常值为380Ω,输出阻抗正常值为350Ω,如果测量数据不在此范围内,该传感器已经损坏。如输入阻抗、输出阻抗有断路,可先检查传感器信号电缆有无断开的地方,当信号电缆完好时,则为传感器应变片被烧毁,通常是因为有大电流进入传感器造成的。当测量输入阻抗、输出阻抗阻值不稳定时,可能为信号线绝缘层破裂,绝缘性能下降,或传感器受潮,使桥路同弹性体绝缘不好。传感器的零点输出信号值,一般在(-3mv~2mv)之间。如果远远超出此标准范围,可能是传感器使用中过载而造成弹性体塑性变形,使传感器无法使用。如无零点信号或零点输出信号很小,可能为称重传感器内的应变片已从弹性体上脱落或有支撑物支撑秤体造成。
  
电子秤更换电子秤传感器步骤如下:
  
  1)打开传感器(损坏的)上方盖板,用千斤顶顶起秤台,取下传感器地线。
  
  2)打开接线盒,将损坏的传感器电缆线与接线盒解脱。在传感器端抽出电缆线。注意:在抽线时,附上一根引线穿过秤体,以便在更换新传感器时,便电缆线穿越秤体进入接线盒。
  
  3)参照上述第二项的方法,将传感器电缆线穿越秤体进入接线盒。
  
  4)按照接线图将电缆线各芯线固定在接线盒对应的接线柱上。
  
  5)松开千斤顶,放平秤台,盖上盖板。
  
  6)更换传感器后,须对汽车衡重新设定和校正。
  
  7)传感器安装完后,其多余电缆线应扎成捆放置,不得直接放置在基础地面上。
  
  8)为保证传感器的一致性和互换性,传感器电缆线不得随意截断。
  
  9)安装和拆卸过程中,不得出现划伤、磕碰传感器现象,并要保护好电缆线。  

温度传感器工作原理

  温度有四种主要类型:热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器(RTD)和IC温度传感器。IC温度传感器又包括模拟输出和数字输出两种类型。

  1、热电偶的工作原理

  当有两种不同的导体和半导体A和B组成一个回路,其两端相互连接时,只要两结点处的温度不同,一端温度为T,称为工作端或热端,另一端温度为TO,称为自由端(也称参考端)或冷端,则回路中就有电流产生,即回路中存在的电动势称为热电动势。这种由于温度不同而产生电动势的现象称为塞贝克效应。与塞贝克有关的效应有两个:其一,当有电流流过两个不同导体的连接处时,此处便吸收或放出热量(取决于电流的方向),称为珀尔帖效应;其二,当有电流流过存在温度梯度的导体时,导体吸收或放出热量(取决于电流相对于温度梯度的方向),称为汤姆逊效应。两种不同导体或半导体的组合称为热电偶。热电偶的热电势EAB(T,T0)是由接触电势和温差电势合成的。接触电势是指两种不同的导体或半导体在接触处产生的电势,此电势与两种导体或半导体的性质及在接触点的温度有关。温差电势是指同一导体或半导体在温度不同的两端产生的电势,此电势只与导体或半导体的性质和两端的温度有关,而与导体的长度、截面大小、沿其长度方向的温度分布无关。无论接触电势或温差电势都是由于集中于接触处端点的数不同而产生的电势,热电偶测量的热电势是二者的合成。当回路断开时,在断开处a,b之间便有一电动势差△V,其极性和大小与回路中的热电势一致。并规定在冷端,当电流由A流向B时,称A为正极,B为负极。实验表明,当△V很小时,△V与△T成正比关系。定义△V对△T的微分热电势为热电势率,又称塞贝克系数。塞贝克系数的符号和大小取决于组成热电偶的两种导体的热电特性和结点的温度差。

  目前,国际委员会(IEC)推荐了8种类型的热电偶作为标准化热电偶,即为T型、E型、J型、K型、N型、B型、R型和S型。

  2、热电阻的工作原理

  导体的电阻值随温度变化而改变,通过测量其阻值推算出被测物体的温度,利用此原理构成的传感器就是电阻温度传感器,这种传感器主要用于-200—500℃温度范围内的温度测量。纯金属是热电阻的主要制造材料,热电阻的材料应具有以下特性:①电阻温度系数要大而且稳定,电阻值与温度之间应具有良好的线性关系。

  ②电阻率高,热容量小,反应速度快。

  ③材料的复现性和工艺性好,价格低。

  ④在测温范围内化学物理特性稳定。

  目前,在工业中应用广泛的铂和铜,并已制作成标准测温热电阻

  3、红外温度传感器

  在自然界中,当物体的温度高于绝对零度时,由于它内部热运动的存在,就会不断地向四周辐射电磁波,其中就包含了波段位于0、75~100μm的红外线,红外温度传感器就是利用这一原理制作而成的。

  SMTIR9901/02是荷兰SmartecCompany生产的一款现在市场上应用比较广的红外传感器,它是基于热电堆的硅基红外传感器。大量的热电偶堆集在底层的硅基上,底层上的高温接点和低温接点通过一层极薄的薄膜隔离它们的热量,高温接点上面的黑色吸收层将入射的放射线转化为热能,由热电效应可知,输出电压与放射线是成比例的,通常热电堆是使用BiSb和NiCr作为热电偶。此外,SMT9902sil内部嵌入以Ni1000温度传感器和一小视角的硅滤片,使得测量温度更加的准确。因为红外辐射特性与温度相关,可以使用不同的滤镜来测量不同的温度范围。成熟的半导体工艺是产品小型化,低成本化。为了满足某些应用,红外传感器开口视角可以设计成小至7°。

  4、模拟温度传感器

  常见的模拟温度传感器有LM3911、LM335、LM45、AD22103电压输出型、AD590电流输出型。

  AD590是美国模拟器件公司的电流输出型温度传感器,供电电压范围为3~30V,输出电流223μA(-50℃)~423μA(+150℃),灵敏度为1μA/℃。当在电路中串接采样电阻R时,R两端的电压可作为输出电压。注意R的阻值不能取得太大,以保证AD590两端电压不低于3V。AD590输出电流信号传输距离可达到1km以上。作为一种高阻电流源,最高可达20MΩ,所以它不必考虑选择开关或CMOS多路转换器所引入的附加电阻造成的误差。适用于多点温度测量和远距离温度测量的控制。

  5、逻辑输出型温度传感器

  设定一个温度范围,一旦温度超出所规定的范围,则发出报警信号,启动或关闭风扇、空调、加热器或其它控制设备,此时可选用逻辑输出式温度传感器。LM56、MAX6501-MAX6504、MAX6509/6510是其典型代表。

  LM56是NS公司生产的高精度低压温度开关,内置1、25V参考电压输出端。最大只能带50μA的负载。电压从2、7~10V,工作电流量大230μA,内置传感器的灵敏度为6、2mV/℃,传感器输出电压为6、2mV/℃×T+395mV。

  6、数字式温度传感器

  它采用硅工艺生产的数字式温度传感器,其采用PTAT结构,这种半导体结构具有精确的,与温度相关的良好输出特性。PTAT的输出通过占空比比较器调制成数字信号,占空比与温度的关系如下式:DC=0、32+0、0047*t,t为摄氏度。输出数字信号故与微处理器MCU兼容,通过处理器的高频采样可算出输出电压方波信号的占空比,即可得到温度。该款温度传感器因其特殊工艺,分辨率优于0、005K。测量温度范围-45到130℃,故广泛被用于高精度场合。

标签: 温度传感器
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