陀螺仪工作原理

 

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MEMS陀螺仪并不是最早应用在消费电子上的运动传感器,加速度传感器、电子罗盘早先一步进入了消费电子市场。虽然以重力为参照的加速度传感器和以地磁为参照的电子罗盘可以在地球表面形成垂直和水平面的三维空间覆盖,但因为二者均以地球而并非物体本身为参照物,因此不能很好地模拟物体的整个运动过程。此外,由于加速度传感器容易受到线性运动时产生的力的干扰、电子罗盘容易受到诸如金属及手机等其他磁场的干扰,其应用受到了很大的局限。陀螺仪这个测量角速度的传感器不仅以物体本身作为参照物,而且具有很高的精度,因此可以对其他运动传感器做有益的补充,从而使得运动检测更加完备。

 

任天堂的Wii最初采用了三轴(X、Y、Z)加速度传感器,后来又增加了陀螺仪。“任天堂早就知道光有三轴加速度传感器是不够的。只是当时市面上还没有消费电子级别的陀螺仪可以使用,直到Invensense推出了第一款用于消费电子的MEMS陀螺仪。”Invensense移动产品事业部系统工程总监林尚宏表示。这一情况也发生在了苹果CEO乔布斯的身上。在2010年6月iPhone 4的发布会上,乔布斯亲自演示了陀螺仪带来的侦测出物体水平方向旋转的创新应用—这一应用是单独基于其他运动传感器无法实现的。因此,通过了解陀螺仪的工作原理,我们可以切身体会到任天堂和苹果对陀螺仪曾经的企盼,而且也可以帮助国内的消费电子终端厂商巧妙地应用该器件以实现多样化的创新应用。

 

陀螺仪可以对加速度传感器和电子罗盘进行有益的补充。当三轴陀螺仪加上三轴加速度传感器形成六轴的运动传感器之后,基本上可以检测到所有形式的运动,包括速度、方向、位移等参数。“物体的运动无外乎六种,X、Y、Z三个方向的位移和X、Y、Z三个方向的转动。这六种运动方式组成了物体完整的运动轨迹。” Invensense移动产品事业部副总裁姜正耀表示。如果在六轴运动传感器上加上电子罗盘,则在检测运动轨迹的同时还可以修正绝对位置,实现完美的物体运动轨迹跟踪。因此,未来陀螺仪的进一步发展应用,是和加速度传感器及电子罗盘紧密联系的。

 

加速度传感器相当于一个重锤在中间的弹簧系统,四面八方有弹簧撑着它。平放在桌面时,有的弹簧被拉长,有的被压扁。变化时,不同的弹簧受到不同的压缩,从而侦测出不同方向的力。它的典型应用包括手机/相机画面水平和垂直的切换。

 

电子罗盘主要侦测地磁。常见的电子罗盘主要基于霍尔效应。但是地磁环境不完美,比如地磁的南极在地球不同的表面不一定指的同一个北方;而在地球不同纬度,地磁的方向和水平方向的夹角也不同。因此电子罗盘只能指一个大致的方向,然后进行修正。此外,电子罗盘还容易受到如金属、扬声器、天线等磁场的干扰。尤其是应用在手机上时,需要特别小心地在PCB上选一个合适的位置。

陀螺仪侦测的是角速度。基于科里奥利力的原理:当一个物体在坐标系中直线移动时,假设坐标系做一个旋转,那么在旋转的过程中,物体会感受到一个垂直的力和垂直方向的加速度。“台风的形成就是基于这个原理。地球转动带动大气转动,如果大气转动时受到一个切向力,便容易形成台风。而北半球和南半球台风转动的方向是不一样的。”林尚宏用一个形象的比喻解释了科里奥利力的原理。而要在MEMS器件中实现该原理做成陀螺仪,则复杂许多。“先用MEMS做一个震动系统,通过快速稳定的震动产生一个线性的运动V,当V的平面有一个旋转的拓扑出来的时候,就可以检测出科里奥利力的方向,根据公式可以算出角速度。用不同方向的震动来侦测出X、Y、Z轴的角速度,并可通过稳定的震荡去掉重力的干扰。”林尚宏解释道。

陀螺仪工作原理

图2:MEMS陀螺仪工作原理模拟图示

 

“加速度传感器和电子罗盘以地球为参照物进行方向的侦测。加速度传感器侦测物体和重力角度的差异,电子罗盘侦测物体和北方角度的差异,如果侦测到地心和北方,就能定三轴。但是加速度传感器不光侦测重力,所有各个方向的力都会被侦测到;而电子罗盘侦测的磁场会被其他磁场所干扰。因此二者在检测物体运动时,有很多不足的地方。陀螺仪的参照物是自己本身,因此可以侦测出物体转换位置的过程。如果物体平放不动的时候,则只要使用加速度传感器或电子罗盘就够了。通过上述原理,我们可以把几种传感器配合使用,比如相互做精度校正,或一起完备地侦测出物体的运动方向和轨迹等。”林尚宏表示。

陀螺仪工作原理

表一:常见传感器使用概况与分析

 

陀螺仪开启消费电子创新应用

陀螺仪的出现,给了消费电子很大的应用发挥空间。比如就设备输入的方式来说,在键盘、鼠标、触摸屏之后,陀螺仪又给我们带来了手势输入,由于它的高精度,甚至还可以实现电子签名;还比如让智能手机变得更智慧:除了移动上网、快速处理数据外,还能“察言观色”,知道主人在哪里,兴趣是什么,并提供相应的服务。除了以上几种,还有很多应用领域值得厂商们去探索。林尚宏推荐了下面几种创新的应用方式供参考。

 

1. 游戏

可通过陀螺仪实现高速游戏,如高尔夫、羽毛球和斗剑等。这些游戏要侦测到很快速的挥动,这对目前的加速度传感器来说,是很大__的挑战。“泰格•伍兹挥杆时,杆头在0.2s内达到180km/s的速度,这相当于瞬间的加速度达到11个重力加速度。现在面向消费电子类的加速度传感器测量范围达不到这么大。如果利用陀螺仪则可以精确地侦测到这个快速挥动,挥杆时杆头角速度约为1,800°/s,相当于1s挥5~6圈,这在陀螺仪角速度侦测范围内,因此可以很好地模拟出这个游戏的真实场景。”林尚宏表示。

另一种如射击类游戏要求设备保持不动,然后做很细微的调整后进行射击。这种游戏要求高精度和低干扰,现有的加速度传感器不能达到该要求。林尚宏举例说,“我们假设射击游戏的误差角度为±5°,换算给加速度传感器后,cos5°相当于3~4‰的重力加速度,现有的加速度传感器精度达不到这个量级,没法瞄准射击。陀螺仪可以侦测到很细微的手的抖动,干扰也很低,拿着10s不动时偏移才0.05°左右,很适合用于这种瞄准的游戏。”

 

2. 人机界面

在人机界面领域,陀螺仪也可以进行很好的创新。早在两三年前,罗技就在其鼠标上添加陀螺仪和加速度传感器实现指示器(激光笔)的功能。现在,通过陀螺仪,可以在消费电子产品上实现手势的输入,比如在空中写字,或者通过晃动、振荡等方式实现手势对设备功能的控制。陀螺仪对角速度的侦查很精准,甚至还可以实现识别签名等生物特征,因此可以用手势签信用卡、支票,实现E Cash的应用。“手势控制的另一个好处是可以为消费电子省电。当你依靠手势进行某些功能的控制时,不需要开启屏幕背光。例如打电话给爸爸,握着手机在空中写一个‘D’,手机就自动拨号给爸爸,而不需点亮屏幕进行拨号,这种方式可以大大节省屏幕背光的耗电量。”林尚宏补充道。

 

3. 定位功能

利用陀螺仪可以对GPS和电子罗盘进行补充。例如在隧道或停车场等地,GPS会丢失信号,这时陀螺仪可以根据车子运动的方向和速度,辅助盲区导航;在立交桥等立体道路上,GPS无法识别汽车在哪一层,陀螺仪则可以通过侦测到汽车上坡的动作,根据速度推算汽车到了第几层。盲区导航功能如果用加速度传感器来实现,需要先去除重力加速度,测得线性加速度,再根据车速推算车的行径轨迹,运算起来比较复杂;而如果用电子罗盘来实现盲区导航时,则容易出现漂移,需要对导航仪画“8”字形进行校正,从而识别和去掉杂磁。这个校正的动作对司机来说很不方便,但如果配合陀螺仪使用,则可以在很小的位移范围内快速实现电子罗盘的校正。

除了汽车导航外,还可以通过陀螺仪实现行人盲区导航。不过林尚宏指出,行人的盲区导航比车子的盲区导航更难,因为车子的运行相对简单,而行人将设备放在不同位置时测得的数据相差很大,例如放腰部和放腿部检测到的信号跳动不一样,需要传感器滤波。实现行人的盲区导航是一项浩大的工程,目前还正在探讨过程中。

 

4. 影像防手震

目前有两种实现方式,一是EIS(电子防手震),另一种是OIS(光学防手震)。陀螺仪目前已经被广泛使用在了EIS上,通过两轴陀螺仪检测到手震动,快速实现几次重复拍照,然后把手震动前后拍下的照片中影像重复的地方切下来。如果配合电子罗盘使用,还可以做到绝对位置的修正。“用陀螺仪实现防手震有很多好处,比如精确,使得图片叠加的质量更好;陀螺仪检测到的是摄像头本身的震动,可以与物体的震动区分开来,避免误操作;同时还可以与其他传感器做配合等。”林尚宏指出。姜正耀则表示,影像防抖动的功能即将被应用到手机中去。“陀螺仪应用在游戏机中时,只需要6%的精度就够用,而手机需要的精度高很多。Invensense现在有1%精度的产品供手机使用,在2011年上半年,就将有实现了影像防抖动技术的手机面市。”他介绍道。当手机借助陀螺仪实现了EIS之后,对可视电话功能有很大的帮助。因为影像抖动时,数据量很大,陀螺仪对影像进行防抖处理后数据量将大幅减少,再传输时既可以节省无线带宽,又可提高帧幅,从而优化视频的清晰度和流畅度。

 

此外,还可以实现计步器应用,以及通过摄像头将设备的运动和实景相结合等应用。

 

陀螺仪工作原理

表二:传感器在消费电子中的应用

 

市场部分陀螺仪方案简介

目前市面上的陀螺仪产品有很多种,如Invensense在单芯片上嵌入三轴旋转传感器的整合性陀螺仪ITG-3200;内置了三轴陀螺仪与数字运动处理(DMP)硬件加速引擎,并具有第二条I2C接口来连接外置加速度传感器,以执行完整的六轴融合算法的IMU-3000;以及运动感测范围最广达250~2,000°/s、内置16位模/数转换器、1%精确度、内置六轴融合算法、首个面向智能手机应用的MPU-3000。“2010年第四季度Invensense还将推出加速度传感器与陀螺仪集成的产品MPU6000,这是一个单芯片的六轴产品。”姜正耀表示。

 

Invensense将陀螺仪和ADC、DMP等模块集成单芯片的工艺很复杂,芯片的上面是MEMS晶圆,下面是CMOS晶圆,中间进行整合。在MEMS中,需要很多结构同时震动,并保证震动发生的空间密封且空气密度稳定,同时震动要厚、稳、重、快,不受强力和外界噪音的影响,此外,还需考虑漂移及温度补偿等因素。“Invensense推出了一系列面向消费电子应用价格为2~4美金的运动感测组件,通过将MEMS工艺与COMS工艺相整合,可在MEMS层实现运动传感,在CMOS层加入ADC、硬件加速处理等逻辑。这样我们可以在传感器器件本身实现诸如积分等数据处理,再转交给主处理器读取,可以节省主处理器和I2C资源。如果按传统的做法,将传感器的数据交给主处理器处理的话,每个传感器则需要占据200HZ的处理器资源。”林尚宏介绍道。

 

在功耗优化方面,Invensense采取了多模式组合的方式。例如在手机实现电视遥控功能时,关掉Y轴;在使用防手震时关掉Z轴;计步的时候,将处理器休眠;手势控制时,关掉屏幕背光灯。这样对不同的应用做不同的处理,通过关掉一轴或者两轴,来达到省电的目的。

 

除了Invensense的产品,市面上还有意法半导体的L3G系列数字陀螺仪,其测量范围可达30~6,000°/s。意法的运动传感器产品在苹果终端中得到了大范围的应用,其三轴陀螺仪有望进一步入驻iPad。此外村田、EPSON也有单轴的陀螺仪产品。

加速度传感器原理

加速度传感器可以帮助你的机器人了解它现在身处的环境。是在爬山?还是在走下坡,摔倒了没有?或者对于飞行类的机器人来说,对于控制姿态也是至关重要的。更要确保的是,你的机器人没有带着炸弹自己前往人群密集处。一个好的程序员能够使用加速度传感器来回答所有上述问题。加速度传感器甚至可以用来分析发动机的振动。

通过测量由于重力引起的加速度,你可以计算出设备相对于水平面的倾斜角度。通过分析动态加速度,你可以分析出设备移动的方式。但是刚开始的时候,你会发现光测量倾角和加速度好像不是很有用。但是,现在工程师们已经想出了很多方法获得更多的有用的信息。

有些笔记本电脑里就内置了加速度传感器,能够动态的监测出笔记本在使用中的振动,并根据这些振动数据,系统会智能的选择关闭硬盘还是让其继续运行,这样可以最大程度的保护由于振动,比如颠簸的工作环境,或者不小心摔了电脑做造成的硬盘损害,最大程度的保护里面的数据。另外一个用处就是目前用的数码相机和摄像机里,也有加速度传感器,用来检测拍摄时候的手部的振动,并根据这些振动,自动调节相机的聚焦。

加速度传感器可应用在控制,手柄振动和摇晃,仪器仪表,汽车制动启动检测,地震检测,报警系统,玩具,结构物、环境监视,工程测振、地质勘探、铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析;鼠标,高层建筑结构动态特性和安全保卫振动侦察上。

加速度传感器工作原理

线加速度计的原理是惯性原理,也就是力的平衡,A(加速度)=F(惯性力)/M(质量)我们只需要测量F就可以了。怎么测量F?用电磁力去平衡这个力就可以了。就可以得到 F对应于电流的关系。只需要用实验去标定这个比例系数就行了。当然中间的信号传输、放大、滤波就是电路的事了。

现代科技要求加速度传感器廉价、性能优越、易于大批量生产。在诸如军工、空间系统、科学测量等领域,需要使用体积小、重量轻、性能稳定的加速度传感器。以传统加工方法制造的加速度传感器难以全面满足这些要求。于是应用新兴的微机械加工技术制作的微加速度传感器应运而生。这种传感器体积小、重量轻、功耗小、启动快、成本低、可靠性高、易于实现数字化和智能化。而且,由于微机械结构制作精确、重复性好、易于集成化、适于大批量生产,它的性能价格比很高。可以预见在不久的将来,它将在加速度传感器市场中占主导地位。
微加速度传感器有压阻式、压电式、电容式等形式。

压电式传感器是利用弹簧质量系统原理。敏感芯体质量受振动加速度作用后产生一个与加速度成正比的力,压电材料受此力作用后沿其表面形成与这一力成正比的电荷信号。压电式加速度传感器具有动态范围大、频率范围宽、坚固耐用、受外界干扰小以及压电材料受力自产生电荷信号不需要任何外界电源等特点,是被最为广泛使用的振动测量传感器。虽然压电式加速度传感器的结构简单,商业化使用历史也很长,但因其性能指标与材料特性、设计和加工工艺密切相关,因此在市场上销售的同类传感器性能的实际参数以及其稳定性和一致性差别非常大。与压阻和电容式相比,其最大的缺点是压电式加速度传感器不能测量零频率的信号。

加速度传感器原理

压电式加速传感器的结构如图所示。在两块表面镀银的压电晶片(石英晶体或压电 陶瓷)间夹1片金属薄片,并引出输出信号的引线。在压电晶片上放置1块质量块,并用硬弹 簧对压电元件施加预压缩载荷。静态预载荷的大小应远大于传感器在振动、冲击测试中可能 承受的最大动应力。这样,当传感器向上运动时,质量块产生的惯性力使压电元件上的压应力 增加;反之,当传感器向下运动时,压电元件的压应力减小,从而输出与加速度成正比例的电 信号。

传感器整个组件装在一个原基座上,并用金属壳体加以封罩。为了隔离试件的任何应变 传递到压电元件上去,基座尺寸较大。测试时传感器的基座与测试件刚性连接。当测试件的振动频率远低于传感器的谐振频率时,传感器输出电荷(或电压)与测试件的加速度成正比,经 电荷放大器或电压放大器即可测出加速度。

      应变压阻式加速度传感器的敏感芯体为半导体材料制成电阻测量电桥,其结构动态模型仍然是弹簧质量系统。现代微加工制造技术的发展使压阻形式敏感芯体的设计具有很大的灵活性以适合各种不同的测量要求。在灵敏度和量程方面,从低灵敏度高量程的冲击测量,到直流高灵敏度的低频测量都有压阻形式的加速度传感器。同时压阻式加速度传感器测量频率范围也可从直流信号到具有刚度高,测量频率范围到几十千赫兹的高频测量。超小型化的设计也是压阻式传感器的一个亮点。需要指出的是尽管压阻敏感芯体的设计和应用具有很大灵活性,但对某个特定设计的压阻式芯体而言其使用范围一般要小于压电型传感器。压阻式加速度传感器的另一缺点是受温度的影响较大,实用的传感器一般都需要进行温度补偿。在价格方面,大批量使用的压阻式传感器成本价具有很大的市场竞争力,但对特殊使用的敏感芯体制造成本将远高于压电型加速度传感器。

电容型加速度传感器的结构形式一般也采用弹簧质量系统。当质量受加速度作用运动而改变质量块与固定电极之间的间隙进而使电容值变化。电容式加速度计与其它类型的加速度传感器相比具有灵敏度高、零频响应、环境适应性好等特点,尤其是受温度的影响比较小;但不足之处表现在信号的输入与输出为非线性,量程有限,受电缆的电容影响,以及电容传感器本身是高阻抗信号源,因此电容传感器的输出信号往往需通过后继电路给于改善。在实际应用中电容式加速度传感器较多地用于低频测量,其通用性不如压电式加速度传感器,且成本也比压电式加速度传感器高得多。

加速度传感器可应用在控制,手柄振动和摇晃,仪器仪表,汽车制动启动检测,地震检测,报警系统,玩具,结构物、环境监视,工程测振、地质勘探、铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析;鼠标,高层建筑结构动态特性和安全保卫振动侦察上。

目前,大部分设备都提供了可以检测各个方向的加速度传感器。以iOS设备为例,我们利用了其三轴加速度传感器(x,y,z轴代表方向如图)的特性来分析。分别用以检测人步行中三个方向的加速度变化。

加速度传感器原理

三轴加速度传感器示意图

用户在水平步行运动中,垂直和前进两个加速度会呈现周期性变化,如图所示。在步行收脚的动作中,由于重心向上单只脚触地,垂直方向加速度是呈正向增加的趋势,之后继续向前,重心下移两脚触底,加速度相反。水平加速度在收脚时减小,在迈步时增加。

加速度传感器原理

反映到图表中,可以看到,在步行运动中,垂直和前进产生的加速度与时间大致为一个正弦曲线,而且在某点有一个峰值。其中,垂直方向的加速度变化最大,通过对轨迹的峰值进行检测计算和加速度阀值决策,即可实时计算用户运动的步数,还可依此进一步估算用户步行距离。

加速度传感器原理

计步的合理算法

因为用户在运动中可能用手平持设备,或者将设备置于口袋中。所以,设备的放置方向不定。为此,通过计算三个加速度的矢量长度,我们可以获得一条步行运动的正弦曲线轨迹。

第二步是峰值检测,我们记录了上次矢量长度和运动方向,通过矢量长度的变化,可以判断目前加速度的方向,并和上一次保存的加速度方向进行比较。如果是相反的,即是刚过峰值状态,则进入计步逻辑进行计步,否则舍弃。通过对峰值的次数累加,可得到用户步行的步伐。

最后,就是去干扰。手持设备会有一些低幅度和快速的抽动状态,或是我们俗称的手抖,或者某个恶作剧用户想通过短时快速反复摇动设备来模拟人走路,这些干扰数据如果不剔除,会影响记步的准确值,对于这种干扰,我们可以通过给检测加上阀值和步频判断来过滤。

人体红外感应传感器

==工作原理==

人体都有恒定的体温,一般在37度,所以会发出特定波长10UM左右的红外线,被动式红外探头就是靠探测人体发射的10UM左右的红外线而进行工作的。人体发射的10UM左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件,这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡,向外释放电荷,后续电路经检测处理后就能产生报警信号。

==热释电效应==

当一些晶体受热时,在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷。这种由于热变化而产生的电极化现象称为热释电效应。

==菲涅耳透镜==

根据菲涅耳原理制成,菲涅耳透镜分为折射式和反射式两种形式,其作用一是聚焦作用,将热释的红外信号折射(反射)在PIR上;二是将检测区内分为若干个明区和暗区,使进入检测区的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号,这样PIR就能产生变化电信号。使热释电人体红外传感器(PIR)灵敏度大大增加。

==规格参数==

# 工作电压范围:4.5-20V
# 静态电流:小于50uA

# 输出:有信号输出高电平(3.3V左右),无信号输出低电平(0.4V左右)

# 触发方式:L不可重复触发/H重复触发(默认重复触发)

# 电路板外形尺寸:32mm*24mm

# 感应角度:<100度锥角

# 感应透镜尺寸:直径:23mm(默认)

# 触发时间、灵敏度可调
# 常用于做防盗器等设备

==模块特性==

1、这种探头是以探测人体辐射为目标的。所以热释电元件对波长为10UM左右的红外辐射必须非常敏感。

2、为了仅仅对人体的红外辐射敏感,在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲泥尔滤光片,使环境的干扰受到明显的控制作用。

3、被动红外探头,其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元。而且制成的两个电极化方向正好相反,环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用,使其产生释电效应相互抵消,于是探测器无信号输出。

4、一旦人侵入探测区域内,人体红外辐射通过部分镜面聚焦,并被热释电元接收,但是两片热释电元接收到的热量不同,热释电也不同,不能抵消,经信号处理而报警。

5、菲泥尔滤光片根据性能要求不同,具有不同的焦距(感应距离),从而产生不同的监控视场,视场越多,控制越严密。

==安装说明==

红外线热释电人体传感器只能安装在室内,其误报率与安装的位置和方式有极大的关系,正确的安装应满足下列条件:

  1.红外线热释电传感器应离地面2.0-2.2米。

  2.红外线热释电传感器远离空调, 冰箱,火炉等空气温度变化敏感的地方。

  3.红外线热释电传感器探测范围内不得隔屏、家具、大型盆景或其他隔离物。

  4.红外线热释电传感器不要直对窗口,否则窗外的热气流扰动和人员走动会引起误报,有条件的最好把窗帘拉上。红外线热释电传感器也不要安装在有强气流活动的地方。

  红外线热释电传感器对人体的敏感程度还和人的运动方向关系很大。热释电红外传感器对于径向移动反应最不敏感, 而对于横切方向 (即与半径垂直的方向)移动则最为敏感. 在现场选择合适的安装位置是避免红外探头误报、求得最佳检测灵敏度极为重要的一环。

===接线图===

人体红外感应传感器

===例子程序===

int PIR  =9;              //定义DIGITAL 9为PIR(红外热释电传感器)

 

int led  =13;             //定义DIGITAL 13为led(发光模块)

 

int time =0;

 

void setup()

 

{

 

pinMode(led,OUTPUT);       //设置led为数字输出

 

pinMode(PIR,INPUT);        //设置PIR为数字输入

}

 

void loop()

{

 

if(digitalRead(PIR))        //如果有人通过

 

digitalWrite(led,HIGH);       //发光模块点亮

 

else

 

digitalWrite(led,LOW);       //发光模块熄灭

}

 

===程序效果===

检测到人体后,LED灯亮起

人体红外感应传感器

==可能存在的问题==

容易受各种热源、光源干扰

被动红外穿透力差,人体的红外辐射容易被遮挡,不易被探头接收。

易受射频辐射的干扰。

环境温度和人体温度接近时,探测和灵敏度明显下降,有时造成短时失灵

一文读懂烟雾传感器

某天早晨7:46,从济南发车开往温州的G63次高铁列车平稳行驶在轨道中,但没过多久,有乘客察觉列车行驶速度变慢了,“时速从200多公里降到100多公里。”同在车上的陈先生这样说。后来经调查,原来是有乘客在车厢厕所内吸烟造成列车减速行驶。

一文读懂烟雾传感器

现在动车、列车、飞机等交通工具中都装有烟雾报警传感器。在动车、列车行驶过程中,如果被烟雾传感器察觉到有烟雾存在,它便会第一时间向驾驶室发出报警信号,与此同时也会出现车内控制系统自动让列车行驶速度降低或者甚至停车状况的发生。

一文读懂烟雾传感器

烟雾传感器用于检测环境是否有烟雾和烟雾的浓度,例如检测起火时的浓烟。烟雾探头碰到烟雾或某些特定的气体,烟雾探头内部阻值发生变化,产生一个模拟值,从而对其进行控制。烟雾传感器利用烟雾敏感元件受烟雾(主要是可燃颗粒)浓度影响阻值变化的原理向主机发送烟雾浓度相应的模拟信号。

烟雾传感器的种类

烟雾传感器主要有离子式烟雾传感器、光电式烟雾传感器和气敏式烟雾传感器。

 

离子式烟雾传感器

该烟雾报警器内部采用离子式烟雾传感,离子式烟雾传感器是一种技术先进,工作稳定可靠的传感器,被广泛运用到各消防报警系统中。

一文读懂烟雾传感器

它在内外电离室里面有放射源镅241,电离产生的正、负离子,在电场的作用下各自向正负电极移动。在正常的情况下,内外电离室的电流、电压都是稳定的。一旦有烟雾窜逃外电离室。干扰了带电粒子的正常运动,电流,电压就会有所改变,破坏了内外电离室之间的平衡,于是无线发射器发出无线报警信号,通知远方的接收主机,将报警信息传递出去。

一文读懂烟雾传感器

此类探测器会产生由不带电的粒子经电离后形成带电的粒子(离子),故称之为离子型烟雾探测器。

电极之间的空气受直流电压调制,借助辐射源产生传到而形成离子,并产生电流。烟雾粒子附着离子后,电流信号减弱,且此信号变化与烟雾粒子量成比例。离子探测器适用于开放性火灾的探测。

 

光电式烟雾传感器

光电烟雾报警器内有一个光学迷宫,安装有红外对管,无烟时红外接收管收不到红外发射管发出的红外光,当烟尘进入光学迷宫时,通过折射、反射,接收管接收到红外光,智能报警电路判断是否超过阈值,如果超过发出警报。

一文读懂烟雾传感器

光电感烟探测器可分为减光式和散射光式:

1、减光式光电烟雾探测器

该探测器的检测室内装有发光器件及受光器件。在正常情况下,受光器件接收到发光器件发出的一定光量;而在有烟雾时,发光器件的发射光到受到烟雾的遮挡,使受光器件接收的光量减少,光电流降低,探测器发出报警信号。

2、散射光式光电烟雾探测器

该探测器的检测室内也装有发光器件和受光器件。在正常情况下,受光器件是接收不到发光器件发出的光的,因而不产生光电流。在发生火灾时,当烟雾进入检测室时,由于烟粒子的作用,使发光器件发射的光产生漫射,这种漫射光被受光器件接收,使受光器件的阻抗发生变化,产生光电流,从而实现了烟雾信号转变为电信号的功能,探测器收到信号然后判断是否需要发出报警信号。

一文读懂烟雾传感器

该型传感器内部构造(探测腔)设置了光学传感器(发射光源和光电接收器),烟雾进入探测腔会阻挡光的发射而产生散射,光电接收器会接收到由于光的散射而产生变化的信号,继而产生电流信号的改变。

 

气敏式烟雾传感器

气敏传感器是一种检测特定气体的传感器。它主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等,其中用的最多的是半导体气敏传感器。它的应用主要有:一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂(R11、R12)的检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等。

一文读懂烟雾传感器

它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号,根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息,从而可以进行检测、监控、报警;还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。

一文读懂烟雾传感器

其中气敏传感器有以下几种类型:

1、可燃性气体气敏元件传感器, 包含各种烷类和有机蒸气类(VOC)气体, 目前大量应用于抽油烟机、泄漏报警器和空气清新机;

2、一氧化碳气敏元件传感器, 一氧化碳气敏元件可用于工业生产、环保、汽车、家庭等一氧化碳泄漏和不完全燃烧检测报警;

3、氧传感器, 氧传感器应用很广泛, 在环保、医疗、冶金、交通等领域需求量很大;

4、毒性气体传感器,主要用于检测烟气、尾气、废气等环境污染气体。

气敏式烟雾传感器的典型型号有MQ-2气体传感器。该传感器常用于家庭和工厂的气体泄漏装置,适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等的探测。

离子式烟雾传感器与光敏式烟雾传感器的比较

离子烟雾报警器对微小的烟雾粒子的感应要灵敏一些,对各种烟能均衡响应;而前向式光电烟雾报警器对稍大的烟雾粒子的感应较灵敏,对灰烟、黑烟响应差些。当发生熊熊大火时,空气中烟雾的微小粒子较多,而闷烧的时候,空气中稍大的烟雾粒子会多一些。

一文读懂烟雾传感器

如果火灾发生后,产生了大量的烟雾的微小粒子,离子烟雾报警器会比光电烟雾报警器先报警。这两种烟雾报警器时间间隔不大,但是这类火灾的蔓延极快,此类场所建议安装离子烟雾报警器较好。另一类闷烧火灾发生后,产生了大量的稍大的烟雾粒子,光电烟雾报警器会比离子烟雾报警器先报警,这类场所建议安装光电烟雾报警器。

气敏式烟雾传感器与离子式烟雾传感器的比较

火灾烟雾是由气、液、固体微粒群组成的混合物,具有体积、质量、温度、电荷等物理特性。离子型烟雾探测器是通过相当于烟敏电阻的电离室引起的电压变化来感知烟雾粒子的微电流变化装置。当烟雾粒子进入电离室,改变了电离室空气的电离状态,从而宏观表现为电离室的等效电阻增加引起电离室两端的电压增大,由此来确定空气中的烟雾状况。

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而气敏式传感器是探测空气中某些可燃气体的成分,所以在火灾探测方面,气敏式传感器性能并不如离子式传感器。探测空气中可燃气体的含量。有效地探测煤气、液化石油气、然气、一氧化碳等多种可燃性气体的微量泄漏。适用于石油、化工、煤炭、电力、冶金、电子等工业企业,以及煤气厂、液化石油气站、氢气站等生产和贮存可燃性气体的场所。

烟雾传感器在火灾预防联网系统中的应用

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联网烟雾报警器采用光电式或离子式烟雾传感器的报警器工作稳定可靠,性能远优于气敏电阻类的火灾报警器。联网烟雾报警器可用于对各类早期火灾发出的烟雾及时做出报警,产品体积小巧,并且可把无线发射和火灾烟雾传感器有机地结合。联网烟雾报警器主要适用于酒店、库房、宾馆、餐厅、旅社、工厂、油田井队、活动板房等公共场所。当探测到空气中的烟雾达到一定的浓度时,立即发出报警信号,有效预防火灾,避免生命的损失,财产损耗。

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联网烟雾报警器可单独使用,在使用时先在欲监控的厅室的天花板上固定它的安装底座,本报警器内接上电池,再将它旋入安装底座。工作状态下,一旦探测到防范空间的烟雾浓度和持续时间达到报警值时,立即蜂鸣器鸣响报警。联网烟雾报警器与无线防盗报警系统配套时,安装和使用与单独使用一样。

联网烟雾报警器报警时,还会同时发射无线信号给无线防盗报警主机,报警主机无论是处于布防还是撤防状态都会做出报警反应。这种使用方式,报警范围更广,家中无人时发生火警也能及时掌握,以便第一时间做出反应。

烟雾传感器在宾馆火灾自动报警系统中的应用

宾馆是供国内外旅客住宿、就餐和举行各种会议、宴会的场所。现代化的宾馆一般都具有多功能、综合性的特点,集餐饮、住宿、娱乐、购物为一体,很容易引发火灾。火灾自动报警系统,对于及早发现火灾和对火灾进行早期的扑灭,最大化地减小火灾造成人员伤亡、经济损失及不良的社会影响起着重要的作用。

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对于宾馆类建筑,为了精确预报失火位置,最大限度减小探测器的误报率,选用感烟探测器、感温探测器来组成区域火灾探测器网络。客房内卧室、书房、餐厅、会客室使用带蜂鸣器底座探测器,客房内任意区域探测器向控制室发出火灾报警信号同时触发蜂鸣器发出蜂鸣声,提醒处于熟睡或工作状态的客人快速撤离。

感烟式火灾探测器是利用一个小型烟雾传感器响应悬浮在其周围附近大气中的燃烧和(或)热解产生的烟雾气溶胶(固态或液态微粒)的一种火灾探测器。一般有离子式和光电感烟火灾探测器。

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以光电式感烟探测器为例,光电式感烟探测器有由一个烟雾检测室,里面设有一个光源和一个感光元件。光源的光线一般不能照射到感光元件上,但是当有烟雾进入后,光线在烟雾中产生散射,从而有部分光线射到感光元件上,烟雾越浓,散射到感光元件上的光线就越多,感光元件再把光信号转换为电信号进行输出火灾控制器。

车载烟雾传感器在汽车火灾预防中的关键应用

一文读懂烟雾传感器

近年来,汽车火灾事故时有发生,给国家和人民的生命财产造成了巨大的损失,教训是深刻的,目前汽车火灾事故已经成为媒体舆论的焦点,社会各界对此广泛关注。

特别是城市公交车和长途大巴车由于采用空调系统使得人们处于一个相对封闭的环境,给火灾处理和人员逃离都带来了很多的不便,控制火灾的发生和先期的预警就显得尤为重要。因此,抓好火灾预防必须借助于高科技防火灾产品在其汽车领域上的运用,将其灾情早期发现并控制消灭在隐患萌芽中。

对于火灾烟雾方面的监测,通常主要采用烟雾传感器与温度传感器,其中烟雾传感器主要有离子式、光电式和气敏式等几类。

一文读懂烟雾传感器

近年来,随着气体传感技术的发展,气体传感器和传统火灾探测器相结合的探测技术,已广泛应用于汽车火灾烟雾探测领域。

因火灾发生时气体燃烧产物主要为CO和CO2,CO做为极早期火灾的特有标志,由于一般情况下CO在空气中的含量极低,但是在火灾过程中,几乎每种物质均要产生不充分燃烧的CO,特别是阴燃阶段的火灾更是如此。

由火灾孕育到剧烈燃烧CO经历由无到有,由小到大,然后逐渐减小的规律性变化过程,而且CO比空气密度小,更容易更早漂浮实现早期预警。因此CO适合于火灾早期探测,这对于较早的时间捕捉到火灾发生信息非常重要。

超声波传感器的工作原理及应用

人们能听到声音是由于物体振动产生的,它的频率在20HZ-20KHZ范围内,超过20KHZ称为超声波,低于20HZ的称为次声波。常用的超声波频率为几十KHZ-几十MHZ。

超声波传感器的工作原理及应用

超声波是一种在弹性介质中的机械振荡,有两种形式:横向振荡(横波)及纵向振荡(纵波)。在工业中应用主要采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体 中传播,其传播速度不同。另外,它也有折射和反射现象,并且在传播过程中有衰减。在空气中传播超声波,其频率较低,一般为几十KHZ,而在固体、液体中则 频率可用得较高。在空气中衰减较快,而在液体及固体中传播,衰减较小,传播较远。利用超声波的特性,可做成各种超声传感器,配上不同的电路,制成各种超声测量仪器及装置,并在通迅,医疗家电等各方面得到广泛应用。

超声波传感器主要材料有压电晶体(电致伸缩)及镍铁铝合金(磁致伸缩)两类。电致伸缩的材料有锆钛酸铅(PZT)等。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器,它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波,同时它接收到超声波时,也能转变成电能,所以它可以分成发送器或接收器。有的超声波传感器既作发送,也能作接收。这里仅介绍小型超声波传感器,发送与接收略有差别,它适用于在空气中传播,工作频率一般为23-25KHZ及40-45KHZ。这类传感器适用于测距、遥控、防盗等用途。该种有T/R-40-60,T/R-40-12等 (其中T表示发送,R表示接收,40表示频率为40KHZ,16及12表示其外径尺寸,以毫米计)。另有一种密封式超声波传感器(MA40EI型)。它的 特点是具有防水作用(但不能放入水中),可以作料位及接近开关用,它的性能较好。超声波应用有三种基本类型,透射型用于遥控器,防盗报警器、自动门、接近开关等;分离式反射型用于测距、液位或料位;反射型用于材料探伤、测厚等。

由发送传感器(或称波发送器)、接收传感器(或称波接收器)、控制部分与电源部分组成。发送器传感器由发送器与使用直径为15mm左右的陶瓷振子换能器组成,换能器作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中辐 射;而接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成,换能器接收波产生机械振动,将其变换成电能量,作为传感器接收器的输出,从而对发送的超进行检测.而实 际使用中,用作发送传感器的陶瓷振子也可以用作接收器传感器社的陶瓷振子。控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。

 工作程式 

若对发送传感器内谐振频率为40KHz的压电陶瓷片(双晶振子)施加40KHz高频电压,则压电陶 瓷片就根据所加高频电压极性伸长与缩短,于是发送40KHz频率的超声波,其超声波以疏密形式传播(疏密程度可由控制电路调制),并传给波接收器。接收器 是利用压力传感器所采用的压电效应的原理,即在压电元件上施加压力,使压电元件发生应变,则产生一面为“+ ”极,另一面为“-”极的40KHz正弦电 压。因该高频电压幅值较小,故必须进行放大。 超声波传感器使得驾驶员可以安全地倒车,其原理是利用探测倒车路径上或附近存在的任何障碍物,并及时发出警告。所设计的检测系统可以同时提供声光并茂的听觉和视觉警告,其警告表示是探测到了在盲区内障碍物的距离和方向。这样,在狭窄的地方不管是泊车还是开车, 借助倒车障碍报警检测系统,驾驶员心理压力就会减少,并可以游刃有余地采取必要的动作。

 系统构成 

发送传感器 ( 或称波发送器 ) 、接收传感器 ( 或称波接收器 ) 、控制部分与电源部分组成。发送器传感器由发送器与使用直径为 15mm 左右的陶瓷振 子换能器组成,换能器作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中辐射;而接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成,换能器接收波产生机械振动, 将其变换成电能量,作为传感器接收器的输出,从而对发送的超进行检测 . 而实际使用中,用发送传感器的陶瓷振子的也可以用做接收器传感器社的陶瓷振子。 控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。超声波传感器电源 ( 或称信号源 ) 可 用 DC12V ± 10 % 或 24V ± 10 % 。

 工作模式 

超声波传感器利用声波介质对被检测物进行非接触式无磨损的检测。超声波传感器对透明或有色物体,金属或非金属物体,固体、液体、粉状物质均能检测。其检测性能几乎不受任何环境条件的影响,包括烟尘环境和雨天。

 检测模式 

超声波传感器主要采用直接反射式的检测模式。位于传感器前面的被检测物通过将发射的声波部分地发射回传感器的接收器,从而使传感器检测到被测物。

还有部分超声波传感器采用对射式的检测模式。一套对射式超声波传感器包括一个发射器和一个接收器,两者之间持续保持“收听”。位于接收器和发射器之间的被检测物将会阻断接收器接收发射的声波,从而传感器将产生开关信号。

 检测范围和声波发射角 

超声波传感器的检测范围取决于其使用的波长和频率。波长越长,频率越小,检测距离越大,如具有毫米级波长的紧凑型传感器的检测范围为300~500mm 波长大于5mm的传感器检测范围可达8m。一些传感器具有较窄的6o声波发射角,因而更适合精确检测相对较小的物体。另一些声波发射角在12o至15o的 传感器能够检测具有较大倾角的物体。此外,我们还有外置探头型的超声波传感器,相应的电子线路位于常规传感器外壳内。这种结构更适合检测安装空间有限的场合。

 应用 

在现实生活中,我们不难发现超声波传感器的应用身影。随着科技水平的高速发展,超声波传感器的使用范围也愈来愈广泛。在人类发展史上,超声波传感器的应用无处不在,只要人类可以想象到的地方,它都能涉足一脚。杂交水稻的发现,原子核和氢弹的发现,大大缩短了我国和其他先进国家的距离,为我国的经济注入了活力。超声波传感器应用如此广泛,你真正知道它的原理和应用范围吗?


超声波传感器的工作原理及应用
超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波,由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的,它具有频率高、波长短、绕射现象小,特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大,尤其是在阳光不透明的固体中,它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波,碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。

 

超声波传感器的工作原理及应用

 

超声波传感器的工作原理及应用

超声波探鱼器:超声波测量技术其原理很简单,说得高档点的名称叫“多普拉效应”,山村孩童便叫“回音”,就如在一山谷叫一声“你好吗”,不一会听见好像有人学你的说话一样“你…好…吗…”。人们正由此点,开发出超声波测量技术。像自然界中,以蝙蝠都可算为代表了,在蝙蝠洞里既要觅食,又要用声波测距,而要在洞内用超声波测距是一件很困难的事情,很先进的科技产品也做不到。

 

 

超声波传感器的工作原理及应用

医学检测上的应用:B超用于检测液位的超声波传感器:

●声波漫反射式接近传感器用于检测液位

●声波反射式设计用于检测远处的目标

●声波接近传感器可有模拟量输出,可适用于精确的连续控制.

●模拟量输出信号和被测物距离的线性斜率可调,满足各种控制要求.

●声波接近传感器可有两个开关点设置,并可通过按钮方便的设置.

●方形和原柱形设计满足不同的现场安装要求.

 

超声波传感器在质检方面的应用——超声波探伤仪,超声波探伤仪主要应用于金属工件内部的质量检测,如检测金属是否有气泡,焊接部位是否有未焊透等缺陷等。现以超声波电子束焊缝检测系统为例来说明超声波探伤仪的应用

 

超声波传感器的工作原理及应用

超声波传感器在各国无不受到各界人士的喜爱。对于高科技这个词,我们并不陌生,电脑,手机等的使用,已使我国进入了科技时代。超声波探鱼器可以让人们探索到地下何处有水源,水中何处鱼群较多;B超中的超声波探测器可以让妈妈们看到腹中的孩子;除此之外,超声波传感器还可以用于医疗等机构,可以化疗癌症等疾病。通过上文的介绍,相信大家已经对超声波传感器有了详细的认识吧!