智能制造技术基础 课件 2.5智能传感检测装备

智能制造技术郑重说明课件制作不易，请尊重本课件制作者的知识产权，本课件仅限教学使用，不得发布到网上，不能拿来参加教学比赛、申报教学成果等！智能传感检测装备智能传感检测装备作为智能制造的核心装备,是“工业六基”的重要组成和产业基础高级化的重要领域。智能传感检测装备部件中最重要的核心器件当属传感器,智能制造生产过程中,产品的加工或装配质量检测、机器设备状态监控等都离不开智能传感器的支持。智能传感器

随着物联网、智能制造的发展,智能传感器应运而生。智能传感器定义

智能传感器（intelligentsensor）是具有信息处理功能的传感器，它带有微处理器，具有采集、处理、交换信息的能力，是传感器集成化与微处理器相结合的产物。智能传感器美国宇航局智能传感器优点06功能多样化多参数综合测量,通过编程扩大测量和使用范围;具有一定的自适应能力;具有数字通信接口功能,具有多种数据输出形式,适用性强。05性价比高04可靠性高高抗干扰性。及诊断、校准和数据存储功能,系统稳定性好。03精度高软件校正,随机误差补偿、降噪。02感应融合可同时测量多个物理量和化学量。01自检、自校准和自诊断智能传感器07信号归一化模数转换。微处理器又以串行、并行、频率、相位和脉冲等多种数字传输形式进行数字归一化。智能传感器智能传感器结构智能传感器基本结构一般包含传感单元、计算单元和接口单元。信号采集信号处理通信01将计算机技术与传感器技术结合,即智能合成途径。智能合成途径03利用功能化几何结构实现,即智能结构途径。智能结构途径02利用特殊功能材料实现,即智能材料途径。智能材料途径智能传感器智能传感器实现智能传感器智能传感器实现模块式

模块式是将传感器、信号调理电路和带总线接口的微处理器组合成一个整体的智能传感器结构形式。智能传感器集成式智能传感器结构实现

集成式是采用微机械加工技术和大规模集成电路工艺技术将敏感元件、信号调理电路、接口电路和微处理器等集成在同一块芯片上的智能传感器结构形式。智能传感器混合式智能传感器结构实现混合式是将传感器各环节以不同的组合方式集成在数块芯片上并封装在一个外壳中的智能传感器结构形式。智能传感器功能01复合功能03自检、自校、自诊断功能05数据处理功能02自适应功能04信息存储功能06组态功能智能传感器07数字通信功能智能传感器

能同时测量多种物理量和化学量，能够给出可以全面反映物质运动规律的信息。智能传感器功能1)复合功能智能传感器智能传感器功能

智能传感器可自适应条件变化。自适应技术补偿部件老化引起的参数漂移，延长器件寿命，拓宽工作范围。自适应技术提高传感器精度，通过校正补偿提供测量点真实修正值。2)自适应功能智能传感器智能传感器功能普通传感器需定期拆卸送实验室检验标定，不能在线诊断。智能传感器可改善，接通电源时自诊断，根据使用时间在线校正，微处理器利用存在在EEPROM中的计量特性数据进行对比。3)自检、自校、自诊断功能智能传感器智能传感器功能

智能传感器可以存储大量信息，供用户随时查询，内容的多少受智能传感器本身存储器容量的限制。4)信息存储功能装置的历史信息（传感器工作时长、电源更换次数等）传感器全部数据、图表、组态选择说明等被检测零件的生产日期、目录表和最终出厂测试结果等智能传感器智能传感器功能提供数据处理功能，能放大、数字化信号，软件调节信号。普通传感器信号非线性，智能传感器通过查表线性化，需单独编制传感器数据表。智能传感器还能通过数字滤波器减弱噪声，软件实现复杂滤波器，比电子电路简单。微控制器提高检测精度，实现温度补偿及其他复杂补偿。微控制器便于多信号运算。5)数据处理功能智能传感器

智能传感器使用者可自选组态，如检测范围、延时、计数器、状态、分辨率等。灵活组态减少传感器类型和数目，使传感器工作在最佳状态，适应不同场合。6)组态功能智能传感器功能智能传感器智能传感器功能

智能传感器信息量大，普通传感器连线方式不足。为避免系统庞杂，需灵活串行通信系统。过程工业向串行网络发展。智能传感器带微控制器，可配数字串行接口。串行网络抗干扰强，有效管理信息传输。7)数字通信功能智能传感器加工过程的典型传感检测方法

金属零件缺陷的无损检测是利用电、磁、声、光、热等作为激励源对金属零件进行加热，根据金属零件内部结构的形态以及变化所反馈的信息进行检测，从而判断金属零件内部是否存在缺陷。智能传感器加工过程的典型无损检测方法涡流检测超声检测射线检测渗透检测磁粉检测激光检测红外热成像检测智能传感器

涡流检测是非接触式方法，感应线圈不接触试件，可高速、自动化检测铁磁材料零件表面及近表面缺陷。加工过程的典型无损检测方法(1)涡流检测智能传感器原理：超声检测用声脉冲在试件缺陷处变化的原理检测。计算机、信号采集及图像处理技术可将超声波图像化，直观反映金属零件内部结构。加工过程的典型无损检测方法(2)超声检测优点：灵敏度高、深度大、精确可靠、成本低、操作简单，设备便携、无害。应用范围：广泛用于金属加工、材料试验、航空航天等领域。主要用于钢板、管道、压力容器、金属复合层、铁路轨道及列车零件的质量评估。加工过程的典型无损检测方法智能传感器原理：射线检测是一种利用X射线、γ射线及中子射线等穿过试件时产生的强度衰减进行检测的方法。(3)射线检测

根据穿过试件的射线强度不同,可以判断出试件内部结构是否存在缺陷，只要试件中存在缺陷，射线的连续性就会遭到破坏，由于不连续的射线在胶片上的感光程度存在着一定差异，因而就显示出不连续的图像信息。加工过程的典型无损检测方法智能传感器(3)射线检测应用范围：近年来，射线检测技术主要用于对小型、几何形状复杂的金属铸件或锻件的无损检测和尺寸测量，以及航空工业复合型材料和金属零件等的无损检测。加工过程的典型无损检测方法智能传感器(3)射线检测优点：检测效果直观、结果精确、能提供永久性记录、灵敏度高，是目前应用最广泛的体积型缺陷的无损检测方法。缺点：射线有一定的危害性，要求操作人员具有较高的安全意识。加工过程的典型无损检测方法智能传感器优点：操作简单、成本低、检测灵敏度高、一次性检测范围广、缺陷显示效果直观等，可用于检测各类不同缺陷。(4)渗透检测应用范围：该方法只能用于检测金属零件表面裂纹，且被检试件表面必须相对光滑且无污染物。加工过程的典型无损检测方法智能传感器应用范围：适用于检测所有铁磁材料零件的表面和近表面的缺陷，检测完毕后需要对被检试件进行清理。(5)磁粉检测优点：操作简单、成本低。加工过程的典型无损检测方法智能传感器原理：激光检测是对被检试件施加激光载荷，当金属零件内部存在缺陷时，其缺陷部位与正常部位产生的形变量不同，通过对施加载荷前、后所形成的信息图像的叠加来判断零件内部是否存在缺陷。(6)激光检测加工过程的典型无损检测方法智能传感器(6)激光检测应用范围：检测几何形状不规则的金属零件。目前,激光检测主要用于对高温条件、不易接近的试件以及超薄、超细试件进行检测，如用于检测热钢材、放射性材料零件等。特点：激光检测技术的成本高、安全性差，目前仍处在发展完善的阶段。加工过程的典型无损检测方法智能传感器原理：红外热成像检测是一种利用红外热像仪将物体表面不可见的红外热辐射信息转换为可见的热图像的方法。(7)红外热成像检测应用范围：该技术广泛应用于军事、航空航天、冶金、电力、石化等诸多领域。加工过程的典型无损检测方法智能传感器优点：非接触、不破坏、实时、快速等，能有效地对金属零件缺陷进行无损检测研究。(7)红外热成像检测缺点：信号的信噪比不高，热传导惰性大、衰减快，缺陷定量化检测水平低等。智能传感器

随着计算机技术与现场总线技术的发展，基于视觉技术的机器视觉检测日臻成熟，已成为现代加工制造业不可或缺的部分。智能传感器机器视觉智能检测系统80年代以来，机器视觉技术引起热潮，逐步走向应用。作为先进的产品检测技术，该技术在工业、医疗、航天及交通等领域得到广泛应用。

国内机器视觉研究起步晚，90年代始现相关研究，经30年发展，已用于工业检测各领域，是智能检测中快速发展的分支。智能传感器机器视觉智能检测系统

机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断，完成工业生产与民用领域的测量、引导、检测和任务识别。机器视觉定义智能传感器优点：非接触、无磨损。提高生产的柔性和自动化程度，易于实现信息集成，是实现计算机集成制造的基础。机器视觉智能检测系统应用范围：适用于高速生产线上对产品进行测量、引导、检测和识别，保证质量。智能传感器机器视觉智能检测系统分类按操作方式可配置的机器视觉系统可编程的机器视觉系统智能传感器机器视觉智能检测系统

系统分模块设计，包含众多机器视觉模块。核心系统与应用工艺整合、设计，可添加工具，配置灵活，无需编程，易用。工程师学设置系统，即可配置部署方案。1)可配置的机器视觉系统

可配置的机器视觉系统集底层开发和应用开发于一身，提供一种通用的应用平台。智能传感器机器视觉智能检测系统其他集成类型的机器视觉系统(如板卡、相机、个人计算机等硬件来自不同制造商)可配置的机器视觉系统采集图像并传送硬件兼容性、稳定性>智能传感器机器视觉智能检测系统功能：快速定位、几何测量、有无检测、计数、字符识别、条码识别、颜色分析等。可配置的机器视觉系统固装有成熟的机器视觉功能模块特点：配置标准化、接口标准化、系统模块化、功能专业化且通用化、产品多样化等。适用范围：大多数机器视觉场合。智能传感器机器视觉智能检测系统需采购机器视觉器件，编写软件，实现定位、测量、识别、控制等功能。因底层技术难实现，开发人员需从开源库获基础代码或购商品化机器视觉函数库二次开发。软件工程师需熟悉编程语言，具机器视觉理论知识和工具、函数库使用技能。软件开发周期长。2)可编程的机器视觉系统可根据用户的实际应用需求进行开发。智能传感器机器视觉智能检测系统分类按性能分视觉传感器智能相机视觉处理器一般指比较低端的智能相机，功能简单一般指处理器和相机是分开的智能相机类型,也称为视觉盒子。功能强大。硬件计算能力最强,软件工具最多;采用外接相机,一般能接4台相机,甚至更多。一体式产品。功能适中,软件工具比视觉传感器的多,比视觉处理器的少,软件配置刚好匹配其硬件处理能力。智能传感器机器视觉智能检测系统1)视觉传感器图像采集单元CCD图像传感器或CMOS光学系统照明系统工业应用：有无检测、正反检测、方向检测、尺寸测量、读码及识别等。智能传感器机器视觉智能检测系统1)视觉传感器特点：视觉传感器低成本、易用。智能传感器机器视觉智能检测系统1)视觉传感器国内厂商：深圳视觉龙、厦门麦克玛视等,典型产品有Cognex

Checker/ID等。国外厂商：日本基恩士(Keyence)、日本欧姆龙(OMRON)、美国康耐视(Cognex)等。这类产品作传感器用，带照明，有自动对焦，部分集成液体镜头。智能传感器机器视觉智能检测系统应用了DSP、FPGA及大容量存储技术，智能化程度提高。2)智能相机

智能相机并不是一台简单的相机，而是一种高度集成化的微小型嵌入式机器视觉系统，处理器配置较高，视觉软件工具较多。大小与普通家用相机差不多，包括所有功能。智能相机经软件配置，可实现图像处理与识别，满足多种机器视觉需求。智能传感器机器视觉智能检测系统

在智能相机配套的软件开发环境中，对这些底层软件工具模块进行某种组合称为“组态”，也可以对单个模块进行参数设置，从而“组装”出各种图像分析和处理软件。智能相机图像采集单元图像处理单元通信控制单元硬件:高性能微处理器

软件:基于实时操作系统2)智能相机（可配置系统）图像分析软件（核心）包含丰富的图像处理和分析底层函数库。智能传感器机器视觉智能检测系统适用范围：环境严苛的特定应用场合。其工作过程可完全脱离计算机，与生产线上其他设备连接方便，能直接在显示器或监视器上输出SVGA或SXGA格式的视频图像。2)智能相机特点：集成度高,结构紧凑,安装体积小,空间利用率高,在运算速度和稳定性上大大超过计算机。智能传感器机器视觉智能检测系统国外厂商：日本基恩士、美国康耐视、美国迈思肯(Microscan)、意大利得利捷(Datalogic)等。2)智能相机国内厂商：深圳视觉龙、厦门麦克玛视等。智能传感器机器视觉智能检测系统

视觉处理器一般要基于计算机视觉系统和工业计算机，开发合适的机器视觉软件，再配合光学成像硬件(如工业相机或镜头、光源等)，实现工业自动化所需的定位、测量、识别、控制等功能。3)视觉处理器智能传感器机器视觉智能检测系统3)视觉处理器控制器提供相机接口，可以与多台不同类型的工业相机相连，共同完成图像采集、处理及结果输出任务。多需添加机器视觉系统至含不同厂商专用接口设备的现有系统。视觉处理器的图像处理、通信及存储功能由控制器完成。智能传感器机器视觉智能检测系统3)视觉处理器特点：尺寸较大,结构复杂,开发周期较长,但处理能力强,软件资源丰富,可达到理想的精度和速度,能实现较为复杂的系统功能。

应用：在测量精度、检测速度、灵活性等方面具有绝对优势，占据相对较高的行业份额。智能传感器机器视觉智能检测系统对比项目视觉传感器智能相机视觉处理器结构形式一体化一体化非一体化,集成度较低市场定位低端市场高端市场高端市场灵活性/可编程性低高高接口简单复杂复杂处理能力弱强强内存配置低中高分辨率低高高检测速度较低高检测精度较低较高多相机支持不可以可以复杂运算能力弱强系统成本低高工作空间小大操作难度小大集成能力强弱智能传感器机器视觉智能检测系统组成图像采集单元图像处理单元通信控制单元终端监控单元智能传感器机器视觉智能检测系统图像采集单元即帧采集器，指从现场获取图像的过程，为机器视觉首步。早期独立于相机，现数码相机已集成。机器视觉系统中，其相当于CCD/CMOS相机和图像采集卡，将光学图像转成数字图像，输出至图像处理单元。组成(1)图像采集单元智能传感器机器视觉智能检测系统组成(2)图像处理单元图像处理单元图像存储器图像处理软件大量图像处理算法图像校正图像分割图像特征提取BLOB分析图像识别与理解设计滤波器，对失真图像进行复原性处理阈值法、区域法、边缘法、特定理论法具独特性、完整性、几何不变性及抽象性，常见有颜色、纹理、边缘、形状等。提取和标记二值图像连通区域,每个BLOB代表前景目标,计算面积、质心、外接矩形等特征。图像预处理→特征提取→图像识别智能传感器机器视觉智能检测系统

图像处理软件处理后，输出至监视单元剔除无用信息或报警，或传结果至运动控制单元执行动作。复杂逻辑和运动控制需PLC或控制卡实现。组成(3)通信控制单元图像处理单元输入/输出接口运动控制模块主机通过I/O接口与外部设备交换数据。大部分I/O接口可编程。运动控制源于伺服控制，指对机械运动部件位置、速度等进行实时控制，使其按预期轨迹和规定的运动参数运动。全闭环交流伺服驱动可编程计算机