传感器与检测技术 10产品外观检测与探伤系统分析与设计

传感器与检测技术产品外观检测与探伤系统分析与设计——项目导入项目导入超声波探伤仪知识目标能力目标素质目标知识技能素质超声波传感器原理与应用视觉传感器原理与特性RFID识别与无线传感器网络项目实施视觉传感器使用实训产品外观检测与探伤检测分析与设计基于Zigbee的节水灌溉系统应用项目拓评项目小结项目评价传感器与检测技术产品外观检测与探伤系统分析与设计——项目导入10.1项目导入10.1项目导入一、案例介绍超声波探伤9.1项目导入二、教学目标1）掌握超声波传感器的工作原理、特性、选型、使用、安装及调试。2）熟悉视觉传感器的原理、特性和应用。3）了解RFID识别的应用与传感网的构成。知识目标1）会根据使用场合、传感器特性等选择不同外观检测、探伤传感器。2）会根据传感器手册使用视觉传感器和RFID传感器。3）会根据需求选择和组建传感网。能力目标1）具备善于思考、勤于总结的良好习惯。2）具备专注负责、爱岗敬业的劳动精神。3）具备合作交流、团队协作的品质和意识。素质目标传感器与检测技术产品外观检测与探伤系统分析与设计——相关知识与技能：超声波传感器原理与应用10.2相关知识与技能10.2.1超声波传感器原理与应用一、超声波特点1、声波的分类次声波(<20Hz)次声波是频率低于20赫兹的声波，人耳听不到，但可与人体器官发生共振，7~8Hz的次声波会引起人的恐怖感，动作不协调，甚至导致心脏停止跳动。

次声波炸弹10.2.1超声波传感器原理与应用一、超声波特点1、声波的分类次声波（<20Hz）可闻声波（20Hz~20kHz）280Hz~2560Hz频率段称为中高频。小提琴约有四分之一的较高音域在此频段。10.2.1超声波传感器原理与应用一、超声波特点1、声波的分类次声波（<20Hz）可闻声波（20Hz~20kHz）超声波（>20kHz）蝙蝠能发出和听见超声波，依靠超声波捕食。频率高于20kHz的机械振动波称为超声波。它的指向性很好，能量集中，因此穿透本领大，能穿透几米厚的钢板，而能量损失不大。在遇到两种介质的分界面（例如钢板与空气的交界面）时，能产生明显的反射和折射现象，超声波的频率越高，其声场指向性就愈好。10.2.1超声波传感器原理与应用一、超声波特点常见超声波应用超声波雾化器超声波加湿器超声波雾化景观10.2.1超声波传感器原理与应用一、超声波特点超声波金丝焊接机口罩超声波封边封口超声波塑料焊接机超声波洗眼镜10.2.1超声波传感器原理与应用一、超声波特点便携式超声波探鱼器10.2.1超声波传感器原理与应用一、超声波特点超声波在医学检查中的应用

胎儿的B超影像10.2.1超声波传感器原理与应用二、超声波探头超声波探头又称超声波换能器。其工作原理有压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种。在检测技术中主要采用压电式。超声波探头又分为直探头、斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探头、冲水探头、水浸探头、高温探头、空气传导探头以及其他专用探头等。10.2.1超声波传感器原理与应用二、超声波探头超声波探头中的压电陶瓷芯片发射超声：将数百伏的超声电脉冲加到压电晶片上，利用逆压电效应，使晶片发射出持续时间很短的超声振动波。接收超声波：当超声波经被测物反射回到压电晶片时，利用正压电效应，将机械振动波转换成同频率的交变电荷和电压。10.2.1超声波传感器原理与应用二、超声波探头各种超声波探头常用频率范围：0.5~10MHz，常见晶片直径：5~30mm接触式直探头（纵波垂直入射到被检介质）

外壳用金属制作，保护膜用硬度很高的耐磨材料制作，防止压电晶片磨损。保护膜接插件10.2.1超声波传感器原理与应用二、超声波探头接触式直探头原理超声脉冲电压输入端接地端保护膜被测物上表面10.2.1超声波传感器原理与应用二、超声波探头接触式斜探头（横波、瑞利波或兰姆波探头）压电晶片底面成一定角度（如30

、45

等）超声波经折射和反射，而传播到较远处去。底部耐磨材料接插件常用频率范围：1~5MHz10.2.1超声波传感器原理与应用二、超声波探头双晶探头的结构复杂些，但检测精度比单晶直探头高，且超声信号的反射和接收的控制电路简单。发射晶片接收晶片

焦距范围：5~40mm,频率范围：2.5~5MHz，钢中折射角：45

~70

10.2.1超声波传感器原理与应用二、超声波探头

水浸探头（可用自来水作为耦合剂）选择声透镜形状，可决定聚焦形式为点聚焦或线聚焦水浸聚焦探头，可以分辨试件中细小的缺陷10.2.1超声波传感器原理与应用二、超声波探头空气超声探头10.2.1超声波传感器原理与应用二、超声波探头耦合剂：

超声波探头不能直接在被测物表面摩擦，须在探头和被测物表面之间加入耦合剂

排挤探头与被测物体表面间的空气薄层。常用的耦合剂有自来水、机油、甘油、胶水、化学浆糊等。耦合剂10.2.1超声波传感器原理与应用三、超声波传感器组成10.2.1超声波传感器原理与应用四、超声波传感器应用1、测距

2、测厚

3、无损探伤

4、测流量

5、测速10.2.1超声波传感器原理与应用四、超声波传感器应用1、超声波测距

10.2.1超声波传感器原理与应用四、超声波传感器应用

10.2.1超声波传感器原理与应用四、超声波传感器应用

超量程10.2.1超声波传感器原理与应用四、超声波传感器应用

被测物在盲区10.2.1超声波传感器原理与应用四、超声波传感器应用叠放高度测量超声波测距应用举例机械手定位10.2.1超声波传感器原理与应用四、超声波传感器应用物件放置错误检测透明塑料张力控制超声波测距应用举例（续）10.2.1超声波传感器原理与应用四、超声波传感器应用纸卷直径检测超声波测距应用举例（续）平整度测量10.2.1超声波传感器原理与应用四、超声波传感器应用

液位检测物位检测超声波测距应用举例（续）喇叭形超声发生器10.2.1超声波传感器原理与应用四、超声波传感器应用t——超声波脉冲收发时间差，

c——被测体的声速常数c，

——就得到厚度：10.2.1超声波传感器原理与应用四、超声波传感器应用某超声波测厚仪指标

显示方法∶128*32LCD点阵液晶显示（带背光）

显示位数：四位

测量范围：0.8~200mm

示值精度：0.1mm

声速范围：1000~9999m/s

测量周期：2次/秒

自动关机时间：90秒

电源：二节七号（AAA）电池，可连续工作不少于72小时

使用温度：-10°C~40°C

存储温度：-20°C~70°C

外形尺寸：108x61x25mm

重量：230g（含电池）10.2.1超声波传感器原理与应用四、超声波传感器应用3、无损探伤

一、无损探伤的基本概念对缺陷的检测手段有破坏性试验和无损探伤。

无损探伤应用广泛。

无损检测的方法有磁粉检测法、电涡流法、荧光染色渗透法、放射线（x光、中子）照相检测法、超声波探伤法等。路轨断裂事故10.2.1超声波传感器原理与应用四、超声波传感器应用超声波探伤

超声波探伤是目前应用十分广泛的无损探伤手段。它既可检测材料表面的缺陷。又可检测内部几米深的缺陷。这是X光探伤所达不到的深度。A型超声探伤反射波形裂纹耦合剂10.2.1超声波传感器原理与应用四、超声波传感器应用A型超声波探伤仪10.2.1超声波传感器原理与应用四、超声波传感器应用A型超声波探伤原理动画起始波缺陷反射波底波工件缺陷10.2.1超声波传感器原理与应用四、超声波传感器应用超声探伤例题仪表提示：显示器的X轴为10

s/div(格)，现测得B波与T波的距离为6格，F波与T波的距离为2格。求：1）t

及tF；2）钢板的厚度

及缺陷与表面的距离xF。10.2.1超声波传感器原理与应用四、超声波传感器应用超声探伤和厚度的分析(1)B波与T波的时间间隔为tδ=6×10

s=60

s；tF=2×10

s=20

s(2)钢板的厚度

=½(C钢×tF)=½(5900×60×10-6)=0.18m(3)缺陷与表面的距离xF的计算与上述同理。10.2.1超声波传感器原理与应用四、超声波传感器应用手推钢轨探伤车铁路钢轨探测用的滚轴式探头（也称做轮式探头）10.2.1超声波传感器原理与应用四、超声波传感器应用高速钢轨探伤车滑板式探头10.2.1超声波传感器原理与应用四、超声波传感器应用铁路钢轨探头铁路钢轨对接焊缝探测用探头缺陷铁路钢轨探伤用滑板式探头焊缝10.2.1超声波传感器原理与应用四、超声波传感器应用构件的超声探伤裂纹10.2.1超声波传感器原理与应用四、超声波传感器应用4、超声波流量测量二对探头：F1发射的超声波先到达T1，可利用时间差法测量流量、流速10.2.1超声波传感器原理与应用四、超声波传感器应用一对探头：F1发射的超声波到达F2的时间较短用频率差法测量流量F2F110.2.1超声波传感器原理与应用四、超声波传感器应用一对探头：发射、接收探头也可以安装在管道的同一侧10.2.1超声波传感器原理与应用四、超声波传感器应用超声波流量计在水处理现场的使用10.2.1超声波传感器原理与应用四、超声波传感器应用5、超声波测速

多普勒效应

前进方向的频率升高测出接收到的超声波频率和波源的频率差

f就可得到运动速度。10.2.1超声波传感器原理与应用四、超声波传感器应用利用超声波的多普勒效应测汽车运动速度。波源向左运动时，前进方向的波长变短，频率升高波源向右运动时，右侧表面波被压缩f>f0,向左运动f<f0,向右运动10.2.1超声波传感器原理与应用四、超声波传感器应用超声波多普勒测量风速风不同的风向引起两对超声波的频率变大或变小。经过单片机计算可以得到风速和风向10.2.1超声波传感器原理与应用四、超声波传感器应用超声防盗报警器

图中的上半部分为发射电路，下半部分为接收电路。发射器发射出频率f=40kHz左右的超声波。如果有人进入信号的有效区域，相对速度为v，从人体反射回接收器的超声波将由于多普勒效应，而发生频率偏移

f。传感器与检测技术产品外观检测与探伤系统分析与设计——相关知识与技能：视觉传感器原理与特性10.2相关知识与技能10.2.2视觉传感器原理与特性一、视觉传感器的功能获取足够的原始图像信息，再将图像信息传送至处理单元，经数字化处理后，根据像素分布和亮度、颜色等信息判别目标的尺寸、形状或颜色，最终根据判别结果控制生产设备的工作。10.2.2视觉传感器原理与特性二、视觉传感器的图像处理目前使用比较多的视觉传感器是光接收装置及其各种摄像机，如光电二极管与光电转换器件、位置敏感探测器（PSD）、CCD图像传感器、CMOS图像传感器及其他的摄像元件，通过对拍摄到的图像进行处理，来计算对象物体的特征量（面积、重心、长度、位置、颜色等），并输出数据和判断结果。基本原理摄像机视频信号视频处理卡数字化图像上位运动控制程序目标形状中心位置控制对象控制信号灰度化、边缘检测、轮廓坐标重建等操作10.2.2视觉传感器原理与特性二、视觉传感器的图像处理（a）灰度图像

（b）边缘检测

（c）降噪处理10.2.2视觉传感器原理与特性三、视觉传感器的类型1．二维视觉传感器10.2.2视觉传感器原理与特性三、视觉传感器的类型2．三维视觉传感器可以形成一个有三维空间深度感的视觉10.2.2视觉传感器原理与特性四、视觉传感器的应用（1）识别在识别应用中，图像识别系统可以识别条形码（一维码）、DataMatrix码（二维码如图；可以识别直接部件标识（DPM），；可以通过元件、标签和包装上印刷的字符来识别元件；应用光学字符识别（OCR）能够读取PDF文档、图片、扫描仪上的文字信息并转换为WORD文档、电子表格或PDF；

识别二维码

直接部件标识（DPM）识别生产日期

识别文字（OCR）10.2.2视觉传感器原理与特性四、视觉传感器的应用（2）定位定位主要应用于确定元件在二维或三维空间内的位置和方向。（a）设备、工件定位

（b）引导机器人动作10.2.2视觉传感器原理与特性四、视觉传感器的应用（3）测量

图像识别可以测量元件的外形尺寸。也可以进行3D检测基于测量结果，可以判断产品是否合格。尺寸检测

（b）3D检测10.2.2视觉传感器原理与特性四、视觉传感器的应用（4）外观检测图像识别可以应用于元件外观检测。如可集中进行IC的各项外观检测，如图10.4所示。可以检测IC的引脚数、IC的宽度、IC的位置偏移、测量IC引脚距离、测量IC字符缺损、检测表面污迹等，功能强大。图像识别应用于IC芯片外观检测10.2.2视觉传感器原理与特性四、视觉传感器的应用举例1．汽车车身视觉检测系统10.2.2视觉传感器原理与特性四、视觉传感器的应用举例2．车牌自动识别车牌识别系统传感器与检测技术产品外观检测与探伤系统分析与设计——相关知识与技能：RFID识别与无线传感器网络10.2相关知识与技能10.2.3RFID识别与无线传感器网络一、RFID技术的应用RFID技术是一种无线自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象，获取相关数据。其主要特点有非接触操作、读写速度快、距离远、信息存储量大、可批量读取信息、环境适应能力强等。RFID技术已被广泛用于工业与商业自动化、交通运输等领域，如物流自动化、高速路自动收费、门禁、仓储、车辆运行监控和防盗等。10.2.3RFID识别与无线传感器网络一、RFID技术的应用1．RFID系统组成电子标签和两种读写器10.2.3RFID识别与无线传感器网络一、RFID技术的应用2.RFID工作原理RFID读写器内部结构10.2.3RFID识别与无线传感器网络一、RFID技术的应用3．RFID技术优势1）扫描速度快。2）现状多样化和体积小型化。3）耐久性和抗污染。4）可重复使用。5）无屏障阅读和穿透性。6）安全性非常好。10.2.3RFID识别与无线传感器网络一、RFID技术的应用4．RFID技术的典型应用①门禁系统门禁系统应用射频识别技术，可以实现持有效电子标签的车不停车收费，方便通行又节约时间，提高路口的通行效率，更重要的是可以对小区或停车场的车辆出入进行实时的监控，准确验证出人车辆和车主身份，维护区域治安，使小区或停车场的安防管理更加人性化、信息化、智能化、高效化。②电子溯源溯源技术大致有三种：一种是RFID无线射频技术，在产品包装上加贴一个带芯片的标识，产品进出仓库和运输就可以自动采集和读取相关的信息;一种是二维码，消费者只需要通过带摄像头的手机拍摄二维码，就能查询到产品的相关信息，查询的记录都会保留在系统内。10.2.3RFID识别与无线传感器网络一、RFID技术的应用4．RFID技术的典型应用③食品溯源采用RFID技术进行食品药品的溯源在一些城市已经开始实施，如宁波，广州，上海等地，食品药品的溯源主要解决来食品来路的跟踪问题，如果发现了有问题的产品，可以简单的追溯，直到找到问题的根源④产品防伪RFID技术经历几十年的发展应用，技术本身已经非常成熟，在我们日常生活中随处可见，应用于防伪实际就是在普通的商品上加一个RFID电子标签，标签本身相当于一个商品的身份证，伴随商品生产、流通、使用各个环节唯一性高安全性易验证性保存周期长10.2.3RFID识别与无线传感器网络一、RFID技术的应用5.应用案例：智能停车场管理系统

智能停车场管理系统是一种高效快捷、公正准确、科学经济的停车场管理手段，能实现车辆的动态和静态管理。01用户角度02管理者角度03投资者角度服务高效、收费透明度高、准确无误易于操作维护、智能化程度高、轻管理者的劳动强度杜绝失误及任何形式的作弊，防止停车费用流失，使投资回报有了保证10.2.3RFID识别与无线传感器网络一、RFID技术的应用5.应用案例：智能停车场管理系统

智能停车场管理系统分类按卡种：ID（TI、EM、HID、AWID、LEGID）车场。按功能：在线停车场和脱机停车场。

智能停车场管理系统组成1.全自动高可靠智能道闸2.核心控制机3.入口控制机4.出口控制机5.系统监控、管理软件6.系统安全保证措施10.2.3RFID识别与无线传感器网络一、RFID技术的应用5.应用案例：智能停车场管理系统③智能停车场控制要求智能停车管理系统示意图10.2.3RFID识别与无线传感器网络一、RFID技术的应用5.应用案例：智能停车场管理系统

智能停车场入口部分主要由非接触感应式ID的读写器、ID吐卡机、车辆感应器、入口控制板、自动道闸、车辆检测线圈、LED显示屏、摄像机组成。停车场入口示意图10.2.3RFID识别与无线传感器网络一、RFID技术的应用5.应用案例：智能停车场管理系统智能停车场出口部分主要由非接触感应式读写器、车辆感应器、出口控制板、自动道闸、车辆检测线圈、LED显示屏、摄像机组成。停车场出口示意图10.2.3RFID识别与无线传感器网络一、RFID技术的应用5.应用案例：智能停车场管理系统③工程技术方案----停车场硬件配置表10.2.3RFID识别与无线传感器网络一、RFID技术的应用5.应用案例：智能停车场管理系统③工程技术方案----停车场硬件配置表10.2.3RFID识别与无线传感器网络一、RFID技术的应用5.应用案例：智能停车场管理系统③工程技术方案----停车场硬件配置表10.2.3RFID识别与无线传感器网络一、RFID技术的应用5.应用案例：智能停车场管理系统③工程技术方案----停车场硬件配置表10.2.3RFID识别与无线传感器网络一、RFID技术的应用5.应用案例：智能停车场管理系统③工程技术方案----停车场主要设备硬件性能说明10.2.3RFID识别与无线传感器网络一、RFID技术的应用5.应用案例：智能停车场管理系统③工程技术方案----停车场主要设备硬件性能说明10.2.3RFID识别与无线传感器网络一、RFID技术的应用5.应用案例：智能停车场管理系统2）停车场软件系统（1）停车场系统组成10.2.3RFID识别与无线传感器网络一、RFID技术的应用5.应用案例：智能停车场管理系统2）停车场软件系统（2）进口、出口操作10.2.3RFID识别与无线传感器网络一、RFID技术的应用5.应用案例：智能停车场管理系统2）停车场软件系统（2）进口、出口操作10.2.3RFID识别与无线传感器网络一、RFID技术的应用6.应用案例：RFID门禁控制（1）控制要求在设计中，要求采用51单片机作为主控芯片，专用读卡器模块用来读射频卡的信息，当有卡进入到读卡器读卡的范围内时，自动读取到相应的卡序列号，并进行判断。若正确则开门、不正确则报警并显示错误信息。（2）设计方案本系统的主要电路包括两个部分：主控电路如图8-19所示，由处理器电路、RFID接口电路、存储电路、LCD12864显示电路、报警电路、继电器控制电路等组成。读写器电路如图8-20所示。整个系统的硬件清单如表8-4所示。10.2.3RFID识别与无线传感器网络一、RFID技术的应用6.应用案例：RFID门禁控制10.2.3RFID识别与无线传感器网络一、RFID技术的应用6.应用案例：RFID门禁控制10.2.3RFID识别与无线传感器网络一、RFID技术的应用6.应用案例：RFID门禁控制10.2.3RFID识别与无线传感器网络二、无线传感器网络2．无线传感器网络的主要特征1）传感器节点具有低功耗、微型化、高集成度和低价格的特点。2）传感器节点的密集、随机布设。3）无线传感器网络采用协作式信息采集、处理、存储和传输等。4）无线传感器网络具有自组织能力。5）传感器节点采用无线方式进行组网，实现传感器节点之间、传感器节点与网关节点之间的无线通信。10.2.3RFID识别与无线传感器网络二、无线传感器网络3．无线传感器网络的组成10.2.3RFID识别与无线传感器网络二、无线传感器网络4.传感器网络协议栈10.2.3RFID识别与无线传感器网络二、无线传感器网络1．无线传感器网络的几个术语1）传感器节点。2）自组织网络。3）动态拓扑。10.2.3RFID识别与无线传感器网络二、无线传感器网络1．无线传感器网络的几个术语1）传感器节点。2）自组织网络。3）动态拓扑。传感器与检测技术产品外观检测与探伤系统分析与设计——项目实施：视觉传感器使用实训10.3项目实施10.3.1视觉传感器使用实训一、安装相机和光源10.3.1视觉传感器使用实训二、安放对象单元三、接线10.3.1视觉传感器使用实训四、检查接线、上电五、下载PLC\触摸屏程序六、调试机械手七、获取图像八、测量流程图设定九、布局切换十、视觉识别传感器与检测技术产品外观检测与探伤系统分析与设计——项目实施：产品外观检测与探伤检测分析与设计10.3项目实施10.3.2产品外观检测与探伤检测分析与设计一、系统分析微动开关微动开关工作原理10.3.2产品外观检测与探伤检测分析与设计一、系统分析引脚端子的各种缺陷塑料外壳的各种缺陷堵孔缺陷基于视觉传感器的微动开关六面外观检测各种各样的微动开关有缺陷的微动开关视觉传感器六面外观检测画面10.3.2产品外观检测与探伤检测分析与设计一、系统分析基于视觉传感器的IC芯片外观检测10.3.2产品外观检测与探伤检测分析与设计一、系统分析基于视觉传感器的IC芯片外观检测10.3.2产品外观检测与探伤检测分析与设计一、系统分析微动开关内部探伤

将X光发生器对准被测位置，将感光片贴在物体背面，人离开后通上高压电，再将感光片冲洗出影像，即可观察到缺陷。10.3.2产品外观检测与探伤检测分析与设计二、系统工作流程1号抓手控制电磁阀触摸屏控制界面进料输送驱动电机出料输送驱动电机4-5检机械臂驱动电机脉冲控制开关量控制总控PL