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1、第10章 机器人的传感器,2/43,传感器特性 位置传感器 速度传感器 加速度传感器 力和压力传感器 力矩传感器 微动开关 可见光和红外传感器,接触和触觉传感器 接近觉传感器 测距仪 嗅觉传感器 视觉系统 传感器的选择与正确使用,3/43,1、定义：传感器是将力、温度、位移、速度等量转换成电信号的元件。 2、分类 按能量变换的功能分： 按输出的信号分：,物理传感器,化学传感器,10.1传感器性能,4/43,计数型（二次型+计数型）,电压，电流型（热电偶,Cds电池） 电感，电容型（可变电容）,有接点型(微动开关，接触开关， 行程开关),传感器,电阻型（电位器，电阻应变片）,二值型,无接点型(光
2、电开关，接近开关),模拟型,数字型,代码型（旋转编码器，磁尺）,5/43,成本、尺寸、总量、输出的类型、接口 分辨率：分辫率是传感器在测量范围内所能分辫的最小值，在输入零点附近的分辨力称为阈值。 灵敏度:灵敏度是指传感器在稳定标准条件下，输出响应变化与输入变化的比，高灵敏度传感器的输出会由于输入波动(包括噪声)产生较大的波动。,10.1传感器性能,6/43,零漂： 传感器在零输入状态下，输出值的变化称为零漂，零漂可用相对误差表示，也可用绝对误差表示。 线性度： 传感器的线性度是指传感器实际输出输入特性曲线与理论直线之间的最大偏差与输出满度值之比。意味着具有线性输出的传感器在其量程范围内，任意相
3、同的输人变化将会产生相同的输出变化，儿乎所有器件在本质上都具有一些非线性。,10.1传感器性能,7/43,量程:是传感器能够产生的最小与最大输出间的差值，或传感器正常工作时最小和最大输入间的差值。 响应时间:响应时间是传感器的输出达到总变化的某个百分比时所需要的时间，它通常用占总变化的百分比来表示，例如95%。 频率响应:频率响应带宽指定了一个范围，在此范围内系统响应输人的性能相对较高。频率响应的带宽越大，系统响应不同输人的能力也越强。,10.1传感器性能,8/43,可靠性:可靠性是系统正常运行次数与总运行次数之比，对于要求连续工作的情况，在考虑费用以及其他要求的同时，必须选择可靠且能长期持续
4、工作的传感器。 精度:精度定义为传感器的输出值与期望值的接近程度。 迟滞：传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中，输出输入特性曲线不重合的程度称为迟滞，迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示,10.1传感器性能,9/43,重复性： 传感器在同一条件下，被测输入量按同一方向作全 量程连续多次重复测量时，所得输出输入曲线的 不一致程度，称重复性。重复性误差用满量程输出的 百分数表示，即 近似计算,精确计算,10.1传感器性能,10/43,1电位器,10.2 位置传感器,11/43,2编码器,10.2位置传感器,12/43,2编码器,10.2位置传感器,13/43,3线位移差动变压器 线位移差
5、动变压器(LVDT)实际上就是一个变压器，它的铁心随被测位移移动，同时将随位移变化的模拟电压输出作为位移的测量结果。 如果没有铁心，磁通就会分散，磁场强度随之降低，于是次级线圈中的电压将很小。如果铁心出现，磁力线就聚集在一起，磁场强度增强，感生电压升高。,10.2位置传感器,14/43,4旋转变压器,10.2位置传感器,当定子绕组中分别通以幅值和频率相同、相位相差为90的交变激磁电压时，便可在转子绕组中得到感应电势U3，根据线性叠加原理，U3值为激磁电压U1和U2的感应电势之和，即,15/43,5传输时间测量（磁反射）型位移传感器 传感器通过导体发送脉冲，当其遇到磁体r就返间来。如果已知脉冲传
6、输的速度，将脉冲到达磁体并返回的总时何转换成距离。,10.2位置传感器,16/43,1光电式速度传感器 2测速电机 3位置信号微分,10.3速度传感器,17/43,作为加速度检测元件的加速度传感器有多种形式，它们的工作原理大多是利用惯性质量受加速度所产生的惯性力而造成的各种物理效应，进一步转化成电量，来间接度量被测加速度。最常用的有应变片式和压电式等。,10.4 加速度传感器,18/43,10.4 加速度传感器,电阻应变式加速度计由重块、悬臂梁、应变片和阻尼液体等构成。当有加速度时，重块受力，悬臂梁弯曲，按梁上固定的应变片之变形便可测出力的大小，在已知质量的情况下即可计算出被测加速度。壳体内灌
7、满的粘性液体作为阻尼之用。这一系统的固有频率可以做得很低。,19/43,10.4 加速度传感器,压电加速度传感器结构原理如右图所示。使用时，传感器固定在被测物体上，感受该物体的振动，惯性质量块产生惯性力，使压电元件产生变形。压电元件产生的变形和由此产生的电荷与加速度成正比。,压电加速度传感器可以做得很小，重量很轻，故对被测机构的影响就小。压电加速度传感器的频率范围广、动态范围宽、灵敏度高、应用较为广泛。,20/43,1压电晶体：压电材料在施加一定电压后，将会收缩，而在受到挤压后.将会产生一定的电压。 2力敏电阻 3应变片：应变片的输出是与其形变成正比的阻值，而形变本身又与施加的力成正比。,10
8、.5力和压力传感器,21/43,图中驱动轴B通过装有应变片A的腕部与手部C联接。当驱动轴回转并带动手部回转而拧紧螺丝钉D时，手部所受力矩的大小可通过应变片电压的输出测得。,10.6 力矩传感器,22/43,10.7 微动开关,微动开关虽然很简单，但非常有用，在机器人上也很常见，可以用来切断通过导体的电流，因此能用于安全保护。此外，还可以检测是否有接触或用做位移开关发送信号。,23/43,可见光传感器对可见光敏感，而红外传感器对红外线敏感。,10.8 可见光和红外传感器,24/43,接触传感器是指在实际接触发生时发出信号的装置。 接触传感器实际上就是位移传感器。同样，也可以使其红他类型的位移传感
9、器，如微动开关、线位移差动变压器、压力传感器、磁传感器等。,10.9 接触和触觉传感器,25/43,10.9 接触和触觉传感器,类皮肤触觉传感器,26/43,用于探测两个物体接触之前一物体向另一物体接近。 1磁感应接近传感器 2光学接近传感器 3超声接近传感器 4感应式接近传感器 5电容式接近传感器 6涡流接近传感器,10.10 接近传感器,27/43,1磁感应接近传感器 当靠近磁体时这种传感器就会做出反应，不但能测量转于的速度和转数，还能够接通通或关断电路。,10.10 接近传感器,28/43,2光学接近传感器,10.10 接近传感器,29/43,3超声接近传感器 在这种传感器中，超声波发射
10、器能够间断地发出高频声波(通常在200kH范圈内)。超声波传感器有两种工作模式，即对置模式和同波模式。,10.10 接近传感器,30/43,4感应式接近传感器 感应式接近觉传感器用一于检测金属表面。这种传感器其实就是一个带有铁氧体磁心、振荡器一检测器和固态开关的线圈。当金属物休出现在传感器附近时，振荡器的振幅会减小检测器检测到这一变化后，断开固态开关。当物体离开传感器的作用范围时，固态开关又会接通。,10.10 接近传感器,31/43,5电容式接近传感器 电容式传感器能够对介电常数在1.2以上的物体做出反应。在这种情况下，被测物体作为电容器提高传感器探头的总电容量。这将触发内部振荡器启动输出单
11、元，从而产生输出信号。传感器能够检测到一定范围内物体的有无。电容式传感器也能够检测非金属材料，木村、液体和化学物质。,10.10 接近传感器,32/43,6涡流接近传感器 当导体放置在变化的磁场中时，内部就会产生电动势，导体中就有电流流过。这种电流称做涡流:涡流传感器具有两个线圈，第一个线圈产生作为参考用的变化磁通，在有导电接近时，其中将会感应出涡流，感应出的涡流又会产生与第一个线圈反向的磁通、使总的磁通减少、总磁通的变化与导电材料的接近程度成止比，它由第二组线圈检测出来。涡流传感器不仅能检测是否有导电材料，而且能够对材料的空隙、裂缝、厚度等进行非破坏性检则。,10.10 接近传感器,33/4
12、3,测距仪用于测量较长的距离，它可以探测障碍物和物体表面的形状。测距仪一般是基于光(一可见光、红外光或激光)和超声波的。两种常用的测量方法是三角法和测量传输时间法。 三角法:用单束光线照射物体，会在物体上形成一个光斑，形成的光斑由摄像机或光敏三极管接收器接收。距离或深度可根据接收器、光源及物体上的光斑所形成的三角形计算出来。,10.11 测距仪,34/43,测量传输时间法:信号传输的距离包括从发射器到物体和被物体反射到接收器两部分。传感器与物体之问的距离是信号行进距离的一半，知道了传播速度，通过测量信号的往返时间即可计算出距离。,10.11 测距仪,35/43,1超声测距仪 超声波系统结构坚固
13、、简单、廉价并且能耗低，可以很容易地用于摄像机调焦、运动探测报警、机器人导航和测距。它的缺点是分辨率和最大工作距离受到限制，分辨率的限制来自声波的波长、传输介质中温度和传播速度的不一致性。最大距离的限制则来自介质对超声波能量的吸收。日前超声波设备的频率范围在20 kHz到2MHz之间。,10.11 测距仪,36/43,2光测距仪 基于光(包括激光)的测距仪可用三种不同的方法来测量到物体的距离，即直接延迟时间测量法、间接幅值调制法和三角法。 直接延迟时间法测量校准光束(通常是激光)到达物体并且返回所用的时间，与超声波测距传感器的原理类似。由于光在空气的传播速度为3000000km/s，因此在1
14、ns内传输3m:为了能达到更高的分辨率，仪器必须使用核科学和高能物埋中的时间谱技术可达到这样的分辨率。,10.11 测距仪,37/43,2光测距仪 在间接测量法中，要利用时间一振幅转换器(TAC)，并用低频正弦波调制宽的光脉冲，通过测量发射光和反射光之间的相位差来获得时延。在效果上，用低速调制代替光速可使波速降低到可测的程度，但仍保留了激光传输距离远的优点。 三角法是用光束测距时常用的方法。对于导航中遇到的短距测量，三角角法的精度和分辨率是三种方法中最好的。,10.11 测距仪,38/43,嗅觉传感器与烟雾探测器类似，它们对一特定的气体敏感，当探测到这些气体时就发出信号。嗅觉传感器不但可用于安
15、全方面，也能用于搜索和探测等领域。,10.12 嗅觉传感器,39/43,在导航系统中通常要对一个场景进行分析，以便于找出障碍、可行的路径以及机器人所要面对的其他物体。在某些操作中，视觉系统将信息传递给远程遥控机器人的操作员，这种情况在遥控机器人和空间技术中是非常常见。在一些医学应用中，外科医生控制外科手术机器人或者是小的探测设备来获取血管造影片。,10.13 视觉传感器,40/43,1.测试要求和条件。测量目的、被测物理量选择、测量范围、输入信号最大值和频带宽度、测量精度要求、测量所需时间要求等。 2.传感器特性。精度、稳定性、响应速度、输出量性质、对被测物体产生的负载效应、校正周期、输入端保
16、护等。 3.使用条件。安装条件、工作场地的环境条件（温度、湿度、振动等）、测量时间、所需功率容量、与其它设备的连接、备件与维修服务等。,一、传感器的选择,10.14 传感器的选择与正确使用,41/43,1.线性化处理与补偿 总是希望传感器及检测电路的输出和输入特性呈线性关系，使测量对象在整个刻度范围内灵敏度一致，以便于读数及对系统进行分析处理。 2.传感器的标定 传感器的标定，就是利用精度高一级的标准量具对传感器进行定度的过程，从而确定其输出量和输入量之间的对应关系，同时也确定不同使用条件下的误差关系。传感器使用前要进行标定，使用一段时间后还要定期进行校正，检查精度性能是否满足原设计指标。,二
17、、传感器的正确使用,10.14 传感器的选择与正确使用,42/43,3.抗干扰措施 传感器大多要在现场工作，而现场的条件往往是不可预料的，有时是极其恶劣的。各种外界因素要影响传感器的精度和性能，所以在检测系统中，抗干扰是非常重要的，尤其是在微弱输入信号的系统中。常采用的抗干扰措施有屏蔽、接地、隔离和滤波等。,二、传感器的正确使用,10.14 传感器的选择与正确使用,43/43,（1）屏蔽 屏蔽就是用低电阻材料或磁性材料把元件、传输导线、电路及组合件包围起来，以隔离内外电磁或电场的相互干扰。屏蔽可分为三种，即电场屏蔽、磁场屏蔽及电磁屏蔽。 （2）接地 电路或传感器中的地指的是一个等电位点，它是电路或传感器的基准电位点，与基准电位点相连接，就是接地。,二、传感器的正确使用,10.14 传感器的选择与正确使用,44/43,（3）隔离 当电路信号在两端接地时，容易形成地环路电流，引起噪声干扰。这时，常采用隔离的方法，把电路的两端从电路上隔开。隔离的方法主要采用变压器隔离和光电耦合器隔离。 （4）滤波 虽然采取了上述的一些抗干扰措施，但仍会有一些噪声信号混杂在检测信号中，因此检测电路中还常设置滤波电路，对由外界干扰引入的噪声信号加以滤除。,二、传感器的正确使用,10.14 传感器的选择与正确使用,