交流全橋的應(yīng)用

第十二部分 傳感器技術(shù)0預(yù)備知識傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)乃至整個現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域占有極其重要的地位，當(dāng)今信息時代，如果沒有傳感器，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)將無法發(fā)展。為了適應(yīng)這一時代發(fā)展的需要，全國各大中專院校及各類職業(yè)技術(shù)學(xué)校都相繼將傳感器及實(shí)驗(yàn)教學(xué)納入教學(xué)任務(wù)，作為物理、電子、測控以及自動化類專業(yè)的一門必修課。傳感器是機(jī)電一體化中各種設(shè)備和裝置的“感覺器官”，是檢測系統(tǒng)的第一個環(huán)節(jié)。它以一定的精度把被測量（各種各樣形態(tài)各異的信息量）轉(zhuǎn)換成與之有確定關(guān)系的、便于應(yīng)用的某種量值的測量裝置。顧名思義，傳感器的功能是一感二傳，即感受被測信息，并傳送出去。根據(jù)傳感器的功能特點(diǎn)，一般由三部分組成：敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、測量電路。敏感元件：能夠靈敏地感受被測量并作出響應(yīng)的元件。如金屬或半導(dǎo)體應(yīng)變片，能感受壓力的大小而引起形變，形變程度就是對壓力大小的響應(yīng)。鉑電阻能感受溫度的升降而改變其阻值，阻值的變化就是對溫度升降的響應(yīng)，所以鉑電阻就是一種溫度敏感元件，而金屬或半導(dǎo)體應(yīng)變片，就是一種壓力敏感元件。轉(zhuǎn)換元件：將敏感元件感受的被測量轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)的元件。如果敏感元件本身就能直接將被測量變成電路參數(shù)，那么，該敏感元件就是具有了敏感和轉(zhuǎn)換兩個功能。如熱敏電阻，它不僅能直接感受溫度的變化，而且能將溫度變化轉(zhuǎn)換成電阻的變化，也就是將非電路參數(shù)（溫度）直接變成了電路參數(shù)（電阻）。測量電路：將轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換的電學(xué)量進(jìn)行測量的電路。傳感器的種類較多，根據(jù)被測物理量可分為：速度傳感器、位移傳感器、加速度傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、光纖傳感器等。根據(jù)工作原理分為：應(yīng)變式、電壓式、電容式、渦流式、差動變壓器式等。根據(jù)能量的傳遞方式分為：有源的和無源的傳感器。了解和掌握一定的傳感器技術(shù)對每個科技工作者來說是十分必要的。本部分內(nèi)容通過兩個實(shí)驗(yàn)的實(shí)際應(yīng)用，使學(xué)生對傳感器有一個初步了解實(shí)驗(yàn)僅通過金屬箔式電阻應(yīng)變片的一種實(shí)際應(yīng)用而使學(xué)生對傳感器有一個初步了解。實(shí)驗(yàn)一用金屬箔式電阻應(yīng)變片作交流全橋的應(yīng)用——振動測量實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私饨饘俨诫娮钁?yīng)變片的結(jié)構(gòu)和工作原理；熟悉非平衡電橋的輸出靈敏度特性；掌握利用交流電橋測量動態(tài)應(yīng)變參數(shù)的原理與方法。二、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.金屬箔式電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和工作原理應(yīng)變式電阻傳感器的核心元件是電阻應(yīng)變計，它能將機(jī)械物件上的應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化。通過對電阻值變化量的測量即可得知機(jī)械構(gòu)件的應(yīng)變情況，從而可以求出引起該變化的物理量的大小。其構(gòu)造簡圖如圖12-1所示。排成網(wǎng)狀的高阻金屬絲，柵狀金屬箔或半導(dǎo)體片構(gòu)成的敏感柵，用合適的粘合劑貼在絕緣的基片2上，敏感柵上貼有保護(hù)片3,柵絲較細(xì)，一般為0.015~0.06mm（或厚度為0.003~0.010mm的金屬箔）。其兩端焊有較粗（0.1?0.2mm）的低阻銅絲4作為與電路相連的引線。圖12-1電阻絲應(yīng)變片結(jié)構(gòu)示意圖1、電阻絲2、基片3、覆蓋層 4、引出線使用時，選擇合適的粘合劑將應(yīng)變計貼在被測試件表面。試件形變引起敏感柵變形，于是其阻值發(fā)生變化，通過測量電路可將敏感柵的阻值變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化。如果將二片相同的應(yīng)變計粘貼在平行梁上同一位置的正、反兩面，則該平行梁形變所引起的二片應(yīng)變計的電阻變化剛好相反，即：△R=-AR上 下對于一根長為L，截面積為S（直徑為d），電阻率為p的金屬絲，其電阻R為R=p—S兩邊取對數(shù)，再微分得dR_dpdL_dS~R~~p~L~S將S=n.d2/4代入上式，并將微分寫成增量式。AR ApALed=—+-2RpLd由材料力學(xué)知，在彈性范圍內(nèi)金屬絲沿長度方向伸長時，橫向尺寸縮小，反之亦然。即縱向應(yīng)變￡與徑向應(yīng)變￡存在下列關(guān)系：￡=-M.￡①為材料的泊松比）。設(shè)TOC\o"1-5"\h\zX 'AL AdX =￡ =&\o"CurrentDocument"L xd rARAp °—=—+8+2^8=（1+2日）8+^H由此可見，電阻絲的電阻變化由兩部分組成：第一部分是材料的幾何形變引起，即應(yīng)變效應(yīng);第二部分是電阻率的變化引起的，即壓阻效應(yīng)。對金屬材料而言，應(yīng)變效應(yīng)是主要的，其靈

敏度K0=1+2p^1.5?2.0。對于半導(dǎo)體材料，壓阻效應(yīng)是主要的，在制造工藝雖然比金屬復(fù)雜，但靈敏度比金屬約大50~100倍，甚至可以不用放大器而直接由電壓表或示波器顯示測量結(jié)果。對于金屬材料，上式可進(jìn)一步寫成[1]式中，K對某一種金屬材料在一定應(yīng)變范圍內(nèi)為一常數(shù)，可見，金屬材料電阻值的相對變S化在一定范圍內(nèi)與應(yīng)變成正比。由于應(yīng)變片電阻的阻值受環(huán)境溫度的影響較大，在實(shí)際應(yīng)用中要采用適當(dāng)?shù)姆椒▽囟纫鸬恼`差進(jìn)行補(bǔ)償。通常因溫度變化而引起應(yīng)變片阻值變化的主要因素有兩個：一是應(yīng)變片的電阻絲具有一定的溫度系數(shù)；二是電阻絲材料與測試材料的線膨脹系數(shù)不同。電阻應(yīng)變式傳感器的轉(zhuǎn)換電路電路，其基本形式如下:圖12-3電橋電路全橋差動電路在電阻應(yīng)變式傳感器中，應(yīng)變計是敏感元件，它將應(yīng)變量￡x電路，其基本形式如下:圖12-3電橋電路全橋差動電路圖12-4由圖12-3電橋電路中，根據(jù)戴維南定理可算出輸出電壓UO為：U=（堅—R3 ）xU0 R1+R2R3+R4 e在預(yù)平衡狀態(tài)下（即UO=0），各臂電阻滿足R1*R3=R2*R4。通常電阻應(yīng)變片的檢測電路采用非平衡電橋，由非平衡電橋電路的特性可知：在采用全橋差動輸入的情況下，其輸出電壓最大，且與電阻的變化成正比，（設(shè)△R1=AR2=AR3=AR4=AR）還可以起到溫度補(bǔ)償?shù)淖饔?。U0=RxUe實(shí)驗(yàn)原理全橋測量電路中，將受力性質(zhì)相同的兩應(yīng)變片接入電橋?qū)?，不同的接入鄰邊。已知單全橋電路的工R分別為4半。根據(jù)戴維南定理可以得出單臂電橋的輸出電壓近似等于R氣群，于是對應(yīng)全橋的電壓靈敏度為如。由此可知，當(dāng)E和電阻相對變化一定時，電橋及電壓靈敏度與各橋臂阻值的大小無關(guān)。從而靈敏度提高了，非線性誤差和溫度誤差均得到改善。此外，實(shí)驗(yàn)中將交流應(yīng)變信號用交流電橋來測量，橋路輸出的波形為一調(diào)制波，不能直接顯示其應(yīng)變值，只有通過移相、相敏檢波和濾波電路后才能得到變化的應(yīng)變信號，此信號可以從示波器或用交流電壓表讀得。三、實(shí)驗(yàn)儀器該實(shí)驗(yàn)是在ZY13Sens12SB型傳感器技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺上進(jìn)行的。ZY13Sens12SB型傳感器實(shí)驗(yàn)臺ZY13Sens12SB型傳感器實(shí)驗(yàn)臺主要由音頻振蕩器、低頻振蕩器、應(yīng)變式傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、相敏檢波器模板、振動源、三源板上等組成。實(shí)驗(yàn)臺的結(jié)構(gòu)及面板示意圖如圖12-5所示。圖12-5ZY13Sens12SB型傳感器技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺應(yīng)變式傳感器結(jié)構(gòu)示意圖應(yīng)變式傳感器主要由應(yīng)變片、彈性體、模板、托盤、固定墊等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖為圖12-6。應(yīng)變片 托盤圖12-6應(yīng)變式傳感器結(jié)構(gòu)示意圖實(shí)驗(yàn)連線圖接主控箱電源輸出-eRm+e應(yīng)變傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０錙D接主控箱電源輸出-eRm+e應(yīng)變傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０錙D四、實(shí)驗(yàn)步驟1、 模塊上的傳感器不用，改為三源板板上振動梁的應(yīng)變片，即臺面上的應(yīng)變輸出。2、 將臺面三源板上的應(yīng)變插座用連接線插入應(yīng)變傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳?。因振動梁上的四片?yīng)變片已組成全橋，引出線為四芯線，因此可直接接入實(shí)驗(yàn)?zāi)０迕嫔弦崖?lián)成電橋的四個插孔上。接線時應(yīng)注意連接線上每個插頭的意義，對角線的阻值為350Q，若二組對角線阻值均為350Q則接法正確（萬用表測量）。3、 根據(jù)圖7—1，接好交流電橋調(diào)平衡電路及系統(tǒng)，R8、RW1w、C、RW2為交流電橋調(diào)平衡網(wǎng)絡(luò)。檢查接線無誤后，合上主控臺電源開關(guān)，將音頻振蕩器的頻率調(diào)節(jié)到1KHz左右，幅度調(diào)節(jié)到10Vp-p，（頻率可用數(shù)顯表Fin監(jiān)測，幅度用示波器監(jiān)測）4、將低頻振蕩器輸出接入三源板振動單元中的低頻輸入插孔，調(diào)低頻輸出幅度和頻率使振動臺（圓盤）明顯感到振動。五、 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)不用應(yīng)變模塊上的傳感器，用專用的連接線將三源板上的應(yīng)變輸出和模塊上的插孔連接起來。應(yīng)變線的接線可參考圖12-6。六、 實(shí)驗(yàn)思考題分析移相器的工作原理。傳感器不受外力作用時，理論上電橋應(yīng)處于初始平衡狀態(tài)，但實(shí)際測量時，電橋總是有點(diǎn)不平衡，為什么？實(shí)驗(yàn)中采用移相、相敏檢波和濾波電路有何作用？參考文獻(xiàn)王化祥.張淑英編著.傳感器原理及應(yīng)用.天津大學(xué)出版社.1999.2第2版19-35.余成波.胡新宇編著.傳感器與自動檢測技術(shù).高等教育出版社2004.2第1版200-210實(shí)驗(yàn)二光纖傳感器的位移特性實(shí)驗(yàn)光纖傳感器(FOSFiberOpticalSensor)是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來的一種基于光導(dǎo)纖維的新型傳感器。它是光纖和光通信技術(shù)迅速發(fā)展的產(chǎn)物，它與以電為基礎(chǔ)的傳感器有本質(zhì)區(qū)別,光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)，可測量位移、速度、加速度、液位、應(yīng)變、壓力、流量、振動、溫度、電流、電壓、磁場等物理量。本實(shí)驗(yàn)通過測量光纖傳感器的位移特性來，對熟悉和掌握光纖傳感器十分必要。一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康睦斫夤饫w傳感器的工作原理；理解傳光型光纖傳感器的工作原理；了解光纖位移傳感器性能。二、 實(shí)驗(yàn)儀器光纖傳感器、光纖傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、?shù)顯單元、測微頭、直流源、反射面(用電渦流傳感器的鐵測片做反射面)等組成，如圖所示。測量架測微頭光纖位移傳感器反射面圖1實(shí)驗(yàn)儀器圖測量架測微頭光纖位移傳感器反射面圖1實(shí)驗(yàn)儀器圖三、實(shí)驗(yàn)原理傳光型光纖傳感器是由光檢測元件與光纖傳輸回路及測量電路所組成的測量系統(tǒng)。在傳光型光纖傳感器中光纖僅作為光的傳播媒質(zhì)，所以又稱為結(jié)構(gòu)型或非功能型光纖傳感器。光纖僅僅起傳輸光信號的光學(xué)通路的作用，被測參數(shù)均在光纖之外，由外置敏感元件調(diào)制到光信號中去。

分光僚分光僚傳光型傳感器又叫結(jié)構(gòu)型光纖傳感器，或者非功能型光纖傳感器，在這類傳感器中，光纖的作用只是傳輸光，需要加上其他敏感元件，才能構(gòu)成完整的傳感器，為了得到較大受光量和傳輸?shù)墓夤β?，傳光型光纖傳感器通常采用豎直孔徑和大的階躍型多模光纖，它的結(jié)構(gòu)比較簡單，并且能夠充分利用光電元件和光纖本身的特點(diǎn)，應(yīng)用比較廣，它的缺點(diǎn)是靈敏度比傳感型光纖傳感器要低，測量精度也較差。案例：光纖位移傳感器上圖所示為反射式光纖位移傳感器，這種類型的傳感器將發(fā)射光纖和接收光纖綁在一起，從發(fā)射光纖發(fā)射出的光經(jīng)被測物體表面直接或者間接反射后，再經(jīng)接收光纖照射到光敏元件上，光敏元件所接收到的光亮?xí)S被測物體表面與傳感器端面的相對位移的變化而變化。那么相對光強(qiáng)和相對位移之間的關(guān)系如下圖所示。從圖上我們可以看出，當(dāng)d很小的時候，接收到的光亮也很小，隨著物體與光纖端面d的增大，接收到的光亮隨著增加，到達(dá)某一值后，接收到的光亮由最大隨著d的增大開始減小，圖中曲線的A段，也就是光強(qiáng)由0到最大這段區(qū)間內(nèi)，傳感器所測位移較小，靈敏度高、適用與測量微米級的微小位移、震動或者是材料表面狀態(tài)等；那么曲線中的B段，所測位移較大，但靈敏度低。本實(shí)驗(yàn)采用的是傳光型光纖，它由兩束光纖混合后，組成Y型光纖，半園分布即雙D型一束光纖端部與光源相接發(fā)射光束，另一束端部與光電轉(zhuǎn)換器相接接收光束。兩光束混合后的端部是工作端亦稱探頭，它與被測體相距X,由光源發(fā)出的光纖傳到端部出射后再經(jīng)被測體反射回來，另一束光纖接收光信號由光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電量，而光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的電量大小與間距X有關(guān)，因此可用于測量位移。五、 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1、 實(shí)驗(yàn)時注意光纖探頭與反射面保持平行，調(diào)整光纖探頭使其位于反射面的圓心上。2、 實(shí)驗(yàn)前應(yīng)用紙巾擦拭反射面，以保證反射效果。六、 實(shí)驗(yàn)步驟1、 根據(jù)圖9-1安裝光纖位移傳感器，二束光纖插入實(shí)驗(yàn)板上的座孔上。其內(nèi)部已和發(fā)光管D及光電轉(zhuǎn)換管T相接。圖9-1光纖傳感器安裝示意圖2、 將光纖實(shí)驗(yàn)?zāi)０遢敵龆薞O1與數(shù)顯單元相連，見圖9-2。接主控箱電源輸出圖9-2光纖傳感器位移實(shí)驗(yàn)接線圖3、 調(diào)節(jié)測微頭，使探頭與反射面圓平板接觸。4、 實(shí)驗(yàn)?zāi)０褰尤搿?5V電源，合上主控臺電源開關(guān)，調(diào)RW使數(shù)顯表顯示值最小，然后微調(diào)測微頭使數(shù)顯表顯示為0.000（電壓選擇置2V檔）。5、旋轉(zhuǎn)測微頭，被測體離開探頭，每隔0.05mm讀出數(shù)顯表值，將其填入下表:X(mm)V(v)6、根據(jù)上表數(shù)據(jù)，作光纖位移傳感器的位移一一輸出曲線圖。計算在量程1mm時靈敏度和非線性誤差。七、實(shí)驗(yàn)報告在實(shí)驗(yàn)報告中填寫《實(shí)驗(yàn)報告二十五》，詳細(xì)記錄實(shí)驗(yàn)過程中的原始記錄（數(shù)據(jù)、圖表、波形等）并結(jié)合原始記錄進(jìn)一步理解實(shí)驗(yàn)原理。八、實(shí)驗(yàn)思考題根據(jù)實(shí)驗(yàn)步驟（6）中的光纖位移傳感器的位移一一輸出曲線圖，分析其原理。實(shí)驗(yàn)三機(jī)械手接近覺實(shí)驗(yàn)機(jī)器人運(yùn)動學(xué)描述了機(jī)器人關(guān)節(jié)與組成機(jī)器人的各剛體之間的運(yùn)動關(guān)系。主要包括機(jī)器人末端手的位姿分析、速度分析、加速度分析等。當(dāng)已知所有關(guān)節(jié)變量時，可用正運(yùn)動學(xué)來確定機(jī)器人末端手的位姿。如果要使機(jī)器人末端手放在特定的點(diǎn)上并且具有特定的姿態(tài)，可用逆運(yùn)動學(xué)來計算出每一關(guān)節(jié)變量的值，以此來實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動分析、離線編程、軌跡規(guī)劃等工作。機(jī)械手是應(yīng)用計算機(jī)控制技術(shù)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置本實(shí)驗(yàn)裝置是一種具有接近覺、接觸覺、滑動覺、力覺、熱覺等五種感覺的兩自由度智能機(jī)械手，所有感覺集中于手爪部位，通過手爪對模擬工件的操作，實(shí)現(xiàn)感覺信息的測量。在該實(shí)驗(yàn)裝置上，可單獨(dú)完成以下機(jī)器人感覺實(shí)驗(yàn)：?接近覺實(shí)驗(yàn)?接觸覺實(shí)驗(yàn)?滑動覺實(shí)驗(yàn)?力覺實(shí)驗(yàn)?熱覺實(shí)驗(yàn)?示教和再現(xiàn)操作（工作方式類同于一般示教再現(xiàn)機(jī)器人）?自適應(yīng)抓取實(shí)驗(yàn)（抓取雞蛋、玻璃瓶等易碎物）?多信息融合算法實(shí)踐

作為實(shí)驗(yàn)裝置，它使學(xué)生直接面對科學(xué)研究前沿，除多個實(shí)驗(yàn)可做生動的演示外，在信息處理部分可以融入自己的算法思想。在技術(shù)上，它具有控制方式靈活、人機(jī)界面友好、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)開放等特點(diǎn)?？勺鳛椤皺C(jī)械制造及其自動化、“自動化”、“電子信息工程”等本科專業(yè)《機(jī)器人技術(shù)》課程的實(shí)驗(yàn)裝置，也可用作相關(guān)專業(yè)研究生實(shí)踐及研究開發(fā)平臺。整個實(shí)驗(yàn)裝置由機(jī)械手本體、控制器、計算機(jī)等三部分組成，系統(tǒng)組成示意圖如圖0-1所示。電腦虛擬儀器傳感器

信息覺傳感示教、實(shí)驗(yàn)控制面板（操作）接近覺、接以器電腦虛擬儀器傳感器

信息覺傳感示教、實(shí)驗(yàn)控制面板（操作）接近覺、接以器S觸覺、滑覺傳感器1 1機(jī)械手本體圖0-1實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)組成簡圖機(jī)械手本體由多感覺手爪（其中力傳感器裝在腕部）、升降筒、支撐力柱和底座工作平臺等組成，手爪的張開與閉合及手臂的升降均由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。手爪為絲杠螺母傳動，帶動一平移夾持機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)手爪開合。升降是滾珠絲杠傳動，螺母與升降筒固定在一起，由直線導(dǎo)軌保持其運(yùn)動精度。控制器由控制面板（含液晶顯示）、傳感器信號處理板、機(jī)械手控制板、電機(jī)驅(qū)動器、直流電源等組成?？刂泼姘澹ê壕э@示）是人機(jī)界面，由按鍵輸入，液晶輸出。傳感器信號處理板完成各種感覺信息的模擬信號處理，分別輸出到PC機(jī)和機(jī)械手控制板。機(jī)械手控制板包括感覺信號的A/D轉(zhuǎn)換、鍵盤輸入處理和各種實(shí)驗(yàn)功能的實(shí)現(xiàn)（含手爪及升降電機(jī)的控制）。計算機(jī)是各種感覺信息的演示界面，用LABVIEW軟件開發(fā)，能用多個窗口觀察各個感覺信息的實(shí)時變化，并進(jìn)行多感覺信息融合算法的實(shí)踐。實(shí)驗(yàn)主菜單界面首先將介紹具體的軟件運(yùn)行界面，以及菜單的使用方法。在打開多感覺機(jī)械手實(shí)驗(yàn)裝置軟件后，將直接彈出如圖0-2所示的實(shí)驗(yàn)菜單界面：圖0-2實(shí)驗(yàn)菜單界面由圖0-2可知，實(shí)驗(yàn)菜單界面主要由標(biāo)題框和菜單框組成。其中菜單框共包含7個菜單項(xiàng)，每個菜單項(xiàng)分別是一個實(shí)驗(yàn)的入口，要進(jìn)入某個實(shí)驗(yàn)只需單擊相應(yīng)的菜單項(xiàng)，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以提供的實(shí)驗(yàn)分別是：自適應(yīng)抓取實(shí)驗(yàn)在自適應(yīng)抓取實(shí)驗(yàn)中，將完成同時對4個傳感器的數(shù)據(jù)采集并顯示數(shù)據(jù)的波形，而且可以實(shí)現(xiàn)將某個傳感器信號窗口進(jìn)行放大觀察的功能。未知材料特征值提取實(shí)驗(yàn)在未知材料特征提取實(shí)驗(yàn)中主要完成對未知材料的力覺特征和熱覺特征的提取，并且提供一組參數(shù)，這些參數(shù)將在后續(xù)的多信息融合實(shí)驗(yàn)中用來判斷機(jī)械手所抓取的工件的材質(zhì)。多信息融合實(shí)驗(yàn)在多信息融合實(shí)驗(yàn)中將使用未知材料特征提取實(shí)驗(yàn)中所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和判斷，并給出機(jī)械手所抓物體屬于某種材料的概率。接近覺實(shí)驗(yàn)在接近覺實(shí)驗(yàn)中，將實(shí)現(xiàn)對單一的接近覺傳感器信號的數(shù)據(jù)采集和分析。觸滑覺實(shí)驗(yàn)

在觸滑覺實(shí)驗(yàn)中，將實(shí)現(xiàn)對單一的觸滑覺傳感器信號的數(shù)據(jù)采集和分析。6.力覺實(shí)驗(yàn)在力覺實(shí)驗(yàn)中，將實(shí)現(xiàn)對單一的力覺傳感器信號的數(shù)據(jù)采集和分析。7.熱覺實(shí)驗(yàn)在熱覺實(shí)驗(yàn)中，將實(shí)現(xiàn)對單一的熱覺傳感器信號的數(shù)據(jù)采集和分析。在完成實(shí)驗(yàn)以后要退出實(shí)驗(yàn)菜單，可按下實(shí)驗(yàn)菜單界面的最下方的退出鍵，如果要重新開始運(yùn)行，可以點(diǎn)擊位于windows工具欄上的空箭頭按鈕（如圖0-3所示），它將再次啟動程序。重新開始按鈕圖0-3重新開始按鈕圖0-3實(shí)驗(yàn)菜單界面注意：除了可以在實(shí)驗(yàn)菜單中手工的選擇做某個實(shí)驗(yàn)，也可以由控制箱選擇作某個實(shí)驗(yàn)，即在控制箱上通過按鍵選擇作何種實(shí)驗(yàn)，可以通過單片機(jī)和計算機(jī)的通信可以實(shí)現(xiàn)軟件自動選擇作的實(shí)驗(yàn)。為了讓軟件自動實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的選擇，必須確保從控制箱的串行通信線正確的接到計算機(jī)的COM1口。假如串行通信線未成功連接，計算機(jī)將需要手工的選擇作何種實(shí)驗(yàn)，即通過菜單上的按鍵來實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的選擇。實(shí)驗(yàn)一機(jī)械手操作實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私鈾C(jī)械手的控制結(jié)構(gòu)和示教方式；2.二、 實(shí)驗(yàn)裝置多感覺機(jī)械手實(shí)驗(yàn)裝置三、 實(shí)驗(yàn)原理機(jī)械手控制結(jié)構(gòu)（框圖）如圖1-1所示。感覺信息模擬輸入8155接口ADC08098155接口ADC080989c55單片機(jī)＜32864數(shù)據(jù)存輸出脈沖個數(shù)的計輸出脈沖個數(shù)的計數(shù)8253接口VT22輸出脈沖頻率信號控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角及速度二＞|8253接口圖1-1多感覺機(jī)械手控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖圖中，8155接口負(fù)責(zé)機(jī)械手張開極限和升降極限位置的I/O檢測、對液晶的輸出顯示控制；ADC0809完成對各種感覺信號的AD轉(zhuǎn)換并輸入到計算機(jī)；2864芯片用于存儲各個實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，兩塊8253完成對步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號輸出及其計數(shù)。儲各個實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，兩塊8253完成對步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號輸出及其計數(shù)。圖1-2控制器面板機(jī)械手示教工作：在示教工作模式下，利用面板（圖1-2）上的相應(yīng)鍵操縱手臂、手爪，使之完成預(yù)期的軌跡。操作者可通過液晶顯示了解當(dāng)前工作區(qū)位置、示教內(nèi)容（工作點(diǎn)數(shù)）、當(dāng)前機(jī)械手位置等信息。示教模式工作流程如圖1-3示：圖1-3示教工作流程四、操作步驟：1.熟悉操作面板，通過面板上的“模式”按鈕選擇示教工作模式，顯示如下:Mode：TEACH按確認(rèn)鍵，進(jìn)入示教模式，顯示如下：Mode：TEACHA—00A：2AF0G：0000其中A—00表明當(dāng)前工作區(qū)為A區(qū)（可通過工作區(qū)鍵切換至B、C、D區(qū)），目前無工作點(diǎn)數(shù)（00），工作點(diǎn)最大可保存60點(diǎn)，不能超出；A：2AF0表明手臂當(dāng)前位置；G：0000表明手爪當(dāng)前位置。示教過程中可以利用手爪的開、合，手臂的升、降點(diǎn)動和連續(xù)動作實(shí)現(xiàn)任務(wù)。如：手臂上升到指定位置后，顯示：Mode：TEACHA—00A：20A0G：0000按下“記憶”鍵，系統(tǒng)將機(jī)械手此運(yùn)動過程保存下來供再現(xiàn)使用，顯示如下：Mode：TEACHA—00 DOWN!Mode：TEACHA—01A：20A0G：0000此時，表明系統(tǒng)已完成記憶工作，可繼續(xù)進(jìn)行示教工作。在示教模式下，若想刪除該工作區(qū)中的記憶內(nèi)容，利用“刪除”鍵實(shí)現(xiàn)。該功能鍵按下后，將當(dāng)前示教區(qū)最后一個示教工作點(diǎn)刪除，如此反復(fù)操作，可刪除當(dāng)前示教區(qū)所有工作點(diǎn)，以備新的示教程序使用。顯示如下：Mode：TEACHA—01 DELETE！Mode：TEACHA—00A：20A0G：0000當(dāng)示教完成后，利用“模式”選擇鍵切換到再現(xiàn)模式下，顯示如下:Mode：PALYBACKA—06表明當(dāng)前再現(xiàn)任務(wù)工作區(qū)為A區(qū)，工作區(qū)示教點(diǎn)數(shù)為6。按下“確認(rèn)”鍵后機(jī)械手將先執(zhí)行回原點(diǎn)（尋找絕對原點(diǎn)）操作，然后按照示教順序完成示教任務(wù)。顯示如下：Mode：PALYBACKA—06 STEP—01STEP—01表明當(dāng)前機(jī)械手正在完成第一個示教點(diǎn)的工作任務(wù)，然后依次是02、03、04、05、06,然后停止。再次按下“確認(rèn)”鍵后重復(fù)上述操作過程。實(shí)驗(yàn)二接近覺實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私鈾C(jī)器人接近覺的工作原理。二、 實(shí)驗(yàn)裝置多感覺機(jī)械手實(shí)驗(yàn)裝置；PCI6024E采集卡;計算機(jī)

機(jī)械手控制結(jié)構(gòu)（框圖）如圖1-1所示。感覺信息模擬輸入8155接口ADC08098155接口ADC080989c55單片機(jī)＜32864數(shù)據(jù)存輸出脈沖個數(shù)的計輸出脈沖個數(shù)的計數(shù)8253接口VT22輸出脈沖頻率信號控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角及速度二＞|8253接口圖1-1多感覺機(jī)械手控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖圖中，8155接口負(fù)責(zé)機(jī)械手張開極限和升降極限位置的I/O檢測、對液晶的輸出顯示控制；ADC0809完成對各種感覺信號的AD轉(zhuǎn)換并輸入到計算機(jī)；2864芯片用于存儲各個實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，兩塊8253完成對步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號輸出及其計數(shù)。圖1-2控制器面板三、實(shí)驗(yàn)原理接近覺采用紅外反射光強(qiáng)法，其工作原理如下。紅外反射光強(qiáng)法接近覺的測量原理，如圖2-1所示。由紅外發(fā)光管發(fā)射經(jīng)過調(diào)制的信號，紅外光敏管接收經(jīng)目標(biāo)物反射的紅外調(diào)制信號，環(huán)境紅外光干擾的消除由信號調(diào)制和專用紅外濾光片保證。設(shè)輸出信號vout代表反射光強(qiáng)，則vout是探頭至工件間距離X的函數(shù)：Vt=f（x，p）式中p表示工件的反射系數(shù)。當(dāng)工件為p值一致的物體時，X和Vout一一對應(yīng)。典型的響應(yīng)為非線性曲線，如圖2-2所示，X距離的推算根據(jù)預(yù)先對各種目標(biāo)物的接近覺測量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過

插值得到。反射系數(shù)p與目標(biāo)物表面顏色、粗糙度等有關(guān)，當(dāng)目標(biāo)物顏色較深、接近黑色或透明時，反射光很弱。若以輸出信號達(dá)到某一閾值作為“接近”時，則對不同目標(biāo)物，因其表面的顏色和粗糙度是不同，“接近”的距離是不同的。紅外光強(qiáng)法接近覺對大多數(shù)目標(biāo)物是能找到“接近”感覺的，所以這一并不十分精確的簡單測距系統(tǒng)用做機(jī)器人的接近覺是完全能夠勝任的。圖2-2接近覺響應(yīng)曲線圖2-2接近覺響應(yīng)曲線接近覺信號處理電路分為發(fā)射部分和接收部分。信號調(diào)制與發(fā)射部分采用方波調(diào)制，電路見圖2-3，調(diào)制信號（方波）由NE555產(chǎn)生，其調(diào)制頻率由R1、R2、C2確定，改變電阻R2可改變占空比。調(diào)制頻率約為500Hz。圖中虛線框?yàn)榻咏鼈鞲衅鞯募t外發(fā)光管部分。發(fā)射A圖2-3接近覺信號調(diào)制與發(fā)射發(fā)射A圖2-3接近覺信號調(diào)制與發(fā)射圖2-4接近覺信號接收與解調(diào)信號接收及解調(diào)電路如圖2-4所示，虛線框中為紅外光敏三極管。圖中第一級用于檢測所接收的紅外光強(qiáng)度，電路中C3起直流隔離作用，抑制環(huán)境噪聲（環(huán)境光）的影響，后續(xù)電路由模擬開關(guān)和運(yùn)放組成的混合電路實(shí)現(xiàn)解調(diào)功能。IC5A，IC5C為雙向模擬開關(guān)，控制信號由圖中C、D提供，控制邏輯相反。在正負(fù)半周分別控制不同的電路接入IC4B運(yùn)放，使正負(fù)對稱的方波在輸出時變?yōu)槠浣^對值，經(jīng)低通濾波完成輸出直流信號與接近距離的對應(yīng)關(guān)系。解調(diào)過程波形分析如圖2-5所示。

四、操作步驟：將多感覺機(jī)械手實(shí)驗(yàn)裝置與上位機(jī)通過采集卡聯(lián)接?？刂葡洳僮鳌Ｊ煜げ僮髅姘?，選擇接近覺實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，顯示如下：Mode：P