機(jī)器人傳感器1

第六章機(jī)器人傳感器

6.1.1傳感器的定義6.1.2傳感器的組成6.1.3傳感器的分類6.1.4傳感器的數(shù)學(xué)模型6.1.5傳感器的基本特征6.1.6傳感器的發(fā)展方向6.1傳感器概述2機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》將被測(cè)非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系電量輸出的器件或裝置叫做傳感器，也叫變換器、換能器或探測(cè)器。6.1.1傳感器的定義3機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》6.1.2傳感器的組成敏感元件輔助電路傳感元件

被測(cè)非電量

有用非電量有用電量信號(hào)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路電量4機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》6.1.2傳感器的組成5機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》6.1.2傳感器的組成6機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》敏感元件：直接感受被測(cè)非電量并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與被測(cè)量有確定關(guān)系的其它量的元件。傳感元件：又稱變換器。能將敏感元件感受到的非電量直接轉(zhuǎn)換成電量的器件。7機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》壓力傳感器示例8機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》9機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》6.1.3傳感器的分類1．按工作機(jī)理分類：根據(jù)物理和化學(xué)等學(xué)科的原理、規(guī)律和效應(yīng)進(jìn)行分類2．按被測(cè)量分類：根據(jù)輸入物理量的性質(zhì)進(jìn)行分類。3．按敏感材料分類：根據(jù)制造傳感器所使用的材料進(jìn)行分類?？煞譃榘雽?dǎo)體傳感器、陶瓷傳感器等。10機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》6.1.3傳感器的分類4.按能量的關(guān)系分類：根據(jù)能量觀點(diǎn)分類，可將傳感器分為有源傳感器和無(wú)源傳感器兩大類。有源傳感器是將非電能量轉(zhuǎn)換為電能量，稱之為能量轉(zhuǎn)換型傳感器，也稱換能器。通常配合有電壓測(cè)量電路和放大器。如:壓電式、熱電式、電磁式等。11機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》6.1.3傳感器的分類無(wú)源傳感器又稱為能量控制型傳感器。被測(cè)非電量?jī)H對(duì)傳感器中的能量起控制或調(diào)節(jié)作用。所以必須具有輔助能源(電能)。如:電阻式、電容式和電感式等。5.其他：按用途、學(xué)科、功能和輸出信號(hào)的性質(zhì)等進(jìn)行分類。12機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》基本量派生量位移線位移長(zhǎng)度、厚度、振動(dòng)、磨損等角位移旋轉(zhuǎn)角、偏轉(zhuǎn)角、角振動(dòng)等速度線速度速度、振動(dòng)、流量、動(dòng)量等角速度轉(zhuǎn)速、角振動(dòng)等加速度線加速振動(dòng)、沖擊、質(zhì)量等角加速角振動(dòng)、扭矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等力壓力重量、應(yīng)力、力矩等時(shí)間頻率周期、記數(shù)、統(tǒng)計(jì)分布等溫度熱容量、氣體速度、渦流等光光通量與密度、光譜分布等13機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》電容法測(cè)位移14機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》電感法測(cè)厚度15機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》霍爾法計(jì)數(shù)16機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》霍爾法測(cè)轉(zhuǎn)速17機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》半導(dǎo)體法測(cè)壓力18機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》6.1.4傳感器的數(shù)學(xué)模型

從系統(tǒng)角度看，一種傳感器就是一種系統(tǒng)。而一個(gè)系統(tǒng)總可以用一個(gè)數(shù)學(xué)方程式或函數(shù)來(lái)描述。即用某種方程式或函數(shù)表征傳感器的輸出和輸入的關(guān)系和特性，從而，用這種關(guān)系指導(dǎo)對(duì)傳感器的設(shè)計(jì)、制造、校正和使用。通常從傳感器的靜態(tài)輸入-輸出關(guān)系和動(dòng)態(tài)輸入-輸出關(guān)系兩方面建立數(shù)學(xué)模型。19機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》1.靜態(tài)模型靜態(tài)模型是指在輸入信號(hào)不隨時(shí)間變化的情況下，描述傳感器的輸出與輸入量的一種函數(shù)關(guān)系。如果不考慮蠕動(dòng)效應(yīng)和遲滯特性，傳感器的靜態(tài)模型一般可用多項(xiàng)式來(lái)表示：20機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》2.動(dòng)態(tài)模型

動(dòng)態(tài)模型是指?jìng)鞲衅髟跍?zhǔn)動(dòng)態(tài)信號(hào)或動(dòng)態(tài)信號(hào)作用下，描述其輸出和輸入信號(hào)的一種數(shù)學(xué)關(guān)系。動(dòng)態(tài)模型通常采用微分方程和傳遞函數(shù)描述。21機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》

3.微分方程

大多數(shù)傳感器都屬模擬系統(tǒng)之列。描述模擬系統(tǒng)的一般方法是采用微分方程。在實(shí)際的模型建立過(guò)程中，一般采用線性常系數(shù)微分方程來(lái)描述輸出量y和輸入量x的關(guān)系。22機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》

其通式如下：an,an-1…a0和bm,bm-1…b0

為傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。除b0

0外，一般取b1,b2…bm為零.23機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》如果y(t)在t≤0時(shí)，y(t)

=0，則y(t)的拉氏變換可定義為4.傳遞函數(shù)

式中s=σ+jω，σ>0。

對(duì)微分方程兩邊取拉氏變換，則得24機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》定義輸出y(t)的拉氏變換Y(S)和輸入x(t)的拉氏變換X(S)的比為該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)H(S)，則

對(duì)y(t)進(jìn)行拉氏變換的初始條件是t≤0時(shí)，y(t)=0。對(duì)于傳感器被激勵(lì)之前所有的儲(chǔ)能元件如質(zhì)量塊、彈性元件、電氣元件等均符合上述的初始條件。25機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》對(duì)于多環(huán)節(jié)串、并聯(lián)組成的傳感器，若各環(huán)節(jié)阻抗匹配適當(dāng)，可忽略相互間的影響，傳感器的等效傳遞函數(shù)可按代數(shù)方式求得。顯然H(s)與輸入量x(t)無(wú)關(guān)，只與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。因而H(s)可以簡(jiǎn)單而恰當(dāng)?shù)孛枋鰝鞲衅鬏敵雠c輸入的關(guān)系。26機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》若傳感器由r個(gè)環(huán)節(jié)串聯(lián)而成

對(duì)于較為復(fù)雜的系統(tǒng)，可以將其看作是一些較為簡(jiǎn)單系統(tǒng)的串聯(lián)與并聯(lián)。27機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》若傳感器由p個(gè)環(huán)節(jié)并聯(lián)而成28機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》6.1.5傳感器的基本特征1.傳感器的靜特性傳感器的靜態(tài)特性是指當(dāng)被測(cè)量處于穩(wěn)定狀態(tài)下，傳感器的輸入與輸出值之間的關(guān)系。傳感器靜態(tài)特性的主要技術(shù)指標(biāo)有：線性度、靈敏度、遲滯和重復(fù)性等。(1).線性度傳感器的線性度是指?jìng)鞲衅鲗?shí)際輸出—輸入特性曲線與理論直線之間的最大偏差與輸出滿度值之比，即29機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》(2).靈敏度傳感器的靈敏度是指?jìng)鞲衅髟诜€(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)條件下，輸出量的變化量與輸入量的變化量之比，即(3).遲滯傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐讨?，輸出——輸入特性曲線不重合的程度稱為遲滯，遲滯誤差一般以滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示

30機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》(4).重復(fù)性

傳感器在同一條件下，被測(cè)輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次重復(fù)測(cè)量時(shí)，所得輸出——輸入曲線的不一致程度，稱重復(fù)性。重復(fù)性誤差用滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示，即近似計(jì)算31機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》（5）.分辨力傳感器能檢測(cè)到的最小輸入增量稱分辨力，在輸入零點(diǎn)附近的分辨力稱為閾值。（6）.零漂傳感器在零輸入狀態(tài)下，輸出值的變化稱為零漂，零漂可用相對(duì)誤差表示，也可用絕對(duì)誤差表示。32機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》2.傳感器的動(dòng)態(tài)特性傳感器能測(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)的能力用動(dòng)態(tài)特性表示。動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鳒y(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí)，輸出對(duì)輸入的響應(yīng)特性。傳感器動(dòng)態(tài)特性的性能指標(biāo)可以通過(guò)時(shí)域、頻域以及試驗(yàn)分析的方法確定，其動(dòng)態(tài)特性參數(shù)如：最大超調(diào)量、上升時(shí)間、調(diào)整時(shí)間、頻率響應(yīng)范圍、臨界頻率等。

33機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》6.1.6傳感器的發(fā)展方向1.新型傳感器的開(kāi)發(fā)鑒于傳感器的工作機(jī)理是基于各種效應(yīng)和定律，由此啟發(fā)人們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、采用新原理、開(kāi)發(fā)新材料、采用新工藝，并以此研制出具有新原理的新型物性型傳感器，這是發(fā)展高性能、多功能、低成本和小型化傳感器的重要途徑。總之，傳感器正經(jīng)歷著從以結(jié)構(gòu)型為主轉(zhuǎn)向以物性型為主的過(guò)程。34機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》2.傳感器的集成化和多功能化隨著微電子學(xué)、微細(xì)加工技術(shù)和集成化工藝等方面的發(fā)展，出現(xiàn)了多種集成化傳感器。這類傳感器，或是同一功能的多個(gè)敏感元件排列成線性、面型的陣列型傳感器；或是多種不同功能的敏感元件集成一體，成為可同時(shí)進(jìn)行多種參數(shù)測(cè)量的傳感器；或是傳感器與放大、運(yùn)算、溫度補(bǔ)償?shù)入娐芳梢惑w具有多種功能——實(shí)現(xiàn)了橫向和縱向的多功能。35機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》3.傳感器的智能化“電五官”與“電腦”的相結(jié)合，就是傳感器的智能化。智能化傳感器不僅具有信號(hào)檢測(cè)、轉(zhuǎn)換功能，同時(shí)還具有記憶、存儲(chǔ)、解析、統(tǒng)計(jì)處理及自診斷、自校準(zhǔn)、自適應(yīng)等功能。如進(jìn)一步將傳感器與計(jì)算機(jī)的這些功能集成于同一芯片上，就成為智能傳感器。36機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》6.2位置傳感器6.2.1線位移檢測(cè)傳感器6.2.2角位移檢測(cè)傳感器6.2.3速度、加速度傳感器6.2.4電子羅盤(pán)及陀螺儀6.2.5GPS全球?qū)Ш较到y(tǒng)37機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》6.2.1線位移檢測(cè)傳感器1）、光柵位移傳感器2）、感應(yīng)同步器3）、磁柵位移傳感器38機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》1）.光柵位移傳感器（1）、光柵的構(gòu)造：39機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》1）.光柵位移傳感器（2）、工作原理把兩塊柵距W相等的光柵平行安裝，且讓它們的刻痕之間有較小的夾角θ時(shí)，這時(shí)光柵上會(huì)出現(xiàn)若干條明暗相間的條紋，這種條紋稱莫爾條紋，它們沿著與光柵條紋幾乎垂直的方向排列，如圖所示。

40機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》1）.光柵位移傳感器莫爾條紋具有如下特點(diǎn)：1.莫爾條紋的位移與光柵的移動(dòng)成比例。光柵每移動(dòng)過(guò)一個(gè)柵距W，莫爾條紋就移動(dòng)過(guò)一個(gè)條紋間距B

2.莫爾條紋具有位移放大作用。莫爾條紋的間距B與兩光柵條紋夾角之間關(guān)系為3.莫爾條紋具有平均光柵誤差的作用。

41機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》1）.光柵位移傳感器

通過(guò)光電元件，可將莫爾條紋移動(dòng)時(shí)光強(qiáng)的變化轉(zhuǎn)換為近似正弦變化的電信號(hào)，如圖所示。

其電壓為：42機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》1）.光柵位移傳感器將此電壓信號(hào)放大、整形變換為方波，經(jīng)微分轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，再經(jīng)辨向電路和可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，則可用數(shù)字形式顯示出位移量，位移量等于脈沖與柵距乘積。測(cè)量分辨率等于柵距。43機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》2）、感應(yīng)同步器（2）.感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)節(jié)距2τ（2mm）節(jié)距τ（0.5mm）絕緣粘膠銅箔鋁箔耐切削液涂層基板(鋼、銅)滑尺定尺44機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》2）、感應(yīng)同步器包括定尺和滑尺，用制造印刷線路板的腐蝕方法在定尺和滑尺上制成節(jié)距T(一般為2mm)的方齒形線圈。定尺繞組是連續(xù)的，滑尺上分布著兩個(gè)勵(lì)磁繞組，分別稱為正弦繞組和余弦繞組。當(dāng)正弦繞組與定尺繞組相位相同時(shí)，余弦繞組與定尺繞組錯(cuò)開(kāi)1/4節(jié)距?；吆投ǔ呦鄬?duì)平行安裝，其間保持一定間隙（0.05~0.2mm）。45機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》2）、感應(yīng)同步器2.感應(yīng)同步器的工作原理在滑尺的繞組中，施加頻率為f（一般為2~10kHz）的交變電流時(shí)，定尺繞組感應(yīng)出頻率為f的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與滑尺和定尺的相對(duì)位置有關(guān)。設(shè)正弦繞組供電電壓為Us，余弦繞組供電電壓為Uc，移動(dòng)距離為x，節(jié)距為T(mén)，則正弦繞組單獨(dú)供電時(shí)，在定尺上感應(yīng)電勢(shì)為46機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》2）、感應(yīng)同步器余弦繞組單獨(dú)供電所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為

由于感應(yīng)同步器的磁路系統(tǒng)可視為線性，可進(jìn)行線性疊加，所以定尺上總的感應(yīng)電勢(shì)為47機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》2）、感應(yīng)同步器式中：K——定尺與滑尺之間的耦合系數(shù)；

——定尺與滑尺相對(duì)位移的角度表示量（電角度）T——節(jié)距，表示直線感應(yīng)同步器的周期，標(biāo)準(zhǔn)式直線感應(yīng)同步器的節(jié)距為2mm。利用感應(yīng)電壓的變化可以求得位移X，從而進(jìn)行位置檢測(cè)。48機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》3.測(cè)量方法根據(jù)對(duì)滑尺繞組供電方式的不同，以及對(duì)輸出電壓檢測(cè)方式的不同，感應(yīng)同步器的測(cè)量方式有鑒相式和鑒幅式兩種工作法。2）、感應(yīng)同步器49機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》(1)鑒相式工作法滑尺的兩個(gè)勵(lì)磁繞組分別施加相同頻率和相同幅值，但相位相差90o的兩個(gè)電壓，設(shè)從上式可以看出，只要測(cè)得相角，就可以知道滑尺的相對(duì)位移x：

2）、感應(yīng)同步器50機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》2.鑒幅工作法在滑尺的兩個(gè)勵(lì)磁繞組上分別施加相同頻率和相同相位，但幅值不等的兩個(gè)交流電壓：由上式知，感應(yīng)電勢(shì)的幅值隨著滑尺的移動(dòng)作正弦變化。因此，可以通過(guò)測(cè)量感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值來(lái)測(cè)得定尺和滑尺之間的相對(duì)位移。2）、感應(yīng)同步器51機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》3）、磁柵位移傳感器（1）.磁柵式位移傳感器的結(jié)構(gòu)

52機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》（2）.原理：在用軟磁材料制成的鐵芯上繞有兩個(gè)繞組，一個(gè)為勵(lì)磁繞組，另一個(gè)為拾磁繞組，將高頻勵(lì)磁電流通入勵(lì)磁繞組時(shí)，當(dāng)磁頭靠近磁尺時(shí)在拾磁線圈中感應(yīng)電壓為：U0——輸出電壓系數(shù)；

——磁尺上磁化信號(hào)的節(jié)距；

χ——磁頭相對(duì)磁尺的位移；

ω——?jiǎng)?lì)磁電壓的角頻率。

在實(shí)際應(yīng)用中，需要采用雙磁頭結(jié)構(gòu)來(lái)辨別移動(dòng)的方向3）、磁柵位移傳感器53機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》（3）.測(cè)量方式A、鑒幅測(cè)量方式如前所述，磁頭有兩組信號(hào)輸出，將高頻載波濾掉后則得到相位差為π/2的兩組信號(hào)兩組磁頭相對(duì)于磁尺每移動(dòng)一個(gè)節(jié)距發(fā)出一個(gè)正（余）弦信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理后可進(jìn)行位置檢測(cè)。這種方法的檢測(cè)線路比較簡(jiǎn)單，但分辨率受到錄磁節(jié)距λ的限制，若要提高分辨率就必須采用較復(fù)雜的信頻電路，所以不常采用。

3）、磁柵位移傳感器54機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》B.鑒相測(cè)量方式將一組磁頭的勵(lì)磁信號(hào)移相90°，則得到輸出電壓為在求和電路中相加，則得到磁頭總輸出電壓為則合成輸出電壓U的幅值恒定，而相位隨磁頭與磁尺的相對(duì)位置χ變化而變。讀出輸出信號(hào)的相位，就可確定磁頭的位置。

3）、磁柵位移傳感器55機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》一、直流測(cè)速發(fā)電機(jī)二、光電式速度傳感器三、差動(dòng)變壓器式速度傳感器四、加速度傳感器6.2.3速度、加速度傳感器56機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》一、直流測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)有多種，但原理基本相同。圖所示為永磁式測(cè)速發(fā)電機(jī)原理電路圖。恒定磁通由定子產(chǎn)生，當(dāng)轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞繞組中即產(chǎn)生交變的電勢(shì)，經(jīng)換向器和電刷轉(zhuǎn)換成正比的直流電勢(shì)。

直流測(cè)速發(fā)電機(jī)在機(jī)電控制系統(tǒng)中，主要用作測(cè)速和校正元件。在使用中，為了提高檢測(cè)靈敏度，盡可能把它直接連接到電機(jī)軸上。有的電機(jī)本身就已安裝了測(cè)速發(fā)電機(jī)。57機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》二、光電式速度傳感器

光電脈沖測(cè)速原理如下圖所示。物體以速度V通過(guò)光電池的遮擋板時(shí)，光電池輸出階躍電壓信號(hào)，經(jīng)微分電路形成兩個(gè)脈沖輸出，測(cè)出兩脈沖之間的時(shí)間間隔△t，則可測(cè)得速度為58機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》二、光電式速度傳感器

光電式轉(zhuǎn)速傳感器是由裝在被測(cè)軸（或與被測(cè)軸相連接的輸入軸）上的帶縫圓盤(pán)、光源、光電器件和指示縫隙圓盤(pán)組成，如下圖所示。光源發(fā)出的光通過(guò)縫隙圓盤(pán)和指示縫隙盤(pán)照射到光電器件上，當(dāng)縫隙圓盤(pán)隨被測(cè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，圓盤(pán)每轉(zhuǎn)一周，光電器件輸出與圓盤(pán)縫隙數(shù)相等的電脈沖，根據(jù)測(cè)量時(shí)間t內(nèi)的脈沖數(shù)N，則可測(cè)得轉(zhuǎn)速為59機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》三、差動(dòng)變壓器式速度傳感器

差動(dòng)變壓器式除了可測(cè)量位移外，還可測(cè)量速度。其工作原理如下圖所示。差動(dòng)變壓器式的原邊線圈同時(shí)供以直流和交流電流，即60機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》三、差動(dòng)變壓器式速度傳感器

當(dāng)差動(dòng)變壓器以被測(cè)速度V=dx/dt移動(dòng)時(shí)，在其副邊兩個(gè)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，將它們的差值通過(guò)低通濾波器濾除勵(lì)磁高頻角頻率后，則可得到與速度v（m/s）相對(duì)應(yīng)的電壓輸出，即

差動(dòng)變壓器漂移小，其主要性能為：測(cè)量范圍10~2000mm/s（可調(diào)），輸出電壓±10V（max），輸出電流±10mA（max），頻帶寬度≥500Hz。61機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》四、加速度傳感器

作為加速度檢測(cè)元件的加速度傳感器有多種形式，它們的工作原理大多是利用慣性質(zhì)量受加速度所產(chǎn)生的慣性力而造成的各種物理效應(yīng)，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成電量，來(lái)間接度量被測(cè)加速度。最常用的有應(yīng)變片式和壓電式等。

62機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》四、加速度傳感器

電阻應(yīng)變式加速度計(jì)結(jié)構(gòu)原理如下圖所示。它由重塊、懸臂梁、應(yīng)變片和阻尼液體等構(gòu)成。當(dāng)有加速度時(shí)，重塊受力，懸臂梁彎曲，按梁上固定的應(yīng)變片之變形便可測(cè)出力的大小，在已知質(zhì)量的情況下即可計(jì)算出被測(cè)加速度。殼體內(nèi)灌滿的粘性液體作為阻尼之用。這一系統(tǒng)的固有頻率可以做得很低。63機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》四、加速度傳感器

壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)原理如右圖所示。使用時(shí)，傳感器固定在被測(cè)物體上，感受該物體的振動(dòng)，慣性質(zhì)量塊產(chǎn)生慣性力，使壓電元件產(chǎn)生變形。壓電元件產(chǎn)生的變形和由此產(chǎn)生的電荷與加速度成正比。壓電加速度傳感器可以做得很小，重量很輕，故對(duì)被測(cè)機(jī)構(gòu)的影響就小。壓電加速度傳感器的頻率范圍廣、動(dòng)態(tài)范圍寬、靈敏度高、應(yīng)用較為廣泛。64機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》四、加速度傳感器下圖為一種空氣阻尼的電容式加速度傳感器。該傳感器采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，有兩個(gè)固定電極，兩極板之間有一用彈簧支撐的質(zhì)量塊，此質(zhì)量塊的兩端經(jīng)過(guò)磨平拋光后作為可動(dòng)極板。當(dāng)傳感器測(cè)量垂直方向的振動(dòng)時(shí)，由于質(zhì)量塊的慣性作用，使兩固定極相對(duì)質(zhì)量塊產(chǎn)生位移，使電容C1、C2中一個(gè)增大，另一個(gè)減小，它們的差值正比于被測(cè)加速度。這種加速度傳感器的精度較高，頻率響應(yīng)范圍寬，可以測(cè)得很高的加速度值。65機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》電子羅盤(pán)，也叫數(shù)字羅盤(pán)，是利用地磁場(chǎng)來(lái)定北極的一種方法。古代稱為羅經(jīng)，電子羅盤(pán)現(xiàn)代利用先進(jìn)加工工藝生產(chǎn)的磁阻傳感器為羅盤(pán)的數(shù)字化提供了有力的幫助?，F(xiàn)在一般有用磁阻傳感器和磁通門(mén)加工而成的電子羅盤(pán)。6.2.4電子羅盤(pán)及陀螺儀66機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》6.2.4電子羅盤(pán)及陀螺儀電子磁羅盤(pán)的原理是利用磁傳感器測(cè)量地磁場(chǎng)。地球的磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.5-0.6高斯，與地平面平行，永遠(yuǎn)指向磁北極，磁場(chǎng)大致為雙極模式：在北半球，磁場(chǎng)指向下，赤道附近指向水平，在南半球，磁場(chǎng)指向上。無(wú)論何地，地球磁場(chǎng)的方向的水平分量，永遠(yuǎn)指向磁北極，由此，可以用電子羅盤(pán)系統(tǒng)確定方向。電子羅盤(pán)有以下幾種傳感器組合：雙軸磁傳感器系統(tǒng)：由兩個(gè)磁傳感器垂直安裝于同一平面組成，測(cè)量時(shí)必需持平，適用于手持、低精度設(shè)備。三軸磁傳感器雙軸傾角傳感器系統(tǒng)：由三個(gè)磁傳感器構(gòu)成X、Y、Z軸磁系統(tǒng)，加上雙軸傾角傳感器進(jìn)行傾斜補(bǔ)償，同時(shí)除了測(cè)量航向還可以測(cè)量系統(tǒng)的俯仰角和橫滾角。適合于需要方向和姿態(tài)顯示的精度要求較高的設(shè)備。67機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》1．三軸磁阻傳感器測(cè)量平面地磁場(chǎng)，雙軸傾角補(bǔ)償。2．高速高精度A/D轉(zhuǎn)換。3．內(nèi)置溫度補(bǔ)償，最大限度減少傾斜角和指向角的溫度漂移。4．內(nèi)置微處理器計(jì)算傳感器與磁北夾角。5．具有簡(jiǎn)單有效的用戶標(biāo)校指令。6．具有指向零點(diǎn)修正功能。7．外殼結(jié)構(gòu)防水，無(wú)磁.

6.2.4電子羅盤(pán)及陀螺儀電子羅盤(pán)的特點(diǎn)：68機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》6.2.4電子羅盤(pán)及陀螺儀移動(dòng)機(jī)器人在行進(jìn)的時(shí)候可能會(huì)遇到各種地形或者各種障礙。這時(shí)即使機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)裝置采用閉環(huán)控制，也會(huì)由于輪子打滑等原因造成機(jī)器人偏離設(shè)定的運(yùn)動(dòng)軌跡，并且這種偏移是旋轉(zhuǎn)編碼器無(wú)法測(cè)量到的。這時(shí)就必須依靠電子羅盤(pán)或者角速率陀螺儀來(lái)測(cè)量這些偏移，并作必要的修正，以保證機(jī)器人行走的方向不至偏離。另外一方面，商用的電子羅盤(pán)傳感器精度通常為0.5度或者更差。而如果機(jī)器人運(yùn)動(dòng)距離較長(zhǎng)，0.5度的航向偏差可能導(dǎo)致機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的線位移偏離值不可接受。69機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》6.2.4電子羅盤(pán)及陀螺儀

ADXRS150速率陀螺ADXL203內(nèi)部結(jié)構(gòu)

注意：由于人體容易累積高達(dá)4000V的靜電，雖然ADXRS150ABG本身具有靜電保護(hù)，但仍有可能被高能量的靜電擊穿而不被察覺(jué)。因此，在使用時(shí)應(yīng)遵守恰當(dāng)?shù)姆漓o電準(zhǔn)則，以避免不必要的損失。1)通常應(yīng)用：車輛底盤(pán)滾轉(zhuǎn)傳感，慣性測(cè)量單元IMU，平臺(tái)穩(wěn)定，無(wú)人機(jī)控制，彈道測(cè)量等2)規(guī)格數(shù)據(jù)：在環(huán)境溫度25°C,工作電壓5V,角速率=0°/s,帶寬=80Hz(Cout=0.01μF),角速率0°/S,±1g,下測(cè)量。70機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》6.2.5GPS全球?qū)Ш较到y(tǒng)GPS是美國(guó)軍方研制的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，即“GlobalPositioningSystem”全球定位系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱。

24顆GPS衛(wèi)星在離地面1萬(wàn)2千公里的高空上，以12小時(shí)的周期環(huán)繞地球運(yùn)行，任意時(shí)刻在地面上的任意一點(diǎn)都可以同時(shí)觀測(cè)到4顆以上的衛(wèi)星。71機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》6.2.5GPS全球?qū)Ш较到y(tǒng)由衛(wèi)星的位置精確可知，在GPS觀測(cè)中，我們可得到衛(wèi)星到接收機(jī)的距離，利用三維坐標(biāo)中的距離公式，利用3顆衛(wèi)星，就可以組成3個(gè)方程式，解出觀測(cè)點(diǎn)的位置(X,Y,Z)?？紤]到衛(wèi)星的時(shí)鐘與接收機(jī)時(shí)鐘之間的誤差，實(shí)際上有4個(gè)未知數(shù)，X、Y、Z和鐘差，因而需要引入第4顆衛(wèi)星，形成4個(gè)方程式進(jìn)行求解，從而得到觀測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)和高度。而實(shí)際上，接收機(jī)往往可以鎖住4顆以上的衛(wèi)星，這時(shí)，接收機(jī)可按衛(wèi)星的星座分布分成若干組，每組4顆，然后通過(guò)算法挑選出誤差最小的一組用作定位，從而提高精度。72機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》6.2.5GPS全球?qū)Ш较到y(tǒng)

由于衛(wèi)星運(yùn)行軌道、衛(wèi)星時(shí)鐘存在誤差，大氣對(duì)流層、電離層對(duì)信號(hào)的影響，以及人為的SA保護(hù)政策，使得民用GPS的定位精度只有10米。為提高定位精度，普遍采用差分GPS(DGPS)技術(shù)，建立基準(zhǔn)站(差分臺(tái))進(jìn)行GPS觀測(cè)，利用已知的基準(zhǔn)站精確坐標(biāo)，與觀測(cè)值進(jìn)行比較，從而得出一修正數(shù)，并對(duì)外發(fā)布。接收機(jī)收到該修正數(shù)后，與自身的觀測(cè)值進(jìn)行比較，消去大部分誤差，得到一個(gè)比較準(zhǔn)確的位置。通常情況下，利用差分GPS可將定位精度提高到米級(jí)。但是使用差分GPS需要自行建立基準(zhǔn)站，費(fèi)用較高，通常需要數(shù)萬(wàn)至十多萬(wàn)人民幣。73機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》6.2.5GPS全球?qū)Ш较到y(tǒng)DGPS的原理如下圖所示。

74機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》6.2.5GPS全球?qū)Ш较到y(tǒng)GPS衛(wèi)星的信號(hào)強(qiáng)度非常弱。因此GPS接收機(jī)需要非常小心地處理天線、饋線等環(huán)節(jié)，在使用中，太低的天線偏置電壓會(huì)降低天線的增益，另外同軸電纜、連接器、電路板走線會(huì)衰減信號(hào)，要保證信號(hào)在通過(guò)天線、同軸電纜、連接器、電路板，到達(dá)RF_IN時(shí)有20dB以上的增益；為此，在設(shè)計(jì)GPS天線和饋線部分時(shí)要仔細(xì)閱讀GPS模塊提供的數(shù)據(jù)手冊(cè)和應(yīng)用指南，尤其是PCB（印刷電路版）上的從RF接頭到模塊RF_IN引腳的一段PCB走線，應(yīng)按微帶線設(shè)計(jì)（Microstrip），有阻抗匹配的要求。75機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》

§6.3尋跡傳感器尋跡傳感器意義尋跡傳感器原理尋跡傳感器設(shè)計(jì)要求尋跡傳感器性能優(yōu)化其他尋跡傳感器及原理76機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》

§6.3.1尋跡傳感器意義隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的傳感器越來(lái)越多，但尋跡傳感器成為自動(dòng)行走和駕駛的重要部件。圖6.3.177機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》

§6.3.1尋跡傳感器意義常用尋跡傳感器：圖6.3.1光電尋跡傳感器電磁尋跡傳感器CCD尋跡傳感器cba78機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》

§6.3.2尋跡傳感器原理一、基于反射光強(qiáng)度圖6.3.2其基本原理是采用光電傳感器，根據(jù)條帶和地面反射信號(hào)不同來(lái)檢測(cè)機(jī)器人所在的位置。79機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》

§6.3.2尋跡傳感器原理二、電阻分壓圖6.3.3光電接收管阻值負(fù)相關(guān)與光強(qiáng)。在無(wú)光照情況下，反向電阻為∞；有光照時(shí)，反向電阻隨光照強(qiáng)度增加而減小，阻值可達(dá)幾ｋΩ或１ｋΩ以下。

80機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》

§6.3.2尋跡傳感器原理三、常用電路圖6.3.4a）當(dāng)無(wú)反射光照射或光照較弱時(shí)，電阻為∞，此時(shí)三極管工作在放大區(qū)，輸出電壓很??；而當(dāng)在反射光照射使電阻下降到幾ｋΩ時(shí)，三極管工作在截止區(qū)，輸出電壓接近于５Ｖ。81機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》

§6.3.2尋跡傳感器原理三、常用電路圖6.3.5b）一種使用光電三極管的簡(jiǎn)單光電傳感器電路，它采用帶運(yùn)算放大器的放大電路，穩(wěn)定性、線性度及增益誤差等均比晶體管放大電路好。82機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》

§6.3.2尋跡傳感器原理三、常用電路圖6.3.6c）一種采用電壓比較器的光電傳感器電路。通過(guò)調(diào)節(jié)可變電阻阻值，來(lái)改變參考電壓值，以最終適應(yīng)環(huán)境光強(qiáng)。83機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》

§6.3.2尋跡傳感器原理四、常用電路分析圖6.3.7a）檢測(cè)深色條帶電路中VCC為+5V，Rb可變阻值為0.5Rb。當(dāng)發(fā)射LED照射在深色條帶上時(shí)，大部分光線被吸收，光敏二極管阻值為1MΩ,電壓比較器模擬輸入端分得電壓約為+5V，比較器參考電壓為+2.5V,此時(shí)，電壓比較器的輸入電壓>電壓比較器的參考電壓，故電壓比較器輸出低電平信號(hào)0.84機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》

§6.3.2尋跡傳感器原理四、常用電路分析圖6.3.7b）檢測(cè)淺色地面電路中VCC為+5V，Rb可變阻值為0.5Rb。當(dāng)發(fā)射LED照射在淺色地面上時(shí)，大部分光線被反射，光敏二極管阻值大幅度降低，約為為1KΩ,電壓比較器模擬輸入端分得電壓為+5V*（1K/11K）約為0.45V，比較器參考電壓為+2.5V,此時(shí)，電壓比較器的輸入電壓<電壓比較器的參考電壓，故電壓比較器輸出高電平信號(hào)1.85機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》

§6.3.2尋跡傳感器原理四、常用電路分析圖6.3.7c）復(fù)雜路面電路中VCC為+5V，Rb可變阻值為0.5Rb。當(dāng)發(fā)射LED照射在淺色地面上時(shí)，由于地面不平整，造成只有一部分有效反射，光敏二極管阻值略微降低，約為為15KΩ,電壓比較器模擬輸入端分得電壓為+5V*（15K/25K）約為3V，比較器參考電壓為+2.5V,此時(shí)，電壓比較器的輸入電壓>電壓比較器的參考電壓，故電壓比較器輸出低電平信號(hào)0。與檢測(cè)條帶信號(hào)相同，無(wú)法區(qū)分。86機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》

§6.3.2尋跡傳感器原理四、常用電路分析圖6.3.7c）復(fù)雜路面解決方法為解決此類問(wèn)題，可調(diào)節(jié)Rb分壓阻值為0.7Rb。則此時(shí)電壓比較器參考電壓為3.5V，大于比較器輸入端3V，故電壓比較器輸出高電平信號(hào)1。87機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》

§6.3.4尋跡傳感器設(shè)計(jì)要求抗干擾性：比賽場(chǎng)地可能存在各種形式的強(qiáng)光干擾、電磁干擾、顏色干擾，必須有較好的抗干擾能力?？烧{(diào)性：比賽場(chǎng)地上機(jī)器人的運(yùn)行環(huán)境可能有別于當(dāng)初調(diào)試的環(huán)境，即使同是賽，可能出發(fā)位置、燈光光照角度、日光光照情況均會(huì)變化，必須留有調(diào)節(jié)各種參數(shù)的環(huán)節(jié)，使得傳感器工作在最佳狀態(tài)。88機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》

§6.3.4尋跡傳感器設(shè)計(jì)要求穩(wěn)定性和快速性：一旦傳感器移動(dòng)到引導(dǎo)條帶邊緣，傳感器應(yīng)當(dāng)及時(shí)、快速、穩(wěn)定地觸發(fā)，不允許有狀態(tài)的抖動(dòng)，否則會(huì)引起機(jī)器人的搖晃。成本低廉：對(duì)于機(jī)器人，價(jià)格是其推廣的一個(gè)重要因素。