传感器在机器人系统中的应用Word下载.docx
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在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。
在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。
因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。
在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。
现代科学技术的发展，进入了许多新领域：
例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到cm的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到s的瞬间反应。
此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁场等等。
显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。
许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。
一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。
角度传感器常见的应用有：
1.自动门，利用人体的红外微波来开关门
2.烟雾报警器，利用烟敏电阻来测量烟雾浓度，从而达到报警目的
3.手机，数码相机的照相机，利用光学传感器来捕获图象
4.电子称，利用力学传感器（导体应变片技术）来测量物体对应变片的压力，从而达到测量重量目的
5.水位报警，温度报警，湿度报警，光学报警等都是……
智能传感器已广泛应用于航天、航空、国防、科技和工农业生产等各个领域中。
例如,它在机器人领域中有着广阔应用前景,智能传感器使机器人具有类人的五官和大脑功能,可感知各种现象,完成各种动作。
在工业生产中,利用传统的传感器无法对某些产品质量指标（例如,黏度、硬度、表面光洁度、成分、颜色及味道等）进行快速直接测量并在线控制。
而利用智能传感器可直接测量与产品质量指标有函数关系的生产过程中的某些量（如温度、压力、流量等）。
Cygnus公司生产了一种"
葡萄糖手表"
其外观像普通手表一样,戴上它就能实现无疼、无血、连续的血糖测试。
"
上有一块涂着试剂的垫子,当垫子与皮肤接触时,葡萄糖分子就被吸附到垫子上,并与试剂发生电化学反应,产生电流。
传感器测量该电流,经处理器计算出与该电流对应的血糖浓度,并以数字量显示。
1.4传感器的分类
传感器的种类很多，其分类方法如表1所示。
表1传感器的分类
分类法
型式
说明
按基本效应
物理型、化学型、生物型
分别以转换中的物理效应、化学效应等命名
按构成原理
结构型
以转换原件结构参数变化实现信号的转换
物性型
以转换元件物理特性变化实现信号的转换
按输入量
角度、位移、压力、温度、流量、加速度等
以被测量（即按用途分类）
按工作原理
电阻式、热电式、光电式等
以传感器转换信号的工作原理命名
按能量关系
能量转换型（自然型）
传感器输出量直接由被测量能量转换而得
能量转换型（外源型）
传感器输出量能量由外源供给，但受被测输入量控制
按输出信
号形式
模拟式
输出为模拟信号
数字式
输出为数字信号
第二章、常用传感器的类型、特点、结构及用途
传感器已广泛应用于航天、航空、国防科研、信息产业、机械、电力、能源、交通、冶金、石油、建筑、邮电、生物、医学、环保、材料、灾害预测预防、农林、渔业生产、食品、烟酒制造、机器人、家电等诸多领域,可以说几乎渗透到每个领域。
2.1电阻式传感器
电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器.按工作的原理可分为：
变阻器式、电阻应变式、热敏式、光敏式、电敏式。
（1）变阻器式传感器
变阻器式传感器的等效电路如下图：
如果电阻丝的直径和材料确定，单位位移的电阻值为一常数，传感器的输出与输入成线性关系。
变阻式传感器又称为电位器式传感器。
它们是由电阻元件及电刷（活动触点）两个基本部分组成。
电刷相对于电阻元件的运动可以是直线运动、转动和螺旋运动，因而可以将直线位移或角位移转换为与其成一定函数关系的电阻或电压输出。
这类传感器结构简单，尺寸小，性能稳定。
受环境影响小。
不需放大。
滑线变阻器式传感器精度可达0.1％。
在生活中，应用实例诸多，如重量的自动检测--配料设备、煤气包储量检测等。
（2）电阻应变式传感器
电阻应变式传感器由弹性敏感元件、电阻应变计、补偿电阻和外壳组成，可根据具体测量要求设计成多种结构形式。
弹性敏感元件受到所测量的力而产生变形，并使附着其上的电阻应变计一起变形。
电阻应变计再将变形转换为电阻值的变化，从而可以测量力、压力、扭矩、位移、加速度和温度等多种物理量。
电阻应变式传感器是基于电阻应变片的使用，金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形（伸长或缩短）的变化而发生变化的现象。
金属应变片的电阻相对变化为
，
称为金属电阻丝的轴向应变，简称纵向应变。
称为电阻丝的径向应变，简称横向应变。
当电阻丝沿横向伸长时，两者之间的关系为
，其中
为电阻丝材料的泊桑比，
，则
，金属电阻材料的
很小，即其压阻效应很弱，这样上式可简化为
，其灵敏度为
。
为了将电阻应变式传感器的电阻变化转换成电压或电流信号，在应用中一般采用电桥电路作为其测量电路。
电桥电路具有结构简单、灵敏度高、测量范围宽、线性度好且易实现温度补偿等优点。
能较好地满足各种应变测量要求，因此在应变测量中得到了广泛的应用。
电桥电路按辅助电源分有直流电桥和交流电桥，由于直流电桥的输出信号在进一步放大时易产生零漂，故交流电桥的应用更为广泛。
直流电桥只用于较大应变的测量，交流电桥可用于各种应变的测量。
电桥电路按其工作方式分有单臂、双臂和全桥三种。
直流电桥的连接方式
a）半桥单臂b）半桥双臂c）全桥
金属应变片的稳定性和温度特性好，但其灵敏度小；
而半导体应变片应变灵敏度大;
体积小;
能制成具有一定应变电阻的元件，但它的缺点是温度稳定性和可重复性不如金属应变片。
它的应用实例如桥梁固有频率测量、电子称、桶式测力传感器等。
电子称2.2电容式传感器
把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。
它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。
其最常用的形式是由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，若不考虑边缘效应，其电容量为
当被测参数变化使得上式中的A、d或
发生变化时，电容量C也随之变化。
若保持其中两个参数不变，而仅改变其中一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。
电容式传感器的等效电路如图：
电容式传感器的测量电路同样为电桥电路，如下图：
电容式传感器的温度稳定性好，结构简单，动态响应好，可进行非接触测量，然而，输入阻抗高，负载能力差[4]。
电容式传感器精度可达0.01％。
其运用实例有电容传声器、转速测量、电容测厚仪、电容式油量表等。
2.3电感式传感器
电感式传感器是利用电磁感应把被测的物理量如位移，压力，流量，振动等转换成线圈的自感系数和互感系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。
电感式传感器具有以下特点：
（1）结构简单，传感器无活动电触点，因此工作可靠寿命长。
（2）灵敏度和分辨力高，能测出0.01微米的位移变化。
传感器的输出信号强，电压灵敏度一般每毫米的位移可达数百毫伏的输出。
（3）线性度和重复性都比较好，在一定位移范围（几十微米至数毫米）内，传感器非线性误差可达0.05%~0.1%。
同时，这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，它在工业自动控制系统中广泛被采用。
但不足的是，它有频率响应较低，不宜快速动态测控等缺点。
电感式传感器种类很多，常见的有自感式，互感式和涡流式三种。
图中介绍的是自感式传感器。
由铁心和线圈构成的将直线或角位移的变化转换为线圈电感量变化的传感器，又称电感式位移传感器。
这种传感器的线圈匝数和材料导磁系数都是一定的，其电感量的变化是由于位移输入量导致线圈磁路的几何尺寸变化而引起的。
当把线圈接入测量电路并接通激励电源时，就可获得正比于位移输入量的电压或电流输出。
电感式传感器的特点是：
①无活动触点、可靠度高、寿命长；
②分辨率高；
③灵敏度高；
④线性度高、重复性好；
⑤测量范围宽（测量范围大时分辨率低）；
⑥无输入时有零位输出电压，引起测量误差；
⑦对激励电源的频率和幅值稳定性要求较高；
⑧不适用于高频动态测量。
电感式传感器主要用于位移测量和可以转换成位移变化的机械量（如力、张力、压力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位、比重、转矩等）的测量。
常用电感式传感器有变间隙型、变面积型和螺管插铁型。
在实际应用中，这三种传感器多制成差动式，以便提高线性度和减小电磁吸力所造成的附加误差。
变间隙型电感传感器这种传感器的气隙δ随被测量的变化而改变,从而改变磁阻（图1）。
它的灵敏度和非线性都随气隙的增大而减小，因此常常要考虑两者兼顾。
δ一般取在0.1～0.5毫米之间。
变面积型电感传感器这种传感器的铁芯和衔铁之间的相对覆盖面积（即磁通截面）随被测量的变化而改变,从而改变磁阻（图2）。
它的灵敏度为常数，线性度也很好。
螺管插铁型电感传感器它由螺管线圈和与被测物体相连的柱型衔铁构成。
其工作原理基于线圈磁力线泄漏路径上磁阻的变化。
衔铁随被测物体移动时改变了线圈的电感量。
这种传感器的量程大，灵敏度低，结构简单，便于制作[6]。
电感式传感器的应用实例有：
测厚、零件计数、侧转速、无损探伤、测微技术等。
2.4压电式传感器
压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应,是典型的有源传感器。
当材料受力作用而变形时,其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。
压电式传感器的等效电路：
压电元件两电极间的压电陶瓷或石英晶体为绝缘体，因此可以构成一个电容器，晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板,极板间物质等效于一种介质,则其电容量为：
，压电元件受外力时，两表面产生等量的正负电荷，压电元件的开路电压为：
压电传感器可以等效为一个电荷源与一个电容并联。
如下图（a）
压电传感器也可以等效为一个与电容相串联的电压源。
如下图（b）
电压灵敏度与电荷灵敏度之间的关系为：
压电式传感器的测量电路：
测量时，需把压电传感器用电缆接于前置放大器，前置放大器作用：
一是放大传感器输出的微弱信号；
二是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗。
电压放大器如图（a）：
电荷放大器如图（b）：
（b）
压电式传感器的性能特点：
高阻抗、低能量；
但是无静态输出，要求有很高的电输出阻抗。
需用低电容的低噪声电缆。
压电式传感器的应用有：
压电式测力传感器、压电式加速度传感器、压电式金属加工切削力测量、压电式玻璃破碎报警器等。
压电式金属加工切削力测量：
压电式玻璃破碎报警器：
2.5霍尔式传感器
霍尔传感器是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量转换成电动势输出的一种传感器。
由于霍尔元件在静止状态下，具有感受磁场的独特能力，并且具有结构简单、体积小、噪声小、频率范围宽（从直流到微波）、动态范围大（输出电势变化范围可达1000:
1）、寿命长等特点，因此获得了广泛应用。
金属或半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种现象称霍尔效应。
如下图：
霍尔元件的主要性能参数：
（1）输入电阻和输出电阻
输入电阻：
控制电极间的电阻
输出电阻：
霍尔电极之间的电阻
（2）额定控制电流和最大允许控制电流
额定控制电流：
当霍尔元件有控制电流使其本身在空气中产生10℃温升时，对应的控制电流值
最大允许控制电流：
以元件允许的最大温升限制所对应的控制电流值
（3）不等位电势：
当霍尔元件的控制电流为额定值时，若元件所处位置的磁感应强度为零，测得的空载霍尔电势。
（4）寄生直流电势霍尔元件零位误差的一部分
当没有外加磁场，霍尔元件用交流控制电流时，霍尔电极的输出有一个直流电势
控制电极和霍尔电极与基片的连接是非完全欧姆接触时，会产生整流效应。
两个霍尔电极焊点的不一致，引起两电极温度不同产生温差电势
（5）霍尔电势温度系数
在一定磁感应强度和控制电流下，温度每变化1度时，霍尔电势变化的百分率。
霍尔传感器的灵敏度和线性度主要取决于磁路系统和霍尔元件的特性。
霍尔传感器动态性能好。
霍尔传感器的基本测量电路如下：
激励电流由电压源E供给，其大小由可变电阻来调节。
霍尔型传感器的应用有：
霍尔转速表、霍尔式微压力传感器、各种位移传感器等。
第三章、传感器在机器人系统中的作用及地位
为了检测作业对象及环境或机器人与它们的关系，在机器人上安装了触觉传感器、视觉传感器、力觉传感器、接近觉传感器、超声波传感器和听觉传感器，大大改善了机器人工作状况，使其能够更充分地完成复杂的工作。
由于外部传感器为集多种学科于一身的产品，有些方面还在探索之中，随着外部传感器的进一步完善，机器人的功能越来越强大，将在许多领域为人类做出更大贡献。
传感器对于机器人就好比人的四肢和外部的各种结构，如果没有传感器，机器人就像人没有任何感觉一样，不知道自己周围的情况，也就无法完成各种简单的动作，各种复杂的动作就更不可想象。
传感器为机器人提供了检查自身周边环境的功能，如现代机器人包含了各种各样的传感器，能检查各种环境的变化，这样才能保证机器人能够完成复杂的任务在命令的控制下灵活运作。
因此传感器在机器人系统中具有不可替代的作用，没有传感器的支持就无从谈起机器人，因此传感器是机器人必不可少的重要部件，离开传感器机器人寸步难行。
第四章、机器人系统中传感器的选择及工作原理
4.1机器人中传感器的分类
根据检测对象的不同可分为内部传感器和外部传感器。
a.内部传感器：
用来检测机器人本身状态（如手臂间角度）的传感器。
多为检测位置和角度的传感器。
b.外部传感器：
用来检测机器人所处环境（如是什么物体，离物体的距离有多远等）及状况（如抓取的物体是否滑落）的传感器。
具体有物体识别传感器、物体探伤传感器、接近觉传感器、距离传感器、力觉传感器，听觉传感器等。
具体有如下表：
4.2内部传感器的选择
机器人传感器主要包括机器人视觉、力觉、触觉、接近觉、距离觉、姿态觉、位置觉等传感器。
机器人传感器可分为内部传感器和外部传感器两大类。
内部传感器是以机器人本身的坐标轴来确定其位置,安装在机器人自身中,用来感知机器人自己的状态,以调整和控制机器人的行动。
内部传感器通常由位置传感器、角度传感器、速度传感器、加速度传感器等组成。
4.21位置传感器的工作原理
位置传感器【positionsensor】用来测量机器人自身位置的传感器。
位置传感器可分为两种，直线位移传感器和角位移传感器。
其中直线位移传感器常用的有直线位移定位器等，具有工作原理简单、测量精度高、可靠性强的特点；
角位移传感器则可选旋转式电位器，具有可靠性高、成本低的优点。
角位移器还可使用光电编码器，有增量式与绝对式两种形式。
其中增量式码盘在机器人控制系统中得到了广泛的应用
码盘是测量角位移的数字编码器。
它具有分辨能力强、测量精度高和工作可靠等优点，是测量轴转角位置的一种最常用的位移传感器。
码盘分为绝对式编码器和增量编码器两种，前者能直接给出与角位置相对应的数字码；
后者利用计算系统将旋转码盘产生的脉冲增量针对某个基准数进行加减以求得角位移。
接触编码器
接触编码器是绝对式编码器中的一种，它由编码盘、电刷和电路组成。
编码盘按二进制码制成,与旋转轴固定在一起。
码盘上有6条码道,每条码道上有许多扇形导电区（黑区）和不导电区（白区），全部导电区连在一起接到一个公共电源上。
6个电刷沿一个固定的径向安装,分别与6条码道接触。
每个电刷与一单根导线相连，输出6个电信号,其电平由码盘的位置控制。
当电刷与导电区接触时，输出为“1”电平;
与不导电区接触时，输出为“0”电平。
随着转角的不同,输出相应的码。
编码器的精度取决于码盘本身的精度，分辨率则取决于码道的数目。
10条码道的码盘，其分辨率为1/1024，采用多个码盘和装上内部传动机构时可达1/105。
接触编码器的缺点是码盘与电刷之间存在接触摩擦，使用寿命短。
电刷与码道的不正确接触还会产生模糊输出，可能给出错误的结果，造成误差。
采用循环码（格雷码）可克服这一缺点，因为在任何瞬间只有一个比特的改变。
格雷码（见字符编码）是变权码，它与十进制数的关系为
式中D为十进制数，n为具有“1”输出的最高位的位数，m为其次一位具有“1”输出的位数，q、s、…依次类推。
采用格雷码时，还需要按上式设计出相应的转换电路。
79
JZB
64
32768
A
M——
G
N
12-24
型号标注及含义
①②③④⑤⑥⑦⑧⑨
序号代表意义
①产品名称代码JZB—接触式绝对编码器
②主体直径（mm）79
③编码器的输出码数32768（0-32767）
④连续圈数64
⑤输出信号A—4-20mA标准模拟量信号
⑥输出形态M—RS485串行通讯信号（ModBus协议）设置用
⑦输出方式G—引线侧出
⑧增量方向N-逆时针增量（出厂设置，用户可修改）
⑨工作电压12-24V
三、主要技术指标:
输出码数
轴每周输出/连续圈数
输出信号
工作电压
消耗电流
响应频率
防护等级
32768码
512码/64圈
RS485和4-20mA
DC12-24V
≤30mA
10KHZ
IP63
最高
机械转速
使用寿命
使用温度/
贮存温度
启动力矩
轴最大负载
外形尺寸
输出方式
1000rpm
MTBF≥100000h（+25℃,1000rpm）
-15℃～+75℃
-25℃～+80℃
≤0.8Ncm
径向
轴向
详见
外形图
引线侧出
50N
40N
四、通讯协议
MODBUS通讯协议：
采用MODBUS-RTU（远程终端单元）模式进行通讯
正天（SUNEST）系列编码器实现Modbus通信协议时，均作为从机，遵循Modbus通信过程，采用了MODBUS-RTU协议的命令子集，使用读寄存器命令（03）和预置寄存器命令（06）。
每消息的开头和结尾至少有3.5个字节时间的间隔。
注：
03命令用于主机读取设备数据和设备响应主机的读数据命令；
06命令用于预置设备的参数（详细通讯协议请参考正天设备RS485口通信协议）。
寄存器分配表：
（寄存器地址高位字节可以任意）（十六进制=00-FF）
寄存器分配
预置功能
说明
出厂设置
R-00
测量值
不可预置
测量值=编码值×
修正系数/10000
R-01
保留
R-02
编码器地址
可预置
有效地址1-247
R-03
通讯波特率
可预
升级会员 