畢業(yè)設計（論文）淺析傳感器技術在機電一體化中的應用

1、西南科技大學網(wǎng)絡教育西南科技大學網(wǎng)絡教育 畢業(yè)設計（論文）畢業(yè)設計（論文） 題目名稱：題目名稱： 淺析傳感器技術在機電一體化中的應用淺析傳感器技術在機電一體化中的應用 年年 級：級： 08 秋秋 層次：層次： 本科本科?？茖？?學生學號：學生學號： 指導教師：指導教師： 學生姓名：學生姓名： 技術職稱：技術職稱： 講師講師 學生專業(yè)：學生專業(yè)： 機電一體化技術機電一體化技術 學習中心名稱：學習中心名稱： 武漢學習中心武漢學習中心 西南科技大學網(wǎng)絡教育學院制西南科技大學網(wǎng)絡教育學院制 畢業(yè)設計（論文） 任 務 書 題目名稱 淺析傳感器技術在機電一體化中的應用 題目性質 真實題目 虛擬題目 學生學

2、號 88160250354 指導教師 學生姓名 楊洪偉 專業(yè)名稱 機電一體化技術 技術職稱 講 師 學生層次 高起專 學習中心名稱 武漢學習中心 2010 年 5 月 26 日 畢業(yè)設計（論文）內容與要求： 1. 本課題是淺析傳感器技術在機電一體化中的應用，傳感器技術被廣泛的應 用于機電一體化系統(tǒng)中，在機電一體化領域具有重要的地位；傳感器正向著小型化、 一體化、多功能化和智能化的方向發(fā)展，為機電一體化的進一步發(fā)展打下了基礎。 2在機械加工過程的傳感檢測技術中，討論了切削過程和機床運行過程的傳感技 術、工件的過程傳感、刀具/砂輪的檢測傳感。 3 在汽車自動控制系統(tǒng)中，例舉了汽車用傳感器及檢測對象

3、、汽車發(fā)動機控制 用傳感器、非發(fā)動機用傳感器，詳盡說明了傳感器在汽車自動控制系統(tǒng)中的應用。 4對于機器人用傳感器，分析了觸覺、壓覺、力覺、滑覺、接近覺等機器人外部 傳感器的應用。 畢業(yè)設計領導小組負責人： （簽字） 2010 年 月 日 畢業(yè)設計（論文） 成績考核表 總成績 過程評分評閱成績答辯成績 百分制等級制 1、指導教師評語 建議成績 指導教師簽字： 2010 年 月 日 2、論文評閱教師評語 建議成績 評閱教師簽字： 2010 年 月 日 3、畢業(yè)答辯專家組評語 建議成績 答辯組長簽字： 年 月 日 4、畢業(yè)設計領導小組推優(yōu)評語 組長簽字： 年 月 日 摘 要 傳感器技術作為信息技術的

4、一脈正在越來越廣泛地普及發(fā)展到我國的各行各業(yè)各 個領域，以目前情況來看，我國從事傳感器的生產(chǎn)與研究，共生產(chǎn)熱敏、力敏、濕敏、 色敏、磁敏、電壓敏、離子敏、生物敏、射線敏等十一種功能的傳感器。為使我國從 勞動密集型向技術密集型轉化，必須利用信息技術，即傳感器技術和計算機技術，使 傳感器在工業(yè)自動化，農業(yè)國防軍工，能源交通，家用電器等應用領域均有它的開發(fā) 市場。 文章概述傳感器研究現(xiàn)狀與發(fā)展，并分析我國傳感器技術發(fā)展的若干問題及發(fā)展 方向。討論了傳感器在機床，汽車，機器人等系統(tǒng)中的應用，充分說明了傳感器技術 在機電一化應用中的重要地位。 關鍵詞：關鍵詞： 傳感器技術 ； 機電一體化 ； 應用 ab

5、stract this article introduced one kind of use tubular semifinished materials compression loses in the steady distortion forming tube wall the concave components new method. the practice proved, this method uses the mold structure simple, the movement reliable, the construction cost is low, may obta

6、in satisfaction the formed effect.this manipulators design is referring.absorbs in the overseas advanced experience structure foundation to research and develop designs.through and pulled the fingernail to the spring the reasonable use to avoid many kinds of deficiencies which beforehand ribbon boar

7、d manipulator existed.had guaranteed the mechanical work stable and has saved the production cost greatly.this design only uses a spring to connect two to pull the fingernail, may guarantee two fingernail movement synchronization.the reed silk looks down upon the scene to decide greatly, ought to be

8、 able to guarantee pulls under the fingernail smooth geostatic pressure and the replacement, like this may replace in the original design the pendulum arm module and the torsional spring function, when also can the corrosion break pull after the spring the fingernail falls naturally promptly finds o

9、ut the breakdown and to the equipment carries on the maintenance. key words：sensor technology ； mechatronics ； application 目 錄 引 言.1 第一章 傳感器在機電一體化技術中的重要地位.2 第二章 傳感器技術概述.3 2.1 傳感器的構成與基本原理 .3 2.2 傳感器的分類 .3 2.3 傳感器的數(shù)學模型 .4 2.4 傳感器的主要技術指標 .4 第三章 傳感器在機電一體化系統(tǒng)中的應用.6 3.1 機械加工過程的傳感檢測技術 .6 3.2 汽車自動控制系統(tǒng)中的傳感技術

10、.7 3.3 機器人用傳感器 .9 3.3.1 觸覺傳感器 .10 3.3.2 壓覺傳感器 .12 3.3.3 力覺傳感器 .12 3.3.4 滑覺傳感器 .14 3.3.5 接近覺傳感器 .15 第四章 我國傳感器技術發(fā)展的若干問題及發(fā)展方向.18 結 論.19 致 謝.20 參考文獻.21 引 言 在機電一體化系統(tǒng)中，傳感器處系統(tǒng)之首，其作用相當于系統(tǒng)感受器官，能快速、 精確地獲取信息并能經(jīng)受嚴酷環(huán)境考驗，是機電一體化系統(tǒng)達到高水平的保證。如缺 少這些傳感器對系統(tǒng)狀態(tài)和對信息精確而可靠的自動檢測，系統(tǒng)的信息處理、控制決 策等功能就無法談及和實現(xiàn) 第一章 傳感器在機電一體化技術中的重要地位

11、機電一體化的特征是使機械系統(tǒng)具有完善的信息采集和處理功能，以此來取代人 對機域的絕大部分控制功能。操作機器的人用五官獲取相應的信息，因此機電一體化 系統(tǒng)應具有替代以至延伸人類五官的器件。這一替代的器件稱為“傳感器” ，其核心變 換部件稱為“敏感元件” 。傳感器的俗稱為“探頭” 。 傳感器是機電一體化系統(tǒng)獲取外部信息的觸角。傳感器是采集控制系統(tǒng)及環(huán)境的 信息并進行變換，供控制系統(tǒng)進行分析、判斷和決策。傳感器是機械閉環(huán)控制系統(tǒng)的 重要環(huán)節(jié)，對系統(tǒng)性能的好壞起著至關重要的作用。 當今控制系統(tǒng)的“大腦”微型電子計算機的功能日益強大，但要發(fā)揮其功效， 必須有靈敏、可靠和分辨力高的傳感器與之配合。如果傳感

12、器誤差很大，微型電子計 算機再精確也不可能構成一個精良的機械測控系統(tǒng)，這好比：聰明的大腦，遲鈍的五 官“之情形。 就目前的水平而言，以微型計算機為核心的控制技術已經(jīng)獲得長足的發(fā)展，相比 之下傳感器技術的發(fā)展水平還不盡人意。一些性能先進的機械測控系統(tǒng)往往因傳感器 的失效而失效，特別是在礦山井下惡劣環(huán)境下工作的系統(tǒng)，問題尤為突出。機電一體 化系統(tǒng)要進一步提高和完善性能，傳感器技術是“瓶頸”問題之一。 第二章 傳感器技術概述 傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按一定規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置， 主要用于檢測機電一體化系統(tǒng)自身與操作對象、作業(yè)環(huán)境狀態(tài)，為有效控制機電一體 化系統(tǒng)的運作提供必須的相關信

13、息。隨著人類探知領域和空間的拓展，電子信息種類 日益繁多，信息傳遞速度日益加快，信息處理能力日益增強，相應的信息采集傳 感技術也將日益發(fā)展，傳感器也將無所不在。 從 20 世紀 80 年代起，逐步在世界范圍內掀起一股“傳感器熱”，各先進工業(yè)國 都極為重視傳感技術和傳感器研究、開發(fā)和生產(chǎn)。傳感技術已成為重要的現(xiàn)代科技領 域，傳感器及其系統(tǒng)生產(chǎn)已成為重要的新興行業(yè)。 2.1 傳感器的構成與基本原理 傳感器中從輸入量到輸出量的轉換過程，可能經(jīng)過一次變換，但大多經(jīng)過一個或 一個以上中間量的變換，再由中間量轉換成最終形式。一般的傳感器構成如圖 2.1 所 示。其中敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應被測

14、量的部分；轉換元件是指傳感 器中能將敏感元件感受或響應的被測量轉換成適于傳輸或測量的電信號部分。 敏感元件轉換元件接口電路 輔助電源 電信號 非電物理量 圖 2.1 2.2 傳感器的分類 傳感器有多種分類方法。按被測物理量的不同，可分為位移傳感器、力傳感器、 溫度傳感器、壓力傳感器等；按傳感器的工作原理的不同，可分為電學式傳感器、磁 學式傳感器、光電式傳感器、半導體型傳感器等；按信號變換特征也可概括分為物性 型傳感器與結構型傳感器；根據(jù)敏感元件與被測對象之間的能量關系，也可分為能量 轉換型傳感器與能量控制型傳感器；按輸出信號分類，可分為模擬式傳感器和數(shù)字式 傳感器等。他們被廣泛的應用于機電一體

15、化中，是機電一體化應用領域中不可或缺的 元素。 2.3 傳感器的數(shù)學模型 傳感器的靜態(tài)數(shù)學模型是指在靜態(tài)信號的作用下，傳感器輸出與輸入量間的一種 函數(shù)關系。一般可以用 n 次多項式表示 y = a0 + a1x + a2x2 + + anxn 傳感器的動態(tài)數(shù)學模型是指在隨時間變化的動態(tài)信號作用下，傳感器輸出輸 入量間的函數(shù)關系，動態(tài)數(shù)學模型一般采用微分方程和傳遞函數(shù)描述 微分方程 ： 傳遞函數(shù)： 2.4 傳感器的主要技術指標 傳感器應能準確、迅速地反映被測物理量，無論在什么情況下其輸入和輸出都應 是一一對應的。這是對物理傳感器的要求，但不能 100%地達到，因而對傳感器的性能 必須用一些定量的

16、指標去描述。從應用角度看，傳感器的性能指標分為兩大類：一種 是輸入不隨時間變化的特性，即靜態(tài)特性；一種是輸入隨時間變化的輸出信號的響應 特性，反映傳感器靜態(tài)特性的指標主要有靈敏度、線性度、遲滯性和重復性。 動態(tài)特性的主要指標有：頻率響應范圍、固有頻率、阻尼系數(shù)和時間常數(shù)等。 一個動態(tài)特性好的傳感器，無論輸入信號變化多么迅速，輸出都能很好地跟隨； 一個靜態(tài)特性很好的傳感器，不一定能夠真實地反映動態(tài)的被測物理量。輸入信號和 輸出信號的差距總是存在的，不過可用一些指標去估計這些誤差的大小。 第三章傳感器在機電一體化系統(tǒng)中的應用 傳感器是左右機電一體化系統(tǒng)（或產(chǎn)品）發(fā)展的重要技術之一，廣泛應用于各種

17、自動化產(chǎn)品之中： 3.1 機械加工過程的傳感檢測技術 1.切削過程和機床運行過程的傳感技術。切削過程傳感檢測的目的在于優(yōu)化切削 過程的生產(chǎn)率、制造成本或（金屬）材料的切除率等。切削過程傳感檢測的目標有切 削過程的切削力及其變化、切削過程顫震、刀具與工件的接觸和切削時切屑的狀態(tài)及 切削過程辨識等，而最重要的傳感參數(shù)有切削力、切削過程振動、切削過程聲發(fā)射、 切削過程電機的功率等。對于機床的運行來講，主要的傳感檢測目標有驅動系統(tǒng)、軸 承與回轉系統(tǒng)、溫度的監(jiān)測與控制及安全性等，其傳感參數(shù)有機床的故障停機時間、 被加工件的表面粗糙度和加工精度、功率、機床狀態(tài)與冷卻潤滑液的流量等。 2.工件的過程傳感。與

18、刀具和機床的過程監(jiān)視技術相比，工件的過程監(jiān)視是研究 和應用最早、最多的。它們多數(shù)以工件加工質量控制為目標。20 世紀 80 年代以來，工 件識別和工件安裝位姿監(jiān)視要求也提到日程上來。粗略地講，工序識別是為辨識所執(zhí) 行的加工工序是否是工（零）件加工要求的工序；工件識別是辨識送入機床待加工的 工件或者毛坯是否是要求加工的工件或毛坯，同時還要求辨識工件安裝的位姿是否是 工藝規(guī)程要求的位姿。此外，還可以利用工件識別和工件安裝監(jiān)視傳感待加工毛坯或 工件的加工裕量和表面缺陷。完成這些識別與監(jiān)視將采用或開發(fā)許多傳感器，如基于 tv 或 ccd 的機器視覺傳感器、激光表面粗糙度傳感系統(tǒng)等。 3.刀具/砂輪的檢

19、測傳感。切削與磨削過程是重要的材料切除過程。刀具與砂輪磨 損到一定限度（按磨鈍標準判定）或出現(xiàn)破損（破損、崩刃、燒傷、塑變或卷刀的總 稱），使它們失去切/磨削能力或無法保證加工精度和加工表面完整性時，稱為刀具/ 砂輪失效。工業(yè)統(tǒng)計證明，刀具失效是引起機床故障停機的首要因素，由其引起的停 機時間占 nc 類機床的總停機時間的 1/5-1/3.此外，它還可能引發(fā)設備或人身安全事故， 甚至是重大事故。 3.2 汽車自動控制系統(tǒng)中的傳感技術 隨著傳感器技術和其它新技術的應用，現(xiàn)代化汽車工業(yè)進入了全新時期。汽車的 機電一體化要求用自動控制系統(tǒng)取代純機械式控制部件，這不僅體現(xiàn)在發(fā)動機上，為 更全面地改善汽

20、車性能，增加人性化服務功能，降低油耗，減少排氣污染，提高行駛 安全性、可靠性、操作方便和舒適性，先進的檢測和控制技術已擴大到汽車全身。在 其所有重點控制系統(tǒng)中，必不可少地使用曲軸位置傳感器、吸氣及冷卻水溫度傳感器、 壓力傳感器、氣敏傳感器等各種傳感器。汽車傳感器大致有兩類：一類是使司機了解 汽車各部分狀態(tài)的傳感器；另一類傳感器是用于控制汽車運行狀態(tài)的控制傳感器。表 3.1 示出了汽車常用傳感器及檢測對象。 表 3.1 汽車用傳感器及檢測對象 項目檢測對象與檢測量 溫度冷卻水、排出氣體（催化劑） 、吸入空氣、發(fā)動機油、室外（內）空 氣 壓力吸氣壓（計示壓力、絕對壓力） 、大氣壓、燃燒壓、發(fā)動機油

21、壓、制 動壓、各種泵壓、輪胎壓 轉數(shù)曲柄轉角、曲柄轉數(shù)、車輪速度、發(fā)動機轉速 速度、加速度車速（絕對） 、角加速度 流量吸入空氣量、燃料流量、排氣再循環(huán)量、二次空氣量 液量燃料、冷卻水、電池液、洗窗器液、發(fā)動機軸、制動油 位移方位節(jié)流閥開口度、排氣再循環(huán)閥升降溫量、車高（懸置、位移） 、行駛 距離、行駛方位 排出氣體o2、co2、c0、nox、碳氫化合物、柴油煙 其他轉矩、爆震、燃料酒精成分、濕度、玻璃結露、飲酒鑒別、睡眠狀態(tài)、 電池電壓、電池儲能多寡、燈泡斷線、載荷、沖擊物、輪胎失效率、 液位等 汽車發(fā)動機控制用傳感器是在發(fā)動機產(chǎn)生的熱、震動、汽油蒸汽以及輪胎產(chǎn)生的 污泥和飛濺的水花等惡劣環(huán)

22、境下工作的，因此汽車發(fā)動機用傳感器與一般傳感器相比， 其耐惡劣環(huán)境的指標要高得多。表 3.2 為汽車發(fā)動機控制用傳感器。 表 3.2 汽車發(fā)動機控制用傳感器 傳感器名稱測量范圍精度要求例 空氣吸入量傳感器 5500m3/h (2000ml 發(fā)動機) 2% 旋轉板、電位計式 卡爾曼渦流式、渦輪式、紅外線 式、離子漂移式、超聲式 吸氣管壓力傳感器 大氣壓傳感器 （0.131.04） x105pa （絕對壓力） （0.71.04）x105pa （絕對壓力） 2% 真空膜盒式氣壓計/差分變壓器 式真空膜盒式氣壓計/電位計式 振動膜/半導體應變計式 電容器式 振動膜/聲表面波式、振動膜/晶體 振動式、振

23、動膜/碳堆式 溫度傳感器 （水溫、吸氣溫度） -40120 c2% 熱敏電阻式 線繞電阻式、半導體式、臨界溫 度電阻式（開關用） 、正溫度系數(shù) 熱敏電阻式（開關用） 、熱敏鐵氧 體式（開關用） 曲柄轉角傳感器 （曲柄基準位置傳 感器） 發(fā)動機轉數(shù)傳感器 13000.5% 電磁傳感器式、磁敏晶體管式 磁感應式 霍爾元件式、壓電式、光電式、 韋格納效應式、可變電感式 位置傳感器（排氣 再循環(huán)式閥的升降、 節(jié)氣門角度） 05mm3% 電位差式 差分變壓器式 車速傳感器 0170km/h1%4% 舌簧接點開關式 電磁傳感器式 氧傳感器 0.4%1.4%1% zro2元件、tio2元件、co 元件 （低

24、級的空燃比 a/f 傳感器） 爆震傳感器 110 khz1% 壓電元件式 磁致伸縮式 發(fā)動機控制用傳感器的精度多以百分數(shù)表示，這個百分數(shù)值必須在各種不同條件 下滿足燃料經(jīng)濟性指標和排氣污染指標規(guī)定?？刂苹钊桨l(fā)動機，基本上就是控制曲 軸的位置。利用檢測曲軸位置的傳感器，可測出曲軸轉角位置從而計算點火提前角， 并用微機計算出發(fā)動機轉速，其信號以時序脈沖形式輸出。燃料供給信號可以用二種 方法獲得，一種是直接測量空氣的質量流量；另一種是檢測曲軸位置，再由技管絕對 壓力(map)和溫度計算出每個汽缸的空氣量。燃料控制環(huán)路多采用第二種方法，或采用 測量空氣質量流量的方法。因此 map 傳感器和空氣質量流

25、量傳感器都是重要的汽車用 傳感器。 map 傳感器有膜盒線性差動變換傳感器、電容盒 map 傳感器和硅膜壓力傳感 器。 在空氣流量傳感器中，離子遷移式、熱絲式、葉片式傳感器是真正的空氣質量 流量計。渦流式、渦輪式是測量空氣流速的，需把它換算成質量流量。為算出恰當?shù)?點火時刻，需要檢測曲軸指示脈沖、發(fā)動機轉速和發(fā)動機負荷三個參量。 為了確定發(fā)動機的初始條件或隨時進行狀態(tài)修正，還裝了爆震傳感器，如空氣溫 度傳感器、冷卻水溫度傳感器等，在某些汽車中，還裝了爆震傳感器，渦輪增壓發(fā)動 機在中速或高負荷狀態(tài)下，震動較大，從而帶來許多問題，安裝爆震傳感器后，當震 動超過某一限度時，就自動推遲點火時間，直至震

26、動減弱為止。這就是說，發(fā)動機在 無激烈震動時提前點火，找出了最佳超前量。機械共振傳感器、帶通振動傳感器和磁 致伸縮傳感器可以提供這種震動信息。 為了提高汽車行駛的安全、可靠、操縱方便及舒適性，還采用了非發(fā)動機用傳感 器，如表 3.3 所示。工業(yè)自動化領域用的各類傳感器直接或稍加改進，即可作為汽車 非發(fā)動機用傳感器使用。 表 3.3 非發(fā)動機用傳感器 項目所用傳感器 防打滑制動器對地速度傳感器、車輪轉數(shù)傳感器 液壓轉向裝置油壓傳感器、車速傳感器 行車速度自動控制車速傳感器、加速踏板位置傳感器 氣胎雷達、g 傳感器 死角報警超聲波傳感器、圖像傳感器 自動空調室內溫度傳感器、吸氣溫度傳感器、風量傳感

27、器、濕度傳感器 亮度自動控制光傳感器 自動門鎖系統(tǒng)磁傳感器 自動（電子式）駕駛磁傳感器、氣流速度傳感器 3.3 機器人用傳感器 機器人傳感技術是 20 世紀 70 年代發(fā)展起來的,是一類專門用于機器人技術的新型 傳感器,與普通傳感器的工作原理基本相同,但又有其特殊性,對傳感信息種類和智能化 處理的要求更高,包括機器人觸覺傳感器、機器人接近覺傳感器、機器人視覺傳感器、 機器人嗅覺傳感器、機器人味覺傳感器、機器人聽覺傳感器等。之所以能夠準確操作, 是因為它能夠通過各種傳感器來準確感知自身、操作對象及作業(yè)環(huán)境的狀態(tài)。 機器人傳感器可分為內部檢測傳感器和外部檢測傳感器兩大類。 內部檢測傳感器是以機器人

28、本身的坐標軸來確定其位置，它安裝在機器人自身中 用來感知機器人自己的狀態(tài)，以調整和控制機器人的行動。它通常由位置、加速度、 速度及壓力傳感器組成。 外部檢測傳感器用于機器人對周圍環(huán)境、目標物的狀態(tài)特征獲取信息，使機器人 和環(huán)境能發(fā)生交互作用，從而使機器人對環(huán)境有自我校正和自適應能力。表 3.4 列出了 這些傳感器的分類和功用。 表 3.4 機器人用外界檢測傳感器的分類 傳感器檢測內容檢測器件應用 觸覺接觸 把握力 荷重 分布壓力 多元力 力矩 滑動 限制開關 應變計、半導體感壓元件 彈簧變位測量計 導電橡膠、感壓高分子材料 應變計、半導體感壓元件 壓阻元件、馬達電流計 光學旋轉檢測器、光纖 動

29、作順序控制 把握力控制 張力控制、指壓力控制 姿勢、形狀判別 裝配力控制 協(xié)調控制 滑動判定、力控制 接近覺接近 間隔 傾斜 光電開關、led、激光、紅 外 光敏晶體管、光敏二極管 電磁線圈、超聲波傳感器 動作順序控制 障礙物躲避 軌跡移動控制、探索 視覺平面位置 距離 形狀 缺陷 itv 攝像機、位置傳感器 測距器 線圖像傳感器 面圖像傳感器 位置決定、控制 移動控制 物體識別、判別 檢查、異常檢測 聽覺聲音 超聲波 麥克風 超聲波傳感器 語言控制（人機接口） 移動控制 嗅覺氣體成分氣體傳感器、射線傳感器化學成分探測 味覺味道離子傳感器、ph 計化學成分探測 機器人的觸覺，實際上是人的觸覺的

30、某些模仿。它是有關機器人和對象物之間直 接接觸的感覺，包括的內容較多，通常指以下幾種； 觸覺：手指與被測物是否接觸，接觸圖形的檢測。 壓覺：垂直于機器人和對象物接觸面上的力傳感器。 力覺：機器人動作時各自由度的力感覺。 滑覺：物體向著垂直于手指把握面的方向移動或變形。 3.3.1 觸覺傳感器 觸覺是接觸、沖擊、壓迫等機械刺激感覺的綜合，觸覺可以用來進行機器人抓取， 利用觸覺可進一步感知物體的形狀、軟硬等物理性質。對機器人觸覺的研究，只能集 中于擴展機器人能力所必需的觸覺功能，一般把檢測感知和外部直接接觸而產(chǎn)生的接 觸覺、壓力、觸覺及接近覺的傳感器稱為機器人觸覺傳感器。 舉例：觸覺傳感器，如圖

31、3.1 所示。 1. 結構：平板上安裝著多點通、斷傳感器附著板的裝置 2. 原理：平常為通態(tài)，當與物體接觸時，彈簧收縮，上、下間電流斷開。它的功能相 當于一開關，即輸出 0 和 1 兩種信號 3. 可用于控制機械手的運動方向和范圍、躲避障礙物等。 圖 3.1 觸覺傳感器 1. 導電橡膠；2.金屬；12.襯底；13.引線 人工皮膚觸覺傳感器的研究重點 1. 選擇更為合適的敏感材料，現(xiàn)有的材料主要有導電橡膠、壓電材料、光纖等； 2. 將集成電路工藝應用到傳感器的設計和制造中，使傳感器和處理電路一體化，得到 在規(guī)?；虺笠?guī)模陣列式觸覺傳感器 觸覺傳感器的工作重點集中在陣列式觸覺傳感器信號的處理上，目

32、的是辨識物體接 觸物體的形狀。陣列式觸覺傳感器如圖 3.5 所示。 圖 3.5 pvf2 陣列式觸覺傳感器 這種信號的處理涉及到信號處理、圖像處理、計算機圖形學、人工智能、模式識 別等學科，是一門比較復雜、比較困難的技術，還不是很成熟，有待于進一步研究和 發(fā)展。 3.3.2 壓覺傳感器 壓覺指的是對于手指給予被測物的力，或者加在手指上的外力的感覺。它用于握 力控制與手的支撐力的檢測。目前的壓覺傳感器主要是分布型壓覺傳感器，即通過把 分散敏感元件排列成矩陣式格子來設計的。導電橡膠、感應高分子、應變計、光電器 件和霍爾元件常被用作敏感元件陣列單元。 壓覺傳感器的工作原理：這種傳感器是對小型線性調整

33、器的改進。 在調整器的軸上安裝了線性彈簧。一個傳感器有 10mm 的有效行程。在此范圍內， 將力的變化轉換為遵從虎建定律的長度位移，以便進行檢測。在一側手指上，每個 6mmx8mm 的面積分布一個傳感器來計算，共排列了 28 個（四行七排）情感器。左右兩 側總共有 56 個體感器輸出。用四路 a/d 轉換器，變速多路調制器對這些輸出進行轉換 后進入計算機。圖 3.6（a）為手指抓住物體的狀態(tài)；圖 3.6（b）為手指從 a 狀態(tài)稍微 握緊的狀態(tài)。 圖 3.6 3.3.3 力覺傳感器 力覺是指對機器人的指、肢和關節(jié)等運動中所受力的感知，主要包括腕力覺、關 節(jié)力覺和支座力覺等，根據(jù)被測對象的負載，可

34、以把力傳感器分為測力傳感器（單軸 力傳感器） 、力矩表（單軸力矩傳感器） 、手指傳感器（檢測機器人手指作用力的超小 型單軸力傳感器）和六軸力覺傳感器。力覺傳感器根據(jù)力的檢測方式不同，可以分為： 檢測應變或應力的應變片式；利用壓電效應的壓電元件式；用位移計測量負載 產(chǎn)生的位移的差動變壓器、電容位移計式，其中應變片被機器人廣泛采用。 力覺傳感器的作用：感知是否夾起了工件或是否夾持在正確部位；控制裝配、打 磨、研磨拋光的質量；裝配中提供信息、以產(chǎn)生后續(xù)的修正補償運動來保證裝配質量 和速度；防止碰撞、卡死和損壞機件。 在選用力傳感器時，首先要特別注意額定值，其次在機器人通常的力控制中，力 的精度意義不

35、大，重要的是分辨率。另外，在機器人上實際安裝使用力覺傳感器時， 一定要事先檢查操作區(qū)域，清除障礙物。這對實驗者的人身安全、對保證機器人及外 圍設備不受損害有重要意義。圖 3.7 為關節(jié)力傳感器，圖 3.8 為腕力傳感器，圖 3.9 為基座力傳感器。 圖 3.7 關節(jié)力傳感器 圖 3.8 腕力傳感器 圖 3.9 基座力傳感器 3.3.4 滑覺傳感器 滑覺：機器人在抓取不知屬性的物體時，其自身應能確定最佳握緊力的給定值。 當握緊力不夠時，要檢測被握緊物體的滑動，利用該檢測信號，在不損害物體的前提 下，考慮最可靠的夾持方法，實現(xiàn)此功能的傳感器稱為滑覺傳感器。 滑覺傳感器有滾動式和球式，還有一種通過振

36、動檢測滑覺的傳感器。物體在傳感 器表面上滑動時，和滾輪或環(huán)相接觸，把滑動變成轉動。 磁力式滑覺傳感器中，滑動物體引起滾輪滾動，用磁鐵和靜止的磁頭，或用光傳 感器進行檢測，這種傳感器只能檢測到一個方向的滑動。球式傳感器用球代替滾輪， 可以檢測各個方向的滑動，振動式滑覺傳感 器表面伸出的觸針能和物體接觸，物體滾 動時，觸針與物體接觸而產(chǎn)生振動，這個振動由壓點傳感器或磁場線圈結構的微小位 移計檢測。圖 3.10 為滑覺傳感器 圖 3.10 滑覺傳感器 3.3.5 接近覺傳感器 接近覺傳感器的主要作用是在接觸對象之前獲得必要的信息，用來探測在一定距 離范圍內是否有物體接近、物體的接近距離和對象的表面形

37、狀及傾斜等狀態(tài)，一般用 “1”和“0”兩種態(tài)表示。在機器人中，主要用于對物體的抓取和躲避。接近覺一般 用非接觸式測量元件，如霍爾效應傳感器、電磁式接近開關和光學接近傳感器。 電磁式：利用渦流效應產(chǎn)生接近覺。如圖 3.11 所示，加有高頻信號 is的勵磁線圈 l 產(chǎn)生的高頻電磁場作用于金屬板，在其中產(chǎn)生渦流，該渦流反作用于線圈，通過檢 測線圈的輸出可反映出傳感器與被接近金屬間的距離，這種接近覺傳感器精度高，響 應快，可在高溫環(huán)境中使用，但檢測對象必須是金屬。 圖 3.11 電磁式接近傳感器 電容式：利用電容量的變化產(chǎn)生接近覺。電容接近絕傳感器如圖 3.12 所示，傳感 器本體由 2 個極板組成，

38、極板 1 由一個固定頻率正弦波電壓激勵，極板 2 外接電荷放 大器，0 為被接近物，在傳感器兩極板和被接近物三者之間形成了一個交變電場。當靠 近被接近物時，電場變化引起了極板 1、2 間電容 c 的變化。由于電壓幅值恒定，所以 電容變化又反映為極板上的電荷的變化，從而可檢測出與被接近物的距離。電容式接 近覺傳感器具有對物體的顏色、構造和表面都不敏感且實時性好的優(yōu)點。但一般按上 述結構制作的傳感器要求障礙物是導體且必須接地，并且容易受到對地寄生電容的影 響。 圖 3.12 電容接近覺傳感器 第四章我國傳感器技術發(fā)展的若干問題及發(fā)展方向 傳感器技術是實現(xiàn)自動控制、自動調節(jié)的關鍵環(huán)節(jié)，也是機電一體化系統(tǒng)不可缺 少的關鍵技術之一，其水平高低在很大程度上影響和決定著系統(tǒng)的功能；其水平越高， 系統(tǒng)的自動化程度就越高。在一套完整的機電一體化系統(tǒng)中，如果不能利用傳感檢測 技術對被控對象的各項參數(shù)進行及時準確地檢測出并轉換成易于傳送和處理的信號， 我們所需要的用于系統(tǒng)控制的信息就無法獲得，進而使整個系統(tǒng)就無法正常有效的工 作。 我國傳感器的研究主要集中在專業(yè)研究所和大學，始于 20 世紀 80 年代，與國外 先進技術相比，我們還有較大差距，