機(jī)器人傳感器2

《機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》主講人：李富強(qiáng)第六章機(jī)器人傳感器

第2節(jié)位置傳感器6.2位置傳感器6.2.1線位移檢測傳感器6.2.2角位移檢測傳感器6.2.3速度、加速度傳感器6.2.4電子羅盤及陀螺儀6.2.5GPS全球?qū)Ш较到y(tǒng)2機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》6.2.1線位移檢測傳感器一、光柵位移傳感器二、感應(yīng)同步器三、磁柵位移傳感器3機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》一.光柵位移傳感器1、光柵的構(gòu)造：4機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》一.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，這時光柵上會出現(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。

5機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》一.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成比例。光柵每移動過一個柵距W，莫爾條紋就移動過一個條紋間距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。

6機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》一.光柵位移傳感器

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

其電壓為：7機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》一.光柵位移傳感器將此電壓信號放大、整形變換為方波，經(jīng)微分轉(zhuǎn)換為脈沖信號，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。測量分辨率等于柵距。8機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》二、感應(yīng)同步器1.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9機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》二、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，滑尺上分布著兩個勵磁繞組，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，余弦繞組與定尺繞組錯開1/4節(jié)距?；吆投ǔ呦鄬ζ叫邪惭b，其間保持一定間隙（0.05~0.2mm）。10機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》二、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，定尺繞組感應(yīng)出頻率為f的感應(yīng)電動勢。感應(yīng)電動勢的大小與滑尺和定尺的相對位置有關(guān)。設(shè)正弦繞組供電電壓為Us，余弦繞組供電電壓為Uc，移動距離為x，節(jié)距為T，則正弦繞組單獨(dú)供電時，在定尺上感應(yīng)電勢為11機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》二、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)電勢為12機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》二、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。13機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》二、感應(yīng)同步器3.測量方法根據(jù)對滑尺繞組供電方式的不同，以及對輸出電壓檢測方式的不同，感應(yīng)同步器的測量方式有鑒相式和鑒幅式兩種工作法。14機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》二、感應(yīng)同步器(1)鑒相式工作法滑尺的兩個勵磁繞組分別施加相同頻率和相同幅值，但相位相差90o的兩個電壓，設(shè)從上式可以看出，只要測得相角，就可以知道滑尺的相對位移x：

15機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》二、感應(yīng)同步器2.鑒幅工作法在滑尺的兩個勵磁繞組上分別施加相同頻率和相同相位，但幅值不等的兩個交流電壓：由上式知，感應(yīng)電勢的幅值隨著滑尺的移動作正弦變化。因此，可以通過測量感應(yīng)電動勢的幅值來測得定尺和滑尺之間的相對位移。16機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》三、磁柵位移傳感器1.磁柵式位移傳感器的結(jié)構(gòu)

17機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》三、磁柵位移傳感器2.原理：在用軟磁材料制成的鐵芯上繞有兩個繞組，一個為勵磁繞組，另一個為拾磁繞組，將高頻勵磁電流通入勵磁繞組時，當(dāng)磁頭靠近磁尺時在拾磁線圈中感應(yīng)電壓為：U0——輸出電壓系數(shù)；

——磁尺上磁化信號的節(jié)距；

χ——磁頭相對磁尺的位移；

ω——勵磁電壓的角頻率。

在實(shí)際應(yīng)用中，需要采用雙磁頭結(jié)構(gòu)來辨別移動的方向18機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》三、磁柵位移傳感器3.測量方式(1)鑒幅測量方式如前所述，磁頭有兩組信號輸出，將高頻載波濾掉后則得到相位差為π/2的兩組信號兩組磁頭相對于磁尺每移動一個節(jié)距發(fā)出一個正（余）弦信號，經(jīng)信號處理后可進(jìn)行位置檢測。這種方法的檢測線路比較簡單，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。

19機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》三、磁柵位移傳感器2.鑒相測量方式將一組磁頭的勵磁信號移相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位置χ變化而變。讀出輸出信號的相位，就可確定磁頭的位置。

20機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》2角位移檢測傳感器一、旋轉(zhuǎn)變壓器二、光電編碼器21機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》一、旋轉(zhuǎn)變壓器1.結(jié)構(gòu)如圖所示旋轉(zhuǎn)變壓器一般做成兩極電機(jī)的形式。在定子上有激磁繞組和輔助繞組，它們的軸線相互成90°。在轉(zhuǎn)子上有兩個輸出繞組——正弦輸出繞組和余弦輸出繞組，這兩個繞組的軸線也互成90°，一般將其中一個繞組（如Z1、Z2）短接。22機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》一、旋轉(zhuǎn)變壓器2.原理旋轉(zhuǎn)變壓器在結(jié)構(gòu)上與兩相繞組式異步電機(jī)相似，由定子和轉(zhuǎn)子組成。當(dāng)以一定頻率（頻率通常為400Hz、500Hz、1000Hz及5000Hz等幾種）的激磁電壓加于定子繞組時，轉(zhuǎn)子繞組的電壓幅值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正弦、余弦函數(shù)關(guān)系，或在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)與轉(zhuǎn)角成正比關(guān)系。前一種旋轉(zhuǎn)變壓器稱為正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，適用于大角位移的絕對測量；后一種稱為線性旋轉(zhuǎn)變壓器，適用于小角位移的相對測量。23機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》一、旋轉(zhuǎn)變壓器3.測量方式當(dāng)定子繞組中分別通以幅值和頻率相同、相位相差為90°的交變激磁電壓時，便可在轉(zhuǎn)子繞組中得到感應(yīng)電勢U3，根據(jù)線性疊加原理，U3值為激磁電壓U1和U2的感應(yīng)電勢之和，即式中:k=w1/w2——旋轉(zhuǎn)變壓器的變壓比

w1、w2——轉(zhuǎn)子、定子繞組的匝數(shù)24機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》一、旋轉(zhuǎn)變壓器

線性旋轉(zhuǎn)變壓器實(shí)際上也是正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，不同的是線性旋轉(zhuǎn)變壓器采用了特定的變壓比k和接線方式，如右圖。這樣使得在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)（一般為±60°），其輸出電壓和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角θ成線性關(guān)系。此時輸出電壓為25機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》二、光電編碼器1.增量式編碼器結(jié)構(gòu)26機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》二、光電編碼器2.增量式編碼器工作原理鑒向盤與主碼盤平行，并刻有a、b兩組透明檢測窄縫，它們彼此錯開1/4節(jié)距，以使A、B兩個光電變換器的輸出信號在相位上相差90°。工作時，鑒向盤靜止不動，主碼盤與轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動，光源發(fā)出的光投射到主碼盤與鑒向盤上。當(dāng)主碼盤上的不透明區(qū)正好與鑒向盤上的透明窄縫對齊時，光線被全部遮住，光電變換器輸出電壓為最??；當(dāng)主碼盤上的透明區(qū)正好與鑒向盤上的透明窄縫對齊時，光線全部通過，光電變換器輸出電壓為最大。主碼盤每轉(zhuǎn)過一個刻線周期，光電變換器將輸出一個近似的正弦波電壓，且光電變換器A、B的輸出電壓相位差為90°。經(jīng)邏輯電路處理就可以測出被測軸的相對轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)動方向。

27機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》二、光電編碼器3.絕對式編碼器原理絕對式編碼器是把被測轉(zhuǎn)角通過讀取碼盤上的圖案信息直接轉(zhuǎn)換成相應(yīng)代碼的檢測元件。編碼盤有光電式、接觸式和電磁式三種。光電式碼盤是目前應(yīng)用較多的一種，它是在透明材料的圓盤上精確地印制上二進(jìn)制編碼。如圖所示為四位二進(jìn)制的碼盤，碼盤上各圈圓環(huán)分別代表一位二進(jìn)制的數(shù)字碼道，在同一個碼道上印制黑白等間隔圖案，形成一套編碼。

28機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》二、光電編碼器

黑色不透光區(qū)和白色透光區(qū)分別代表二進(jìn)制的“0”和“1”。在一個四位光電碼盤上，有四圈數(shù)字碼道，每一個碼道表示二進(jìn)制的一位，里側(cè)是高位，外側(cè)是低位，在360°范圍內(nèi)可編數(shù)碼數(shù)為24=16個。29機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》二、光電編碼器

工作時，碼盤的一側(cè)放置電源，另一邊放置光電接受裝置，每個碼道都對應(yīng)有一個光電管及放大、整形電路。碼盤轉(zhuǎn)到不同位置，光電元件接受光信號，并轉(zhuǎn)成相應(yīng)的電信號，經(jīng)放大整形后，成為相應(yīng)數(shù)碼電信號。

30機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》二、光電編碼器4.絕對式編碼器非單值性誤差的消除(1).循環(huán)碼盤(或稱格雷碼盤)右圖所示為四位二進(jìn)制循環(huán)碼。這種編碼的特點(diǎn)是任意相鄰的兩個代碼間只有一位代碼有變化，即“0”變?yōu)椤?”或“1”變?yōu)椤?”。因此，在兩數(shù)變換過程中，所產(chǎn)生的讀數(shù)誤差最多不超過“1”，只可能讀成相鄰兩個數(shù)中的一個數(shù)。

31機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》二、光電編碼器(2).帶判位光電裝置的二進(jìn)制循環(huán)碼盤該碼盤最外圈上的信號位的位置正好與狀態(tài)交線錯開，只有當(dāng)信號位處的光電元件有信號時才讀數(shù)，這樣就不會產(chǎn)生非單值性誤差。

32機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》一、直流測速發(fā)電機(jī)二、光電式速度傳感器三、差動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33機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》一、直流測速發(fā)電機(jī)測速發(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)子在磁場中旋轉(zhuǎn)時，電樞繞組中即產(chǎn)生交變的電勢，經(jīng)換向器和電刷轉(zhuǎn)換成正比的直流電勢。

直流測速發(fā)電機(jī)在機(jī)電控制系統(tǒng)中，主要用作測速和校正元件。在使用中，為了提高檢測靈敏度，盡可能把它直接連接到電機(jī)軸上。有的電機(jī)本身就已安裝了測速發(fā)電機(jī)。34機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》二、光電式速度傳感器

光電脈沖測速原理如下圖所示。物體以速度V通過光電池的遮擋板時，光電池輸出階躍電壓信號，經(jīng)微分電路形成兩個脈沖輸出，測出兩脈沖之間的時間間隔△t，則可測得速度為35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軸（或與被測軸相連接的輸入軸）上的帶縫圓盤、光源、光電器件和指示縫隙圓盤組成，如下圖所示。光源發(fā)出的光通過縫隙圓盤和指示縫隙盤照射到光電器件上，當(dāng)縫隙圓盤隨被測軸轉(zhuǎn)動時，圓盤每轉(zhuǎn)一周，光電器件輸出與圓盤縫隙數(shù)相等的電脈沖，根據(jù)測量時間t內(nèi)的脈沖數(shù)N，則可測得轉(zhuǎn)速為36機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》三、差動變壓器式速度傳感器

差動變壓器式除了可測量位移外，還可測量速度。其工作原理如下圖所示。差動變壓器式的原邊線圈同時供以直流和交流電流，即37機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》三、差動變壓器式速度傳感器

當(dāng)差動變壓器以被測速度V=dx/dt移動時，在其副邊兩個線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，將它們的差值通過低通濾波器濾除勵磁高頻角頻率后，則可得到與速度v（m/s）相對應(yīng)的電壓輸出，即

差動變壓器漂移小，其主要性能為：測量范圍10~2000mm/s（可調(diào)），輸出電壓±10V（max），輸出電流±10mA（max），頻帶寬度≥500Hz。38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，來間接度量被測加速度。最常用的有應(yīng)變片式和壓電式等。

39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，重塊受力，懸臂梁彎曲，按梁上固定的應(yīng)變片之變形便可測出力的大小，在已知質(zhì)量的情況下即可計(jì)算出被測加速度。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。40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，傳感器固定在被測物體上，感受該物體的振動，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，故對被測機(jī)構(gòu)的影響就小。壓電加速度傳感器的頻率范圍廣、動態(tài)范圍寬、靈敏度高、應(yīng)用較為廣泛。41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。該傳感器采用差動式結(jié)構(gòu)，有兩個固定電極，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)過磨平拋光后作為可動極板。當(dāng)傳感器測量垂直方向的振動時，由于質(zhì)量塊的慣性作用，使兩固定極相對質(zhì)量塊產(chǎn)生位移，使電容C1、C2中一個增大，另一個減小，它們的差值正比于被測加速度。這種加速度傳感器的精度較高，頻率響應(yīng)范圍寬，可以測得很高的加速度值。42機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》電子羅盤，也叫數(shù)字羅盤，是利用地磁場來定北極的一種方法。古代稱為羅經(jīng)，電子羅盤現(xiàn)代利用先進(jìn)加工工藝生產(chǎn)的磁阻傳感器為羅盤的數(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加工而成的電子羅盤。6.2.4電子羅盤及陀螺儀43機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》6.2.4電子羅盤及陀螺儀電子磁羅盤的原理是利用磁傳感器測量地磁場。地球的磁場強(qiáng)度為0.5-0.6高斯，與地平面平行，永遠(yuǎn)指向磁北極，磁場大致為雙極模式：在北半球，磁場指向下，赤道附近指向水平，在南半球，磁場指向上。無論何地，地球磁場的方向的水平分量，永遠(yuǎn)指向磁北極，由此，可以用電子羅盤系統(tǒng)確定方向。電子羅盤有以下幾種傳感器組合：雙軸磁傳感器系統(tǒng)：由兩個磁傳感器垂直安裝于同一平面組成，測量時必需持平，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，同時除了測量航向還可以測量系統(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。44機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》1．三軸磁阻傳感器測量平面地磁場，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，無磁.

6.2.4電子羅盤及陀螺儀電子羅盤的特點(diǎn)：45機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》6.2.4電子羅盤及陀螺儀移動機(jī)器人在行進(jìn)的時候可能會遇到各種地形或者各種障礙。這時即使機(jī)器人的驅(qū)動裝置采用閉環(huán)控制，也會由于輪子打滑等原因造成機(jī)器人偏離設(shè)定的運(yùn)動軌跡，并且這種偏移是旋轉(zhuǎn)編碼器無法測量到的。這時就必須依靠電子羅盤或者角速率陀螺儀來測量這些偏移，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)動距離較長，0.5度的航向偏差可能導(dǎo)致機(jī)器人運(yùn)動的線位移偏離值不可接受。46機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》》6.2.4電子羅盤及陀螺儀

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。因此，在使用時應(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：車輛底盤滾轉(zhuǎn)傳感，慣性測量單元IMU，平臺穩(wěn)定，無人機(jī)控制，彈道測量等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,下測量。47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)的簡稱。

24顆GPS衛(wèi)星在離地面1萬2千公里的高空上，以12小時的周期環(huán)繞地球運(yùn)行，任意時刻在地面上的任意一點(diǎn)都可以同時觀測到4顆以上的衛(wèi)星。48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個方程式，解出觀測點(diǎn)的位置(X,Y,Z)?？紤]到衛(wèi)星的時鐘與接收機(jī)時鐘之間的誤差，實(shí)