机器人传感器课件.ppt

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1、第六章第六章第六章第六章 机器人机器人机器人机器人传传感器感器感器感器.v6.1.1 6.1.1 传传感器的定感器的定义义v6.1.2 6.1.2 传传感器的感器的组组成成v6.1.3 6.1.3 传传感器的分感器的分类类v6.1.4 6.1.4 传传感器的数学模型感器的数学模型v6.1.5 6.1.5 传传感器的基本特征感器的基本特征v6.1.6 6.1.6 传传感器的感器的发发展方向展方向6.1 6.1 传感器概述感器概述2.将被将被测测非非电电量信号量信号转换为转换为与之有确定与之有确定对对应应关系关系电电量量输输出的器件或装置叫做出的器件或装置叫做传传感器感器，也叫，也叫变换变换器、器

2、、换换能器或探能器或探测测器。器。6.1.1 传感器的定感器的定义3.6.1.2 传感器的感器的组成成敏感敏感敏感敏感元件元件元件元件辅辅助助助助电电路路路路传传感感感感元件元件元件元件 被被被被测测非非非非电电量量量量 有用有用有用有用非非非非电电量量量量有有有有 用用用用电电 量量量量信号信号信号信号调节调节转换电转换电路路路路电电 量量量量4.6.1.2 传感器的感器的组成成5.6.1.2 6.1.2 传传感器的感器的感器的感器的组组成成成成6.敏感元件：敏感元件：敏感元件：敏感元件：直接感受被直接感受被直接感受被直接感受被测测非非非非电电量并按一定量并按一定量并按一定量并按一定规规律律

3、律律转换转换成与被成与被成与被成与被测测量有确定关系的其它量量有确定关系的其它量量有确定关系的其它量量有确定关系的其它量的元件。的元件。的元件。的元件。传传感元件：感元件：感元件：感元件：又称又称又称又称变换变换器。能将敏感元件感器。能将敏感元件感器。能将敏感元件感器。能将敏感元件感受到的非受到的非受到的非受到的非电电量直接量直接量直接量直接转换转换成成成成电电量的器件。量的器件。量的器件。量的器件。7.压压力力力力传传感器示例感器示例感器示例感器示例8.9.6.1.3 传感器的分感器的分类1 1 1 1按工作机理分按工作机理分按工作机理分按工作机理分类类：根据物理和化学：根据物理和化学：根据

4、物理和化学：根据物理和化学 等学科的原理、等学科的原理、等学科的原理、等学科的原理、规规律和效律和效律和效律和效应进应进行分行分行分行分类类2 2 2 2按被按被按被按被测测量分量分量分量分类类：根据：根据：根据：根据输输入物理量的入物理量的入物理量的入物理量的 性性性性质进质进行分行分行分行分类类。3 3 3 3按敏感材料分按敏感材料分按敏感材料分按敏感材料分类类：根据制造：根据制造：根据制造：根据制造传传感器感器感器感器 所使用的材料所使用的材料所使用的材料所使用的材料进进行分行分行分行分类类。可分。可分。可分。可分为为半半半半 导导体体体体传传感器、陶瓷感器、陶瓷感器、陶瓷感器、陶瓷传传

5、感器等。感器等。感器等。感器等。10.6.1.3 传感器的分感器的分类4.4.4.4.按能量的关系分按能量的关系分按能量的关系分按能量的关系分类类：根据能量：根据能量：根据能量：根据能量观观点分点分点分点分类类，可将可将可将可将传传感器分感器分感器分感器分为为有源有源有源有源传传感器和无源感器和无源感器和无源感器和无源传传感器两感器两感器两感器两大大大大类类。有源有源有源有源传传感器是将非感器是将非感器是将非感器是将非电电能量能量能量能量转换为电转换为电能量，能量，能量，能量，称之称之称之称之为为能量能量能量能量转换转换型型型型传传感器，也称感器，也称感器，也称感器，也称换换能器。能器。能器。

6、能器。通常配合有通常配合有通常配合有通常配合有电压测电压测量量量量电电路和放大器。路和放大器。路和放大器。路和放大器。如如如如:压电压电式、式、式、式、热电热电式、式、式、式、电电磁式等。磁式等。磁式等。磁式等。11.6.1.3 传感器的分感器的分类 无源无源无源无源传传感器又称感器又称感器又称感器又称为为能量控制型能量控制型能量控制型能量控制型传传感器。被感器。被感器。被感器。被测测非非非非电电量量量量仅对传仅对传感器中的能量起控制或感器中的能量起控制或感器中的能量起控制或感器中的能量起控制或调节调节作用。作用。作用。作用。所以必所以必所以必所以必须须具有具有具有具有辅辅助能源助能源助能源助

7、能源(电电能能能能)。如如如如:电电阻式、阻式、阻式、阻式、电电容式和容式和容式和容式和电电感式等。感式等。感式等。感式等。5.5.5.5.其他：按用途、学科、功能和其他：按用途、学科、功能和其他：按用途、学科、功能和其他：按用途、学科、功能和输输出信号的出信号的出信号的出信号的性性性性质质等等等等进进行分行分行分行分类类。12.基本量派生量位移线位移长度、厚度、振动、磨损等角位移旋转角、偏转角、角振动等速度线速度速度、振动、流量、动量等角速度转速、角振动等加速度线加速振动、冲击、质量等角加速角振动、扭矩、转动惯量等力压力重量、应力、力矩等时间频率周期、记数、统计分布等温 度热容量、气体速度、

8、涡流等光光通量与密度、光谱分布等13.电容法容法测位移位移14.电感法感法测厚度厚度15.霍霍尔法法计数数16.霍霍尔法法测转速速17.半半导体法体法测压力力18.6.1.4 传感器的数学模型感器的数学模型 从系从系从系从系统统角度看，一种角度看，一种角度看，一种角度看，一种传传感器就是一种系感器就是一种系感器就是一种系感器就是一种系统统。而一个系而一个系而一个系而一个系统总统总可以用一个数学方程式或函数可以用一个数学方程式或函数可以用一个数学方程式或函数可以用一个数学方程式或函数来描述。即用某种方程式或函数表征来描述。即用某种方程式或函数表征来描述。即用某种方程式或函数表征来描述。即用某种方

9、程式或函数表征传传感器感器感器感器的的的的输输出和出和出和出和输输入的关系和特性，从而，用入的关系和特性，从而，用入的关系和特性，从而，用入的关系和特性，从而，用这这种种种种关系指关系指关系指关系指导对传导对传感器的感器的感器的感器的设计设计、制造、校正和使、制造、校正和使、制造、校正和使、制造、校正和使用。用。用。用。通常从通常从通常从通常从传传感器的静感器的静感器的静感器的静态输态输入入入入-输输出关系和出关系和出关系和出关系和动动态输态输入入入入-输输出关系两方面建立数学模型。出关系两方面建立数学模型。出关系两方面建立数学模型。出关系两方面建立数学模型。19.1.1.1.1.静静静静态态

10、模型模型模型模型 静静静静态态模型是指在模型是指在模型是指在模型是指在输输入信号不随入信号不随入信号不随入信号不随时间变时间变化的情化的情化的情化的情况下，描述况下，描述况下，描述况下，描述传传感器的感器的感器的感器的输输出与出与出与出与输输入量的一种函数入量的一种函数入量的一种函数入量的一种函数关系。关系。关系。关系。如果不考如果不考如果不考如果不考虑虑蠕蠕蠕蠕动动效效效效应应和和和和迟迟滞特性，滞特性，滞特性，滞特性，传传感感感感器的静器的静器的静器的静态态模型一般可用多模型一般可用多模型一般可用多模型一般可用多项项式来表示：式来表示：式来表示：式来表示：20.2.2.2.2.动态动态模型

11、模型模型模型 动态动态模型是指模型是指模型是指模型是指传传感器在准感器在准感器在准感器在准动态动态信号或信号或信号或信号或动态动态信号作用下，描述其信号作用下，描述其信号作用下，描述其信号作用下，描述其输输出和出和出和出和输输入信号的一种入信号的一种入信号的一种入信号的一种数学关系。数学关系。数学关系。数学关系。动态动态模型通常采用微分方程和模型通常采用微分方程和模型通常采用微分方程和模型通常采用微分方程和传递传递函数描函数描函数描函数描述。述。述。述。21.3.3.3.3.微分方程微分方程微分方程微分方程 大多数大多数大多数大多数传传感器都属模感器都属模感器都属模感器都属模拟拟系系系系统统之

12、列。描述模之列。描述模之列。描述模之列。描述模拟拟系系系系统统的一般方法是采用微分方程。的一般方法是采用微分方程。的一般方法是采用微分方程。的一般方法是采用微分方程。在在在在实际实际的模型建立的模型建立的模型建立的模型建立过过程中，一般采用程中，一般采用程中，一般采用程中，一般采用线线性性性性常系数微分方程来描述常系数微分方程来描述常系数微分方程来描述常系数微分方程来描述输输出量出量出量出量 y y和和和和输输入量入量入量入量 x x 的的的的关系。关系。关系。关系。22.其通式如下：其通式如下：其通式如下：其通式如下：a an n,a an-n-1 1a a0 0和和和和b bmm,b bm

13、-m-1 1b b0 0 为传为传感器的感器的感器的感器的结结构构构构参数。除参数。除参数。除参数。除b b0 0 0 0外，一般取外，一般取外，一般取外，一般取b b1 1,b b2 2b bmm为为零零零零.23.如果如果如果如果y y(t t)在在在在t t00时时，y y(t t)=0=0，则则y y(t t)的拉氏的拉氏的拉氏的拉氏变换变换可定可定可定可定义为义为 4.4.传递传递函数函数函数函数 式中式中式中式中s s=+jj，00。对对微分方程两微分方程两微分方程两微分方程两边边取拉氏取拉氏取拉氏取拉氏变换变换，则则得得得得24.定定定定义输义输出出出出y y y y(t t t

14、 t)的拉氏的拉氏的拉氏的拉氏变换变换Y Y(S S)和和和和输输入入入入x x(t t)的拉的拉的拉的拉氏氏氏氏变换变换X X(S S)的比的比的比的比为该为该系系系系统统的的的的传递传递函数函数函数函数HH(S S)，则则对对y y(t t)进进行行行行拉拉拉拉氏氏氏氏变变换换的的的的初初初初始始始始条条条条件件件件是是是是t t00时时，y y(t t)=0)=0。对对于于于于传传感感感感器器器器被被被被激激激激励励励励之之之之前前前前所所所所有有有有的的的的储储能能能能元元元元件件件件如如如如质质量量量量块块、弹弹性性性性元元元元件件件件、电电气气气气元元元元件件件件等等等等均均均均符

15、符符符合合合合上述的初始条件。上述的初始条件。上述的初始条件。上述的初始条件。25.对对于于于于多多多多环环节节串串串串、并并并并联联组组成成成成的的的的传传感感感感器器器器，若若若若各各各各环环节节阻阻阻阻抗抗抗抗匹匹匹匹配配配配适适适适当当当当，可可可可忽忽忽忽略略略略相相相相互互互互间间的的的的影影影影响响响响，传传感器的等效感器的等效感器的等效感器的等效传递传递函数可按代数方式求得。函数可按代数方式求得。函数可按代数方式求得。函数可按代数方式求得。显显然然然然HH(s s)与与与与输输入入入入量量量量x x(t t)无无无无关关关关，只只只只与与与与系系系系统统结结构构构构参参参参数数

16、数数有有有有关关关关。因因因因而而而而HH(s s)可可可可以以以以简简单单而而而而恰恰恰恰当当当当地地地地描描描描述述述述传传感器感器感器感器输输出与出与出与出与输输入的关系。入的关系。入的关系。入的关系。26.若若若若传传感器由感器由感器由感器由r r r r个个个个环节环节串串串串联联而成而成而成而成 对于于较为复复杂的系的系统，可以将其看作是一些，可以将其看作是一些较为简单系系统的串的串联与并与并联。27.若若若若传传感器由感器由感器由感器由p p p p个个个个环节环节并并并并联联而成而成而成而成28.6.1.5 传感器的基本特征感器的基本特征1.1.传传感器的静特性感器的静特性感器

17、的静特性感器的静特性 传传感器的静感器的静感器的静感器的静态态特性是指当被特性是指当被特性是指当被特性是指当被测测量量量量处处于于于于稳稳定状定状定状定状态态下，下，下，下，传传感器的感器的感器的感器的输输入与入与入与入与输输出出出出值值之之之之间间的关系。的关系。的关系。的关系。传传感器静感器静感器静感器静态态特特特特性的主要技性的主要技性的主要技性的主要技术术指指指指标标有：有：有：有：线线性度性度性度性度、灵敏度灵敏度灵敏度灵敏度、迟迟滞滞滞滞和和和和重重重重复性复性复性复性等。等。等。等。(1).(1).线线性度性度性度性度 传传感器的感器的感器的感器的线线性度是指性度是指性度是指性度

18、是指传传感器感器感器感器实际输实际输出出出出输输入特性入特性入特性入特性曲曲曲曲线线与理与理与理与理论论直直直直线线之之之之间间的最大偏差与的最大偏差与的最大偏差与的最大偏差与输输出出出出满满度度度度值值之比，之比，之比，之比，即即即即29.(2).(2).灵敏度灵敏度灵敏度灵敏度 传传感器的灵敏度是指感器的灵敏度是指感器的灵敏度是指感器的灵敏度是指传传感器在感器在感器在感器在稳稳定定定定标标准条准条准条准条件下，件下，件下，件下，输输出量的出量的出量的出量的变变化量与化量与化量与化量与输输入量的入量的入量的入量的变变化量之化量之化量之化量之比，即比，即比，即比，即(3).(3).迟迟滞滞滞滞

19、 传传感器在正（感器在正（感器在正（感器在正（输输入量增大）反（入量增大）反（入量增大）反（入量增大）反（输输入量减入量减入量减入量减小）行程中，小）行程中，小）行程中，小）行程中，输输出出出出输输入特性曲入特性曲入特性曲入特性曲线线不重合不重合不重合不重合的程度称的程度称的程度称的程度称为迟为迟滞，滞，滞，滞，迟迟滞滞滞滞误误差一般以差一般以差一般以差一般以满满量程量程量程量程输输出的百分数表示出的百分数表示出的百分数表示出的百分数表示 30.(4).(4).重复性重复性重复性重复性 传传感器在同一条件下，被感器在同一条件下，被感器在同一条件下，被感器在同一条件下，被测输测输入量按同一方向作

20、全入量按同一方向作全入量按同一方向作全入量按同一方向作全 量程量程量程量程连续连续多次重复多次重复多次重复多次重复测测量量量量时时，所得，所得，所得，所得输输出出出出输输入曲入曲入曲入曲线线的不的不的不的不一致程度，称重复性。重复性一致程度，称重复性。重复性一致程度，称重复性。重复性一致程度，称重复性。重复性误误差用差用差用差用满满量程量程量程量程输输出的出的出的出的百分数表示，即百分数表示，即百分数表示，即百分数表示，即近似近似近似近似计计算算算算31.（5 5）.分辨力分辨力分辨力分辨力 传传感器能感器能感器能感器能检测检测到的最小到的最小到的最小到的最小输输入增量称分辨力，入增量称分辨力

21、，入增量称分辨力，入增量称分辨力，在在在在输输入零点附近的分辨力称入零点附近的分辨力称入零点附近的分辨力称入零点附近的分辨力称为阈值为阈值。（6 6）.零漂零漂零漂零漂 传传感器在零感器在零感器在零感器在零输输入状入状入状入状态态下，下，下，下，输输出出出出值值的的的的变变化称化称化称化称为为零漂，零漂可用相零漂，零漂可用相零漂，零漂可用相零漂，零漂可用相对误对误差表示，也可用差表示，也可用差表示，也可用差表示，也可用绝绝对误对误差表示。差表示。差表示。差表示。32.2.传感器的动态特性 传感器能测量动态信号的能力用动态特性表示。动态特性是指传感器测量动态信号时，输出对输入的响应特性。传感器动

22、态特性的性能指标可以通过时域、频域以及试验分析的方法确定，其动态特性参数如：最大超调量、上升时间、调整时间、频率响应范围、临界频率等。33.6.1.6 传感器的感器的发展方向展方向1.新型传感器的开发 鉴于传感器的工作机理是基于各种效应和定律，由此启发人们进一步发现新现象、采用新原理、开发新材料、采用新工艺，并以此研制出具有新原理的新型物性型传感器，这是发展高性能、多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。总之，传感器正经历着从以结构型为主转向以物性型为主的过程。34.2.传感器的集成化和多功能化 随着微电子学、微细加工技术和集成化工艺等方面的发展，出现了多种集成化传感器。这类传感器，或是同一功

23、能的多个敏感元件排列成线性、面型的阵列型传感器；或是多种不同功能的敏感元件集成一体，成为可同时进行多种参数测量的传感器；或是传感器与放大、运算、温度补偿等电路集成一体具有多种功能实现了横向和纵向的多功能。35.3.传感器的智能化 “电五官”与“电脑”的相结合，就是传感器的智能化。智能化传感器不仅具有信号检测、转换功能，同时还具有记忆、存储、解析、统计处理及自诊断、自校准、自适应等功能。如进一步将传感器与计算机的这些功能集成于同一芯片上，就成为智能传感器。36.6.2 位置位置传感器感器v6.2.1 线位移检测传感器v6.2.2 角位移检测传感器v6.2.3 速度、加速度传感器v6.2.4 电子

24、罗盘及陀螺仪v6.2.5 GPS全球导航系统37.6.2.1 线位移位移检测传感器感器1）、光栅位移传感器2）、感应同步器3）、磁栅位移传感器38.1 1）.光光光光栅栅位移位移位移位移传传感器感器感器感器（1 1）、光）、光）、光）、光栅栅的构造：的构造：的构造：的构造：39.1 1）.光光光光栅栅位移位移位移位移传传感器感器感器感器（2）、工作原理 把两把两把两把两块栅块栅距距距距WW相等的光相等的光相等的光相等的光栅栅平行安装，且平行安装，且平行安装，且平行安装，且让让它它它它们们的刻痕之的刻痕之的刻痕之的刻痕之间间有有有有较较小的小的小的小的夹夹角角角角 时时，这时这时光光光光栅栅上会

25、出上会出上会出上会出现现若干条明暗相若干条明暗相若干条明暗相若干条明暗相间间的条的条的条的条纹纹，这这种条种条种条种条纹纹称莫称莫称莫称莫尔尔条条条条纹纹，它，它，它，它们们沿着与光沿着与光沿着与光沿着与光栅栅条条条条纹纹几乎垂直的方向排列，几乎垂直的方向排列，几乎垂直的方向排列，几乎垂直的方向排列，如如如如图图所示。所示。所示。所示。40.1 1）.光光光光栅栅位移位移位移位移传传感器感器感器感器莫尔条纹具有如下特点：v1.莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例。光栅每移动过一个栅距W，莫尔条纹就移动过一个条纹间距B v2.莫尔条纹具有位移放大作用。莫尔条纹的间距B与两光栅条纹夹角之间关系为v3.

26、莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。41.1 1）.光光光光栅栅位移位移位移位移传传感器感器感器感器 通过光电元件，可将莫尔条纹移动时光强的变化转换为近似正弦变化的电信号，如图所示。其其其其电压为电压为：42.1 1）.光光光光栅栅位移位移位移位移传传感器感器感器感器 将此电压信号放大、整形变换为方波，经微分转换为脉冲信号，再经辨向电路和可逆计数器计数，则可用数字形式显示出位移量，位移量等于脉冲与栅距乘积。测量分辨率等于栅距。43.2 2）、感）、感）、感）、感应应同步器同步器同步器同步器 （2）.感应同步器结构 节节距距距距22（2mm2mm）节节距距距距（0.5mm0.5mm）绝缘绝缘粘胶粘胶

27、粘胶粘胶 铜铜箔箔箔箔 铝铝箔箔箔箔 耐切削液涂耐切削液涂耐切削液涂耐切削液涂层层 基板基板基板基板(钢钢、铜铜)滑尺滑尺滑尺滑尺定尺定尺定尺定尺44.2 2）、感）、感）、感）、感应应同步器同步器同步器同步器 包括定尺和滑尺，用制造印刷线路板的腐蚀方法在定尺和滑尺上制成节距T(一般为2mm)的方齿形线圈。定尺绕组是连续的，滑尺上分布着两个励磁绕组，分别称为正弦绕组和余弦绕组。当正弦绕组与定尺绕组相位相同时，余弦绕组与定尺绕组错开1/4节距。滑尺和定尺相对平行安装，其间保持一定间隙（0.050.2mm）。45.2 2）、感）、感）、感）、感应应同步器同步器同步器同步器2.感应同步器的工作原理v

28、 在滑尺的绕组中，施加频率为f（一般为210kHz）的交变电流时，定尺绕组感应出频率为f的感应电动势。感应电动势的大小与滑尺和定尺的相对位置有关。v 设正弦绕组供电电压为Us，余弦绕组供电电压为Uc，移动距离为x，节距为T，则正弦绕组单独供电时，在定尺上感应电势为46.2 2）、感）、感）、感）、感应应同步器同步器同步器同步器 余弦绕组单独供电所产生的感应电势为 由于感由于感由于感由于感应应同步器的磁路系同步器的磁路系同步器的磁路系同步器的磁路系统统可可可可视为线视为线性，可性，可性，可性，可进进行行行行线线性叠加，所以定尺上性叠加，所以定尺上性叠加，所以定尺上性叠加，所以定尺上总总的感的感的

29、感的感应电势为应电势为47.2 2）、感）、感）、感）、感应应同步器同步器同步器同步器式中：vK定尺与滑尺之间的耦合系数；v 定尺与滑尺相对位移的角度表示量（电角度）T节距，表示直线感应同步器的周期，标准式直线感应同步器的节距为2mm。v 利用感应电压的变化可以求得位移X，从而进行位置检测。48.v3.测量方法v 根据对滑尺绕组供电方式的不同，以及对输出电压检测方式的不同，感应同步器的测量方式有鉴相式和鉴幅式两种工作法。2 2）、感）、感）、感）、感应应同步器同步器同步器同步器49.(1)鉴相式工作法v 滑尺的两个励磁绕组分别施加相同频率和相同幅值，但相位相差90o的两个电压，设 从上式可以看

30、出，只要从上式可以看出，只要从上式可以看出，只要从上式可以看出，只要测测得相角，就可以知道滑尺得相角，就可以知道滑尺得相角，就可以知道滑尺得相角，就可以知道滑尺的相的相的相的相对对位移位移位移位移x x：2 2）、感）、感）、感）、感应应同步器同步器同步器同步器50.v2.鉴幅工作法v 在滑尺的两个励磁绕组上分别施加相同频率和相同相位，但幅值不等的两个交流电压：由上式知，感由上式知，感由上式知，感由上式知，感应电势应电势的幅的幅的幅的幅值值随着滑尺的移随着滑尺的移随着滑尺的移随着滑尺的移动动作正弦作正弦作正弦作正弦变变化。因此，可以通化。因此，可以通化。因此，可以通化。因此，可以通过测过测量感

31、量感量感量感应电动势应电动势的幅的幅的幅的幅值值来来来来测测得定尺得定尺得定尺得定尺和滑尺之和滑尺之和滑尺之和滑尺之间间的相的相的相的相对对位移。位移。位移。位移。2 2）、感）、感）、感）、感应应同步器同步器同步器同步器51.3 3）、磁）、磁）、磁）、磁栅栅位移位移位移位移传传感器感器感器感器（1）.磁栅式位移传感器的结构 52.（2）.原理：在用软磁材料制成的铁芯上绕有两个绕组，一个为励磁绕组，另一个为拾磁绕组，将高频励磁电流通入励磁绕组时，当磁头靠近磁尺时在拾磁线圈中感应电压为：UU0 0输输出出出出电压电压系数；系数；系数；系数；磁尺上磁化信号的磁尺上磁化信号的磁尺上磁化信号的磁尺上

32、磁化信号的节节距；距；距；距；磁磁磁磁头头相相相相对对磁尺的位移；磁尺的位移；磁尺的位移；磁尺的位移；励磁励磁励磁励磁电压电压的角的角的角的角频频率。率。率。率。在在在在实际应实际应用中，需要采用双磁用中，需要采用双磁用中，需要采用双磁用中，需要采用双磁头结头结构来辨构来辨构来辨构来辨别别移移移移动动的方向的方向的方向的方向3 3）、磁）、磁）、磁）、磁栅栅位移位移位移位移传传感器感器感器感器53.（3）.测量方式A、鉴幅测量方式 如前所述，磁头有两组信号输出，将高频载波滤掉后则得到相位差为/2的两组信号 两组磁头相对于磁尺每移动一个节距发出一个正（余）弦信号，经信号处理后可进行位置检测。这种

33、方法的检测线路比较简单，但分辨率受到录磁节距的限制，若要提高分辨率就必须采用较复杂的信频电路，所以不常采用。3 3）、磁）、磁）、磁）、磁栅栅位移位移位移位移传传感器感器感器感器54.B.鉴相测量方式v将一组磁头的励磁信号移相90，则得到输出电压为v在求和电路中相加，则得到磁头总输出电压为则则合成合成合成合成输输出出出出电压电压UU的幅的幅的幅的幅值值恒定，而相位随磁恒定，而相位随磁恒定，而相位随磁恒定，而相位随磁头头与磁尺与磁尺与磁尺与磁尺的相的相的相的相对对位置位置位置位置 变变化而化而化而化而变变。读读出出出出输输出信号的相位，就可出信号的相位，就可出信号的相位，就可出信号的相位，就可确

34、定磁确定磁确定磁确定磁头头的位置。的位置。的位置。的位置。3 3）、磁）、磁）、磁）、磁栅栅位移位移位移位移传传感器感器感器感器55.v一、直流测速发电机v二、光电式速度传感器v三、差动变压器式速度传感器v四、加速度传感器6.2.3 速度、加速度速度、加速度传感器感器56.一、直流一、直流测速速发电机机 测速发电机的结构有多种，但原理基本相同。图所示为永磁式测速发电机原理电路图。恒定磁通由定子产生，当转子在磁场中旋转时，电枢绕组中即产生交变的电势，经换向器和电刷转换成正比的直流电势。直流直流测测速速发电发电机在机机在机电电控制系控制系统统中，主要中，主要用作用作测测速和校正元件。在使用中，速和

35、校正元件。在使用中，为为了提高了提高检测检测灵敏度，尽可能把它直接灵敏度，尽可能把它直接连连接到接到电电机机轴轴上。有的上。有的电电机本身就已安装了机本身就已安装了测测速速发电发电机。机。57.二、光二、光二、光二、光电电式速度式速度式速度式速度传传感器感器感器感器 光电脉冲测速原理如下图所示。物体以速度V通过光电池的遮挡板时，光电池输出阶跃电压信号，经微分电路形成两个脉冲输出，测出两脉冲之间的时间间隔t，则可测得速度为58.二、光二、光二、光二、光电电式速度式速度式速度式速度传传感器感器感器感器 光电式转速传感器是由装在被测轴（或与被测轴相连接的输入轴）上的带缝圆盘、光源、光电器件和指示缝隙

36、圆盘组成，如下图所示。光源发出的光通过缝隙圆盘和指示缝隙盘照射到光电器件上，当缝隙圆盘随被测轴转动时，圆盘每转一周，光电器件输出与圆盘缝隙数相等的电脉冲，根据测量时间t内的脉冲数N，则可测得转速为59.三、差三、差三、差三、差动变压动变压器式速度器式速度器式速度器式速度传传感器感器感器感器 差动变压器式除了可测量位移外，还可测量速度。其工作原理如下图所示。差动变压器式的原边线圈同时供以直流和交流电流，即60.三、差三、差三、差三、差动变压动变压器式速度器式速度器式速度器式速度传传感器感器感器感器 当差动变压器以被测速度V=dx/dt移动时，在其副边两个线圈中产生感应电势，将它们的差值通过低通滤

37、波器滤除励磁高频角频率后，则可得到与速度v（m/s）相对应的电压输出，即 差动变压器漂移小，其主要性能为：测量范围102000mm/s（可调），输出电压10V（max），输出电流10mA（max），频带宽度500Hz。61.四、加速度四、加速度四、加速度四、加速度传传感器感器感器感器v 作为加速度检测元件的加速度传感器有多种形式，它们的工作原理大多是利用惯性质量受加速度所产生的惯性力而造成的各种物理效应，进一步转化成电量，来间接度量被测加速度。最常用的有应变片式和压电式等。62.四、加速度四、加速度四、加速度四、加速度传传感器感器感器感器 电阻应变式加速度计结构原理如下图所示。它由重块、悬臂梁

38、、应变片和阻尼液体等构成。当有加速度时，重块受力，悬臂梁弯曲，按梁上固定的应变片之变形便可测出力的大小，在已知质量的情况下即可计算出被测加速度。壳体内灌满的粘性液体作为阻尼之用。这一系统的固有频率可以做得很低。63.四、加速度四、加速度四、加速度四、加速度传传感器感器感器感器 压电加速度传感器结构原理如右图所示。使用时，传感器固定在被测物体上，感受该物体的振动，惯性质量块产生惯性力，使压电元件产生变形。压电元件产生的的变变形和由此形和由此产产生的生的电电荷与加速度成正比。荷与加速度成正比。压电压电加速度加速度传传感器可以做得很小，重量很感器可以做得很小，重量很轻轻，故，故对对被被测测机构的影响

39、就小。机构的影响就小。压电压电加速度加速度传传感器的感器的频频率范率范围围广、广、动态动态范范围宽围宽、灵敏度高、灵敏度高、应应用用较为较为广泛。广泛。64.四、加速度四、加速度四、加速度四、加速度传传感器感器感器感器 下下图为一种空气阻尼的电容式加速度传感器。该传感器采用差动式结构，有两个固定电极，两极板之间有一用弹簧支撑的质量块，此质量块的两端经过磨平抛光后作为可动极板。当传感器测量垂直方向的振动时，由于质量块的惯性作用，使两固定极相对质量块产生位移，使电容C1、C2中一个增大，另一个减小，它们的差值正比于被测加速度。这种加速度传感器的精度较高，频率响应范围宽，可以测得很高的加速度值。65

40、.电电子子罗盘罗盘，也叫数字，也叫数字罗盘罗盘，是利用地磁是利用地磁场场来定北极来定北极的一种方法。古代称的一种方法。古代称为为罗经罗经，电电子子罗盘现罗盘现代利代利用先用先进进加工工加工工艺艺生生产产的的磁阻磁阻传传感器感器为罗盘为罗盘的数的数字化提供了有力的帮助。字化提供了有力的帮助。现现在一般有用磁阻在一般有用磁阻传传感感器和磁通器和磁通门门加工而成的加工而成的电电子子罗盘罗盘。6.2.4 电子子罗盘及陀螺及陀螺仪66.6.2.4 电子子罗盘及陀螺及陀螺仪电子磁罗盘的原理是利用磁传感器测量地磁场。地球的磁场强度为0.5-0.6 高斯，与地平面平行，永远指向磁北极，磁场大致为双极模式：在北

41、半球，磁场指向下，赤道附近 指向水平，在南半球，磁场指向上。无论何地，地球磁场的方向的水平分量，永远指向磁北极，由此，可以用电子罗盘系统确定方向。电子罗盘有以下几种传感器组合：双轴磁传感器系统：由两个磁传感器垂直安装于同一平面组成，测量时必需持平，适用于手持、低精度设备。三轴磁传感器双轴倾角传感器系统：由三个磁传感器构成X、Y、Z轴磁系统，加上双轴倾角传感器进行倾斜补偿，同时除了测量航向还可以测量系统的俯仰角和横滚角。适合于需要方向和姿态显示的精度要求较高的设备。67.1 三三轴磁阻磁阻传感器感器测量平面地磁量平面地磁场，双，双轴倾角角补偿。2 高速高精度高速高精度A/D转换。3 内置温度内置

42、温度补偿，最大限度减少，最大限度减少倾斜角和指向斜角和指向 角的温度漂移。角的温度漂移。4 内置微内置微处理器理器计算算传感器与磁北感器与磁北夹角。角。5 具有具有简单有效的用有效的用户标校指令。校指令。6 具有指向零点修正功能。具有指向零点修正功能。7 外壳外壳结构防水，无磁构防水，无磁.6.2.4 电子子罗盘及陀螺及陀螺仪电子子罗盘的特点：的特点：68.6.2.4 电子子罗盘及陀螺及陀螺仪 移移动机器人在行机器人在行进的的时候可能会遇到各种地形或候可能会遇到各种地形或者各种障碍。者各种障碍。这时即使机器人的即使机器人的驱动装置采用装置采用闭环控制，也会由于控制，也会由于轮子打滑等原因造成机

43、器人偏离子打滑等原因造成机器人偏离设定的运定的运动轨迹，并且迹，并且这种偏移是旋种偏移是旋转编码器无法器无法测量到的。量到的。这时就必就必须依靠依靠电子子罗盘或者角速率陀螺或者角速率陀螺仪来来测量量这些偏移，并作必要的修正，以保些偏移，并作必要的修正，以保证机器机器人行走的方向不至偏离。人行走的方向不至偏离。另外一方面，商用的另外一方面，商用的电子子罗盘传感器精度通常感器精度通常为0.5度或者更差。而如果机器人运度或者更差。而如果机器人运动距离距离较长，0.5度的航向偏差可能度的航向偏差可能导致机器人运致机器人运动的的线位移偏离位移偏离值不可接受。不可接受。69.6.2.4 电子子罗盘及陀螺及

44、陀螺仪 ADXRS150速率陀螺 ADXL203内部结构 注意：由于人体容易累积高达4000V的静电，虽然ADXRS150ABG本身具有静电保护，但仍有可能被高能量的静电击穿而不被察觉。因此，在使用时应遵守恰当的防静电准则，以避免不必要的损失。1)通常应用：车辆底盘滚转传感，惯性测量单元IMU，平台稳定，无人机控制，弹道测量等2)规格数据：在环境温度 25C,工作电压 5 V,角速率=0/s,带宽=80 Hz(Cout=0.01 F),角速率0/S,1g,下测量。70.6.2.5 GPS全球全球导航系航系统GPS是美国军方研制的卫星导航系统，即“Global Positioning Syste

45、m”全球定位系统的简称。24颗GPS卫星在离地面1万2千公里的高空上，以12小时的周期环绕地球运行，任意时刻在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。71.6.2.5 GPS全球全球导航系航系统 由由卫星的位置精确可知，在星的位置精确可知，在GPS观测中，我中，我们可得到可得到卫星到接收机的距离，利用三星到接收机的距离，利用三维坐坐标中中的距离公式，利用的距离公式，利用3颗卫星，就可以星，就可以组成成3个方程个方程式，解出式，解出观测点的位置点的位置(X,Y,Z)。考。考虑到到卫星的星的时钟与接收机与接收机时钟之之间的的误差，差，实际上有上有4个未个未知数，知数，X、Y、Z和和钟差，因

46、而需要引入第差，因而需要引入第4颗卫星，形成星，形成4个方程式个方程式进行求解，从而得到行求解，从而得到观测点点的坐的坐标和高度。和高度。而而实际上，接收机往往可以上，接收机往往可以锁住住4颗以上的以上的卫星，星，这时，接收机可按，接收机可按卫星的星座分布分成若干星的星座分布分成若干组，每，每组4颗，然后通，然后通过算法挑算法挑选出出误差最小的差最小的一一组用作定位，从而提高精度。用作定位，从而提高精度。72.6.2.5 GPS全球全球导航系航系统 由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差，大气对流层、电离层对信号的影响，以及人为的SA保护政策，使得民用GPS的定位精度只有10米。为提高定位精度，普

47、遍采用差分GPS(DGPS)技术，建立基准站(差分台)进行GPS观测，利用已知的基准站精确坐标，与观测值进行比较，从而得出一修正数，并对外发布。接收机收到该修正数后，与自身的观测值进行比较，消去大部分误差，得到一个比较准确的位置。通常情况下，利用差分GPS可将定位精度提高到米级。但是使用差分GPS需要自行建立基准站，费用较高，通常需要数万至十多万人民币。73.6.2.5 GPS全球全球导航系航系统DGPS的原理如下的原理如下图所示。所示。74.6.2.5 GPS全球全球导航系航系统 GPS卫星的信号强度非常弱。因此GPS接收机需要非常小心地处理天线、馈线等环节，在使用中，太低的天线偏置电压会降

48、低天线的增益，另外同轴电缆、连接器、电路板走线会衰减信号，要保证信号在通过天线、同轴电缆、连接器、电路板，到达RF_IN时有20dB以上的增益；为此，在设计GPS天线和馈线部分时要仔细阅读GPS模块提供的数据手册和应用指南，尤其是PCB（印刷电路版）上的从RF接头到模块RF_IN引脚的一段PCB走线，应按微带线设计（Micro strip），有阻抗匹配的要求。75.6.3 6.3 寻迹迹传感器感器 寻迹传感器意义 寻迹传感器原理 寻迹传感器设计要求 寻迹传感器性能优化 其他寻迹传感器及原理76.6.3.1 6.3.1 寻迹迹传感器意感器意义 随着科学技术的发展，机器人的传感器越来越多，但寻迹传

49、感器成为自动行走和驾驶的重要部件。图图 6.3.16.3.177.6.3.1 6.3.1 寻迹迹传感器意感器意义常用寻迹传感器：图图 6.3.16.3.1光光电寻电寻迹迹传传感器感器电电磁磁寻寻迹迹传传感器感器CCDCCD寻寻迹迹传传感器感器c cb ba a78.6.3.2 6.3.2 寻迹迹传感器原理感器原理一、基于反射光强度图图 6.3.26.3.2 其基本原理是采用光电传感器，根据条带和地面反射信号不同来检测机器人所在的位置。79.6.3.2 6.3.2 寻迹迹传感器原理感器原理二、电阻分压图图 6.3.36.3.3光电接收管阻值负相关与光强。在无光照情况下，反向电阻为；有光照时，反向

50、电阻随光照强度增加而减小，阻值可达几或以下。80.6.3.2 6.3.2 寻迹迹传感器原理感器原理三、常用电路图图 6.3.46.3.4a）当无反射光照射或光照较弱时，电阻为，此时三极管工作在放大区，输出电压很小；而当在反射光照射使电阻下降到几时，三极管工作在截止区，输出电压接近于。81.6.3.2 6.3.2 寻迹迹传感器原理感器原理三、常用电路图图 6.3.56.3.5b）一种使用光电三极管的简单光电传感器电路，它采用带运算放大器的放大电路，稳定性、线性度及增益误差等均比晶体管放大电路好。82.6.3.2 6.3.2 寻迹迹传感器原理感器原理三、常用电路图图 6.3.66.3.6c）一种采