其他传感器简介.ppt

《其他传感器简介.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《其他传感器简介.ppt（60页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、第9章 其他传感器简介,9.1 气体传感器 9.2 湿度传感器 9.3 微波传感器 9.4 图像传感器 9.5 生物传感器 9.6 机器人传感器,9.1 气体传感器,气体传感器又叫气敏传感器，主要用来监测气体中的特定成分，并将其变成相应的电信号输出。气体传感器的应用很广，在日常生活中，有检测饮酒者呼气中的酒精含量的传感器；测量汽车空燃比的氧气传感器；家庭和工厂用的煤气泄漏传感器；火灾之后检测建筑材料发出的有毒气体传感器；坑内沼气警报器等。9.1.1 气体传感器的分类气体传感器可分为半导体气体传感器、固体电解质气体传感器、组合电位型传感器等多种类型，其中最常见的是半导体气体传感器。气体传感器的类

2、型虽然很多，但对它们有以下几个基本要求：对被测气体要有高灵敏度；选择性要好，即对和被测气体共存的其他气体不敏感；能够长期稳定地工作；检测和报警要迅速。,下一页,返回,9.1 气体传感器,9.1.2 半导体气体传感器对于半导体气体传感器，按照半导体与气体的相互作用是在其表面还是在其内部，可分为表面控制型和体控制型两种；按照半导体变化的物理性质，又可分为电阻型和非电阻型两种。电阻型半导体气体传感器是利用半导体接触气体时其阻值的改变来检测气体的成分或浓度；而非电阻型半导体气体传感器则是根据对气体的吸附和反应，使半导体的某些特性发生变化对气体进行直接或间接检测。下面简单介绍电阻型半导体气体传感器的基本

3、 原理。半导体气体传感器是利用气体在半导体表面的氧化还原反应导致敏感元件组织发生变化而制成的。当半导体器件被加热到稳定状态，在气体接触半导体表面而被吸附时，被吸附的分子首先在物体表面自由扩散，失去运动能量，一部分分子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解吸附在物体表面。当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力，则吸附分子将从器件夺走电子而变成负离子吸附，半导体表面呈现电荷层。,上一页,下一页,返回,9.1 气体传感器,例如氧气，等具有负离子吸附倾向的气体被称为氧化型气体。如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子将向器件释放出电子，而形成正离子吸附。具有正离子吸附倾向的气体有氢气、一氧化碳等，

4、它们被称为还原性气体。当氧化型气体吸附到N型半导体，还原性气体吸附到P型半导体上时，将使半导体载流子减少，而使电阻增大。当还原型气体吸附到N型半导体上，氧化型气体吸附到P型半导体上时，则载流子增多，半导体阻值下降。非电阻型气体传感器也是半导体气体传感器之一。它是利用MOS二极管的电容-电压特性的变化以及MOS场效应晶体管的阈值电压变化等特性而制成的气体传感器。由于这类传感器的制造工艺成熟，便于器件集成化，因而其性能稳定价格便宜。利用特定材料还可以使传感器对某些气体特别敏感。,上一页,返回,9.2 湿度传感器,湿度传感器是用于感受大气湿度并转换成适当电信号输出的传感器。9.2.1 湿度传感器的分

5、类常见的湿度传感器主要有两大类，一类是水分子亲和力型湿度传感器；另一大类是非水分子亲和力型湿度传感器。具体分类如表9-1所示。9.2.2 水分子亲和力型湿度传感器1.氯化锂湿度传感器氯化锂湿度传感器是电解质湿度传感器的代表。它是利用电阻值随环境相对湿度变化而变化的机理制成的。氯化锂湿度传感器的结构是在条状绝缘基片的两面，用化学沉积或真空蒸镀法做上电极，再浸渍一定比例配置的氯化锂-聚乙烯醇混合溶液，经老化处理，便制成了氯化锂湿度传感器，其结构如图9-1所示。,下一页,返回,9.2 湿度传感器,氯化锂湿度传感器的优点是检测滞后小，不受测试环境风速影响，检测精度高。缺点是耐热性差，不能用于露点以下测

6、量。若用作露点检测，氯化锂湿度传感器必须3个月左右清洗一次和涂敷(浸渍)氯化锂，故维护麻烦。2.半导体陶瓷湿度传感器半导体陶瓷湿度传感器通常用两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结成多孔陶瓷，ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系、Fe3O4等。前三种材料的电阻率随湿度增加而下降，故称为负特性湿度半导瓷；最后一种的电阻率随湿度增加而增大，故称为正特性湿度半导瓷。3.高分子电容式湿度传感器高分子电容式湿度传感器是利用湿度元件的电容值随湿度变化的原理进行湿度测量的。具有感湿的高分子聚合物，例如，乙酸-丁酸纤维素和乙酸-丙酸纤维素等，做成薄膜，它们具

7、有迅速吸湿和脱湿的能力。,上一页,下一页,返回,9.2 湿度传感器,薄膜覆盖在叉指形金电极上(下电极)，然后在感湿薄膜表面上再蒸镀一层多孔金属膜(上电极)，如此就构成一个平行板电容器。结构如图9-2所示。当环境中的水分子沿着上电极的毛细微孔进入感湿膜而被吸附时，湿度元件的电容值与相对湿度之间具有正比关系。4.石英振动式湿度传感器在石英晶片的表面涂敷聚胺酯高分子膜，当膜吸湿时，由于膜的重量发生变化而使石英晶片振荡频率发生变化，不同的频率就代表不同的湿度。,上一页,下一页,返回,9.2 湿度传感器,9.2.3 非水分子亲和力型湿度传感器水分子亲和力型湿度传感器，因为响应速度低，可靠性差，不能很好地

8、满足人们使用的要求。随着其他技术的发展，现在人们正在开发非水分子亲和力型的湿度传感器。例如，利用微波在含水蒸气的空气中传播，水蒸气吸收微波使其产生一定损耗而制成的微波型湿度传感器；利用水蒸气能吸收特定波长的红外线这一现象构成的红外湿度传感器等。它们都能克服水分子亲和力型湿度传感器的缺点。因此，开发非水分子亲和力型湿度传感器是湿度传感器重要的研究方向。,上一页,返回,9.3 微波传感器,9.3.1 微波的基本知识微波是波长很短(1m1mm)、频率很高300MHz300GHz的电磁波，既具有电磁波的性质，又不同于普通的无线电波和光波。微波具有以下特点：遇到各种障碍物易于反射；绕射能力差；传输特性良

9、好，传输过程中受烟、灰尘、强光等的影响很小；介质对微波的吸收与介质的介电常数成比例，水对微波的吸收作用最强。9.3.2 微波传感器的结构和工作原理微波振荡器和微波天线是微波传感器的重要组成部分。微波振荡器是产生微波的装置。由于微波波长很短，频率很高，要求振荡回路非常小的电感和电容，因此，不能用普通晶体管构成微波振荡器。构成微波振荡器的器件有速调管、磁控管或某些固体元件。小型微波振荡器也可以采用场效应管。,下一页,返回,9.3 微波传感器,由微波振荡器产生的振荡信号需要用波导管波长在10cm以上可用同轴线传输，并通过天线发射出去，为了使发射的微波信号具有一致的方向性，天线应具有特殊的结构和形状。

10、常用的天线有喇叭形天线和抛物面天线等。图9-3示出了几种形式的微波开线。由发射天线发出的微波，遇到被测物体时将被吸收或反射，使其功率发生变化。若利用接收天线接收透过被测物或由被测物反射回来的微波，并将它转换成电信号，再由测量电路处理，就实现了微波检测。9.3.3 微波传感器的分类微波传感器可分为反射式和遮断式两种。1.反射式传感器这种传感器通过检测被测物反射回来的微波功率或经过时间间隔来表达被测物的位置、厚度等参数。,上一页,下一页,返回,9.3 微波传感器,2.遮断式传感器这种传感器通过检测接收天线接收到的微波功率的大小，来判断发射天线与接收天线间有无被测物或被测物的位置等。9.3.4 微波

11、传感器的应用1.微波液位计图9-4所示为微波液位检测示意图，相距为S的发射天线和接收天线间构成一定的角度。波长为l的微波从被测液位反射后进入接收天线。接收天线接收到的功率将随被测液面的高低不同而异。接收天线接收的功率Pr，可表示为(9-1)式中 d两天线与被测液面间的垂直距离；Pi、Gi发射天线发射的功率和增益；,上一页,下一页,返回,9.3 微波传感器,Gr接收天线的增益。当发射功率、波长、增益均恒定时，只要测得接收功率Pr，就可获得被测液面的高度d。2.微波物位计图9-5所示为微波开关式物位计示意图。当被测物位较低时，发射天线发出的微波束全部由接收天线接收，经放大器、比较器后发出正常工作信

12、号。当被测物位升高到天线所在的高度时，微波束部分被吸收，部分被反射，接收天线接收到的功率相应减弱，经放大器、比较器就可给出被测物位高出设定物位的信号。当被测物低于设定物位时，接收天线接收到的功率P0为(9-2)被测物位升高到天线所在高度时，接收天线接收的功率Pr为,上一页,下一页,返回,9.3 微波传感器,(9-3)式中 由被测物形状、材料性质、电磁性能及高度所决定的系数。3.微波湿度(水份)传感器水分子是极性分子，常态下成偶极子形式杂乱无章地分布在物质中。在外电场作用下，偶极子会形成定向排列。当微波场中有水分子时，偶极子受场的作用而反复取向，不断从电场中得到能量储能，又不断释放能量放能，前者

13、表现为微波信号的相移，后者表现为微波的衰减。这种特性可用水分子自身的介电常数来表征，即(9-4)式中 储能的度量；衰减的度量；常数。与不仅与材料有关，还与测试信号频率有关，所有极性分子均有此特性，一般干燥的物体，如木材、皮革、谷物、纸张、塑料等，其在15范围内，而水的则高达64。因此，如果材料中含有少量水分时，其将显著上升。也有类似性质。,上一页,下一页,返回,9.3 微波传感器,图9-6所示 是测量酒精含水量的仪器框图，其中MS产生的微波功率经分功器分成二路，再经衰减器A1、A2分别注入到两个完全相同的转换器T1、T2中。其中T1放置无水酒精，T2放置被测酒精样品。相位与衰减测定仪PT、AT

14、分别反复接通两路T1、T2输出，自动记录和显示它们之间的相位差与衰减差，从而确定出样品酒精的含水量。对于颗粒状物料，由于其形状各异、装料不匀因素影响，测量含水量时，对微波传感器要求较高。4.微波测厚仪微波测厚度原理如图9-7所示。这种测厚仪是利用微波在传播过程中遇到被测物金属表面被反射，且反射波的波长与速度都不变的特性进行测厚的。,上一页,下一页,返回,9.3 微波传感器,如图9-7所示，在被测金属物体上下两表面各安装一个终端器。微波信号源发出的微波，经过环行器A、上传输波导管传输到被测物上表面上，微波在被测物上表面全反射后又回到上终端器，再经过传输波导管、环形器A、下传输波导管传送到下终端器

15、。由下终端器发射到被测物下表面的微波，经全反射后又回到下终端器，再经过传输波导管回到环形路A。因此，被测物体的厚度与微波传输过程中的行程有密切关系，当被测物体厚度增加时，微波的行程就减小。一般情况下，微波传输的行程变化非常微小。为了精确测量出这一微小变化，通常采用微波自动平衡电桥法。前述微波传输行程作为测量臂，而完全模拟测量臂微波行程设置一参考臂(图9-7右部)。若测量臂与参考臂行程完全相同则反相叠加的微波经过检波器C检波后，输出为零；若两臂行程不同，则两路微波叠加后不能相互抵消，经检波后便有不平衡信号输出，此不平衡差值信号经放大后控制可逆电机旋转，带动补偿短路器产生位移，改变补偿短路器的长度

16、，直到两臂行程完全相同、放大器输出为零，可逆电机停止转动为止。,上一页,下一页,返回,9.3 微波传感器,补偿短路器的位移与被测物厚度增加量之间的关系为S=B(A A)=B(Ah)=h(9-5)式中 A电桥平衡时测量臂行程长度；B电桥平衡时参考臂行程长度；A被测物厚度变化h后引起测量臂行程变化值；h被测物厚度变化值；S补偿短路器位移值。由上式可知，补偿短路器位移值S即为被测物厚度变化值h。,上一页,返回,9.4 图像传感器,机械量测量中有关形状和尺寸的信息以图像方式表达最为方便，目前较实用的图像传感器是用电荷耦合器件构成的，简称CCD(Charge-Coupled-Device)。它分为一维的

17、和两维的，前者用于位移、尺寸的检测，后者用于平面图形、文字的传递。CCD器件具有集成度高、分辨率高、固体化、低功耗及自扫描能力等一系列优点，已广泛应用于工业检测、电视摄像、高空摄像及人工智能等领域。9.4.1 感光原理图像是由像素组成行，由行组成帧。对于黑白图像来说，每个像素应根据光的强弱得到不同大小的电信号，并且在光照停止之后仍能把电信号的大小保持记忆，直到把信息传送出去，这样才能构成图像传感器。所以CCD图像传感器主要由光电转换和电荷读出转移两部分组成，光电转换的功能是把入射光转变成电荷，按像素组成电荷包存储在光敏元件之中，电荷的电量反映该像素元的光线的强弱，电荷是通过一段时间一场积累起来

18、的。,下一页,返回,9.4 图像传感器,CCD器件是MOS金属氧化物半导体电容构成的MOS电容光敏元件，能实现像素的光电转换。在P型硅衬底上通过氧化形成一层SiO2，然后再淀积小面积的金属铝作为电极(称栅极)，其结构虽是金属氧化物半导体，但没有扩散源极和漏极，如图9-8所示。P型硅里的多数载流子是空穴，少数载流子是电子。当金属电极上施加正电压超过金属电极与衬底间的开启电压时，其电场能够透过SiO2绝缘层对这些载流子进行排斥或吸引，于是空穴被排斥到远离电极处，电子被吸引到紧靠SiO2层的表面上来。由于没有源极向衬底提供空穴，在电极下形成一个P型耗尽区，这对带负电的电子而言是一个势能很低的区域陷阱

19、，电子一旦进入就不能复出，故又称为电子势阱。当器件受到光照射(光可从各电极的缝隙间经过SiO2层射入，或经衬底的薄P型硅射入)，光子的能量被半导体吸收，由于内光电效应产生电子-空穴对，这时出现的电子被吸引存储在势阱中。,上一页,下一页,返回,9.4 图像传感器,光越强，势阱中收集的电子越多；光弱则反之。这样就把光的强弱变成电荷的数量多少，实现了光电转换。而势阱中的电子是被存储状态，即使停止光照，一定时间内也不会损失，这就实现了对光照的记忆。总之，上述结构实质上是一个微小的MOS电容，用它构成像素，既可感光又可留下潜影，感光作用是靠光强产生的电子积累电荷，潜影是各个像素留在各个电容里的电荷不等而

20、形成的，若能设法把各个电容器里的电荷依次传送到他处，再组成行和帧并经过显影，就实现了图像的传递。9.4.2 转移原理由于组成一帧图像的像素总数太多，只能用串行方式依次传送，在常规的摄像管里是靠电子束扫描的方式工作的，在CCD器件里也需要用扫描实现各像素信息的串行化。,上一页,下一页,返回,9.4 图像传感器,不过CCD器件并不需要复杂的扫描装置，只需外加如图9-9(a)所示的多相脉冲转移电压依次对并列的各个电极施加电压就能办到。图中1、2、3是相位依次相差120的三个脉冲源，其波形都是前沿陡峭后沿倾斜。若按时刻t1t5分别分析其作用，可结合图9-9(b)讨论工作原理。在排成直线的一维CCD器件

21、里，电极19分别接在三相脉冲源上。将电极13视为一个像素，在1为正的t1时刻里受到光照，于是电极1之下出现势阱，并收集到负电荷电子。同时，电极4和7之下也出现势阱，但因光强不同，所收集到的电荷不等。在时刻t2，电压1已下降，然而2电压最高，所以电极2、5、8下方的势阱最深，原先储存在电极1、4、7下方的电荷部分转移到2、5、8下方。到时刻t5，上述电荷已全部向右转移一步。如此类推，到时刻t5已依次转移到电极3、6、9下方。二维CCD则有多行。,上一页,下一页,返回,9.4 图像传感器,在每一行的末端，设置有接收电荷并加以放大的器件，如图9-10所示，此器件所接收的顺序当然是先接收距离最近的右方

22、像素，依次到来的是左方像素，直到整个一行的各像素都传送完。如果只是一维的，就可以再进行光照，重新传送新的信息；如果是二维的，就开始传送第二行，直至一帧图像信息传完，才可再进行光照。事实上，同一个CCD器件既可以按并行方式同时感光形成电荷潜影，又可以按串行方式依次转移电荷完成传送任务。但是，分时使用同一个CCD器件时，在转移电荷期间就不应再受光照，以免因多次感光破坏原有图像，这就必须用快门控制感光时刻。而且感光时不能转移，转移时不能感光，工作速度受到限制。现在通用的办法是把两个任务由两套CCD完成，感光用的CCD有窗口，转移用的CCD是被遮蔽的，感光完成后把电荷并行转移注入到专供传送的CCD里串

23、行送出，这样就不必用快门了，而且感光时间可以加长，传送速度也更快。,上一页,下一页,返回,9.4 图像传感器,由此可见，通常所说的扫描已在依次传送过程中体现，全部都由固态化的CCD器件完成。工业生产过程监视及检测用的图像有时不必要求灰度层次，只需对比强烈的黑白图形，这时应借助参比电压将CCD的输出信号二值化。检测外形轮廓和尺寸时常常如此。目前市售的CCD器件，一维的有512、1024、2048位，每个单元的距离有15m、254m、28m等，二维的有256320、512340乃至23041728像素等。,上一页,返回,9.5 生物传感器,1.生物传感器的工作原理生物传感器是利用各种生物或生物物质

24、做成用来检测与识别生物体内的化学成分的传感器。生物或生物物质主要是指各种酶、微生物、抗体等。其基本工作原理如图9-11所示，它由生物敏感膜和变换器构成。被测物质经扩散作用进入生物敏感膜层，经分子识别，产生生物学反应(物理、化学变化)，产生物理、化学现象或产生新的化学物质，使相应的变换器将其转换成可测量和可传输、处理的电信号。2.生物传感器的分类根据所用生物活体物质的不同可以把生物传感器分为下列五类：酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞器传感器、免疫传感器。,下一页,返回,9.5 生物传感器,根据所用变换器器件的不同可以把生物传感器分为下列五类：生物电极传感器、光生物传感器、热生物传感器、半

25、导体生物传感器、压电晶体生物传感器。3.生物传感器的特点根据生物反应的奇异和多样性，从理论上讲可以制造出检测所有生物物质的各类生物传感器。生物传感器是在无试剂条件下工作的，比传统的生物学和化学分析方法操作简便、快捷，准确度高。可以连续测量，并能联机操作直接显示出测量结果。4.酶传感器,上一页,下一页,返回,9.5 生物传感器,酶传感器是由酶敏感膜和电化学器件构成的。由于酶是蛋白质组成的生物催化剂，能催化许多生物化学反应。生物细胞的复杂代谢就是由成千上万个不同的酶控制的。酶的催化效率极高，而且具有高度专一性，即只能对特定待测生物量(底物)进行选择催化，并且具有化学放大作用。因此，利用的酶的特性可

26、以制造出高灵敏度、选择性好的传感器。根据输出信号不同，酶传感器可分为电流型和电位型两种。其中，电流型是由与酶催化反应有关物质电极反应所得到的电流来确定反应物的浓度。而电位型是通过电化学传感器测量敏感膜电位来确定与催化反应有关的各种物质浓度。5.微生物传感器用微生物作为分子识别元件制成的传感器称为微生物传感器。与酶相比，微生物更经济，耐久性也好。,上一页,下一页,返回,9.5 生物传感器,微生物本身就是具有生命活性的细胞，有各种生理机能。其主要机能是呼吸机能(氧气的消耗)和新陈代谢机能(物质的合成与分解)，还有菌体内的复合酶、能量再生系统等。因此在不损坏微生物机能的情况下，可将微生物用固定化技术

27、固定在载体上就可以制作出微生物敏感膜。而采用的载体，一般是多孔酶酸纤维膜和胶原膜。微生物传感器从工作原理上可分为呼吸机能型和代谢机能型。6.免疫传感器免疫传感器的基本原理是免疫反应。利用抗体能识别抗原与抗原结合的功能的生物传感器称为免疫传感器。它利用固定化抗体(或抗原)膜与相应的抗原(或抗体)的特异反应。此反应的结果使生物敏感膜的电位发生变化，从而产生电信号。,上一页,返回,9.6 机器人传感器,机器人是计算机控制的、能模拟人的感觉、手工操作和具有自动行走能力的并可以完成一定工作的装置。感知系统是机器人能够实现自主化的必须部分，感知系统离不开各种各样的传感器，根据传感器在机器人中的作用，机器人

28、传感器分为内部传感器和外部传 感器。9.6.1 内部传感器1.概述在有关工业机器人功能的术语中，“内部”测量功能定义为测量机器人自身状态的功能，所谓内部传感器，就是实现该功能的元件，具体检测的对象有关节的线位移、角位移等几何量，速度、角速度、加速度等运动量，还有倾斜角、方位角、振动等物理量，对各种传感器要求精度高、响应速度快、测量范围宽。内部传感器中，位置传感器和速度传感器是当今机器人反馈控制中不可缺少的元件。现已有多种传感器大量生产，但倾斜角传感器、方位角传感器及振动传感器等用作机器人内部传感器的时间不长，其性能尚需进一步改进。,下一页,返回,9.6 机器人传感器,2.内部传感器按功能分类(

29、1)规定位置、规定角度的检测检测预先规定的位置或角度，可以用ON/OFF两个状态值，这种方法用于检测机器人的起始原点、越限位置或确定位置。微型开关：规定的位移或力作用到微型开关的可动部分(称为执行器)时，开关的电气触点断开或接通。限位开关通常装在盒里，以防外力的作用和水、油、尘埃的侵蚀。光电开关：光电开关是由LED光源和光敏二极管或光敏晶体管等光敏元件组成，相隔一定距离而构成的透光式开关。当光由基准位置的遮光片通过光源和光敏元件的缝隙时，光射不到光敏元件上，而起到开关的作用。(2)位置、角度测量测量机器人关节线位移和角位移的传感器是机器人位置反馈控制中必不可少的元件。,上一页,下一页,返回,9

30、.6 机器人传感器,电位器电位器可作为直线位移和角位移检测元件，其结构形式如图9-12所示。为了保证电位器的线性输出，应保证等效负载电阻远远大于电位器总电阻。电位器式传感器结构简单，性能稳定，使用方便，但分辨率不高，且当电刷和电阻之间接触面磨损或有尘埃附着时会产生噪声。旋转变压器。旋转变压器由铁心、两个定子线圈和两个转子线圈组成，是测量旋转角度的传感器。定子和转子由硅钢片和坡莫合金叠层制成，如图9-13所示。在各定子线圈加上交流电压，转子线圈中由于交链磁通的变化产生感应电压。感应电压和励磁电压之间相关联的耦合系数随转子的转角而改变。因此，根据测得的输出电压，就可以知道转子转角的大小。可以认为，

31、旋转变压器是由随转角而改变且耦合系数为Ksin 或Kcos 的两个变压器构成的。,上一页,下一页,返回,9.6 机器人传感器,定子上两个绕组的励磁电压为Es1=Ecost,Es2=Esint转子两个绕组输出电压为Er1=K(Es cos-Es2sin)=KEcos(t+)Er2=K(Es2cos-Es2sin)=KEsin(t+)可见，转子绕组输出电压幅值与励磁电压的幅值成正比，对励磁电压的相位移等于转子的转动角度，检测出相位，即可测出角位移。可见，转子绕组输出电压幅值与励磁电压的幅值成正比，对励磁电压的相位移等于转子的转动角度，检测出相位，即可测出角位移。,上一页,下一页,返回,9.6 机器

32、人传感器,编码器。编码器输出表示位移增量的编码器脉冲信号，并带有符号。根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度方法及信号输出形式，分为增量式编码器和绝对式编码器。作为机器人位移传感器，光电编码器应用最为广泛。光电编码器的工作原理如图9-14所示，在圆盘上有规则地刻有透光和不透光的线条，在圆盘两侧，安放发光元件和光敏元件。当圆盘旋转时，光敏元件接收的光通量随透光线条同步变化，光敏元件输出波形经过整形后变为脉冲，码盘上有之相标志，每转一圈输出一个脉冲。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90的两路脉冲信号。,上一页,下一页,返回,9.6 机器人传感器,绝对式编码器与

33、增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。磁编码器在强磁性材料表面上记录等间隔的磁化刻度标尺，标尺旁边相对放置磁阻效应元件或霍尔元件，即能检测出磁通的变化。与光电编码器相比，磁编码器的刻度间隔大，但它具有耐油污、抗冲击等特点。人们期待着磁编码器和高分辨率的光电编码器能尽早地用作机器人的内传感器。(3)速度、角速度测量速度、角速度测量是驱动器反馈控制中必不可少的环节，有时也利用测位移传感器测量速度及检测单位采样时间位移量，然后用F/V转换器变成模拟电压，但这种方法有其局限性，在

34、低速时，存在着不稳定的危险；而高速时，只能获得较低的测量精度。,上一页,下一页,返回,9.6 机器人传感器,最通用的速度、角速度传感器是测速发电机或成为转速表的传感器、比率发电机。恒定磁场中的线圈发生位移，线圈两端的感应电压E与线圈内交链磁通的变化率成正比，输出电压为：E=-d/dt根据这个原理，测量角速度的测速发电机，可按其构造分为直流测速发电机、交流测速发电机和感应式交流测速发电机。(4)加速度测量随着机器人的高速比、高精度化，由机械运动部分刚性不足所引起的振动问题开始提到日程上来了。为了解决振动问题，有时在机器人的运动手臂等位置安装加速度传感器，测量振动加速度，并把它反馈到驱动器上。加速

35、度传感器分为以下几件。应变片加速度传感器。应变片加速度传感器是由一个板簧支承重锤所构成的振动系统。在板簧两面分别贴两个应变片，应变片受振动产生应变，其电阻值的变化通过电桥电路的输出电压被检测出来。,上一页,下一页,返回,9.6 机器人传感器,伺服加速度传感器。伺服加速度传感器中振动系统重锤位移变换成成正比的电流，把电流反馈到恒定磁场中的线圈，使重锤返回到原来的零位移状态。由F=ma=ki，根据检测的电流可以求出加速度。压电感应加速度传感器。压电感应加速度传感器是利用具有压电效应的物质，将加速度转换为电压，即U=Q/ACP=dijF/CP(9-6)a=UCP/dijFm(9-7)式中 CP压电元

36、件电容；dij压电常数；U电压；m质量。(5)其他内部传感器,上一页,下一页,返回,9.6 机器人传感器,除以上介绍的常用内部传感器外，还有一些根据机器人不同要求而安装的不同功能的内部传感器，如用于倾斜角测量的液体式倾斜角传感器、电解液式倾斜角传感器、垂直振子式倾斜角传感器，用于方位角测量的陀螺仪和地磁传感器。这些传感器有待于进一步完善，更好地用于机器人上。9.6.2 外部传感器1.概述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

37、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作出更大贡献。,上一页,下一页,返回,9.6 机器人传感器,2.外部传感器按功能分类(1)触觉传感器触觉是接触、冲击、压迫等机械刺激感觉的综合，触觉可以用来进行机器人抓取，利用触觉可进一步感知物体的形状、软硬等物理性质。对机器人触觉的研究，只能集中于扩展机器人能力所必需的触觉功能，一般把检测感知和外部直接接触而产生的接触觉、压力、触觉及接近触觉的传感器称为机器人触觉传感器。接触觉。接触觉是通过与对象物体彼此接触而产生的，所以最好使用手指表面高密度分布触觉传感器阵列，它柔软易于变形

38、，可增大接触面积，并且有一定的强度，便于抓握。接触觉传感器可检测机器人是否接触目标或环境，用于寻找物体或感知碰撞。机械式传感器：利用触点的接触断开获取信息，通常采用微动开关来识别(物体的二维轮廓，由于结构关系无法高密度列阵。,上一页,下一页,返回,9.6 机器人传感器,弹性式传感器：这类传感器都由弹性元件、导电触点和绝缘体构成。如采用导电性石墨化碳纤维、氨基甲酸乙酯泡沫、印制电路板和金属触点构成的传感器，碳纤维被压后与金属触点接触，开关导通。也可由弹性海绵、导电橡胶和金属触点构成，导电橡胶受压后，海绵变形，导电橡胶和金属触点接触，开关导通。也可由金属和铰青铜构成，被绝缘体覆盖的青铜箔片被压后与

39、金属接触，触点闭合。光纤传感器：这种传感器包括由一束光纤构成的光缆和一个可变形的反射表面。光通过光纤束投射到可变形的反射材料上，反射光按相反方向通过光纤束返回。如果反射表面是平的，则通过每条光纤所返回的光的强度是相同的。如果反射表面因与物体接触受力而变形，则反射的光强度不同。用高速光扫描技术进行处理，即可得到反射表面的受力情况。接近觉。接近觉是一种粗略的距离感觉，接近觉传感器的主要作用是在接触对象之前获得必要的信息，用来探测在一定距离范围内是否有物体接近、物体的接近距离和对象的表面形状及倾斜等状态，一般用1和0两种态表示。,上一页,下一页,返回,9.6 机器人传感器,以光学接近传感器为例，其结

40、构如图9-15所示。由发光二极管和光敏晶体管组成。发光二极管发出的光经过反射被光敏晶体管接收，接收到的光强和传感器与目标的距离有关，输出信号Uout是距离x的函数：Uout=f(x)。红外信号被调制成某一特定频率，可大大提高信噪比。在机器人中，主要用于对物体的抓取和躲避。接近觉一般用非接触式测量元件，如霍尔效应传感器、电磁式接近开关和光学接近传感器。滑觉。机器人在抓取不知属性的物体时，其自身应能确定最佳握紧力的给定值。当握紧力不够时，要检测被握紧物体的滑动，利用该检测信号，在不损害物体的前提下，考虑最可靠的夹持方法，实现此功能的传感器称为滑觉传感器。,上一页,下一页,返回,9.6 机器人传感器

41、,滑觉传感器有滚动式和球式，还有一种通过振动检测滑觉的传感器。物体在传感器表面上滑动时，和滚轮或环相接触，把滑动变成转动。如图9-16所示，在滑轮式滑觉传感器中，滑动物体引起滚轮滚动，用磁铁和静止的磁头，或光传感器进行检测，这种传感器只能检测到一个方向的滑动。球式传感器用球代替滚轮，可以检测各个方向的滑动，振动式滑觉传感器表面伸出的触针能和物体接触，物体滚动时，触针与物体接触而产生振动，这个振动由压点传感器或磁场线圈结构的微小位移计检测。,上一页,下一页,返回,9.6 机器人传感器,(2)力觉传感器力觉是指对机器人的指、肢和关节等运动中所受力的感知，主要包括腕力觉、关节力觉和支座力觉等，根据被

42、测对象的负载，可以把力传感器分为测力传感器(单轴力传感器)、力矩表(单轴力矩传感器)、手指传感器(检测机器人手指作用力的超小型单轴力传感器)和六轴力觉传感器。力觉传感器根据力的检测方式不同，可以分为：检测应变或应力的应变片式；利用压电效应的压电元件式；用位移计测量负载产生的位移的差动变压器、电容位移计式，其中应变片被机器人广泛采用。在选用力传感器时，首先要特别注意额定值，其次在机器人通常的力控制中，力的精度意义不大，重要的是分辨率。另外，在机器人上实际安装使用力觉传感器时，一定要事先检查操作区域，清除障碍物。这对实验者的人身安全、对保证机器人及外围设备不受损害有重要意义。,上一页,下一页,返回

43、,9.6 机器人传感器,(3)距离传感器距离传感器可用于机器人导航和回避障碍物，也可用于机器人对空间内的物体进行定位及确定其一般形状特征。目前最常用的测距法有两种。超声波测距法。超声波是频率20kHz以上的机械振动波，利用发射脉冲和接收脉冲的时间间隔推算出距离。超声波测距法的缺点是波束较宽，其分辨力受到严重的限制。因此，主要用于导航和回避障碍物。激光测距法。激光测距法也可以利用回波法，或者利用激光测距仪，其工作原理如下：氦氖激光器固定在基线上，在基线的一端由反射镜将激光点射向被测物体，反射镜固定在电动机轴上，电动机连续旋转，使激光点稳定地对被测目标扫描。由CCD(电荷耦合器件)摄像机接受反射光

44、，采用图像处理的方法检测出激光点图像，并根据位置坐标及摄像机光学特点计算出激光反射角。利用三角测距原理即可算出反射点的位置。,上一页,下一页,返回,9.6 机器人传感器,(4)其他外部传感器除以上介绍的机器人外部传感器外，还可根据机器人特殊用途安装听觉传感器、味觉传感器及电磁波传感器，而这些机器人主要用于科学研究、海洋资源探测或食品分析、救火等特殊用途。这些传感器多数属于开发阶段，有待于更进一步完善，以丰富机器人专用功能。(5)传感器融合系统中使用的传感器种类和数量越来越多，每种传感器都有一定的使用条件和感知范围，并且又能给出环境或对象的部分或整个侧面的信息，为了有效地利用这些传感器信息，需要

45、采用某种形式对传感器信息进行综合、融合处理，不同类型信息的多种形式的处理系统就是传感器融合。,上一页,下一页,返回,9.6 机器人传感器,传感器的融合技术涉及神经网络、知识工程、模糊理论等信息、检测、控制领域的新理论和新方法。目前，要使多传感器信息融合体系化尚有困难，而且缺乏理论依据。多传感器信息融合的理想目标应是人类的感觉、识别、控制体系，但由于对后者尚无一个明确的工程学的阐述。所以，机器人传感器融合体系要具备什么样的功能尚是一个模糊的概念。相信随着机器人智能水平的提高，多传感器信息融合理论和技术将会逐步完善和系统化。,上一页,返回,表9-1 湿度传感器分类表,返回,图9-1 氯化锂温度传感

46、器,返回,图9-2 高分子电容式湿度传感器结构图,返回,图9-3 微波天线,返回,图9-4 微波液位计示意图,返回,图9-5 微波开关式物位计示意图,返回,图9-6 酒精含水量测量仪框图,返回,图9-7 微波测厚仪原理图,返回,图9-8 CCD基本结构示意图,返回,图9-9 CCD电荷转换原理,(a)转移电压；(b)转移过程,返回,图9-10 CCD电荷输出电路,返回,图9-11 生物传感器基本工作原理图,返回,图9-12 电位器式传感器型式和电路原理图,(a)直线位移型(b)角位移型(c)电位器式传感器等效电路,返回,图9-13 旋转变压器原理图,返回,图9-14 光电编码器工作原理及输出波形,返回,图9-15 光学接近觉传感器,返回,图9-16 滑轮式滑觉传感器,(a)滑动物体磁力式；(b)光学式,返回,