1、本讲主要内容8.1 距离检测8.1.1 激光雷达8.1.2 毫米波雷达、超声波雷达8.1.3 摄像头（图像视觉）8.2 直线位移检测8.2.1 光栅*8.2.2 感应同步器 8.2.3 磁栅式传感器 8.3 角位移检测 *8.3.1 旋转变压器 8.3.2 光电编码器 8.4 速度、加速度检测 *8.4.1 直流测速发电机 8.4.2 光电式速度传感器 8.4.3 加速度传感器 8.5 力、力矩检测 8.5.1 测力传感器 8.5.2 压力传感器 8.5.3 力矩传感器 *8.5.4 力与力矩复合传感器简述 检测技术是实现高速度、高精度运动控制必不可少的基础技术。运动控制的主要检测对象是距离、
2、位移、速度、加速度（力）、角度、角速度、角加速度等参数。运动控制系统要实现高性能的控制，就必须进行实时监测，以达到满意的运动控制效果。本章的重点是介绍位置、速度、加速度、角度、角速度、角加速度等参数的基本测量方法及其传感器的应用。8.1距离检测 距离是运动系统的一个主要参数，有关距离检测技术方法由:光电检测、激光雷达检测、红外检测与超声检测。本节的应用对象主要是车辆距离检测，面向的应用重点是自动驾驶汽车或者无人驾驶汽车。因此研究对象是摄像头、激光雷达、毫米波雷达、超声波雷达。8.1.1 激光雷达 1、激光雷达的工作原理 激光雷达是一种雷达系统，是一种主动传感器，所形成的数据是点云形式。其工作光
3、谱段在红外到紫外之间，主要发射机、接收机、测量控制和电源组成。工作原理为：首先向被测目标发射一束激光，然后测量反射或散射信号到达发射机的时间、信号强弱程度和频率变化等参数，从而确定被测目标的距离、运动速度以及方位。除此之外，还可以测出大气中肉眼看不到的微粒的动态等情况。激光雷达的作用就是精确测量目标的位置（距离与角度）、形状（大小）及状态（速度、姿态），从而达到探测、识别、跟踪目标的目的。图8-1图中符号说明：Servo motor伺服电机，Objects目标，Optical rotary encoder光学旋转编码器，Laser Source 激光源，Receiver接收器，Tilting
4、mirror转镜 2、激光雷达的现状及应用 激光技术从它的问世到现在，虽然时间不长，但是由于它有：高亮度性、高方向性、高单色性和高相干性等几个极有价值的特点，因而在国防军事、工农业生产、医学卫生和科学研究等方面都有广泛的应用。LiDAR技术在西方国家发展相对成熟，已经投入商业运行的激光雷达系统（主要指机载）主要有Optech（加拿大）、TopSys（法国）和Leica（美国）等公司的产品。3、激光雷达的发展趋势 1）星载激光雷达 2）战场侦察激光雷达 3）测风激光雷达 4）激光雷达寻标器8.1.2 毫米波雷达、超声波雷达 毫米波雷达是指工作在毫米波波段，频率在30300GHz之间的雷达。超声波
5、传感器是利用超声波的特性研制而成的，工作在机械波波段，工作频率在20kHz以上。图8-2 超声检测物理基础8.1.3 摄像头（图像视觉）摄像机（图像传感器）摄像机又称图像传感器，简称摄像头。无人驾驶汽车中配置的视觉传感器主要是工业摄像机，它是最接近于人眼获取周围环境信息的传感器。工业摄像机按照芯片类型可分为CCD摄像机和CMOS摄像机两种。图8-3就是一个摄像头。1、CCD摄像机，由光学镜头、时序及同步信号发生器、垂直驱动器及模拟/数字信号处理电路组成，具有体积小、重量轻、低功耗、无滞后、无灼伤、低电压等特点 2、CMOS摄像机，集光敏元阵列、图像信号放大器、信号读取电路、模数转换电路、图像信
6、号处理器及控制器于一体，具有传输速率高、动态范围宽、局部像素的可编程随机访问等优点，参见图8-3.图8-3 摄像头图8.2 直线位移检测 方法：一：光栅 二：同步感应器 三：磁栅式传感器 8.2.1 光栅 光栅是一种新型的位移检测元件，是将机械位移或模拟量转变为数字脉冲的测量装置。它的特点是测量精度高（可达1 m），响应速度快，量程范围大，可进行非接触测量等。由于光栅易于实现数字测量和自动控制，因此广泛应用于数控机床和精密测量之中。1光栅的结构 在透明的玻璃板上均匀地刻出许多明暗相间的条纹，或在金属镜面上均匀地刻出许多间隔相等的条纹，就形成了光栅。通常，这些条纹的间隙和宽度是相等的。以透光的玻
7、璃为载体的光栅，称为透射光栅；以不透光的金属为载体的光栅，称为反射光栅。根据光栅外形的不同，还可分为直线光栅和圆光栅。光栅的结构如图8-4所示，它主要由标尺光栅、指示光栅、光电器件和光源等组成。通常，标尺光栅和被测物体相连，随被测物体一起做直线位移。一般来说，标尺光栅和指示光栅的刻线密度是相同的，刻线之间的距离称为栅距。光栅条纹密度一般为每毫米25条、50条、100条、250条等。图8-42光栅工作原理 如果把两块栅距W相等的光栅平行安装，并让它们的刻线之间有较小的夹角，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，这种条纹称为莫尔条纹。莫尔条纹沿着与光栅刻线几乎垂直的方向排列，如图8-5所示。光线透
8、过两块光栅非重合部分而形成亮带，亮带由一系列四棱形图案组成，如图8-5(a)中的dd线区所示；f f线区则是由两块光栅的遮光效应形成的。由此可见，标尺光栅和指示光栅的组合产生了莫尔条纹。图8-5(b)是dd线区的放大图，其中菱形的两条对边平行线的距离是W/2，即栅距的一半；菱形长对角线的长度是B，即莫尔条纹的间距。图8-5成像原理 图8-6所示的是一个光栅的测量成像原理图，其中图8-6(a)是四扫描场成像原理图，图8-6(b)是单扫描场成像原理图。需要注意的是，图8-6(b)所示的是结构化之后的莫尔条状结构，其结构简单，相对于四扫描场而言，制作容易。图8-63莫尔条纹的特点 1)莫尔条纹的位移
9、与光栅的移动成比例 当指示光栅不动、标尺光栅左右移动时，莫尔条纹将沿着接近于栅线的方向上下移动。光栅每移过一个栅距W，莫尔条纹就移过一个条纹间距B。查看莫尔条纹的移动方向，即可确定标尺光栅的移动方向。2)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的关系为：(8-1)(8-2)(8-2)4光栅测量的分辨率(8-3)图8-7图8-75光栅测量的模式 图8-8图8-86提高光栅精度的主要办法 提高光栅精度的主要办法是细分，其中电子细分应用较广。电子4倍频细分可在光栅相对移动一个栅距的位移（即电压波形在一个周期内）时，得到4个计数脉冲，从而将分辨率提高4倍。8实际产品实际产品 图8
10、-9所示的是一种直线光栅产品 图8-98.2.2 感应同步器 1感应同步器的定义 2感应同步器的分类 3感应同步器的结构 4感应同步器的工作原理 1感应同步器的定义 感应同步器是利用电磁感应原理把两个平面绕组间的位移转换成电信号的一种位移传感器。2感应同步器的分类 按测量位移的对象不同，感应同步器可分为直线型和圆盘型两类。直线型感应同步器用来检测直线位移，圆盘型感应同步器用来检测角位移。由于感应同步器成本低，受环境温度影响小，测量精度高，并且为非接触测量，所以在位移检测中得到广泛应用，特别是在各种机床的位移数字显示、自动定位和数控系统中。3感应同步器的结构 图8-108-10(a)8-10(b
11、)8-10图8-11 图8-11所示的是直线型感应同步器定尺和滑尺的结构。其制造工艺是先在基板（玻璃或金属）上涂上一层绝缘黏合材料，将铜箔粘牢，用制造印制电路板的腐蚀方法制成节距T为2 mm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（0.050.2 mm）。4感应同步器的工作原理 在滑尺的正弦绕组中，施加频率为f（一般为210 kHz）的交变电流，定尺绕组感应出频率为f的感应电势。感应电势的大小与滑尺和定尺的相对位置有关。当两绕组同向对齐时，滑尺
12、绕组磁通全部耦合于定尺绕组，所以其感应电势为正向最大。移动1/4节距后，两绕组磁通没有耦合，即耦合磁通量为零。当再移动1/4节距、两绕组反向时，感应电势负向最大。依次类推，每移动一节距，周期性地重复变化一次，其感应电势随位置按余弦规律变化，如图8-12(a)所示。图8-12(8-4)(8-5)(8-6)(8-7)根据对滑尺绕组供电方式的不同及对输出电压检测方式的不同，感应同步器的测量方式有相位和幅值两种工作法。前者是通过检测感应电压的相位来测量位移的，后者是通过检测感应电压的幅值来测量位移的。8.2.3 磁栅式传感器 1磁栅式传感器定义与特点 2磁栅式传感器的结构 3磁栅式传感器的工作原理 4
13、测量方式 5磁栅式传感器的应用 1磁栅式传感器定义与特点 磁栅式传感器是利用磁栅与磁头的磁作用进行测量的位移传感器。它是一种新型的数字式传感器，成本较低且便于安装和使用。当需要时，可将原来的磁信号（磁栅）抹去，重新录制。还可以安装在机床上后再录制磁信号，这对于消除安装误差和机床本身的几何误差，以及提高测量精度都是十分有利的。磁栅式传感器可以采用激光定位录磁，而不需要采用感光、腐蚀等工艺，因而精度较高，可达0.01 mm/m，分辨率为15 m。磁栅的优点是磁栅与其他类型的位移传感器相比，具有结构简单、使用方便、动态范围大和磁信号可以重新录制等优点；其缺点是需要屏蔽和防尘。2磁栅式传感器的结构 图
14、8-138-13分类 磁栅按用途可分为长磁栅与圆磁栅两种。长磁栅用于直线位移测量，圆磁栅用于角位移测量。如图8-14所示，磁栅由非导磁性材料基体和磁性膜制造而成。磁头由可饱和铁心、励磁绕组、拾磁绕组组成。其中，励磁绕组由励磁电源供电；拾磁绕组输出测量信号。图8-143磁栅式传感器的工作原理 采用录磁的方法，在一根基体表面涂有磁性膜的尺子上记录下一定波长的磁化信号，以此作为基准刻度标尺，称之为磁栅。磁头把磁栅上的磁信号检测出来并转换成电信号。检测电路主要用来供给磁头励励电压和将磁头检测到的信号转换为脉冲信号输出。如图8-15所示，其中是磁信号节距，磁栅上的信号0如图8-15所示的波形。电源输入信
15、号是正弦波信号I0sin(t/2)，磁栅上信号也是正弦波信号。输出信号e0为E0sin(2/)sin t。图8-15 磁栅是在非导磁材料（如铜、不锈钢、玻璃或其他合金材料）的基体上，涂敷、化学沉积或电镀上一层1020 m厚的硬磁性材料（如Ni-Co-P或Fe-Co合金），并在它的表面上录制相等节距周期变化的磁信号。磁信号的节距一般为0.05 mm、0.1 mm、0.2 mm、1 mm。为了防止磁头对磁性膜的磨损，通常在磁性膜上涂一层12 m的耐磨塑料保护层。磁头是进行磁电转换的变换器，它把反映空间位置的磁信号转换为电信号输送到检测电路中去。普通录音机、磁带机的磁头是速度响应型磁头，其输出电压幅
16、值与磁通变化率成正比，只有当磁头与磁带之间有一定相对速度时才能读取磁化信号，所以这种磁头只能用于动态测量，而不用于位置检测。为了在低速运动和静止时也能进行位置检测，必须采用磁通响应型磁头。(8-8)8-11(8-9)(8-10)图8-16图8-164测量方式 磁栅的测量方式有鉴幅测量方式和鉴相测量方式(8-11)(8-12)(8-13)(8-14)(8-15)(8-15)5磁栅式传感器的应用 图8-17图8-178.3 角位移检测 8.3.1 旋转变压器 8.3.1 旋转变压器 1旋转变压器的定义 2旋转变压器的结构 3旋转变压器的工作原理 4旋转变压器的分类 5旋转变压器的应用 1旋转变压器
17、的定义 旋转变压器是一种利用电磁感应原理将转角变换为电压信号的传感器。由于它结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要求，输出信号大，抗干扰好，因此被广泛应用于机电一体化产品中 2旋转变压器的结构 旋转变压器一般有两极绕组和四极绕组两种结构形式。两极绕组旋转变压器的定子和转子各有一对磁极；四极绕组则各有两对磁极，主要用于高精度的检测系统中。除此之外，还有多极旋转变压器，用于高精度绝对式检测系统中。如图8-18所示，旋转变压器一般做成两极绕组的形式。在定子上有励磁绕组和辅助绕组，它们的轴线互成90。在转子上有两个输出绕组正弦输出绕组和余弦输出绕组，这两个绕组的轴线也互成90，一般将其中一个绕组（如Z1、
18、Z2）短接。3旋转变压器的工作原理 定子绕组D1D2接交流电源励磁，转子绕组Z1Z2接负载ZL。当主轴带动转子转过角时，转子各绕组中产生的感应电压分别为:公式8-16(8-16)图8-184旋转变压器的分类 8-19图8-195旋转变压器的应用 旋转变压器适用于所有使用光电编码器的场合，特别是高温、严寒、潮湿、高速等光电编码器无法正常工作的场合。由于旋转变压器的以上特点，它被广泛应用在伺服控制系统、机器人系统、机械工具、汽车、电力、冶金、纺织、印刷、航空航天、船舶、兵器、电子、冶金、矿山、油田、水利、化工、轻工、建筑等领域的角度或位置检测系统中。8.3.2 光电编码器 光电编码器是一种码盘式角
19、度-数字检测元件。它有两种基本类型：增量式编码器、绝对式编码器。增量式编码器具有结构简单、价格低、精度易于保证等优点，所以目前采用最多。绝对式编码器能直接给出对应于每个转角的数字信息，便于计算机处理，但当进给数大于一转时，必须进行特别处理，而且必须用减速齿轮将两个以上的编码器连接起来，组成多级检测装置，使其结构复杂、成本高。1增量式编码器 图8-208-202绝对式编码器 图8-21图8-21消除非单值性误差，可采用以下方法 图8-22图8-23图8-22图8-238.4 速度、加速度检测 8.4.1 直流测速发电机 8.4.2 光电式速度传感器 8.4.3 加速度传感器 8.4.1 直流测速
20、发电机 直流测速发电机是一种测速元件，它实际上就是一台微型的直流发电机。根据定子磁极励磁方式的不同，直流测速发电机可分为电磁式和永磁式两种。若以电枢的结构不同来分，有无槽电枢、有槽电枢、空心杯电枢和圆盘电枢等。图8-25图8-24图8-24图8-25 直流测速发电机的特点是输出斜率大和线性好，但由于有电刷和换向器，故维护比较复杂，摩擦转矩较大。直流测速发电机在机电控制系统中主要用做测速和校正元件。在使用中，为了提高检测灵敏度，尽可能把它直接连接到电机轴上。有的电机本身就已安装了测速发电机。8.4.2 光电式速度传感器(8-17)8-26(a)8-26(b)(8-17)8-26图8-26图8-2
21、7 光电式转速传感器由装在被测轴（或与被测轴相连接的输入轴）上的带缝圆盘、光源、光电器件和指示缝圆盘组成，如图8-27所示。光源发出的光通过带缝圆盘和指示缝圆盘照射到光电器件上，当带缝圆盘随被测轴转动时，由于圆盘上的缝间距与指示缝的间距相同，因此圆盘每转一周，光电器件输出与圆盘缝数相等的电脉冲，根据测量时间t内的脉冲数N，则可测得转速为(8-18)8.4.3 加速度传感器 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质量受加速度所产生的惯性力而产生的各种物理效应，进一步转化成电量，从而间接度量被测加速度。最常用的有应变片式和压电式等。电阻应变式加速度传感器的结构原理如图
22、8-28所示。它由质量块、悬臂梁、应变片和阻尼液体等构成。当有加速度时，质量块受力，悬臂梁弯曲，根据梁上固定的应变片的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。壳体内灌满的黏性液体作为阻尼之用。这一系统的固有频率可以做得很低。压电加速度传感器的结构原理如图8-26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。压电元件产生的变形和由此产生的电荷与加速度成正比。压电加速度传感器可以做得很小，重量很轻，故对被测机构的影响就小。压电加速度传感器的频率范围广，动态范围宽，灵敏度高，应用较为广泛。图8-28图8-29 图8-30所示的是
23、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片支撑的质量块，此质量块的两端经过磨平抛光后作为可动极板。弹簧片较硬使系统的固有频率较高，因此构成惯性式加速度计的工作状态。当传感器测量垂直方向的振动时，由于质量块的惯性作用，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。由于采用空气阻尼，气体黏度的温度系数比液体小得多，因此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。图8-308.5 力、力矩检测 在机电一体化工程中，力、压力和扭矩是很常用的机械参量。近年来，各种高精度的力和扭
24、矩传感器的出现，更以其惯性小、响应快、易于记录、便于遥控等优点得到了广泛的应用。按其工作原理可分为弹性式、电阻应变式、电感式、电容式、压电式和磁电式等，而电阻应变式传感器应用较为广泛。8.5.1 测力传感器 测力传感器按其量程大小和测量精度的不同而有很多规格品种，它们的主要差别是弹性元件的结构形式不同，以及应变片在弹性元件上粘贴的位置不同。通常，测力传感器的弹性元件有柱式、悬臂梁式等。1柱式弹性元件(8-19)(8-20)8-312悬臂梁式弹性元件 悬臂梁式弹性元件的特点是结构简单，加工方便，应变片粘贴容易，灵敏度较高，主要用于小载荷、高精度的拉（压）力传感器中。可测量0.01牛顿到几千牛顿的
25、拉（压）力。在同一截面正反两面粘贴应变片，并应在该截面中性轴的对称表面上。若梁的自由端有一被测力P，则应变与力P的关系为(8-21)(8-22)图8-31图8-328-328-32(a)8.4.2 压力传感器 压力传感器主要用于测量流体压力，有时也用于测量土壤压力。同样，传感器所用弹性元件有膜式、筒式等。1)膜式压力传感器 它的弹性元件为四周固定的等截面圆形薄板，又称为平膜板或膜片，其一表面承受被测分布压力，另一侧面粘贴有应变片或专用的箔式应变花，并组成电桥，如图8-33所示。(8-23)(8-24)图8-332)筒式压力传感器(8-25)图8-348-34(8-26)3)压阻式压力传感器 图8-358-358.4.3 力矩传感器 图8-368-36图8-36图8-34图8-348.4.4 力与力矩复合传感器 图8-38所示的是机器人十字架式腕力传感器。这是一种用来测量机械手与支座间的作用力，从而推算出机械手施加在工件上力的传感器。图8-388-38(a)8-38(b)图8-39图8-39
