1、机器人控制技术基础机器人控制技术基础第第 7 7 章章7 7 机器人的感觉机器人的感觉Senses of Robotics7.1 7.1 传感器的种类传感器的种类7.2 7.2 触觉信息的获取触觉信息的获取7.3 7.3 视觉信息的获取视觉信息的获取7.4 7.4 距离信息的获取距离信息的获取Senses of Robotics 7.1 7.1 传感器的种类传感器的种类 1.1.传感器的分类传感器的分类 内部传感器：内部传感器：检测机器人本身状态（手臂间角度检测机器人本身状态（手臂间角度等）的传感器。等）的传感器。外部传感器：外部传感器：检测机器人所处环境（是什么物体，检测机器人所处环境（是什
2、么物体，离物体的距离有多远等）及状况（抓取的物体滑落等）离物体的距离有多远等）及状况（抓取的物体滑落等）的传感器。的传感器。外部传感器分为末端执行器传感器和环境传感器。外部传感器分为末端执行器传感器和环境传感器。末端执行器传感器：主要装在作为末端执行器的末端执行器传感器：主要装在作为末端执行器的手上，检测处理精巧作业的感觉信息。相当于触觉。手上，检测处理精巧作业的感觉信息。相当于触觉。环境传感器：用于识别物体和检测物体与机器人环境传感器：用于识别物体和检测物体与机器人的距离。相当于视觉。的距离。相当于视觉。7.1 7.1 传感器的种类传感器的种类 2.2.内部状态的感觉内部状态的感觉 （1 1
3、）位置和角度传感器）位置和角度传感器 典型的传感器是电位计。检测的是以电阻中典型的传感器是电位计。检测的是以电阻中心为基准位置的移动距离。心为基准位置的移动距离。E E：输入电压输入电压 L L：最大移动距离最大移动距离 x x：向：向左端移动的距离左端移动的距离 e e：电阻右侧的输出电压电阻右侧的输出电压Senses of Robotics(2)LeExE 7.1 7.1 传感器的种类传感器的种类 2.2.内部状态的感觉内部状态的感觉 （1 1）位置和角度传感器）位置和角度传感器 另有光电传感器。另有光电传感器。Senses of Robotics 7.1 7.1 传感器的种类传感器的种类
4、 2.内部状态的感觉 (2)角度传感器：回转式编码器。Senses of Robotics 编码器编码器增量式增量式 和和 绝对式测量绝对式测量 在在增量式增量式测量中，测量中，移动部件每移动一个基移动部件每移动一个基本长度单位，位置传感本长度单位，位置传感器便发出一个测量信号，器便发出一个测量信号，此信号通常是脉冲形式。此信号通常是脉冲形式。这样，这样，一个脉冲一个脉冲所代表所代表的基本长度单位就是的基本长度单位就是分分辨力辨力，对脉冲，对脉冲计数计数，便，便可得到位移量。可得到位移量。绝对式绝对式测量的特点是：每一被测点都有一个对应的测量的特点是：每一被测点都有一个对应的编编码码，常以，常
5、以二进制数据二进制数据形式来表示。绝对式测量即使断形式来表示。绝对式测量即使断电之后再重新上电，也能读出当前位置的数据。典型电之后再重新上电，也能读出当前位置的数据。典型的绝对式位置传感器有的绝对式位置传感器有绝对式角编码器绝对式角编码器。增量式测量得到的脉冲波形增量式测量得到的脉冲波形数字式角编码器数字式角编码器 信号航空插头信号航空插头（参考德国沃申道夫公司资料）（参考德国沃申道夫公司资料）其他角编码器外形其他角编码器外形（参考德国图尔克传感与自动化技术专业公司）（参考德国图尔克传感与自动化技术专业公司）其他角编码器外形（续其他角编码器外形（续）拉拉线式线式角编角编码器利用线轮，码器利用线
6、轮，能将直线运动转能将直线运动转换成旋转运动。换成旋转运动。一、绝对式编码一、绝对式编码器器10码道光电绝对式码盘码道光电绝对式码盘 绝对式编码器按照绝对式编码器按照角度直接进行编码，角度直接进行编码，可直接把被测转角用可直接把被测转角用数字代码表示出来。数字代码表示出来。根据内部结构和检测根据内部结构和检测方式有接触式、光电方式有接触式、光电式等形式。式等形式。透光区透光区不透光区不透光区零位标志零位标志绝对式接触式编码器绝对式接触式编码器演示演示4 4个电刷个电刷 4 4位二进制位二进制码盘码盘 +5V +5V输入输入 公共码道公共码道 最小分辨角度为最小分辨角度为 =360/2n 2 2
7、绝对式光电编码器绝对式光电编码器 a a）光电码盘的平面结构（）光电码盘的平面结构（8 8码道）码道）b b）光电码盘与光源、光敏元件的对应关系（）光电码盘与光源、光敏元件的对应关系（4 4码码道）道）高位高位低位低位绝对式光电编码器的分辨力及分辨率绝对式光电编码器的分辨力及分辨率 绝对式光电编码器的测量精度绝对式光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度，而取决于它所能分辨的最小角度，而这与码盘上的码道数这与码盘上的码道数n n 有关，即最有关，即最小能分辨的角度及分辨率为：小能分辨的角度及分辨率为：=360=360/2/2n n分辨率分辨率=1/2=1/2n n增量式光电编码器的分辨力
8、及分辨率增量式光电编码器的分辨力及分辨率 增量式光电编码器的测量精度取增量式光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度，而这与码决于它所能分辨的最小角度，而这与码盘圆周上的狭缝条纹数盘圆周上的狭缝条纹数n n 有关，即最小有关，即最小能分辨的角度及分辨率为：能分辨的角度及分辨率为：360 n1 n分辨率二、增量式编码器转轴转轴盘码及盘码及狭缝狭缝光敏元件光敏元件光栏板及辨向用的光栏板及辨向用的A、B狭缝狭缝LEDABC零位标志零位标志ABC光电编码器的输出波形光电编码器的输出波形 为了判断码盘旋转的方向，在为了判断码盘旋转的方向，在上图的光栏板上的两个狭缝距离是上图的光栏板上的两个狭缝距离
9、是码盘上的两个码盘上的两个狭缝距离的（狭缝距离的（m+1/4）倍，倍，m 为正整数，并设置了两组光为正整数，并设置了两组光敏元件敏元件A、B，有时又称为，有时又称为sin、cos元元件。件。辨向信号和零标志辨向信号和零标志 光电编码器的光栏板上有光电编码器的光栏板上有A组与组与B组两组狭缝，彼此错组两组狭缝，彼此错开开1/4节距，两组狭缝相对应节距，两组狭缝相对应的光敏元件所产生的信号的光敏元件所产生的信号A、B彼此相差彼此相差90 相位，用于辩向。相位，用于辩向。当编码正转时，当编码正转时，A信号超前信号超前B信号信号90；当码盘反转时，；当码盘反转时，B信信号超前号超前A信号信号90。在上
10、一页图的码盘里圈，还有一根在上一页图的码盘里圈，还有一根狭缝狭缝C，每转能产生一个脉冲，该脉冲信号又称每转能产生一个脉冲，该脉冲信号又称“一转信一转信号号”或或零标志脉冲零标志脉冲，作为测量的，作为测量的起始基准起始基准。三、角编码器的应用三、角编码器的应用 角编码器除了能直接测量角位移或间角编码器除了能直接测量角位移或间接测量直线位移外，可用于数字测速、工接测量直线位移外，可用于数字测速、工位编码、位编码、伺服电机控制伺服电机控制等。等。M法测速（适合于高转速场合）法测速（适合于高转速场合）T 编码器每转产生编码器每转产生 N 个脉冲，在个脉冲，在T 时间段内有时间段内有 m1 个脉冲产生，
11、则转速个脉冲产生，则转速（r/min)为为：n=60m1/（NT）m1例题例题T 有一增量式光电编码器，其参数为有一增量式光电编码器，其参数为1024p/r，在在5s时间内测得时间内测得65536个脉冲，则个脉冲，则转速（转速（r/min)为为：n=60 65536/（1024 5）r/min =768 r/min m1T法测速（适合于低转速场合）法测速（适合于低转速场合）时钟脉冲时钟脉冲fc 编码器输出脉冲编码器输出脉冲 m2 编码器每转产生编码器每转产生 N 个脉冲，用已知个脉冲，用已知频率频率fc作为时钟，填充到编码器输出的两作为时钟，填充到编码器输出的两个相邻脉冲之间的脉冲数为个相邻脉
12、冲之间的脉冲数为m2，则转速，则转速(r/min)为为 n=60fc/（Nm2）T法测速举例法测速举例时钟脉冲时钟脉冲fc 编码器输出脉冲编码器输出脉冲 m2 n=60fc/（Nm2）=60*1000000/（1024*3000）=19.53 r/min 有一增量式光电编码器，其参数为有一增量式光电编码器，其参数为1024p/r，测得两个相邻脉冲之间的脉冲数为测得两个相邻脉冲之间的脉冲数为3000，时钟频，时钟频率率fc为为1MHz，则转速（，则转速（r/min)为为：安装套安装套编码器的安装方式编码器的安装方式 1.1.编码器编码器的套式安装的套式安装安装轴安装轴2.2.编码器的轴式安装编码
13、器的轴式安装 编码器在数控编码器在数控加工中心的刀库选刀加工中心的刀库选刀控制中控制中的应用的应用旋转刀库旋转刀库被加工工件被加工工件刀具刀具角编码器的输出为角编码器的输出为当前刀具号当前刀具号角编码器与角编码器与 旋转刀库连接旋转刀库连接编码器在伺服电机中的应用编码器在伺服电机中的应用 利用利用编码器测编码器测量量伺服电机的转速、伺服电机的转速、转角，并通过伺服转角，并通过伺服控制系统控制其各控制系统控制其各种运行参数。种运行参数。转速测量转速测量转子磁极位置测量转子磁极位置测量角位移测量角位移测量Senses of Robotics 7.1 7.1 传感器的种类传感器的种类 3.3.外部状
14、况的感觉外部状况的感觉 （1 1）物体识别传感器）物体识别传感器 典型的是视觉传感器。如摄像机。视觉是利用典型的是视觉传感器。如摄像机。视觉是利用 光（机器人可用红外线等）的非接触方式。光（机器人可用红外线等）的非接触方式。触觉也能识别物体。机器人可以用触觉传感器触觉也能识别物体。机器人可以用触觉传感器 来实现这种机能。来实现这种机能。Senses of Robotics 7.1 7.1 传感器的种类传感器的种类 3.3.外部状况的感觉外部状况的感觉 （2 2）物体探测传感器）物体探测传感器 视觉传感器是一种识别物体而且知道其存视觉传感器是一种识别物体而且知道其存在的传感器。在的传感器。例如光
15、电开关。例如光电开关。视觉传感器、光电开关和超声波传感器，视觉传感器、光电开关和超声波传感器，即使物体较远也能探测其存在。即使物体较远也能探测其存在。Senses of Robotics 7.1 7.1 传感器的种类传感器的种类 3.3.外部状况的感觉外部状况的感觉 （3 3）极近物体探测传感器）极近物体探测传感器 探测非常近的物体存探测非常近的物体存 在的传感器称为接近传感在的传感器称为接近传感 器。器。Senses of Robotics 7.1 7.1 传感器的种类传感器的种类 3.3.外部状况的感觉外部状况的感觉 （4 4）距离传感器）距离传感器 摄像机做距离传感器。具体留待摄像机做距
16、离传感器。具体留待4.44.4节介绍。节介绍。超声波做距离传感器。可用于鱼群探测、金超声波做距离传感器。可用于鱼群探测、金属内部探伤等方面。属内部探伤等方面。Senses of Robotics 7.1 7.1 传感器的种类传感器的种类 3.3.外部状况的感觉外部状况的感觉 （5 5）力觉传感器）力觉传感器 力觉传感器是检测力和力矩的施加地点力觉传感器是检测力和力矩的施加地点大小方向三个两的传感器。大小方向三个两的传感器。力的检测主要是用电阻应变片（参看力的检测主要是用电阻应变片（参看4.24.2节）。节）。Senses of Robotics 7.1 7.1 传感器的种类传感器的种类 3.3
17、.外部状况的感觉外部状况的感觉 （6 6）其他传感器）其他传感器 利用声波：语音识别传感器。分析振动声音利用声波：语音识别传感器。分析振动声音探测机械故障的点传感器。探测机械故障的点传感器。热传感器：点检传感器。热传感器：点检传感器。通过分析敲打的声音测定果品成熟程度的传通过分析敲打的声音测定果品成熟程度的传感器。感器。根据近红外线的糖度吸收程度测定水果甜度根据近红外线的糖度吸收程度测定水果甜度的传感器的传感器Senses of Robotics 7.2 7.2 触觉信息的获取触觉信息的获取 1.1.接触觉传感器接触觉传感器 接触觉传感器：探测是否接触到物体，传感器接接触觉传感器：探测是否接触
18、到物体，传感器接受由于接触产生的柔量。受由于接触产生的柔量。微动开关：按下开关就能进入电信号的简单机构。微动开关：按下开关就能进入电信号的简单机构。猫胡须传感器：如图猫胡须传感器：如图a,bSenses of Robotics 7.2 7.2 触觉信息的获取触觉信息的获取 2.2.压觉传感器压觉传感器 压觉传感器：检测物体同手爪间产生的压力和力压觉传感器：检测物体同手爪间产生的压力和力以及其分布情况。以及其分布情况。利用压电元件或弹簧。利用压电元件或弹簧。如图是使用弹簧的平如图是使用弹簧的平 面传感器。面传感器。Senses of Robotics 7.2 7.2 触觉信息的获取触觉信息的获取
19、 3.3.滑觉传感器滑觉传感器 滑觉传感器：检测垂直加压力方向的力和位移。滑觉传感器：检测垂直加压力方向的力和位移。Senses of Robotics 7.2 7.2 触觉信息的获取触觉信息的获取 4.4.力觉传感器力觉传感器 力觉传感器主要利用电阻力觉传感器主要利用电阻 应变片。应变片。原理：金属丝拉伸时电阻原理：金属丝拉伸时电阻 变大。变大。Senses of Robotics 7.2 7.2 触觉信息的获取触觉信息的获取 图中电压与电流关系：则：所以：221121;)(2)2(RIVIRRVRIIRRV12(/2)(/2)1/24VRRVVVRRVRR VVRR4（一）（一）电阻应变式
20、传感器电阻应变式传感器 导体或半导体材料在外界力的导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生机械变形，其电阻作用下，会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化，这种现象称值也将随着发生变化，这种现象称为为应变效应应变效应。电阻应变式传感器主要由电阻电阻应变式传感器主要由电阻应变片及测量转换电路等组成应变片及测量转换电路等组成。1 1、应变片的工作原理、应变片的工作原理 2llRAr金属丝受拉时，金属丝受拉时，l变长、变长、r变小，导致变小，导致R变大变大。1 1、应变片的工作原理、应变片的工作原理 设有一长度为设有一长度为l 、截面积为、截面积为A A、半径为、半径为r r、电阻、电阻率为率为 的
21、金属单丝，它的电阻值的金属单丝，它的电阻值R R可表示为可表示为 当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时，上式中时，上式中、r r、l都将发生变化，从而导致电阻值都将发生变化，从而导致电阻值R R发生变化。例如金属丝受拉时，发生变化。例如金属丝受拉时，l将变长、将变长、r r变小，变小，均导致均导致R R变大；又如，某些半导体受拉时，变大；又如，某些半导体受拉时，将变大将变大，导致，导致R R变大。变大。实验证明，电阻丝及应变片的电阻相对变化量实验证明，电阻丝及应变片的电阻相对变化量 R R R R与材料力学中的轴向应变与材料力学中的轴向应变 x
22、 x的关系在很大范围内的关系在很大范围内是线性的，即是线性的，即 2llRAr xRKRK电阻应变片的灵敏度电阻应变片的灵敏度微应变微应变 对于不同的金属材料，对于不同的金属材料，K K 略微不同，一般为略微不同，一般为2 2左左右。而对半导体材料而言，由于其感受到应变时，右。而对半导体材料而言，由于其感受到应变时，电阻率电阻率 会产生很大的变化，所以灵敏度比金属材会产生很大的变化，所以灵敏度比金属材料大几十倍。料大几十倍。在材料力学中，在材料力学中，x x 称为电阻丝的轴向应变，也称称为电阻丝的轴向应变，也称纵向应变，是量纲为纵向应变，是量纲为1 1的数。的数。x x通常很小，常用通常很小，
23、常用1010-6-6表表示之。在应变测量中，也常将之称为示之。在应变测量中，也常将之称为微应变微应变。对金属材料而言，当它受力之后所产生的轴向应对金属材料而言，当它受力之后所产生的轴向应变最好不要大于变最好不要大于1 1 1010-3-3，即，即10001000 m/mm/m，否则有可能超，否则有可能超过材料的极限强度而导致断裂。过材料的极限强度而导致断裂。应变片用于测量力应变片用于测量力F的计算公式的计算公式 由材料力学可知，由材料力学可知，x x=F F/（AEAE），所以），所以 R R/R R又可表示为又可表示为 如果应变片的灵敏度如果应变片的灵敏度K K 和试件的和试件的横截面积横截
24、面积A A以及以及弹性模量弹性模量均为已知，则只要设法测出均为已知，则只要设法测出 R R/R R的数值，即可获知试件受力的数值，即可获知试件受力的大小的大小，例如可用于电子秤的称重。，例如可用于电子秤的称重。RFKRAE2、应变片的种类与结构、应变片的种类与结构 应变片可分为应变片可分为金属应变片和半导体应变片金属应变片和半导体应变片 金属应变片：金属应变片：金属丝式、箔式、薄膜式三种。金属丝式、箔式、薄膜式三种。目前箔式应变片应用较多。目前箔式应变片应用较多。金属丝式应变片使金属丝式应变片使用最早，有纸基、胶基之分。由于金属丝式应变片用最早，有纸基、胶基之分。由于金属丝式应变片蠕变较大，金
25、属丝易脱胶，有逐渐被箔式所取代的蠕变较大，金属丝易脱胶，有逐渐被箔式所取代的趋势。但其价格便宜，多用于应变、应力的大批量趋势。但其价格便宜，多用于应变、应力的大批量、一次性试验。、一次性试验。箔式应变片与片基的接触面积大得多，散热条箔式应变片与片基的接触面积大得多，散热条件较好，在长时间测量时的蠕变较小，一致性较好件较好，在长时间测量时的蠕变较小，一致性较好，适合于大批量生产。还可以对金属箔式应变片进，适合于大批量生产。还可以对金属箔式应变片进行适当的热处理，使行适当的热处理，使其其线胀系数、电阻温度系数以线胀系数、电阻温度系数以及被粘贴的试件的线胀系数三者相互抵消，从而将及被粘贴的试件的线胀
26、系数三者相互抵消，从而将温度影响减小到最小的程度，目前广泛用于各种应温度影响减小到最小的程度，目前广泛用于各种应变式传感器中。变式传感器中。箔式应变片的外形箔式应变片的外形半导体应变片半导体应变片及金属丝及金属丝式应变片的结构式应变片的结构半导体应变半导体应变片外形片外形金属丝式应变片的金属丝式应变片的内部结构内部结构应变片的粘贴：应变片的粘贴：1.1.去污：采去污：采用手持砂轮工具除去用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、构件表面的油污、漆、锈斑等，并用细纱布锈斑等，并用细纱布交叉打磨出细纹以增交叉打磨出细纹以增加粘贴力加粘贴力 ，用浸有酒，用浸有酒精或丙酮的纱布片或精或丙酮的纱布片或脱脂棉
27、球擦洗。脱脂棉球擦洗。2.2.贴片：在应变片贴片：在应变片的表面和处理过的的表面和处理过的粘贴表面上，各涂粘贴表面上，各涂一层均匀的粘贴一层均匀的粘贴胶胶 ，用镊子将应，用镊子将应变片放上去，并调变片放上去，并调好位置，然后盖上好位置，然后盖上塑料薄膜，用手指塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出下揉和滚压，排出下面的气泡面的气泡 。3.3.测量：从分测量：从分开的端子处，开的端子处，预先用万用表预先用万用表测量应变片的测量应变片的电阻，发现端电阻，发现端子折断和坏的子折断和坏的应变片。应变片。4.4.焊接：将引线和焊接：将引线和端子用烙铁焊接起端子用烙铁焊接起来，注意不要把端来，注意不要把端子扯断。
28、子扯断。5.5.固定：固定：焊接后焊接后用胶布将引线和被用胶布将引线和被测对象固定在一起，测对象固定在一起，防止损坏引线和应防止损坏引线和应变片。变片。4、测量转换电路、测量转换电路不平衡电桥不平衡电桥 金属应变片的电阻变化范围很小，如金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表测量其电阻值的变化将十果直接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大。分困难，且误差很大。所以必须使用不平衡电桥来测量这一微所以必须使用不平衡电桥来测量这一微小的变化量。下面分析该桥式测量转换电小的变化量。下面分析该桥式测量转换电路是如何将路是如何将 R R/R R转换为输出电压转换为输出电压U Uo o的。
29、的。电桥平衡的条件电桥平衡的条件：R1/R2=R4/R3 调节调节RPRP，最终可以使，最终可以使R R1 1/R R2 2=R R4 4/R R3 3（R R1 1、R R2 2 是是R R1 1、R R2 2并联并联RPRP后的等效电阻）后的等效电阻），电桥趋于平衡，电桥趋于平衡，U Uo o被预调到被预调到零位，这一过程称为零位，这一过程称为调零调零。图中的图中的R R5 5是用于减小调节范是用于减小调节范围的限流电阻。围的限流电阻。单臂电桥单臂电桥 全桥四臂工全桥四臂工作方式的灵作方式的灵敏度最高，敏度最高，双臂半桥次双臂半桥次之，单臂半之，单臂半桥灵敏度最桥灵敏度最低。低。双臂电桥双
30、臂电桥 R1、R2为应为应变片，变片，R3、R4为为固定电阻固定电阻。应变。应变片片R1 、R2 感受到感受到的应变的应变 1 2以及以及产生的电阻增量产生的电阻增量正负号相反，可正负号相反，可以使输出电压以使输出电压Uo成倍地增大。成倍地增大。四臂全桥四臂全桥 全桥的四个桥臂都为应变片，全桥的四个桥臂都为应变片，如果设法使试件受力后，应变如果设法使试件受力后，应变片片R1 R4产生的电阻增量（或产生的电阻增量（或感受到的应变感受到的应变 1 4）正负号相）正负号相反，就可以使输出电压反，就可以使输出电压Uo成倍成倍地增大。上述三种工作方式中，地增大。上述三种工作方式中，全桥四臂工作方式的灵敏
31、度最全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。采用全桥（或双灵敏度最低。采用全桥（或双臂半桥）还能实现臂半桥）还能实现温度自补偿。温度自补偿。全桥的温度补偿原理全桥的温度补偿原理 当环境温度升高当环境温度升高时，桥臂上的应变片时，桥臂上的应变片温度同时升高，温度温度同时升高，温度引起的电阻值漂移数引起的电阻值漂移数值一致，可以相互抵值一致，可以相互抵消，所以全桥的温漂消，所以全桥的温漂较小；半桥也同样能较小；半桥也同样能克服温漂。克服温漂。5 5、应变效应的应用、应变效应的应用 应变效应的应用十分广泛。应变效应的应用十分广泛。它可以测量它可以测量
32、应变应力应变应力、弯矩弯矩、扭扭矩矩、加速度加速度、位移位移等物理量。等物理量。应变式力传感器应变式力传感器 应变式力传感器应变式力传感器 FFFF各种悬臂梁各种悬臂梁 FF固定点固定点固定点固定点电缆应变片在悬臂梁上的粘贴及变形应变片在悬臂梁上的粘贴及变形 应变式荷重传感器的外形及应应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置变片的粘贴位置FR1R2 R4应变式荷重传感器外形及受力位置（续）应变式荷重传感器外形及受力位置（续）FF荷重传感器原理演示荷重传感器原理演示 荷重传感器荷重传感器上的应变片上的应变片在重力作用在重力作用下产生变形。下产生变形。轴向变短，轴向变短，径向变长。径向变长。汽车衡
33、汽车衡汽车衡汽车衡（以下参考（以下参考北京远亚兴业商贸有限公司资料）汽车衡汽车衡称重系统称重系统电子秤电子秤 磅秤磅秤超市打印秤超市打印秤远距离远距离显示显示电子天平电子天平电子天平的精度电子天平的精度可达十万分之一可达十万分之一吊钩秤吊钩秤 便携式便携式应变式数显扭矩扳手应变式数显扭矩扳手 可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的装配扭矩。量程装配扭矩。量程2500N.m，耗电量，耗电量10mA，有公制有公制/英制单位转换、峰值保持、自动断电英制单位转换、峰值保持、自动断电等功
34、能。等功能。小型压阻式固态压力传感器小型压阻式固态压力传感器高压进气口高压进气口低压进气口低压进气口绝对压力传感器绝对压力传感器小型压阻式固态压力传感器（续）小型压阻式固态压力传感器（续）呼吸、透析和注射泵设备中用的压力传感器呼吸、透析和注射泵设备中用的压力传感器p1进气管进气管p2进气管进气管固态压力固态压力传感器传感器投入式液位计投入式液位计 压阻式固态压力传感器用于投入式液位计：压阻式固态压力传感器用于投入式液位计：p p1 1的进气孔用柔性不锈钢隔离膜片隔离，并用硅的进气孔用柔性不锈钢隔离膜片隔离，并用硅油传导压力而与液体相通。油传导压力而与液体相通。投入式液位计外形（投入式液位计外形
35、（续）续）压阻式固压阻式固态压力态压力传感器传感器 光柱光柱 显示器显示器 橡胶橡胶 背压管背压管 投入式液位传感器投入式液位传感器 投入式液位传感器投入式液位传感器安装方便，适应于深度安装方便，适应于深度为为 几米几米 至至 几十米，且混几十米，且混有有 大大 量量 污物、杂质的水污物、杂质的水或其他液体的液位测量。或其他液体的液位测量。材料应变的测量材料应变的测量斜拉桥上的斜拉斜拉桥上的斜拉绳应变测试绳应变测试 轧机轧制力检测轧机轧制力检测西安理工大学信息与控制工程研究中心研制西安理工大学信息与控制工程研究中心研制（二）压电传感器（二）压电传感器1 1、压电传感器的工作原理、压电传感器的工
36、作原理 压电式传感器是一种压电式传感器是一种自发电式传感器自发电式传感器。它以某些。它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能变换为力的那些非电物理量，例如动态力、动态压力、变换为力的那些非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等，但振动加速度等，但不能用于静态参数不能用于静态参数的测量。的测量。压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、信压电式传感器具有体积小、质量轻、频
37、响高、信噪比大等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固、噪比大等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固、可靠性、稳定性高。可靠性、稳定性高。1 1）压电效应压电效应 天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到压力时，晶格产生变形，表面产生正电荷，电荷压力时，晶格产生变形，表面产生正电荷，电荷Q Q与所施加的力与所施加的力F F成正比成正比 ，这种现象称为，这种现象称为压电效压电效应应 。还有一些人造的材料也具有压电效应。还有一些人造的材料也具有压电效应。若在电介质的极化方向上施
38、加交变电压，它若在电介质的极化方向上施加交变电压，它就会产生机械变形。当去掉外加电场时，电介质就会产生机械变形。当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失，这种现象称为的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应逆压电效应（电（电致伸缩效应）。致伸缩效应）。石英晶体的压电效应演示石英晶体的压电效应演示 当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。消失。2 2）压电材料的分类及特性）压电材料的分类及
39、特性 压电传感器中的压电元件材料一般有压电传感器中的压电元件材料一般有三类：三类：一类是一类是压电晶体压电晶体（如上述的石英晶体）；（如上述的石英晶体）；另一类是另一类是 经过极化处理的经过极化处理的 压电陶瓷压电陶瓷；第三类是第三类是高分子压电材料高分子压电材料。石英晶体石英晶体天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形（续）天然形成的石英晶体外形（续）石英晶体切片及封装石英晶体切片及封装石英晶体薄片石英晶体薄片双面镀银并封装双面镀银并封装石英晶体振荡器（晶振）石英晶体振荡器（晶振）石英晶体在振荡石英晶体在振荡电路中工作时，压电电路中工作时，压电效应与逆压电效应交效应
40、与逆压电效应交替作用，从而产生稳替作用，从而产生稳定的振荡输出频率。定的振荡输出频率。晶振晶振 压电陶瓷压电陶瓷 压电陶瓷是人工制造的多晶压电材压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的压电灵敏度高得多，料，它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较低，因此目前国内外生而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷 。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷及电陶瓷及非铅系压电陶瓷非铅系压电陶瓷 。压电陶瓷外形压电陶瓷外形 无铅压电陶瓷及其换能器外形无铅压电陶瓷及其换能器外形 （上海硅酸盐研究所
41、研制）上海硅酸盐研究所研制）高分子压电薄膜及拉制高分子压电薄膜及拉制 高分子压电材料高分子压电材料 典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（烯（PVFPVF2 2或或PVDFPVDF）、聚氟乙烯（）、聚氟乙烯（PVFPVF）、改）、改性聚氯乙烯（性聚氯乙烯（PVCPVC）等。它是一种柔软的压）等。它是一种柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易破碎，具有防水性，可以等形状。它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽，测量度，价
42、格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可达动态范围可达80dB80dB。高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆 可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板 压电式脚踏报警器压电式脚踏报警器 高分子压电薄膜制作的压电喇叭高分子压电薄膜制作的压电喇叭（逆压电效应（逆压电效应）2 2、压电传感器的测量转换电路、压电传感器的测量转换电路 电荷放大器的输出电压仅与输入电荷电荷放大器的输出电压仅与输入电荷和反馈电容有关，电缆长度等因素的影响和反馈电容有关，电缆长度等因素的影响很小：很小：of QuC 电荷放大器能将电荷放大器能将压电传感器输出
43、的压电传感器输出的电电荷转换为电压（荷转换为电压（Q/UQ/U转换器），但并无放转换器），但并无放大电荷的作用，只是一种习惯叫法。大电荷的作用，只是一种习惯叫法。电荷放大器外形电荷放大器外形面板式电荷放大器面板式电荷放大器3 3、压电传感器的应用压电传感器的应用 1）高分子压电材料的应用）高分子压电材料的应用 1.1.玻璃打碎报警装玻璃打碎报警装置置 将高分子压电测振将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎可以感受到玻璃破碎时会发出的振动，并时会发出的振动，并将电压信号传送给集将电压信号传送给集中报警系统。中报警系统。粘贴粘贴位置位置高分子压电材料制作的玻璃打碎传
44、感器高分子压电材料制作的玻璃打碎传感器质量块质量块 将厚约将厚约0.2mm0.2mm左右的左右的PVDFPVDF薄薄膜裁制成膜裁制成1010 20mm20mm大小。在它的大小。在它的正反两面各喷涂透明的二氧化锡正反两面各喷涂透明的二氧化锡导电电极，再用超声波焊接上两导电电极，再用超声波焊接上两根柔软的电极引线。并用保护膜根柔软的电极引线。并用保护膜覆盖。覆盖。使用时，用瞬干胶将其粘贴使用时，用瞬干胶将其粘贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的瞬间，压电薄膜感受到剧烈振动，瞬间，压电薄膜感受到剧烈振动，表面产生电荷表面产生电荷Q Q ，在两个输出引，在两个输出引脚之间产生窄脉
45、冲报警信号。脚之间产生窄脉冲报警信号。压电传感器只能应用于动态测量压电传感器只能应用于动态测量 由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电式传感器此压电式传感器不能用于静态测量不能用于静态测量。压电元件在。压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补充，可以供给交变力的作用下，电荷可以不断补充，可以供给测量回路以一定的电流，故只适用于动态测量测量回路以一定的电流，故只适用于动态测量（一般必须高
46、于（一般必须高于100Hz100Hz，但在，但在50kHz50kHz以上时，灵敏以上时，灵敏度下降）。度下降）。2 2）压电式周界报警系统）压电式周界报警系统（用于重要位置出入口、周界安全防护等）（用于重要位置出入口、周界安全防护等）将长的压电电缆埋在泥土将长的压电电缆埋在泥土的浅表层，可起分布式地的浅表层，可起分布式地下麦克风或听音器的作用，下麦克风或听音器的作用，可在几十米范围内探测人可在几十米范围内探测人的步行的步行,对轮式或履带式对轮式或履带式车辆也可以通过信号处理车辆也可以通过信号处理系统分辨出来。右图为测系统分辨出来。右图为测量系统的输出波形。量系统的输出波形。3 3）交通监测）交
47、通监测 将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速类信息（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。高分子压电高分子压电电缆的应用电缆的应用演示演示 将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋设于柏将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋设于柏油公路的路面下约油公路的路面下约5cm5cm，可以用来测量车速及汽车的载，可以用来测量车速及汽车的载重
48、量，并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽重量，并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。车的车型。4 4）压电陶瓷传感器的应用）压电陶瓷传感器的应用 压电片的并联接法压电片的并联接法 压电陶瓷多制成片状，称为压电片。压电片通常压电陶瓷多制成片状，称为压电片。压电片通常是两片（或两片以上）粘结在一起，一般常用的是并是两片（或两片以上）粘结在一起，一般常用的是并联接法。其总面积是单片的两倍，极板上的总电荷联接法。其总面积是单片的两倍，极板上的总电荷Q Q并并为单片电荷为单片电荷Q Q的两倍。的两倍。压电式动态力传感器以及压电式动态力传感器以及在车床中用于动态切削力的测量在车床中用于动态
49、切削力的测量 压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用压电式步态分压电式步态分析跑台析跑台压电式纵跳压电式纵跳 训练分析装置训练分析装置压电传感器测量压电传感器测量双腿跳的动态力双腿跳的动态力Senses of Robotics 7.2 7.2 视觉信息的获取视觉信息的获取 1.PSD（position sensitive device）传感器 PSD传感器：当光束照射到1维的线和2维的平面时，检测光照射的位置。L：电极1与电极2的距离。I1：流过电极1的电流。I2：流过电极2的电流。x：光照射点与电极1的距离。211IILxSenses of Robo
50、tics 7.3 7.3 视觉信息的获取视觉信息的获取 2.视觉传感器 机器人通过摄像机以图像的形式获得环境的信息。（1）CCD(charge coupled device)传感器。CCD阵列，二维扫描，对表示灰度的电压采样，二值数字化处理。每一定时间间隔扫描一遍。CCD图像传感器图像传感器 CCD CCD全称全称电荷耦合器件电荷耦合器件，它具备光电，它具备光电转换、信息存贮和传输等功能，具转换、信息存贮和传输等功能，具有集成度高、功耗小、分辨力高、有集成度高、功耗小、分辨力高、动态范围大等优点。动态范围大等优点。CCDCCD图像传感图像传感器被广泛应用于生活、天文、医疗、器被广泛应用于生活、
