机器人传感器2

《机器人技术及应用》主讲人：李富强第六章机器人传感器

第2节位置传感器6.2位置传感器6.2.1线位移检测传感器6.2.2角位移检测传感器6.2.3速度、加速度传感器6.2.4电子罗盘及陀螺仪6.2.5GPS全球导航系统2机器人技术及应用》》6.2.1线位移检测传感器一、光栅位移传感器二、感应同步器三、磁栅位移传感器3机器人技术及应用》》一.光栅位移传感器1、光栅的构造：4机器人技术及应用》》一.光栅位移传感器2、工作原理把两块栅距W相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕之间有较小的夹角θ时，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，这种条纹称莫尔条纹，它们沿着与光栅条纹几乎垂直的方向排列，如图所示。

5机器人技术及应用》》一.光栅位移传感器莫尔条纹具有如下特点：1.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

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关系为3.莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。

6机器人技术及应用》》一.光栅位移传感器

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。

其电压为：7机器人技术及应用》》一.光栅位移传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。8机器人技术及应用》》二、感应同步器1.感应同步器结构节距2τ（2mm）节距τ（0.5mm）绝缘粘胶铜箔铝箔耐切削液涂层基板(钢、铜)滑尺定尺9机器人技术及应用》》二、感应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（0.05~0.2mm）。10机器人技术及应用》》二、感应同步器2.感应同步器的工作原理在滑尺的绕组中，施加频率为f（一般为2~10kHz）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。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11机器人技术及应用》》二、感应同步器余弦绕组单独供电所产生的感应电势为

由于感应同步器的磁路系统可视为线性，可进行线性叠加，所以定尺上总的感应电势为12机器人技术及应用》》二、感应同步器式中：K——定尺与滑尺之间的耦合系数；

——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。利用感应电压的变化可以求得位移X，从而进行位置检测。13机器人技术及应用》》二、感应同步器3.测量方法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。14机器人技术及应用》》二、感应同步器(1)鉴相式工作法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，设从上式可以看出，只要测得相角，就可以知道滑尺的相对位移x：

15机器人技术及应用》》二、感应同步器2.鉴幅工作法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，感应电势的幅值随着滑尺的移动作正弦变化。因此，可以通过测量感应电动势的幅值来测得定尺和滑尺之间的相对位移。16机器人技术及应用》》三、磁栅位移传感器1.磁栅式位移传感器的结构

17机器人技术及应用》》三、磁栅位移传感器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：U0——输出电压系数；

——磁尺上磁化信号的节距；

χ——磁头相对磁尺的位移；

ω——励磁电压的角频率。

在实际应用中，需要采用双磁头结构来辨别移动的方向18机器人技术及应用》》三、磁栅位移传感器3.测量方式(1)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π/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。这种方法的检测线路比较简单，但分辨率受到录磁节距λ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。

19机器人技术及应用》》三、磁栅位移传感器2.鉴相测量方式将一组磁头的励磁信号移相90°，则得到输出电压为在求和电路中相加，则得到磁头总输出电压为则合成输出电压U的幅值恒定，而相位随磁头与磁尺的相对位置χ变化而变。读出输出信号的相位，就可确定磁头的位置。

20机器人技术及应用》》2角位移检测传感器一、旋转变压器二、光电编码器21机器人技术及应用》》一、旋转变压器1.结构如图所示旋转变压器一般做成两极电机的形式。在定子上有激磁绕组和辅助绕组，它们的轴线相互成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、Z2）短接。22机器人技术及应用》》一、旋转变压器2.原理旋转变压器在结构上与两相绕组式异步电机相似，由定子和转子组成。当以一定频率（频率通常为400Hz、500Hz、1000Hz及5000Hz等几种）的激磁电压加于定子绕组时，转子绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系，或在一定转角范围内与转角成正比关系。前一种旋转变压器称为正余弦旋转变压器，适用于大角位移的绝对测量；后一种称为线性旋转变压器，适用于小角位移的相对测量。23机器人技术及应用》》一、旋转变压器3.测量方式当定子绕组中分别通以幅值和频率相同、相位相差为90°的交变激磁电压时，便可在转子绕组中得到感应电势U3，根据线性叠加原理，U3值为激磁电压U1和U2的感应电势之和，即式中:k=w1/w2——旋转变压器的变压比

w1、w2——转子、定子绕组的匝数24机器人技术及应用》》一、旋转变压器

线性旋转变压器实际上也是正余弦旋转变压器，不同的是线性旋转变压器采用了特定的变压比k和接线方式，如右图。这样使得在一定转角范围内（一般为±60°），其输出电压和转子转角θ成线性关系。此时输出电压为25机器人技术及应用》》二、光电编码器1.增量式编码器结构26机器人技术及应用》》二、光电编码器2.增量式编码器工作原理鉴向盘与主码盘平行，并刻有a、b两组透明检测窄缝，它们彼此错开1/4节距，以使A、B两个光电变换器的输出信号在相位上相差90°。工作时，鉴向盘静止不动，主码盘与转轴一起转动，光源发出的光投射到主码盘与鉴向盘上。当主码盘上的不透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐时，光线被全部遮住，光电变换器输出电压为最小；当主码盘上的透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐时，光线全部通过，光电变换器输出电压为最大。主码盘每转过一个刻线周期，光电变换器将输出一个近似的正弦波电压，且光电变换器A、B的输出电压相位差为90°。经逻辑电路处理就可以测出被测轴的相对转角和转动方向。

27机器人技术及应用》》二、光电编码器3.绝对式编码器原理绝对式编码器是把被测转角通过读取码盘上的图案信息直接转换成相应代码的检测元件。编码盘有光电式、接触式和电磁式三种。光电式码盘是目前应用较多的一种，它是在透明材料的圆盘上精确地印制上二进制编码。如图所示为四位二进制的码盘，码盘上各圈圆环分别代表一位二进制的数字码道，在同一个码道上印制黑白等间隔图案，形成一套编码。

28机器人技术及应用》》二、光电编码器

黑色不透光区和白色透光区分别代表二进制的“0”和“1”。在一个四位光电码盘上，有四圈数字码道，每一个码道表示二进制的一位，里侧是高位，外侧是低位，在360°范围内可编数码数为24=16个。29机器人技术及应用》》二、光电编码器

工作时，码盘的一侧放置电源，另一边放置光电接受装置，每个码道都对应有一个光电管及放大、整形电路。码盘转到不同位置，光电元件接受光信号，并转成相应的电信号，经放大整形后，成为相应数码电信号。

30机器人技术及应用》》二、光电编码器4.绝对式编码器非单值性误差的消除(1).循环码盘(或称格雷码盘)右图所示为四位二进制循环码。这种编码的特点是任意相邻的两个代码间只有一位代码有变化，即“0”变为“1”或“1”变为“0”。因此，在两数变换过程中，所产生的读数误差最多不超过“1”，只可能读成相邻两个数中的一个数。

31机器人技术及应用》》二、光电编码器(2).带判位光电装置的二进制循环码盘该码盘最外圈上的信号位的位置正好与状态交线错开，只有当信号位处的光电元件有信号时才读数，这样就不会产生非单值性误差。

32机器人技术及应用》》一、直流测速发电机二、光电式速度传感器三、差动变压器式速度传感器四、加速度传感器6.2.3速度、加速度传感器33机器人技术及应用》》一、直流测速发电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。

直流测速发电机在机电控制系统中，主要用作测速和校正元件。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。34机器人技术及应用》》二、光电式速度传感器

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35机器人技术及应用》》二、光电式速度传感器

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36机器人技术及应用》》三、差动变压器式速度传感器

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37机器人技术及应用》》三、差动变压器式速度传感器

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10~2000mm/s（可调），输出电压±10V（max），输出电流±10mA（max），频带宽度≥500Hz。38机器人技术及应用》》四、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。

39机器人技术及应用》》四、加速度传感器

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、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。40机器人技术及应用》》四、加速度传感器

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。41机器人技术及应用》》四、加速度传感器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。42机器人技术及应用》》电子罗盘，也叫数字罗盘，是利用地磁场来定北极的一种方法。古代称为罗经，电子罗盘现代利用先进加工工艺生产的磁阻传感器为罗盘的数字化提供了有力的帮助。现在一般有用磁阻传感器和磁通门加工而成的电子罗盘。6.2.4电子罗盘及陀螺仪43机器人技术及应用》》6.2.4电子罗盘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。44机器人技术及应用》》1．三轴磁阻传感器测量平面地磁场，双轴倾角补偿。2．高速高精度A/D转换。3．内置温度补偿，最大限度减少倾斜角和指向角的温度漂移。4．内置微处理器计算传感器与磁北夹角。5．具有简单有效的用户标校指令。6．具有指向零点修正功能。7．外壳结构防水，无磁.

6.2.4电子罗盘及陀螺仪电子罗盘的特点：45机器人技术及应用》》6.2.4电子罗盘及陀螺仪移动机器人在行进的时候可能会遇到各种地形或者各种障碍。这时即使机器人的驱动装置采用闭环控制，也会由于轮子打滑等原因造成机器人偏离设定的运动轨迹，并且这种偏移是旋转编码器无法测量到的。这时就必须依靠电子罗盘或者角速率陀螺仪来测量这些偏移，并作必要的修正，以保证机器人行走的方向不至偏离。另外一方面，商用的电子罗盘传感器精度通常为0.5度或者更差。而如果机器人运动距离较长，0.5度的航向偏差可能导致机器人运动的线位移偏离值不可接受。46机器人技术及应用》》6.2.4电子罗盘及陀螺仪

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25°C,工作电压5V,角速率=0°/s,带宽=80Hz(Cout=0.01μF),角速率0°/S,±1g,下测量。47机器人技术及应用》》6.2.5GPS全球导航系统GPS是美国军方研制的卫星导航系统，即“GlobalPositioningSystem”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。48机器人技术及应用》》6.2.5GPS全球导航系统由卫星的位置精确可知，在GPS观测中，我们可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置(X,Y,Z)。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实