机器人传感器1课件.ppt
《机器人传感器1课件.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《机器人传感器1课件.ppt(99页珍藏版)》请在三一办公上搜索。
1、2020/4/4,第六章,机器人传感器,2/99,机器人技术及应用,?,6.1.1,传感器的定义,?,6.1.2,传感器的组成,?,6.1.3,传感器的分类,?,6.1.4,传感器的数学模型,?,6.1.5,传感器的基本特征,?,6.1.6,传感器的发展方向,6.1,传感器概述,3/99,机器人技术及应用,将被测非电量信号转换为与之有确定对,应关系电量输出的器件或装置叫做传感,器,也叫变换器、换能器或探测器。,6.1.1,传感器的定义,4/99,机器人技术及应用,6.1.2,传感器的组成,敏感,元件,辅助电路,传感,元件,被测,非电量,有用,非电量,有,用,电,量,信号调节,转换电路,电,量,
2、5/99,机器人技术及应用,6.1.2,传感器的组成,6/99,机器人技术及应用,6.1.2,传感器的组成,7/99,机器人技术及应用,敏感元件:,直接感受被测非电量并按一定,规律转换成与被测量有确定关系的其它量,的元件。,传感元件:,又称变换器。能将敏感元件感,受到的非电量直接转换成电量的器件。,8/99,机器人技术及应用,压,力,作,用,膜片形变(应变),应变片电阻改变,压力传感器示例,9/99,机器人技术及应用,10/99,机器人技术及应用,6.1.3,传感器的分类,1,按工作机理分类:根据物理和化学,等学科的原理、规律和效应进行分类,2,按被测量分类:根据输入物理量的,性质进行分类。,
3、3,按敏感材料分类:根据制造传感器,所使用的材料进行分类。可分为半,导体传感器、陶瓷传感器等。,11/99,机器人技术及应用,6.1.3,传感器的分类,4.,按能量的关系分类:根据能量观点分类,,可将传感器分为有源传感器和无源传感器两,大类。,有源传感器是将非电能量转换为电能量,,称之为能量转换型传感器,也称换能器。,通常配合有电压测量电路和放大器。,如,:,压电式、热电式、电磁式等。,12/99,机器人技术及应用,6.1.3,传感器的分类,无源传感器又称为能量控制型传感器。被测,非电量仅对传感器中的能量起控制或调节作用。,所以必须具有辅助能源,(,电能,),。,如,:,电阻式、电容式和电感式
4、等。,5.,其他:按用途、学科、功能和输出信号,的性质等进行分类。,13/99,机器人技术及应用,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、涡流等,光,光通量与密度、光谱分布等,14/99,机器人技术及应用,电容法测位移,15/99,机器人技术及应用,电感法测厚度,16/99,机器人技术及应用,霍尔法计数,17/99,机器
5、人技术及应用,霍尔法测转速,18/99,机器人技术及应用,半导体法测压力,19/99,机器人技术及应用,6.1.4,传感器的数学模型,从系统角度看,一种传感器就是一种系统。,而一个系统总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传感器,的输出和输入的关系和特性,从而,用这种,关系指导对传感器的设计、制造、校正和使,用。,通常从传感器的静态输入,-,输出关系和动,态输入,-,输出关系两方面建立数学模型。,20/99,机器人技术及应用,1.,静态模型,静态模型是指在输入信号不随时间变化的,情况下,描述传感器的输出与输入量的一种函,数关系。,如果不考虑蠕动效应和迟滞特性,传感,器的
6、静态模型一般可用多项式来表示:,),(,1,1,2,2,1,0,?,?,?,?,?,?,?,?,?,n,n,x,a,x,a,x,a,a,y,21/99,机器人技术及应用,2.,动态模型,动态模型是指传感器在准动态信号或动态,信号作用下,描述其输出和输入信号的一种,数学关系。,动态模型通常采用微分方程和传递函数描,述。,22/99,机器人技术及应用,3,.,微分方程,大多数传感器都属模拟系统之列。描述模拟,系统的一般方法是采用微分方程。,在实际的模型建立过程中,一般采用线性,常系数微分方程来描述输出量,y,和输入量,x,的关系。,23/99,机器人技术及应用,),(,2,1,0,1,1,1,1,
7、0,1,1,1,1,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,x,b,dt,dx,b,dt,x,d,b,dt,x,d,b,y,a,dt,dy,a,dt,y,d,a,dt,y,d,a,m,m,m,m,m,m,n,n,n,n,n,n,其通式如下:,a,n,a,n-,1,a,0,和,b,m,b,m-,1,b,0,为传感器的结构,参数。除,b,0,?,0,外,一般取,b,1,b,2,b,m,为零,.,24/99,机器人技术及应用,如果,y,(,t,),在,t,0,时,,y,(,t,),=0,,则,y,(,t,),的拉氏变换,可定义为,4.,传递函数,?,?
8、,?,?,),(,3,1,0,?,?,?,?,?,dt,e,t,y,s,Y,st,式中,s,=,+,j,,,0,。,对微分方程两边取拉氏变换,则得,?,?,?,?,?,?,?,?,0,1,1,0,1,1,b,s,b,s,b,s,X,a,s,a,s,a,s,Y,m,m,m,m,n,n,n,n,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,25/99,机器人技术及应用,定义输出,y,(,t,),的拉氏变换,Y,(,S,),和输入,x,(,t,),的拉,氏变换,X,(,S,),的比为该系统的传递函数,H,(,S,),,,则,?,?,?,?,?,?,),(,4,1,0,1,1,0
9、,1,1,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,a,s,a,s,a,b,s,b,s,b,s,X,s,Y,s,H,n,n,n,n,m,m,m,m,对,y,(,t,),进,行,拉,氏,变,换,的,初,始,条,件,是,t,0,时,,,y,(,t,)=0,。对于传感器被激励之前所有的储能元,件如质量块、弹性元件、电气元件等均符合,上述的初始条件。,26/99,机器人技术及应用,对于多环节串、并联组成的传感器,若各环,节阻抗匹配适当,可忽略相互间的影响,传,感器的等效传递函数可按代数方式求得。,显然,H,(,s,),与输入量,x,(,t,),无关,只与系统结构参,数
10、有关。因而,H,(,s,),可以简单而恰当地描述传,感器输出与输入的关系。,27/99,机器人技术及应用,若传感器由,r,个环节串联而成,?,?,?,?,?,?,?,?,),(,则:,5,1,2,1,?,?,?,?,?,?,?,?,s,H,s,H,s,H,s,H,r,对于较为复杂的系统,可以将其看作是一些较,为简单系统的串联与并联。,x,y,?,?,s,H,1,?,?,s,H,2,?,?,s,H,n,28/99,机器人技术及应用,若传感器由,p,个环节并联而成,?,?,?,?,?,?,?,?,),(,则:,6,1,2,1,?,?,?,?,?,?,?,?,s,H,s,H,s,H,s,H,p,x,
11、y,?,?,s,H,1,?,?,s,H,2,?,?,s,H,n,29/99,机器人技术及应用,6.1.5,传感器的基本特征,1.,传感器的静特性,传感器的静态特性是指当被测量处于稳定状态下,,传感器的输入与输出值之间的关系。传感器静态特,性的主要技术指标有:,线性度,、,灵敏度,、,迟滞,和,重,复性,等。,(1).,线性度,传感器的线性度是指传感器实际输出,输入特性,曲线与理论直线之间的最大偏差与输出满度值之比,,即,100%,m,ax,?,?,?,FS,y,L,30/99,机器人技术及应用,(2).,灵敏度,传感器的灵敏度是指传感器在稳定标准条,件下,输出量的变化量与输入量的变化量之,比,
12、即,(3).,迟滞,传感器在正(输入量增大)反(输入量减,小)行程中,输出,输入特性曲线不重合,的程度称为迟滞,迟滞误差一般以满量程输,出的百分数表示,x,y,S,?,?,?,0,%,100,?,?,?,?,FS,m,y,H,H,?,31/99,机器人技术及应用,(4).,重复性,传感器在同一条件下,被测输入量按同一方向作全,量程连续多次重复测量时,所得输出,输入曲线的不,一致程度,称重复性。重复性误差用满量程输出的,百分数表示,即,近似计算,100%,?,?,?,?,FS,m,R,y,R,?,?,?,?,1,3,2,2,?,?,?,?,?,n,y,y,y,i,FS,R,?,32/99,机器人
13、技术及应用,(,5,),.,分辨力,传感器能检测到的最小输入增量称分辨力,,在输入零点附近的分辨力称为阈值。,(,6,),.,零漂,传感器在零输入状态下,输出值的变化称,为零漂,零漂可用相对误差表示,也可用绝,对误差表示。,33/99,机器人技术及应用,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。,34/99,机器人技术及应用,6.1.6,传感器的发展方向,1.,新
14、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。,35/99,机器人技术及应用,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、
15、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。,36/99,机器人技术及应用,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。,37/99,机器人技术及应用,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,?,6.2.5 GPS,全球导航系统,38/9
16、9,机器人技术及应用,6.2.1,线位移检测传感器,1,)、光栅位移传感器,2,)、感应同步器,3,)、磁栅位移传感器,39/99,机器人技术及应用,1,),.,光栅位移传感器,3,2,4,1,1.标尺光栅 2.指示光栅,3.光电元件 4.光源,(,1,)、光栅的构造:,40/99,机器人技术及应用,1,),.,光栅位移传感器,(,2,)、工作原理,d,d,f,f,d,d,B,f,f,d,d,W,/,2,W,d,d,W,/,2,指示光栅,标尺光栅,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,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
17、条纹几乎垂直的方向排,列,如图所示。,41/99,机器人技术及应用,1,),.,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。,?,?,W,W,B,?,?,2,sin,2,42/99,机器人技术及应用,1,),.,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。,U,0,U,W/2,o,U,m,2W,3W/2,W,x,
18、其电压为:,W,x,U,U,U,m,?,2,sin,0,?,?,43/99,机器人技术及应用,1,),.,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。,44/99,机器人技术及应用,2,)、感应同步器,(,2,),.,感应同步器结构,节距,2,(,2mm,),节距,(,0.5mm,),绝缘粘胶,铜箔,铝箔,耐切削液涂层,基板,(,钢、铜,),滑尺,定尺,45/99,机器人技术及应用,2,)、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
19、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,)。,46/99,机器人技术及应用,2,)、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,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。,?,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
20、为,T,,则正弦绕组单独供电时,在定尺上感应,电势为,?,cos,360,cos,2,s,s,KU,T,x,KU,U,?,?,o,47/99,机器人技术及应用,2,)、感应同步器,余弦绕组单独供电所产生的感应电势为,?,sin,360,sin,2,c,c,KU,T,x,KU,U,?,?,o,?,?,sin,cos,2,2,2,c,s,KU,KU,U,U,U,?,?,?,?,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,48/99,机器人技术及应用,2,)、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
21、,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。,49/99,机器人技术及应用,?,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。,2,)、感应同步器,50/99,机器人技术及应用,(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,t,m,s,U,U,?,sin,?,t,U,U,m,c,?,cos,?,2,2,2,U,U,U,?,?,),sin(,sin,co
22、s,cos,sin,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,t,KU,t,KU,t,KU,m,m,m,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,:,T,x,o,360,?,?,2,)、感应同步器,51/99,机器人技术及应用,?,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:,t,m,U,U,s,?,?,sin,sin,?,?,t,m,U,U,c,?,?,sin,cos,?,t,KU,U,U,U,m,?,?,?,sin,),sin(,2,2,2,?,?,?,?,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
23、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。,2,)、感应同步器,52/99,机器人技术及应用,3,)、磁栅位移传感器,(,1,),.,磁栅式位移传感器的结构,输出信号,励磁电源,6,5,4,S,S,3,N,N,S,S,S,7,N,N,1,S,N,N,2,0,0,a,b,x,53/99,机器人技术及应用,(,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:,t,x,U,U,?,?,?,sin,2,sin,0,?,U,0,输出电压系数;,磁尺上磁化信号的节距;,
24、磁头相对磁尺的位移;,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,3,)、磁栅位移传感器,54/99,机器人技术及应用,(,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。,?,?,x,U,U,2,sin,0,1,?,3,)、磁栅位移传感器,55/99,机器人技术及应用,B.,鉴相测量



- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 机器人 传感器 课件

链接地址:https://www.31ppt.com/p-3962744.html