机器人传感器2概要

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1、机器人技术及应用 主讲人：李富强 第六章第六章 机器人传感器机器人传感器 第第2 2节节 位置传感器位置传感器 6.2 位置传感器 v6.2.1 线位移检测传 感器 v6.2.2 角位移检测传 感器 v6.2.3 速度、加速度传感器 v6.2.4 电子罗盘 及陀螺仪 v6.2.5 GPS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 v一、光栅位移传感器 v二、感应同步器 v三、磁栅位移传感器 3机器人技术及应用 一一. . 光栅位移传感器光栅位移传感器 1 1、光栅的构造：、光栅的构造： 4机器人技术及应用 一一. . 光栅位移传感器光栅位移传感器 v 2、工作原理 把两块栅

2、距把两块栅距WW相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕之间有相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕之间有 较小的夹角较小的夹角 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。，如图所示。 5机器人技术及应用 一一. . 光栅位移传感器光栅位移传感器 莫尔条纹具有如下特点： v 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 v 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

3、之间关系为 v 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 一一. . 光栅位移传感器光栅位移传感器 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：其电压为： 7机器人技术及应用 一一. . 光栅位移传感器光栅位移传感器 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、感应同步器二、感应同步器 v 1.感应同步器结构 节距节距22（ 2mm2mm） 节距节距 （ 0.5mm0.5mm） 绝缘

4、粘胶绝缘粘胶 铜箔铜箔 铝箔铝箔 耐切削液涂层耐切削液涂层 基板基板( (钢、铜钢、铜) ) 滑尺滑尺 定尺定尺 9机器人技术及应用 二、感应同步器二、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（0.050.2mm）。 10机器人技术及应用 二、感应同步器二、感应同步器 2.感应同步器的工作原理 v 在滑尺的绕组中，施加频率为f（一般为210k

5、Hz）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。 v 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、感应同步器二、感应同步器 式中 ： vK定尺与滑尺之间的耦合系数； v 定尺与滑尺相对位移的角度表示

6、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。 v 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、感应同步器二、感应同步器 v 3. 测量方法 v 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、感应同步器二、感应同步器 (1)鉴相式工作法 v 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 的相对位移的

7、相对位移x x： 15机器人技术及应用 二、感应同步器二、感应同步器 v 2.鉴幅工作法 v 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。和滑尺之间的相对位移。 16机器人技术及应用 三、磁栅位移传感器三、磁栅位移传感器 v 1.磁栅式位移传感器的结构 17机器人技术及应用 三、磁栅位移传感器三、磁栅位移传感器 2.原理： v 在用软磁材料制成

8、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： UU 0 0 输出电压系数；输出电压系数； 磁尺上磁化信号的节距；磁尺上磁化信号的节距； 磁头相对磁尺的位移；磁头相对磁尺的位移； 励磁电压的角频率。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、磁栅位移传感器三、磁栅位移传感器 3.测量方式 v(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/2的两组信号 两组磁头相对于磁尺每移动

9、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。 19机器人技术及应用 三、磁栅位移传感器三、磁栅位移传感器 2.鉴相测量方式 v将一组磁头的励磁信号移相90，则得到 输出电压为 v在求和电路中相加，则得到磁头总输出 电压为 则合成输出电压则合成输出电压UU的幅值恒定，而相位随磁头与磁尺的幅值恒定，而相位随磁头与磁尺 的相对位置的相对位置 变化而变。读出输出信号的相位，就可变化而变。读出输出信号的相位，就可 确定磁头的位置。确定磁头的位置。 20机器人技术及应用

10、 2 角位移检测传感器 v一、旋转变压器 v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 v 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

11、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 v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 式中式中: : k k =ww 1 1 / /ww 2 2 旋转变压器的变压比旋转变压器的变压比 ww 1 1 、ww 2 2 转子、定子绕组的匝数转子、定子绕组的匝数 24机器人

12、技术及应用 一、旋转变压器 v 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 成线性关系。此时输 出电压为 25机器人技术及应用 二、光电编码器二、光电编码器 1.1.增量式增量式 编码器结构编码器结构 26机器人技术及应用 二、光电编码器二、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

13、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

14、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

15、、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

16、 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 v一、直流测速发电机 v二、光电式速度传感器 v三、差动变压器式速度传感器 v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