《機器人技術及應用》主講人：李富強第六章機器人傳感器

第2節位置傳感器6.2位置傳感器6.2.1線位移檢測傳感器6.2.2角位移檢測傳感器6.2.3速度、加速度傳感器6.2.4電子羅盤及陀螺儀6.2.5GPS全球導航系統2機器人技術及應用》》6.2.1線位移檢測傳感器一、光柵位移傳感器二、感應同步器三、磁柵位移傳感器3機器人技術及應用》》一.光柵位移傳感器1、光柵的構造：4機器人技術及應用》》一.光柵位移傳感器2、工作原理把兩塊柵距W相等的光柵平行安裝，且讓它們的刻痕之間有較小的夾角θ時，這時光柵上會出現若干條明暗相間的條紋，這種條紋稱莫爾條紋，它們沿著與光柵條紋幾乎垂直的方向排列，如圖所示。

5機器人技術及應用》》一.光柵位移傳感器莫爾條紋具有如下特點：1.莫爾條紋的位移與光柵的移動成比例。光柵每移動過一個柵距W，莫爾條紋就移動過一個條紋間距B

2.莫爾條紋具有位移放大作用。莫爾條紋的間距B與兩光柵條紋夾角之間關系為3.莫爾條紋具有平均光柵誤差的作用。

6機器人技術及應用》》一.光柵位移傳感器

通過光電元件，可將莫爾條紋移動時光強的變化轉換為近似正弦變化的電信號，如圖所示。

其電壓為：7機器人技術及應用》》一.光柵位移傳感器將此電壓信號放大、整形變換為方波，經微分轉換為脈沖信號，再經辨向電路和可逆計數器計數，則可用數字形式顯示出位移量，位移量等于脈沖與柵距乘積。測量分辨率等于柵距。8機器人技術及應用》》二、感應同步器1.感應同步器結構節距2τ（2mm）節距τ（0.5mm）絕緣粘膠銅箔鋁箔耐切削液涂層基板(鋼、銅)滑尺定尺9機器人技術及應用》》二、感應同步器包括定尺和滑尺，用制造印刷線路板的腐蝕方法在定尺和滑尺上制成節距T(一般為2mm)的方齒形線圈。定尺繞組是連續的，滑尺上分布著兩個勵磁繞組，分別稱為正弦繞組和余弦繞組。當正弦繞組與定尺繞組相位相同時，余弦繞組與定尺繞組錯開1/4節距。滑尺和定尺相對平行安裝，其間保持一定間隙（0.05~0.2mm）。10機器人技術及應用》》二、感應同步器2.感應同步器的工作原理在滑尺的繞組中，施加頻率為f（一般為2~10kHz）的交變電流時，定尺繞組感應出頻率為f的感應電動勢。感應電動勢的大小與滑尺和定尺的相對位置有關。設正弦繞組供電電壓為Us，余弦繞組供電電壓為Uc，移動距離為x，節距為T，則正弦繞組單獨供電時，在定尺上感應電勢為11機器人技術及應用》》二、感應同步器余弦繞組單獨供電所產生的感應電勢為

由于感應同步器的磁路系統可視為線性，可進行線性疊加，所以定尺上總的感應電勢為12機器人技術及應用》》二、感應同步器式中：K——定尺與滑尺之間的耦合系數；

——定尺與滑尺相對位移的角度表示量（電角度）T——節距，表示直線感應同步器的周期，標準式直線感應同步器的節距為2mm。利用感應電壓的變化可以求得位移X，從而進行位置檢測。13機器人技術及應用》》二、感應同步器3.測量方法根據對滑尺繞組供電方式的不同，以及對輸出電壓檢測方式的不同，感應同步器的測量方式有鑒相式和鑒幅式兩種工作法。14機器人技術及應用》》二、感應同步器(1)鑒相式工作法滑尺的兩個勵磁繞組分別施加相同頻率和相同幅值，但相位相差90o的兩個電壓，設從上式可以看出，只要測得相角，就可以知道滑尺的相對位移x：

15機器人技術及應用》》二、感應同步器2.鑒幅工作法在滑尺的兩個勵磁繞組上分別施加相同頻率和相同相位，但幅值不等的兩個交流電壓：由上式知，感應電勢的幅值隨著滑尺的移動作正弦變化。因此，可以通過測量感應電動勢的幅值來測得定尺和滑尺之間的相對位移。16機器人技術及應用》》三、磁柵位移傳感器1.磁柵式位移傳感器的結構

17機器人技術及應用》》三、磁柵位移傳感器2.原理：在用軟磁材料制成的鐵芯上繞有兩個繞組，一個為勵磁繞組，另一個為拾磁繞組，將高頻勵磁電流通入勵磁繞組時，當磁頭靠近磁尺時在拾磁線圈中感應電壓為：U0——輸出電壓系數；

——磁尺上磁化信號的節距；

χ——磁頭相對磁尺的位移；

ω——勵磁電壓的角頻率。

在實際應用中，需要采用雙磁頭結構來辨別移動的方向18機器人技術及應用》》三、磁柵位移傳感器3.測量方式(1)鑒幅測量方式如前所述，磁頭有兩組信號輸出，將高頻載波濾掉后則得到相位差為π/2的兩組信號兩組磁頭相對于磁尺每移動一個節距發出一個正（余）弦信號，經信號處理后可進行位置檢測。這種方法的檢測線路比較簡單，但分辨率受到錄磁節距λ的限制，若要提高分辨率就必須采用較復雜的信頻電路，所以不常采用。

19機器人技術及應用》》三、磁柵位移傳感器2.鑒相測量方式將一組磁頭的勵磁信號移相90°，則得到輸出電壓為在求和電路中相加，則得到磁頭總輸出電壓為則合成輸出電壓U的幅值恒定，而相位隨磁頭與磁尺的相對位置χ變化而變。讀出輸出信號的相位，就可確定磁頭的位置。

20機器人技術及應用》》2角位移檢測傳感器一、旋轉變壓器二、光電編碼器21機器人技術及應用》》一、旋轉變壓器1.結構如圖所示旋轉變壓器一般做成兩極電機的形式。在定子上有激磁繞組和輔助繞組，它們的軸線相互成90°。在轉子上有兩個輸出繞組——正弦輸出繞組和余弦輸出繞組，這兩個繞組的軸線也互成90°，一般將其中一個繞組（如Z1、Z2）短接。22機器人技術及應用》》一、旋轉變壓器2.原理旋轉變壓器在結構上與兩相繞組式異步電機相似，由定子和轉子組成。當以一定頻率（頻率通常為400Hz、500Hz、1000Hz及5000Hz等幾種）的激磁電壓加于定子繞組時，轉子繞組的電壓幅值與轉子轉角成正弦、余弦函數關系，或在一定轉角范圍內與轉角成正比關系。前一種旋轉變壓器稱為正余弦旋轉變壓器，適用于大角位移的絕對測量；后一種稱為線性旋轉變壓器，適用于小角位移的相對測量。23機器人技術及應用》》一、旋轉變壓器3.測量方式當定子繞組中分別通以幅值和頻率相同、相位相差為90°的交變激磁電壓時，便可在轉子繞組中得到感應電勢U3，根據線性疊加原理，U3值為激磁電壓U1和U2的感應電勢之和，即式中:k=w1/w2——旋轉變壓器的變壓比

w1、w2——轉子、定子繞組的匝數24機器人技術及應用》》一、旋轉變壓器

線性旋轉變壓器實際上也是正余弦旋轉變壓器，不同的是線性旋轉變壓器采用了特定的變壓比k和接線方式，如右圖。這樣使得在一定轉角范圍內（一般為±60°），其輸出電壓和轉子轉角θ成線性關系。此時輸出電壓為25機器人技術及應用》》二、光電編碼器1.增量式編碼器結構26機器人技術及應用》》二、光電編碼器2.增量式編碼器工作原理鑒向盤與主碼盤平行，并刻有a、b兩組透明檢測窄縫，它們彼此錯開1/4節距，以使A、B兩個光電變換器的輸出信號在相位上相差90°。工作時，鑒向盤靜止不動，主碼盤與轉軸一起轉動，光源發出的光投射到主碼盤與鑒向盤上。當主碼盤上的不透明區正好與鑒向盤上的透明窄縫對齊時，光線被全部遮住，光電變換器輸出電壓為最小；當主碼盤上的透明區正好與鑒向盤上的透明窄縫對齊時，光線全部通過，光電變換器輸出電壓為最大。主碼盤每轉過一個刻線周期，光電變換器將輸出一個近似的正弦波電壓，且光電變換器A、B的輸出電壓相位差為90°。經邏輯電路處理就可以測出被測軸的相對轉角和轉動方向。

27機器人技術及應用》》二、光電編碼器3.絕對式編碼器原理絕對式編碼器是把被測轉角通過讀取碼盤上的圖案信息直接轉換成相應代碼的檢測元件。編碼盤有光電式、接觸式和電磁式三種。光電式碼盤是目前應用較多的一種，它是在透明材料的圓盤上精確地印制上二進制編碼。如圖所示為四位二進制的碼盤，碼盤上各圈圓環分別代表一位二進制的數字碼道，在同一個碼道上印制黑白等間隔圖案，形成一套編碼。

28機器人技術及應用》》二、光電編碼器

黑色不透光區和白色透光區分別代表二進制的“0”和“1”。在一個四位光電碼盤上，有四圈數字碼道，每一個碼道表示二進制的一位，里側是高位，外側是低位，在360°范圍內可編數碼數為24=16個。29機器人技術及應用》》二、光電編碼器

工作時，碼盤的一側放置電源，另一邊放置光電接受裝置，每個碼道都對應有一個光電管及放大、整形電路。碼盤轉到不同位置，光電元件接受光信號，并轉成相應的電信號，經放大整形后，成為相應數碼電信號。

30機器人技術及應用》》二、光電編碼器4.絕對式編碼器非單值性誤差的消除(1).循環碼盤(或稱格雷碼盤)右圖所示為四位二進制循環碼。這種編碼的特點是任意相鄰的兩個代碼間只有一位代碼有變化，即“0”變為“1”或“1”變為“0”。因此，在兩數變換過程中，所產生的讀數誤差最多不超過“1”，只可能讀成相鄰兩個數中的一個數。

31機器人技術及應用》》二、光電編碼器(2).帶判位光電裝置的二進制循環碼盤該碼盤最外圈上的信號位的位置正好與狀態交線錯開，只有當信號位處的光電元件有信號時才讀數，這樣就不會產生非單值性誤差。

32機器人技術及應用》》一、直流測速發電機二、光電式速度傳感器三、差動變壓器式速度傳感器四、加速度傳感器6.2.3速度、加速度傳感器33機器人技術及應用》》一、直流測速發電機測速發電機的結構有多種，但原理基本相同。圖所示為永磁式測速發電機原理電路圖。恒定磁通由定子產生，當轉子在磁場中旋轉時，電樞繞組中即產生交變的電勢，經換向器和電刷轉換成正比的直流電勢。

直流測速發電機在機電控制系統中，主要用作測速和校正元件。在使用中，為了提高檢測靈敏度，盡可能把它直接連接到電機軸上。有的電機本身就已安裝了測速發電機。34機器人技術及應用》》二、光電式速度傳感器

光電脈沖測速原理如下圖所示。物體以速度V通過光電池的遮擋板時，光電池輸出階躍電壓信號，經微分電路形成兩個脈沖輸出，測出兩脈沖之間的時間間隔△t，則可測得速度為35機器人技術及應用》》二、光電式速度傳感器

光電式轉速傳感器是由裝在被測軸（或與被測軸相連接的輸入軸）上的帶縫圓盤、光源、光電器件和指示縫隙圓盤組成，如下圖所示。光源發出的光通過縫隙圓盤和指示縫隙盤照射到光電器件上，當縫隙圓盤隨被測軸轉動時，圓盤每轉一周，光電器件輸出與圓盤縫隙數相等的電脈沖，根據測量時間t內的脈沖數N，則可測得轉速為36機器人技術及應用》》三、差動變壓器式速度傳感器

差動變壓器式除了可測量位移外，還可測量速度。其工作原理如下圖所示。差動變壓器式的原邊線圈同時供以直流和交流電流，即37機器人技術及應用》》三、差動變壓器式速度傳感器

當差動變壓器以被測速度V=dx/dt移動時，在其副邊兩個線圈中產生感應電勢，將它們的差值通過低通濾波器濾除勵磁高頻角頻率后，則可得到與速度v（m/s）相對應的電壓輸出，即

差動變壓器漂移小，其主要性能為：測量范圍10~2000mm/s（可調），輸出電壓±10V（max），輸出電流±10mA（max），頻帶寬度≥500Hz。38機器人技術及應用》》四、加速度傳感器

作為加速度檢測元件的加速度傳感器有多種形式，它們的工作原理大多是利用慣性質量受加速度所產生的慣性力而造成的各種物理效應，進一步轉化成電量，來間接度量被測加速度。最常用的有應變片式和壓電式等。

39機器人技術及應用》》四、加速度傳感器

電阻應變式加速度計結構原理如下圖所示。它由重塊、懸臂梁、應變片和阻尼液體等構成。當有加速度時，重塊受力，懸臂梁彎曲，按梁上固定的應變片之變形便可測出力的大小，在已知質量的情況下即可計算出被測加速度。殼體內灌滿的粘性液體作為阻尼之用。這一系統的固有頻率可以做得很低。40機器人技術及應用》》四、加速度傳感器

壓電加速度傳感器結構原理如右圖所示。使用時，傳感器固定在被測物體上，感受該物體的振動，慣性質量塊產生慣性力，使壓電元件產生變形。壓電元件產生的變形和由此產生的電荷與加速度成正比。壓電加速度傳感器可以做得很小，重量很輕，故對被測機構的影響就小。壓電加速度傳感器的頻率范圍廣、動態范圍寬、靈敏度高、應用較為廣泛。41機器人技術及應用》》四、加速度傳感器下圖為一種空氣阻尼的電容式加速度傳感器。該傳感器采用差動式結構，有兩個固定電極，兩極板之間有一用彈簧支撐的質量塊，此質量塊的兩端經過磨平拋光后作為可動極板。當傳感器測量垂直方向的振動時，由于質量塊的慣性作用，使兩固定極相對質量塊產生位移，使電容C1、C2中一個增大，另一個減小，它們的差值正比于被測加速度。這種加速度傳感器的精度較高，頻率響應范圍寬，可以測得很高的加速度值。42機器人技術及應用》》電子羅盤，也叫數字羅盤，是利用地磁場來定北極的一種方法。古代稱為羅經，電子羅盤現代利用先進加工工藝生產的磁阻傳感器為羅盤的數字化提供了有力的幫助。現在一般有用磁阻傳感器和磁通門加工而成的電子羅盤。6.2.4電子羅盤及陀螺儀43機器人技術及應用》》6.2.4電子羅盤及陀螺儀電子磁羅盤的原理是利用磁傳感器測量地磁場。地球的磁場強度為0.5-0.6高斯，與地平面平行，永遠指向磁北極，磁場大致為雙極模式：在北半球，磁場指向下，赤道附近指向水平，在南半球，磁場指向上。無論何地，地球磁場的方向的水平分量，永遠指向磁北極，由此，可以用電子羅盤系統確定方向。電子羅盤有以下幾種傳感器組合：雙軸磁傳感器系統：由兩個磁傳感器垂直安裝于同一平面組成，測量時必需持平，適用于手持、低精度設備。三軸磁傳感器雙軸傾角傳感器系統：由三個磁傳感器構成X、Y、Z軸磁系統，加上雙軸傾角傳感器進行傾斜補償，同時除了測量航向還可以測量系統的俯仰角和橫滾角。適合于需要方向和姿態顯示的精度要求較高的設備。44機器人技術及應用》》1．三軸磁阻傳感器測量平面地磁場，雙軸傾角補償。2．高速高精度A/D轉換。3．內置溫度補償，最大限度減少傾斜角和指向角的溫度漂移。4．內置微處理器計算傳感器與磁北夾角。5．具有簡單有效的用戶標校指令。6．具有指向零點修正功能。7．外殼結構防水，無磁.

6.2.4電子羅盤及陀螺儀電子羅盤的特點：45機器人技術及應用》》6.2.4電子羅盤及陀螺儀移動機器人在行進的時候可能會遇到各種地形或者各種障礙。這時即使機器人的驅動裝置采用閉環控制，也會由于輪子打滑等原因造成機器人偏離設定的運動軌跡，并且這種偏移是旋轉編碼器無法測量到的。這時就必須依靠電子羅盤或者角速率陀螺儀來測量這些偏移，并作必要的修正，以保證機器人行走的方向不至偏離。另外一方面，商用的電子羅盤傳感器精度通常為0.5度或者更差。而如果機器人運動距離較長，0.5度的航向偏差可能導致機器人運動的線位移偏離值不可接受。46機器人技術及應用》》6.2.4電子羅盤及陀螺儀

ADXRS150速率陀螺ADXL203內部結構

注意：由于人體容易累積高達4000V的靜電，雖然ADXRS150ABG本身具有靜電保護，但仍有可能被高能量的靜電擊穿而不被察覺。因此，在使用時應遵守恰當的防靜電準則，以避免不必要的損失。1)通常應用：車輛底盤滾轉傳感，慣性測量單元IMU，平臺穩定，無人機控制，彈道測量等2)規格數據：在環境溫度25°C,工作電壓5V,角速率=0°/s,帶寬=80Hz(Cout=0.01μF),角速率0°/S,±1g,下測量。47機器人技術及應用》》6.2.5GPS全球導航系統GPS是美國軍方研制的衛星導航系統，即“GlobalPositioningSystem”全球定位系統的簡稱。

24顆GPS衛星在離地面1萬2千公里的高空上，以12小時的周期環繞地球運行，任意時刻在地面上的任意一點都可以同時觀測到4顆以上的衛星。48機器人技術及應用》》6.2.5GPS全球導航系統由衛星的位置精確可知，在GPS觀測中，我們可得到衛星到接收機的距離，利用三維坐標中的距離公式，利用3顆衛星，就可以組成3個方程式，解出觀測點的位置(X,Y,Z)。考慮到衛星的時鐘與接收機時鐘之間的誤差，實