传感器原理及应用

题目：工业机器人传感器原理及应用

学院：机械工程学院

专业：机械制造

班级：

学号：

学生姓名：

指导教师：冯治国老师

2013年12月10日

《传感器原理及应用》考核

要求：

1.提交调研报告一份（介绍整机电装备中2~3类传感器，包括装

备应用背景、传感器应用状况、传感器工作原理，测量电路、传感器检测信息与控制系统相互关联）

2.阐述明了、逻辑清楚、图表简洁

3.字数＞4000；

4.报告相似程度＞80%，按不及格处理；

5.交作业时间：12.10

工业机器人中传感器

技术的应用

前言

机器人在生活中和生产中占有越来越重要的地位和作用。特别实在生产中，它可以代替人的许多人的工作，不但可以完成人类的操作，还可以完成许多人类无法完成的工作；而且机器人的工作效率和精确度还远远高于人的人；另外还可以在一些人无法工作的特殊环境下工作。但是机器人是人类的智慧制造出来代替人类的一些工作的，它不像人类拥有视觉，听觉等感觉器官存在，无法去感觉外面的生活，他要怎么样才能像人类一样呢？因此传感器在机器人中就起到了至关重要的作用，它就像人的眼睛、耳朵、皮肤等感觉器官一样将外边的视觉、听觉等感觉传给机器人的大脑（cpu）进行处理，让机器人对自己定位，掌握其周围的情况，能够顺利完成其工作。

传感器为推动中国机器人产业快速有序发展立下了汗马功劳。传感器是用来检测机器人自身的工作状态，以及机器人智能探测外部工作环境和对象状态的核心部件。能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。

（一）传感器简介

1.1 传感器的定义

传感器是利用物体的物理、化学变化，并将这些变化变换成电信号（电压、电流、平率）的装置，通常由敏感元件、转换元件和基本转换电路组成，如图1所示。其中敏感元件的基本功能是将某种不易测量的物理量装换为容易测量的物理量；转换元件的功能是将敏感元件输出的物理量转换为电量，它与敏感元件一起构成传感器的主要部分；基本转换电路的功能是将敏感元件产生的不易测量的小信号进行变换，使传感器的信号输出符合具体工业系统的要求。

图1 传感器的组成

1.2 传感器的作用

传感器的作用是非常强大的，它可以代替人的感觉器官完成人的感觉器官的感官任务，但它的能力远远超过人，出来能感觉出人能感觉出的感觉外，还能检测到很多人无法通过感官发现的东西。和人的五大感官相比，光敏传感器就是人的视觉；声敏传感器就是人的听觉；气敏传感器就是人的嗅觉；化学传感器就是人的味觉；压敏、温敏、流体传感器就是人的触觉。

现代科学技术的发展，进入了许多新领域：例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到微米的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到瞬间反应。此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁场等等。显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。

传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。

由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。

1.3 传感器的特性

（1）传感器的主要特点是微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。

（2）传感器的性能指标有灵敏度、线性度、测量范围、精度、重复度、分辨率、响应时间、抗干扰能力。

1.4传感器的分类

传感器的分类方法比较多，常用的有以下几种：

（1）按传感器的检测范畴分类，可分为物理量传感器、化学量传感器、生物量传感器；

（2）安传感器的输出信号性质分类，可分为模拟传感器、数字传感器；

（3）按传感器的结构分类，可分为结构型传感器、物性型传感器、复合型传感器；

（4）按传感器的功能分类，可分为单功能、多功能、智能传感器；

（5）按传感器的转换原理分类，可分为机电传感器、光电传感器、热电传感器、磁电传感器、电化学传感器；

（6）按传感器的能源分类，可分为有源传感器、无源传感器。

（二）传感器的应用情况

工业机器人工作的稳定性和可靠性，依赖于机器人对工作环境的感觉和自主适应能力，因此需要高性能传感器和各传感器之间的协调工作。由于不同行业工作环境具有特殊性和不确定性，随着工业机器人的应用领域的不断扩大，对机器人的感觉系统的要求也不断提高，机器人感觉系统的设计由此成为机器人技术的一个重要发展方向。机器人的感觉系统的设计是实现机器人智能化的基础，主要表现在新型传感器的应用以及多传感器信息技术的融合上。

机器人在工作时，需要检测其自身的状态和作业对象与作业环境的状态，据此将工业机器人传感器分为内部传感器和外部传感器。内部传感器通常由位置、速度、及加速度传感器组成；外部传感器可进一步分为末端操作器传感器和环境传感器，其中末端操作器传感器有触觉传感器，力觉传感器，环境传感器有视觉传感器和超声波传感器等。本报告主要介绍两类传感器，位置和位移传感器以及触觉传感器。

（三）位置和位移传感器

工业机器人关节的位置控制是机器人最基本的控制要求，而对于位置和位移的检测也是机器人最基本的感觉要求。根据工作原理和组成不同可将位置和位移传感器分为电阻式位移传感器、电容式位移传感器、电感式位移传感器、编码式位移传感器、霍尔元件位移传感器、磁删式位移传感器。

3.1电位器式位移传感器

电位器是最常见的一种电阻式位置传感器。它由一个线绕电阻(或薄膜式电阻)和一个滑动触点组成。电位器式位移传感器分两类，一类是直线型电位器式位移传感器，另一类是旋转型电位器式位移传感器。

普通直线电位器和圆形电位器都可分别用作直线位移和角位移传感器。但是，为实现测量位移目的而设计的电位器，要求在位移变化和电阻变化之间有一个确定关系。电位器式位移传感器的可动电刷与被测物体相连。物体的位移引起电位器移动端的电阻变化。阻值的变化量反映了位移的量值，阻值的增加还是减小则表明了位移的方向。通常在电位器上通以电源电压，以把电阻变化转换为电压输出。线绕式电位器由于其电刷移动时电阻以匝电阻为阶梯而变化，其输出特性亦呈阶梯形。如果这种位移传感器在伺服系统中用作位移反馈元件，则过大的阶跃电压会引起系统振荡。因此在电位器的制作中应尽量减小每匝的电阻值。电位器式传感器的另一个主要缺点是易磨损。

它的优点是：结构简单，输出信号大，使用方便，价格低廉。

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。电位器式位移传感器是通过电位器元件将机械位移转换成与之成线性或任意函数关系的电阻或电压输出。

3.1.1直线型电位器式位移传感器

直线型电位器式位移传感器的工作原理图和实物图如图2和图3所示。