傳感器簡(jiǎn)介9.1氣體傳感器氣體傳感器又叫氣敏傳感器，主要用來(lái)監(jiān)測(cè)氣體中的特定成分，并將其變成相應(yīng)的電信號(hào)輸出。氣體傳感器的應(yīng)用很廣，在日常生活中，有檢測(cè)飲酒者呼氣中的酒精含量的傳感器；測(cè)量汽車(chē)空燃比的氧氣傳感器；家庭和工廠用的煤氣泄漏傳感器；火災(zāi)之后檢測(cè)建筑材料發(fā)出的有毒氣體傳感器；坑內(nèi)沼氣警報(bào)器等。9.1.1氣體傳感器的分類(lèi)氣體傳感器可分為半導(dǎo)體氣體傳感器、固體電解質(zhì)氣體傳感器和組合電位型傳感器等多種類(lèi)型，其中最常見(jiàn)的是半導(dǎo)體氣體傳感器。氣體傳感器的類(lèi)型雖然很多，但對(duì)它們有以下幾個(gè)基本要求：對(duì)被測(cè)氣體要有高的靈敏度；選擇性要好，即對(duì)和被測(cè)氣體共存的其他氣體不敏感；能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作；檢測(cè)和報(bào)警要迅速。9.1.2半導(dǎo)體氣體傳感器對(duì)于半導(dǎo)體氣體傳感器，按照半導(dǎo)體與氣體的相互作用是在其表面還是在其內(nèi)部，可分為表面控制型和體控制型兩種；按照半導(dǎo)體變化的物理性質(zhì)，又可分為電阻型和非電阻型兩種。電阻型半導(dǎo)體氣體傳感器是利用半導(dǎo)體接觸氣體時(shí)其阻值的改變來(lái)檢測(cè)氣體的成分或濃度;而非電阻型半導(dǎo)體氣體傳感器則是根據(jù)對(duì)氣體的吸附和反應(yīng)，使半導(dǎo)體的某些特性發(fā)生變化，對(duì)氣體進(jìn)行直接或間接檢測(cè)。下面簡(jiǎn)單介紹電阻型半導(dǎo)體氣體傳感器的基本原理。半導(dǎo)體氣體傳感器是利用氣體在半導(dǎo)體表面的氧化還原反應(yīng)導(dǎo)致敏感元件組織發(fā)生變化而制成的。9.2濕度傳感器濕度傳感器是用于感受大氣濕度并轉(zhuǎn)換成適當(dāng)電信號(hào)輸出的傳感器。濕度傳感器的分類(lèi)常見(jiàn)的濕度傳感器主要有兩大類(lèi)，一類(lèi)是水分子親和力型濕度傳感器；另一大類(lèi)是非水分子親和力型濕度傳感器。具體分類(lèi)見(jiàn)表9-1。表9-1濕度傳感器分類(lèi)9.2.2水分子親和力型濕度傳感器9.2.2.1氯化鋰濕度傳感器氯化鋰濕度傳感器是電解質(zhì)濕度傳感器的代表。它是利用電阻值隨環(huán)境相對(duì)濕度變化而變化的機(jī)理制成的。氯化鋰濕度傳感器的結(jié)構(gòu)是在條狀絕緣基片的兩面，用化學(xué)沉積或真空蒸鍍法做上電極，再浸漬一定比例配置的氯化鋰-聚乙烯醇混合溶液，經(jīng)老化處理，便制成了氯化鋰濕度傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖9-1所示。氯化鋰濕度傳感器的優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)滯后小，不受測(cè)試環(huán)境風(fēng)速影響，檢測(cè)精度高。缺點(diǎn)是耐熱性差，不能用于露點(diǎn)以下測(cè)量。若用作露點(diǎn)檢測(cè)，氯化鋰濕度傳感器必須3個(gè)月左右清洗一次和涂敷（浸漬）氯化鋰，故維護(hù)麻煩。9.2.2.2半導(dǎo)體陶瓷濕度傳感器半導(dǎo)體陶瓷濕度傳感器通常用兩種以上的金屬氧化物半導(dǎo)體材料混合燒結(jié)成多孔陶瓷，ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系和Fe3O4等。前三種材料的電阻率隨濕度增加而下降，故稱(chēng)為負(fù)特性濕度半導(dǎo)瓷；最后一種的電阻率隨濕度增加而增大，故稱(chēng)為正特性濕度半導(dǎo)瓷。9.2.2.3高分子電容式濕度傳感器高分子電容式濕度傳感器是利用濕度元件的電容值隨濕度變化的原理進(jìn)行濕度測(cè)量的。具有感濕的高分子聚合物，例如，乙酚丁酸纖維素和乙酸-丙酸纖維素等，做成薄膜，它們具有迅速吸濕和脫濕的能力。薄膜覆蓋在叉指形金電極上（下電極），然后在感濕薄膜表面上再蒸鍍一層多孔金屬膜（上電極），如此就構(gòu)成一個(gè)平行板電容器。結(jié)構(gòu)如圖9-2所示。當(dāng)環(huán)境中的水分子沿著上電極的毛細(xì)微孔進(jìn)入感濕膜而被吸附時(shí)，濕度元件的電容值與相對(duì)濕度之間具有正比關(guān)系。9.2.2.4石英振動(dòng)式濕度傳感器在石英晶片的表面涂敷聚胺脂高分子膜，當(dāng)膜吸濕時(shí)，由于膜的重量發(fā)生變化而使石英晶片振蕩頻率發(fā)生變化，不同的頻率就代表不同的濕度。9.2.3非水分子親和力型濕度傳感器水分子親和力型濕度傳感器，因?yàn)轫憫?yīng)速度低，可靠性差，不能很好地滿(mǎn)足人們使用的要求。隨著其他技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在人們正在開(kāi)發(fā)非水分子親和力型的濕度傳感器。例如，利用微波在含水蒸氣的空氣中傳播，水蒸氣吸收微波使其產(chǎn)生一定損耗而制成的微波型濕度傳感器;利用水蒸氣能吸收特定波長(zhǎng)的紅外線這一現(xiàn)象構(gòu)成的紅外濕度傳感器等。它們都能克服水分子親和力型濕度傳感器的缺點(diǎn)。因此，開(kāi)發(fā)非水分子親和力型濕度傳感器是濕度傳感器重要的研究方向。9.3微波傳感器9.3.1微波的基本知識(shí)微波是波長(zhǎng)很短（1m?1mm）、頻率很高300MHz?300GHz的電磁波，既具有電磁波的性質(zhì)，又不同于普通的無(wú)線電波和光波。微波具有以下特點(diǎn)：遇到各種障礙物易于反射；繞射能力差;傳輸特性良好，傳輸過(guò)程中受煙、灰塵和強(qiáng)光等的影響很??；介質(zhì)對(duì)微波的吸收與介質(zhì)的介電常數(shù)成比例，水對(duì)微波的吸收作用最強(qiáng)。9.3.2微波傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理微波振蕩器和微波天線是微波傳感器的重要組成部分。微波振蕩器是產(chǎn)生微波的裝置。由于微波波長(zhǎng)很短，頻率很高，要求振蕩回路非常小的電感和電容，因此，不能用普通晶體管構(gòu)成微波振蕩器。構(gòu)成微波振蕩器的器件有速調(diào)管、磁控管或某些固體元件。小型微波振蕩器也可以采用場(chǎng)效應(yīng)管。由微波振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號(hào)需要用波導(dǎo)管，波長(zhǎng)在10cm以上可用同軸線傳輸，并通過(guò)天線發(fā)射出去，為了使發(fā)射的微波信號(hào)具有一致的方向性，天線應(yīng)具有特殊的結(jié)構(gòu)和形狀。常用的天線有喇叭形天線和拋物面天線等。如圖9-3所示為幾種形式的微波天線。圖9-3微波天線由發(fā)射天線發(fā)出的微波，遇到被測(cè)物體時(shí)將被吸收或反射，使其功率發(fā)生變化。若利用接收天線接收透過(guò)被測(cè)物或由被測(cè)物反射回來(lái)的微波，并將它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再由測(cè)量電路處理，就實(shí)現(xiàn)了微波檢測(cè)。9.3.3微波傳感器的分類(lèi)反射式傳感器這種傳感器通過(guò)檢測(cè)被測(cè)物反射回來(lái)的微波功率或經(jīng)過(guò)時(shí)間間隔來(lái)表達(dá)被測(cè)物的位置和厚度等參數(shù)。遮斷式傳感器這種傳感器通過(guò)檢測(cè)接收天線接收到的微波功率的大小，來(lái)判斷發(fā)射天線與接收天線間有無(wú)被測(cè)物或被測(cè)物的位置等。9.3.4微波傳感器的應(yīng)用9.3.4.1微波液位計(jì)如圖9-4所示為微波液位計(jì)檢測(cè)示意圖，相距為S的發(fā)射天線和接收天線間構(gòu)成一定的角度。波長(zhǎng)為的微波從被測(cè)液位反射后進(jìn)入接收天線。接收天線接收到的功率將隨被測(cè)液面的高低不同而異。接收天線接收的功率，可表示為(9-1)圖9-4微波液位計(jì)檢測(cè)示意圖9.3.4.2微波物位計(jì)如圖9-5所示為微波開(kāi)關(guān)式物位計(jì)示意圖。當(dāng)被測(cè)物位較低時(shí)，發(fā)射天線發(fā)出的微波束全部由接收天線接收，經(jīng)放大器、比較器后發(fā)出正常工作信號(hào)。當(dāng)被測(cè)物位升高到天線所在的高度時(shí)，微波束部分被吸收，部分被反射，接收天線接收到的功率相應(yīng)減弱，經(jīng)放大器、比較器就可給出被測(cè)物位高出設(shè)定物位的信號(hào)。當(dāng)被測(cè)物低于設(shè)定物位時(shí)，接收天線接收到的功率P0為(9-2)被測(cè)物位升高到天線所在高度時(shí)，接收天線接收的功率Pr為(9-3)圖9-5微波開(kāi)關(guān)式物位計(jì)示意圖9.3.4.3微波濕度(水份)傳感器水分子是極性分子，常態(tài)下成偶極子形式雜亂無(wú)章地分布在物質(zhì)中。在外電場(chǎng)作用下，偶極子會(huì)形成定向排列。當(dāng)微波場(chǎng)中有水分子時(shí)，偶極子受場(chǎng)的作用而反復(fù)取向，不斷從電場(chǎng)中得到能量?jī)?chǔ)能，又不斷釋放能量放能，前者表現(xiàn)為微波信號(hào)的相移，后者表現(xiàn)為微波的衰減。這種特性可用水分子自身的介電常數(shù)來(lái)表征，即(9-4)9.3.4.4微波測(cè)厚儀9.4圖像傳感器機(jī)械量測(cè)量中有關(guān)形狀和尺寸的信息以圖像方式表達(dá)最為方便，目前較實(shí)用的圖像傳感器是用電荷耦合器件構(gòu)成的，簡(jiǎn)稱(chēng)CCD(ChargeCoupledDevice)。它分為一維的和兩維的，前者用于位移、尺寸的檢測(cè)，后者用于平面圖形、文字的傳遞°CCD器件具有集成度高、分辨率高、固體化、低功耗及自掃描能力等一系列優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測(cè)、電視攝像、高空攝像及人工智能等領(lǐng)域。9.4.1感光原理圖像是由像素組成行，由行組成幀。對(duì)于黑白圖像來(lái)說(shuō)，每個(gè)像素應(yīng)根據(jù)光的強(qiáng)弱得到不同大小的電信號(hào)，并且在光照停止之后仍能把電信號(hào)的大小保持記憶，直到把信息傳送出去，這樣才能構(gòu)成圖像傳感器。所以CCD圖像傳感器主要由光電轉(zhuǎn)換和電荷讀出轉(zhuǎn)移兩部分組成，光電轉(zhuǎn)換的功能是把入射光轉(zhuǎn)變成電荷，按像素組成電荷包存儲(chǔ)在光敏元件之中，電荷的電量反映該像素元的光線的強(qiáng)弱，電荷是通過(guò)一段時(shí)間積累起來(lái)的。CCD器件是MOS金屬-氧化物-半導(dǎo)體電容構(gòu)成的MOS電容光敏元件，能實(shí)現(xiàn)像素的光電轉(zhuǎn)換。在P型硅襯底上通過(guò)氧化形成一層二氧化硅，然后再淀積小面積的金屬鋁作為電極(稱(chēng)柵極)，其結(jié)構(gòu)雖是金屬-氧化物-半導(dǎo)體，但沒(méi)有擴(kuò)散源極和漏極，如圖9-8所示。P型硅里的多數(shù)載流子是空穴，少數(shù)載流子是電子。當(dāng)金屬電極上施加正電壓超過(guò)金屬電極與襯底間的開(kāi)啟電壓時(shí)，其電場(chǎng)能夠透過(guò)二氧化硅絕緣層對(duì)這些載流子進(jìn)行排斥或吸引，于是空穴被排斥到遠(yuǎn)離電極處，電子被吸引到緊靠二氧化硅層的表面上來(lái)。由于沒(méi)有源極向襯底提供空穴，在電極下形成一個(gè)P型耗盡區(qū)，這對(duì)帶負(fù)電的電子而言是一個(gè)勢(shì)能很低的區(qū)域一一陷阱，電子一旦進(jìn)入就不能復(fù)出，故又稱(chēng)為電子勢(shì)阱。當(dāng)器件受到光照射(光可從各電極的縫隙間經(jīng)過(guò)二氧化硅層射入，或經(jīng)襯底的薄P型硅射入)，光子的能量被半導(dǎo)體吸收，由于內(nèi)光電效應(yīng)產(chǎn)生電子一空穴對(duì)，這時(shí)出現(xiàn)的電子被吸引存儲(chǔ)在勢(shì)阱中。光越強(qiáng)，勢(shì)阱中收集的電子越多；光弱則反之。這樣就把光的強(qiáng)弱變成電荷的數(shù)量多少，實(shí)現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換。而勢(shì)阱中的電子是被存儲(chǔ)狀態(tài)，即使停止光照，一定時(shí)間內(nèi)也不會(huì)損失，這就實(shí)現(xiàn)了對(duì)光照的記憶?？傊?，上述結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)微小的MOS電容，用它構(gòu)成像素，既可感光又可留下潛影，感光作用是靠光強(qiáng)產(chǎn)生的電子積累電荷，潛影是各個(gè)像素留在各個(gè)電容里的電荷不等而形成的，若能設(shè)法把各個(gè)電容器里的電荷依次傳送到他處，再組成行和幀并經(jīng)過(guò)顯影，就實(shí)現(xiàn)了圖像的傳遞。圖9-8CCD基本結(jié)構(gòu)示意圖9.4.2轉(zhuǎn)移原理由于組成一幀圖像的像素總數(shù)太多，只能用串行方式依次傳送，在常規(guī)的攝像管里是靠電子束掃描的方式工作的，在CCD器件里也需要用掃描實(shí)現(xiàn)各像素信息的串行化。不過(guò)CCD器件并不需要復(fù)雜的掃描裝置，只需外加如圖9-9(a)所示的多相脈沖轉(zhuǎn)移電壓依次對(duì)并列的各個(gè)電極施加電壓就能辦到。圖中1、 2、 3是相位依次相差120。的3個(gè)脈沖源，其波形都是前沿陡峭后沿傾斜。若按時(shí)刻t1?t5分別分析其作用，可結(jié)合圖9-9(b)討論其工作原理。轉(zhuǎn) 移 電 壓轉(zhuǎn)移過(guò)程圖9-9CCD電荷轉(zhuǎn)換原理在排成直線的一維CCD器件里，電極1?9分別接在三相脈沖源上。將電極1?3視為一個(gè)像素，在1為正的t1時(shí)刻里受到光照，于是電極1之下出現(xiàn)勢(shì)阱，并收集到負(fù)電荷電子。同時(shí)，電極4和7之下也出現(xiàn)勢(shì)阱，但因光強(qiáng)不同，所收集到的電荷不等。在時(shí)刻t2，電壓1已下降，然而2電壓最高，所以電極2、5、8下方的勢(shì)阱最深，原先儲(chǔ)存在電極1、4、7下方的電荷部分轉(zhuǎn)移到2、5、8下方。到時(shí)刻t5,上述電荷已全部向右轉(zhuǎn)移一步。如此類(lèi)推，到時(shí)刻t5已依次轉(zhuǎn)移到電極3、6、9下方。二維CCD則有多行，在每一行的末端，設(shè)置有接收電荷并加以放大的器件，如圖9-10所示，此器件所接收的順序當(dāng)然是先接收距離最近的右方像素，依次到來(lái)的是左方像素，直到整個(gè)一行的各像素都傳送完。如果只是一維的，就可以再進(jìn)行光照，重新傳送新的信息；如果是二維的，就開(kāi)始傳送第二行，直至-幀圖像信息傳完，才可再進(jìn)行光照。9.5生物傳感器9.5.1生物傳感器的工作原理生物傳感器是利用各種生物或生物物質(zhì)做成用來(lái)檢測(cè)與識(shí)別生物體內(nèi)的化學(xué)成分的傳感器。生物或生物物質(zhì)主要是指各種酶、微生物和抗體等。其基本工作原理如圖9-11所示，它由生物敏感膜和變換器構(gòu)成。被測(cè)物質(zhì)經(jīng)擴(kuò)散作用進(jìn)入生物敏感膜層，經(jīng)分子識(shí)別，產(chǎn)生生物學(xué)反應(yīng)(物理、化學(xué)變化)，產(chǎn)生物理、化學(xué)現(xiàn)象或產(chǎn)生新的化學(xué)物質(zhì)，使相應(yīng)的變換器將其轉(zhuǎn)換成可測(cè)量和可傳輸、處理的電信號(hào)。9.5.2生物傳感器的分類(lèi)根據(jù)所用生物活體物質(zhì)的不同，可以把生物傳感器分為以下5類(lèi)：酶?jìng)鞲衅?、微生物傳感器、組織傳感器、細(xì)胞器傳感器和免疫傳感器。根據(jù)所用變換器器件的不同，可以把生物傳感器分為以下5類(lèi)：生物電極傳感器、光生物傳感器、熱生物傳感器、半導(dǎo)體生物傳感器和壓電晶體生物傳感器。9.5.3生物傳感器的特點(diǎn)根據(jù)生物反應(yīng)的奇異和多樣性，從理論上講，可以制造出檢測(cè)所有生物物質(zhì)的各類(lèi)生物傳感器。生物傳感器是在無(wú)試劑條件下工作的，比傳統(tǒng)的生物學(xué)和化學(xué)分析方法操作簡(jiǎn)便、快捷，準(zhǔn)確度高?？梢赃B續(xù)測(cè)量，并能聯(lián)機(jī)操作直接顯示出測(cè)量結(jié)果。9.5.4酶?jìng)鞲衅髅競(jìng)鞲衅魇怯擅该舾心ず碗娀瘜W(xué)器件構(gòu)成的。由于酶是蛋白質(zhì)組成的生物催化劑，能催化許多生物化學(xué)反應(yīng)。生物細(xì)胞的復(fù)雜代謝就是由成千上萬(wàn)個(gè)不同的酶控制的。酶的催化效率極高，而且具有高度專(zhuān)一性，即只能對(duì)特定待測(cè)生物量（底物）進(jìn)行選擇催化，并且具有化學(xué)放大作用。因此，利用的酶的特性可以制造出高靈敏度、選擇性好的傳感器。根據(jù)輸出信號(hào)不同，酶?jìng)鞲衅骺煞譃殡娏餍秃碗娢恍蛢煞N。其中，電流型是由與酶催化反應(yīng)有關(guān)物質(zhì)電極反應(yīng)所得到的電流來(lái)確定反應(yīng)物的濃度。而電位型是通過(guò)電化學(xué)傳感器測(cè)量敏感膜電位來(lái)確定與催化反應(yīng)有關(guān)的各種物質(zhì)濃度。9.5.5微生物傳感器用微生物作為分子識(shí)別元件制成的傳感器稱(chēng)為微生物傳感器。與酶相比，微生物更經(jīng)濟(jì)，耐久性也好。微生物本身就是具有生命活性的細(xì)胞，有各種生理機(jī)能。其主要機(jī)能是呼吸機(jī)能（氧氣的消耗）和新陳代謝機(jī)能（物質(zhì)的合成與分解），還有菌體內(nèi)的復(fù)合酶和能量再生系統(tǒng)等。因此在不損壞微生物機(jī)能的情況下，可將微生物用固定化技術(shù)固定在載體上就可以制作出微生物敏感膜。而采用的載體，一般是多孔酶酸纖維膜和膠原膜。微生物傳感器從工作原理上可分為呼吸機(jī)能型和代謝機(jī)能型。9.5.6免疫傳感器免疫傳感器的基本原理是免疫反應(yīng)。利用抗體能識(shí)別抗原與抗原結(jié)合的功能的生物傳感器稱(chēng)為免疫傳感器。它利用固定化抗體（或抗原）膜與相應(yīng)的抗原（或抗體）的特異反應(yīng)。此反應(yīng)的結(jié)果使生物敏感膜的電位發(fā)生變化，從而產(chǎn)生電信號(hào)。9.6機(jī)器人傳感器機(jī)器人是計(jì)算機(jī)控制的、能模擬人的感覺(jué)、手工操作和具有自動(dòng)行走能力的并可以完成一定工作的裝置。感知系統(tǒng)是機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)自主化的必須部分，感知系統(tǒng)離不開(kāi)各種各樣的傳感器，根據(jù)傳感器在機(jī)器人中的作用，機(jī)器人傳感器分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。9.6.1內(nèi)部傳感器9.6.1.1概述在有關(guān)工業(yè)機(jī)器人功能的術(shù)語(yǔ)中，“內(nèi)部”測(cè)量功能定義為測(cè)量機(jī)器人自身狀態(tài)的功能，所謂內(nèi)部傳感器，就是實(shí)現(xiàn)該功能的元件，具體檢測(cè)的對(duì)象有關(guān)節(jié)的線位移和角位移等幾何量，速度、角速度和加速度等運(yùn)動(dòng)量，還有傾斜角、方位角和振動(dòng)等物理量，對(duì)各種傳感器要求精度高、響應(yīng)速度快、測(cè)量范圍寬。內(nèi)部傳感器中，位置傳感器和速度傳感器是當(dāng)今機(jī)器人反饋控制中不可缺少的元件?，F(xiàn)已有多種傳感器大量生產(chǎn)，但傾斜角傳感器、方位角傳感器及振動(dòng)傳感器等用作機(jī)器人內(nèi)部傳感器的時(shí)間不長(zhǎng)，其性能尚需進(jìn)一步改進(jìn)。9.6.1.2內(nèi)部傳感器按功能分類(lèi)規(guī)定位置、規(guī)定角度的檢測(cè)檢測(cè)預(yù)先規(guī)定的位置或角度，可以用ON/OFF兩個(gè)狀態(tài)值，這種方法用于檢測(cè)機(jī)器人的起始原點(diǎn)、越限位置或確定位置。（1） 微型開(kāi)關(guān)：規(guī)定的位移或力作用到微型開(kāi)關(guān)的可動(dòng)部分（稱(chēng)為執(zhí)行器）時(shí)，開(kāi)關(guān)的電氣觸點(diǎn)斷開(kāi)或接通。限位開(kāi)關(guān)通常裝在盒里，以防外力的作用和水、油、塵埃的侵蝕。（2） 光電開(kāi)關(guān)：光電開(kāi)關(guān)是由LED光源和光敏二極管或光敏晶體管等光敏元件組成，相隔一定距離而構(gòu)成的透光式開(kāi)關(guān)。當(dāng)光由基準(zhǔn)位置的遮光片通過(guò)光源和光敏元件的縫隙時(shí)，光射不到光敏元件上，而起到開(kāi)關(guān)的作用。圖9-13旋轉(zhuǎn)變壓器原理圖編碼器。編碼器輸出表示位移增量的編碼器脈沖信號(hào)，并帶有符號(hào)。根據(jù)檢測(cè)原理，編碼器可分為光學(xué)式、磁式、感應(yīng)式和電容式。根據(jù)其刻度方法及信號(hào)輸出形式，分為增量式編碼器和絕對(duì)式編碼器。作為機(jī)器人位移傳感器，光電編碼器應(yīng)用最為廣泛。光電編碼器的工作原理如圖9-14所示，在圓盤(pán)上有規(guī)則地刻有透光和不透光的線條，在圓盤(pán)兩側(cè)，安放發(fā)光元件和光敏元件。當(dāng)圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光敏元件接收的光通量隨透光線條同步變化，光敏元件輸出波形經(jīng)過(guò)整形后變?yōu)槊}沖，碼盤(pán)上有相間標(biāo)志，每轉(zhuǎn)一圈輸出一個(gè)脈沖。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤(pán)還可提供相位相差90°的兩路脈沖信號(hào)。圖9-14光電編碼器工作原理及輸出波形絕對(duì)式編碼器與增量式編碼器不同之處在于圓盤(pán)上透光、不透光的線條圖形，絕對(duì)式編碼器可有若干編碼，根據(jù)讀出碼盤(pán)上的編碼，檢測(cè)絕對(duì)位置。編碼的設(shè)計(jì)可采用二進(jìn)制碼、循環(huán)碼和二進(jìn)制補(bǔ)碼等。磁編碼器在強(qiáng)磁性材料表面上記錄等間隔的磁化刻度標(biāo)尺，標(biāo)尺旁邊相對(duì)放置磁阻效應(yīng)元件或霍爾元件，即能檢測(cè)出磁通的變化。與光電編碼器相比，磁編碼器的刻度間隔大，但它具有耐油污和抗沖擊等特點(diǎn)。人們期待著磁編碼器和高分辨率的光電編碼器能盡早地用作機(jī)器人的內(nèi)傳感器。速度、角速度測(cè)量速度、角速度測(cè)量是驅(qū)動(dòng)器反饋控制中必不可少的環(huán)節(jié)，有時(shí)也利用測(cè)位移傳感器測(cè)量速度及檢測(cè)單位采樣時(shí)間位移量，然后用F/V轉(zhuǎn)換器變成模擬電壓，但這種方法有其局限性，在低速時(shí)，存在著不穩(wěn)定的危險(xiǎn)；而高速時(shí)，只能獲得較低的測(cè)量精度。最通用的速度、角速度傳感器是測(cè)速發(fā)電機(jī)或成為轉(zhuǎn)速表的傳感器、比率發(fā)電機(jī)。恒定磁場(chǎng)中的線圈發(fā)生位移，線圈兩端的感應(yīng)電壓E與線圈內(nèi)交鏈磁通的變化率成正比，輸出電壓為E=-d/dt根據(jù)這個(gè)原理，測(cè)量角速度的測(cè)速發(fā)電機(jī)，可按其構(gòu)造分為直流測(cè)速發(fā)電機(jī)、交流測(cè)速發(fā)電機(jī)和感應(yīng)式交流測(cè)速發(fā)電機(jī)。加速度測(cè)量隨著機(jī)器人的高速比、高精度化，由機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分剛性不足所引起的振動(dòng)問(wèn)題開(kāi)始提到日程上來(lái)了。為了解決振動(dòng)問(wèn)題，有時(shí)在機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)手臂等位置安裝加速度傳感器，測(cè)量振動(dòng)加速度，并把它反饋到驅(qū)動(dòng)器上。加速度傳感器分為以下幾種。應(yīng)變片加速度傳感器。應(yīng)變片加速度傳感器是由一個(gè)板簧支承重錘所構(gòu)成的振動(dòng)系統(tǒng)。在板簧兩面分別貼兩個(gè)應(yīng)變片，應(yīng)變片受振動(dòng)產(chǎn)生應(yīng)變，其電阻值的變化通過(guò)電橋電路的輸出電壓被檢測(cè)出來(lái)。伺服加速度傳感器。伺服加速度傳感器中振動(dòng)系統(tǒng)重錘位移變換成成正比的電流，把電流反饋到恒定磁場(chǎng)中的線圈，使重錘返回到原來(lái)的零位移狀態(tài)。由F=ma=ki，根據(jù)檢測(cè)的電流可以求出加速度。壓電感應(yīng)加速度傳感器。壓電感應(yīng)加速度傳感器是利用具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)，將加速度轉(zhuǎn)換為電壓，即U=Q/ACP=dijF/CP(9-6)a=UCP/dijFm(9-7)式中CP——壓電元件電容；dij——壓電常數(shù)；U——電壓；m 質(zhì)量。5.其他內(nèi)部傳感器除以上介紹的常用內(nèi)部傳感器外，還有一些根據(jù)機(jī)器人不同要求而安裝的不同功能的內(nèi)部傳感器，如用于傾斜角測(cè)量的液體式傾斜角傳感器、電解液式傾斜角傳感器、垂直振子式傾斜角傳感器，用于方位角測(cè)量的陀螺儀和地磁傳感器。這些傳感器有待于進(jìn)一步完善，從而更好地用于機(jī)器人上。9.6.2外部傳感器9.6.2.1概述為了檢測(cè)作業(yè)對(duì)象及環(huán)境或機(jī)器人與它們的關(guān)系，在機(jī)器人上安裝了觸覺(jué)傳感器、視覺(jué)傳感器、力覺(jué)傳感器、接近覺(jué)傳感器、超聲波傳感器和聽(tīng)覺(jué)傳感器，大大改善了機(jī)器人工作狀況，使其能夠更充分地完成復(fù)雜的工作。由于外部傳感器為集多種學(xué)科于一身的產(chǎn)品，有些方面還在探索之中，隨著外部傳感器的進(jìn)一步完善，機(jī)器人的功能越來(lái)越強(qiáng)大，將在許多領(lǐng)域?yàn)槿祟?lèi)作出更大貢獻(xiàn)。9.6.2.2外部傳感器按功能分類(lèi)1.觸覺(jué)傳感器觸覺(jué)是接觸、沖擊和壓迫等機(jī)械刺激感覺(jué)的綜合，觸覺(jué)可以用來(lái)進(jìn)行機(jī)器人抓取，利用觸覺(jué)可進(jìn)一步感知物體的形狀和軟硬等物理性質(zhì)。對(duì)機(jī)器人觸覺(jué)的研究，只能集中于擴(kuò)展機(jī)器人能力所必需的觸覺(jué)功能，一般把檢測(cè)感知和外部直接接觸而產(chǎn)生的接觸覺(jué)、壓力、觸覺(jué)及接近覺(jué)的傳感器稱(chēng)為機(jī)器人觸覺(jué)傳感器。接觸覺(jué)。接觸覺(jué)是通過(guò)與對(duì)象物體彼此接觸而產(chǎn)生的，所以最好使用手指表面高密度分布觸覺(jué)傳感器陣列，它柔軟、易于變形，可增大接觸面積，并且有一定的強(qiáng)度，便于抓握。接觸覺(jué)傳感器可檢測(cè)機(jī)器人是否接觸目標(biāo)或環(huán)境，用于尋找物體或感知碰撞。機(jī)械式傳感器：利用觸點(diǎn)的接觸斷開(kāi)獲取信息，通常采用微動(dòng)開(kāi)關(guān)來(lái)識(shí)別(物體的二維輪廓，由于結(jié)構(gòu)關(guān)系無(wú)法高密度列陣。彈性式傳感器：這類(lèi)傳感器都由彈性元件、導(dǎo)電觸點(diǎn)和絕緣體構(gòu)成。光纖傳感器：這種傳感器包括由一束光纖構(gòu)成的光纜和一個(gè)可變形的反射表面。光通過(guò)光纖束投射到可變形的反射材料上，反射光按相反方向通過(guò)光纖束返回。接近覺(jué)。接近覺(jué)是一種粗略的距離感覺(jué)，接近覺(jué)傳感器的主要作用是在接觸對(duì)象之前獲得必要的信息，用來(lái)探測(cè)在一定距離范圍內(nèi)是否有物體接近、物體的接近距離和對(duì)象的表面形狀及傾斜等狀態(tài)，一般用1和0兩種狀態(tài)表示。在機(jī)器人中，主要用于對(duì)物體的抓取和躲避。接近覺(jué)一般用非接觸式測(cè)量元件，如霍爾效應(yīng)傳感器、電磁式接近開(kāi)關(guān)和光學(xué)接近傳感器。以光學(xué)接近覺(jué)傳感器為例，其結(jié)構(gòu)如圖9-15所示。由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成。發(fā)光二極管發(fā)出的光經(jīng)過(guò)反射被光敏晶體管接收，接收到的光強(qiáng)和傳感器與目標(biāo)的距離有關(guān)，輸出信號(hào)Uout是距離x的函數(shù)：Uout=f(x)。紅外信號(hào)被調(diào)制成某一特定頻率，可大大提高信噪比。圖9-15光學(xué)接近覺(jué)傳感器滑覺(jué)。機(jī)器人在抓取不知屬性的物體時(shí)，其自身應(yīng)能確定最佳握緊力的給定值。當(dāng)握緊力不夠時(shí)，要檢測(cè)被握緊物體的滑動(dòng)，利用該檢測(cè)信號(hào)，在不損害物體的前提下，考慮最可靠的夾持方法，實(shí)現(xiàn)此功能的傳感器稱(chēng)為滑覺(jué)傳感器?；X(jué)傳感器有滾動(dòng)式和球式，還有一種通過(guò)振動(dòng)檢測(cè)滑覺(jué)的傳感器。物體在傳感器表面上滑動(dòng)時(shí)，和滾輪或環(huán)相接觸，把滑動(dòng)變成轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖9-16所示，在滑輪式滑覺(jué)傳感器中，滑動(dòng)物體引起滾輪滾動(dòng)，用磁鐵和靜止的磁頭，或光傳感器進(jìn)行檢測(cè)，這種傳感器只能檢測(cè)到一個(gè)方向的滑動(dòng)。球式傳感器用球代替滾輪，可以檢測(cè)各個(gè)方向的滑動(dòng)，振動(dòng)式滑覺(jué)傳感器表面伸出的