《機器人技術應用》 課件 6 機器人硬件電路

第6章機器人硬件電路教學目標《機器人技術應用》1.了解機器人常用的電池種類、特點，以及電池的使用注意事項。2.了解機器人常用的外接電源種類和特點。目錄頁PAGEOFCONTENT6.1機器人電源6.2機器人控制器6.3機器人傳感器6.1機器人電源6.1機器人電源移動機器人常用的電池有干電池、鉛酸蓄電池、鎳鎘鎳氫電池、鋰離子鋰聚合物動力電池等。1、干電池干電池（Drycell）是一種以糊狀電解液來產生直流電的化學電池（濕電池則為使用液態(tài)電解液的化學電池），大致上分為一次電池及二次電池兩種，是日常生活之中為普遍使用，以及輕便的電池。不僅適用于手電筒、半導體收音機、收錄機、照相機、電子鐘、玩具等，而且也適用于國防、科研、電信、航海、航空、醫(yī)學等國民經濟中的各個領域。6.1機器人電源6.1機器人電源1、干電池普通干電池大都是錳鋅電池。中間是正極碳棒，外包石墨和二氧化錳的混合物，再外是一層纖維網，網上涂有很厚的電解質糊，其構成是氯化銨溶液和淀粉，另有少量防腐劑。最外層是金屬鋅皮做的筒，也就是負極。6.1機器人電源1、干電池電池放電就是氯化銨與鋅的電解反應，釋放出的電荷由石墨傳導給正極碳棒，鋅的電解反應是會釋放氫氣的，這氣體是會增加電池內阻的，而和石墨相混的二氧化錳就是用來吸收氫氣的。但若電池連續(xù)工作或是用的太久，二氧化錳就來不及或已近飽和沒能力再吸收了，此時電池就會因內阻太大而輸出電流太小而失去作用。但此時若將電池加熱，或放置一段時間，它內部的聚集氫氣就會受熱放出或緩慢放出，二氧化錳也到了還原恢復，那電池就會有恢復活力。6.1機器人電源1、干電池隨著科學技術的發(fā)展，干電池已經發(fā)展成為一個大的家族，到目前為止已經約有100多種。普通鋅錳電池也稱碳性電池，是市場上最常見，最便宜的一種。根據采用的材料，制造工藝不同區(qū)分為普通型和“高能電池”（或稱高性能電池）。優(yōu)點：價格低廉；缺點：電容量低，不適合需要大電流和較長期連續(xù)工作的場合。6.1機器人電源1、干電池干電池的三項指標：1）標稱電壓：電池正常工作時的路端電壓。新電池或剛充完電的電池電壓會略高于額定電壓，開始使用后馬上就會落到這一值上，此后能在這一值上保持較長的時間。當低于該電壓后，電池電壓就會較快地下降，直至不能使用。2）容量：電池的電能量，一般用mAh表示。500mAh表示什么？3）存放期和自放電率。一般一次性電池有存放時間，約2-3年左右。這是由于電池在自由放置時的放電效應引起的，充電電池會自放電嗎？表示此電池以50mA的電流放電，能工作10小時。充電電池由于自放電率較高，一般直接給出自放電率，每月百分之幾。6.1機器人電源2、鉛酸蓄電池6.1機器人電源2、鉛酸蓄電池鉛酸蓄電池（Lead-acidbattery）主要由鉛及其氧化物制成，電解液是硫酸溶液的一種蓄電池。放電狀態(tài)下，正極主要成分為二氧化鉛，負極主要成分為鉛；充電狀態(tài)下，正負極的主要成分均為硫酸鉛。分為排氣式蓄電池和免維護鉛酸電池。6.1機器人電源2、鉛酸蓄電池2、鉛酸蓄電池電池主要由管式正極板、負極板、電解液、隔板、電池槽、電池蓋、極柱、注液蓋等組成。6.1機器人電源2、鉛酸蓄電池常用的鉛酸蓄電池主要分三大類：1）普通蓄電池：普通蓄電池的極板是由鉛和鉛的氧化物構成，電解液是硫酸的水溶液。優(yōu)點：電壓穩(wěn)定、價格便宜；缺點：比能低（即每公斤蓄電池存儲的電能）、使用壽命短和日常維護頻繁。6.1機器人電源2、鉛酸蓄電池常用的鉛酸蓄電池主要分三大類：2）干荷蓄電池：全稱是干式荷電鉛酸蓄電池。主要特點：負極板有較高的儲電能力，在完全干燥狀態(tài)下，能在兩年內保存所得到的電量，使用時，只需加入電解液，等過20—30分鐘就可使用。6.1機器人電源2、鉛酸蓄電池常用的鉛酸蓄電池主要分三大類：3）免維護蓄電池①由于自身結構上的優(yōu)勢，電解液的消耗量非常小，在使用壽命期內基本不需要補充蒸餾水。②使用壽命長，使用壽命一般為普通蓄電池的兩倍。③有耐震、耐高溫、體積小、自放電小的特點。6.1機器人電源2、鉛酸蓄電池應用：鉛酸蓄電池大多應用在牽引車、三輪車、汽車起動等，而免維護鉛酸蓄電池應用范圍更廣，包括不間斷電源、電動車動力、電動自行車電池等。6.1機器人電源2、鉛酸蓄電池電池的安裝、運輸和存儲、使用、運行檢查注意事項。6.1機器人電源3、鎳鎘鎳氫電池（1）鎳鎘電池鎳鎘電池（Ni-Cd，Nickel-CadmiumBatteries，Ni-CdRechargeableBattery）是最早應用于手機、超科等設備的電池種類。它具有良好的大電流放電特性、耐過充放電能力強、維護簡單。鎳鎘電池可重復500次以上的充放電，非常的經濟。內阻小，可供大電流的放電，當它放電時電壓的變化很小，作為直流電源是一種質量極佳的電池。因為采用完全密封式，因此不會有電解液漏出的現象，也完全不需要補充電解液。6.1機器人電源3、鎳鎘鎳氫電池（1）鎳鎘電池用途：大型袋式和開口式鎘鎳電池主要用于鐵路機車、礦山、裝甲車輛、飛機發(fā)動機等作起動或應急電源。圓柱密封式鎘鎳電池主要用于電動工具、剃須器等便攜式電器。小型扣式鎘鎳電池主要用于小電流、低倍率放電的無繩電話、電動玩具等。6.1機器人電源3、鎳鎘鎳氫電池（2）鎳氫電池鎳氫電池是由氫離子和金屬鎳合成，電量儲備比鎳鎘電池多30%，比鎳鎘電池更輕，使用壽命也更長，并且對環(huán)境無污染。鎳氫電池的缺點是價格比鎳鎘電池要貴好多，性能比鋰電池要差。6.1機器人電源3、鎳鎘鎳氫電池（2）鎳氫電池應用：用于消費性電子產品用于遙控玩具。用于混合動力車輛。用于能量再生系統(tǒng)，比如將汽車減速時產生的能量存儲在鎳氫充電電池中再利用。6.1機器人電源4、鋰電池鋰電池大致可分為兩類：鋰離子電池和鋰聚合物電池。鋰離子電池不含有金屬態(tài)的鋰，并且是可以充電的。可充電電池的第五代產品鋰金屬電池在1996年誕生，其安全性、比容量、自放電率和性能價格比均優(yōu)于鋰離子電池。由于其自身的高技術要求限制，現在只有少數幾個國家的公司在生產這種鋰金屬電池。鋰聚合物電池主要有以下幾類：鋰-氟化石墨電池、鋰-二氧化錳電池、鋰-亞硫酰氯電池、鋰-硫化鐵電池以及鋰-氧化銅電池等。6.1機器人電源4、鋰電池（1）鋰電池的特征高能量密度。鋰離子電池的重量是相同容量的鎳鎘或鎳氫電池的一半，體積是鎳鎘的20-30%，鎳氫的35-50%。高電壓。一個鋰離子電池單體的工作電壓為3.7V(平均值)，相當于三個串聯(lián)的鎳鎘或鎳氫電池。無污染。鋰離子電池不含有諸如鎘、鉛、汞之類的有害金屬物質。不含金屬鋰。鋰離子電池不含金屬鋰，因而不受飛機運輸關于禁止在客機攜帶鋰電池等規(guī)定的限制。6.1機器人電源4、鋰電池（1）鋰電池的特征循環(huán)壽命高。在正常條件下，鋰離子電池的充放電周期可超過500次，磷酸亞鐵鋰（以下稱磷鐵）則可以達到2000次。無記憶效應。記憶效應是指鎳鎘電池在充放電循環(huán)過程中，電池的容量減少的現象。鋰離子電池不存在這種效應?？焖俪潆姟Ｊ褂妙~定電壓為4.2V的恒流恒壓充電器，可以使鋰離子電池在1.5--2.5個小時內就充滿電；而新開發(fā)的磷鐵鋰電池，已經可以在35分鐘內充滿電。6.1機器人電源4、鋰電池（2）鋰電池的應用鋰錳電池一般有高于3.0伏的標稱電壓，更適合作集成電路電源，廣泛用于計算機、計算器、手表中。鋰離子電池大量應用在手機、筆記本電腦、電動工具、電動車、路燈備用電源、航燈、家用小電器上，可以說是最大的應用群體。6.1機器人電源6.1.2外接電源1.服務機器人外接電源把市電220V的電壓進得了降壓，降到適合服務機器人所需要的電壓，再提供給服務機器人，因此外接電源說成是電源適配器更恰當。6.1機器人電源6.1機器人電源6.1.2外接電源2.工業(yè)機器人外接電源工業(yè)機器人的外接電源一般是由專門的配電柜來提供，而且一般采用的都是交流電。供電電源采用三相五相制電源中的L1、L2、L3、PE四線供電。若現場沒有PE（地線），也可用N（零線）替代，但必須在配電柜里接線6.1機器人電源6.2機器人控制器6.2.1機器人控制器的類型機器人控制器是根據指令以及傳感信息控制機器人完成一定的動作或作業(yè)任務的裝置，它是機器人的心臟，決定了機器人性能的優(yōu)劣。作為機器人的核心部分，機器人控制器是影響機器人性能的關鍵部分之一，它從一定程度上影響著機器人的發(fā)展。6.2機器人控制器

1、機器人控制器的類型（1）從機器人控制算法的處理方式來看，可分為串行、并行兩種結構類型。

1）串行處理結構單CPU結構——集中控制方式二級CPU結構——主從式控制方式多CPU結構——分布式控制方式6.2機器人控制器

1、機器人控制器的類型目前，計算機控制器普遍采用上、下位機二級分布式結構，上位機負責整個系統(tǒng)管理以及運動學計算、軌跡規(guī)劃等。下位機由多CPU組成，每個CPU控制一個關節(jié)運動，這些CPU和主控機聯(lián)系是通過總線形式的緊耦合，這種結構的控制器工作速度和控制性能明顯提高。6.2機器人控制器

1、機器人控制器的類型以上幾種類型的控制器都是采用串行機來計算機器人控制算法，它們存在一個共同的弱點：計算負擔重、實時性差。所以大多采用離線規(guī)劃和前饋補償解耦等方法來減輕實時控制中的計算負擔，當機器人在運行中受到干擾時其性能將受到影響，更難以保證高速運動中所要求的精度指標。6.2機器人控制器

1、機器人控制器的類型

2）并行處理結構

并行處理技術是提高計算速度的一個重要而有效的手段，能滿足機器人控制的實時性要求。從文獻來看，關于機器人控制器并行處理技術，人們研究較多的是機器人運動學和動力學的并行算法及其實現。6.2機器人控制器

1、機器人控制器的類型

2）并行處理結構從機器人結構上，并行處理結構主要分為以下幾種：以單片機為核心的機器人控制系統(tǒng)；以PLC為核心的機器人控制系統(tǒng)；以工控機為核心的控制系統(tǒng)；6.2機器人控制器

1、機器人控制器的類型

2）并行處理結構（1）單片機為核心的機器人控制

一般用于服務機器人，它是把單片機（MCU）嵌入到運動控制器中，能夠獨立運行并且?guī)в型ㄓ媒涌诜绞椒奖闩c其他設備通訊。單片機是單一芯片集成了中央處理器、動態(tài)存儲器、只讀存儲器、輸入輸出接口等，利用它設計的運動控制器電路原理簡潔、運行性能良好、系統(tǒng)的成本低。6.2機器人控制器

1、機器人控制器的類型

2）并行處理結構（2）以PLC為核心的機器人控制

一般用于工業(yè)機器人。PLC即可編程邏輯控制器，一種用于自動化實時控制的數位邏輯控制器，專為工業(yè)控制設計的計算機，符合工業(yè)環(huán)境要求。它是自控技術與計算機技術結合而成自動化控制產品。6.2機器人控制器

1、機器人控制器的類型

2）并行處理結構（2）以PLC為核心的機器人控制優(yōu)點：技術成熟、編程方便，在可靠性、擴展性、對環(huán)境的適應性有明顯優(yōu)勢，并且有體積小、方便安裝維護、互換性強等，有整套技術方案供參考，縮短了開發(fā)周期。6.2機器人控制器

1、機器人控制器的類型

2）并行處理結構（2）以PLC為核心的機器人控制

缺點：和以單片機為核心的機器人控制系統(tǒng)一樣，不支持先進的復雜的算法，不能進行復雜的數據處理，雖然一般環(huán)境可靠性好但在高頻環(huán)境下運行不穩(wěn)定，不能滿足機器人系統(tǒng)的多軸聯(lián)動等復雜的運動軌跡。6.2機器人控制器

1、機器人控制器的類型

2）并行處理結構

3）工控機為核心的控制

一般用于工業(yè)機器人?；诠た貦C的控制器是機器人系統(tǒng)應用主流和發(fā)展趨勢。優(yōu)點：基于工控機控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)成本低，系統(tǒng)兼容性好，系統(tǒng)可靠性強，計算能力優(yōu)勢明顯，因此由于計算機平臺和嵌入式實時系統(tǒng)的使用為動態(tài)控制算法和復雜軌跡規(guī)劃提供了硬件方面的保障。6.2機器人控制器2、機器人控制器存在的問題開放性差，局限于“專用計算機、專用機器人語言、專用微處理器”的封閉式結構；軟件獨立性差，軟件結構及其邏輯結構依賴于處理器硬件，難以在不同的系統(tǒng)間移植；容錯性差，由于并行計算中的數據相關性、通訊及同步等內在特點，控制器的容錯性能變差，其中一個處理器出故障可能導致整個系統(tǒng)的癱瘓。

擴展性差，由于結構的封閉性，難以根據需要對系統(tǒng)進行擴展，如增加傳感器控制等功能模塊。6.2機器人控制器2、機器人控制器存在的問題解決方法：開放式結構機器人控制器，其主要思想是：

利用基于非封閉式計算機平臺的開發(fā)系統(tǒng)，有效利用標準計算機平臺的軟、硬件資源為控制器擴展創(chuàng)造條件。

利用標準的操作系統(tǒng)和控制語言，改變各種專用機器人語言并存且互不兼容的局面。

采用標準總線結構，使得如各種傳感器，I/O板、運動控制板等硬件可以很容易的集成到原系統(tǒng)。

利用網絡通訊，實現資源共享或遠程通訊。6.2機器人控制器

3、新型機器人控制器新型機器人控制器應有以下特色：●開放式系統(tǒng)結構。采用開放式軟件、硬件結構，可以根據需要方便的擴充功能，使其適用不同類型機器人或機器人化自動生產線?！窈侠淼哪K化設計。對硬件來說，根據系統(tǒng)要求和電氣特性，按模塊化設計，這不僅方便安裝和維護，而且提高了系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)結構也更為緊湊。●有效的任務劃分。不同的子任務由不同的功能模塊實現，以利于修改、添加、配置功能。6.2機器人控制器

3、新型機器人控制器新型機器人控制器應有以下特色：●實時性。機器人控制器必須能在確定的時間內完成對外部中斷的處理，并且可以使多個任務同時進行。●網絡通訊功能。利用網絡通訊的功能，以便于實現資源共享或多臺機器人協(xié)同工作?！裥蜗笾庇^的人機接口。6.2機器人控制器

6.2.2基于單片機的控制器單片機（Microcontrollers）是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術把具有數據處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計數器等功能（可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的微型計算機系統(tǒng)，在工業(yè)控制領域廣泛應用。單片機是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。6.2機器人控制器

1、單片機的組成單片機主要是由運算器、控制器和寄存器組成。

1）運算器由運算部件——算術邏輯單元（Arithmetic&LogicalUnit，簡稱ALU）、累加器和寄存器等幾部分組成。2）控制器由程序計數器、指令寄存器、指令譯碼器、時序發(fā)生器和操作控制器等組成，是發(fā)布命令的“決策機構”，即協(xié)調和指揮整個微機系統(tǒng)的操作。6.2機器人控制器

1、單片機的組成單片機主要是由運算器、控制器和寄存器組成。3）主要寄存器包括累加器A、數據寄存器DR、指令寄存器IR和指令譯碼器ID、程序計數器PC、地址寄存器AR6.2機器人控制器

2、單片機的分類單片機（Microcontrollers）作為計算機發(fā)展的一個重要分支領域，根據發(fā)展情況，從不同角度，單片機大致可以分為：通用型和專用型總線型和非總線型工控型和家電型6.2機器人控制器

2、單片機的分類（1）通用型和專用型這是按單片機適用范圍來區(qū)分的。例如，80C51式通用型單片機，它不是為某種專門用途設計的；專用型單片機是針對一類產品甚至某一個產品設計生產的，例如為了滿足電子體溫計的要求，在片內集成ADC接口等功能的溫度測量控制電路。6.2機器人控制器

2、單片機的分類（2）總線型和非總線型這是按單片機是否提供并行總線來區(qū)分的?？偩€型單片機普遍設置有并行地址總線、數據總線、控制總線，這些引腳用以擴展并行外圍器件都可通過串行口與單片機連接；另外，許多單片機已把所需要的外圍器件及外設接口集成一片內，因此在許多情況下可以不要并行擴展總線，大大減省封裝成本和芯片體積，這類單片機稱為非總線型單片機。6.2機器人控制器

2、單片機的分類（3）工控型和家電型這是按照單片機大致應用的領域進行區(qū)分的。工控型尋址范圍大，運算能力強；用于家電的單片機多為專用型，通常是小封裝、低價格，外圍器件和外設接口集成度高。顯然，上述分類并不是惟一的和嚴格的。例如，80C51類單片機既是通用型又是總線型，還可以作工控用。6.2機器人控制器

3、單片機的硬件特性●系統(tǒng)結構簡單，使用方便，實現模塊化；●單片機可靠性高，可以長時間穩(wěn)定工作；●處理功能強，速度快?！竦碗妷?，低功耗，便于生產便攜式產品●控制功能強●環(huán)境適應能力強。6.2機器人控制器

4、單片機控制器的應用（1）智能儀器，例如精密的測量設備（電壓表、示波器、功率計等）（2）工業(yè)控制，例如工廠流水線的智能化管理，電梯智能化控制等。（3）家用電器，如電飯煲、洗衣機、電冰箱、空調機、彩電、電子秤（4）網絡和通信，如移動電話、無線電對講機、小型程控交換機、樓宇自動通信呼叫系統(tǒng)、列車無線通信等（5）設備領域，例如醫(yī)用呼吸機，各種分析儀，監(jiān)護儀。（6）模塊化系統(tǒng)，如CD機（7）汽車電子，如發(fā)動機控制、GPS導航系統(tǒng)、abs防抱死系統(tǒng)等。6.2機器人控制器

4、單片機控制器的應用此外，單片機在工商、金融、科研、教育、電力、通信、物流和國防航空航天等領域都有著十分廣泛的用途。6.2機器人控制器6.2.3基于PLC的控制器PLC，即可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicController），是一種具有微處理機的數字電子設備，用于自動化控制的數字邏輯控制器，可以將控制指令隨時加載內存，進行儲存與執(zhí)行?？删幊炭刂破饔蓛炔緾PU，指令及資料內存、輸入輸出單元、電源模組、數字模擬等單元組合成。6.2機器人控制器6.2.3基于PLC的控制器PLC的作用：采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時，計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出，控制各種類型的機械或生產過程。是工業(yè)控制的核心部分。在可編程邏輯控制器出現之前，一般要使用成百上千的繼電器以及計數器才能組成具有相同功能的自動化系統(tǒng)，而現在，經過編程的簡單的可編程邏輯控制器模塊基本上已經代替了這些大型裝置6.2機器人控制器6.2機器人控制器

1、PLC控制器的基本結構

PLC實質是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結構基本上與微型計算機相同，基本構成為：

1）電源一般交流電壓波動在+10%(+15%)范圍內，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網上去。

2）中央處理單元(CPU)PLC的控制中樞。接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數據；檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態(tài)；診斷用戶程序中的語法錯誤。6.2機器人控制器1、PLC控制器的基本結構3）存儲器4）輸入輸出接口電路5）功能模塊，如計數、定位等功能模塊。6）通信模塊，如以太網、RS485、Profibus-DP通訊模塊等。6.2機器人控制器6.2機器人控制器2、PLC控制器的優(yōu)缺點優(yōu)點：1）配置方便2）安裝方便3）編程方便4）維修方便5）改用方便6.2機器人控制器2、PLC控制器的優(yōu)缺點缺點：PLC的體系結構是封閉的，各PLC廠家的硬件體系互不兼容，編程語言及指令系統(tǒng)也各異，當用戶選擇了一種PLC產品后，必須選擇與其相應的控制規(guī)程，并且學習特定的編程語言。6.2機器人控制器

6.2.4基于工控機的控制器工控機又叫工業(yè)控制計算機（IndustrialPersonalComputer—IPC），是一種加固的采用總線結構的增強型個人計算機，對生產過程及機電設備、工藝裝備進行檢測與控制的工具總稱。工控機具有重要的計算機屬性和特征，如具有計算機CPU、硬盤、內存、外設及接口，并有操作系統(tǒng)、控制網絡和協(xié)議、計算能力、友好的人機界面。6.2機器人控制器

6.2.4基于工控機的控制器工控行業(yè)的產品經常會在環(huán)境比較惡劣的環(huán)境下運行，對產品的易維護性、散熱、防塵、產品周期、甚至尺寸方面都有著嚴格的要求，對數據的安全性要求也更高，所以工控機通常會進行加固、防塵、防潮、防腐蝕、防輻射等特殊設計。6.2機器人控制器1、工控機的分類（1）按高度分類。一般分1U（44MM*430MM*XX），2U（88*430*XX），3U，4U（176MM*430MM*XX），5U，6U，7U，8U等，一個1U的高度是44MM，其他高度依次類推。（2）按長度分類。國際標準的長度有兩種450MM與505MM，根據客戶的具體要求還可以擴分其他長度，比如：480MM，500MM，520MM，530MM，600MM等；其中450MM~520MM的尺寸機箱占市場需求的90%以上。6.2機器人控制器1、工控機的分類（3）按懸掛形式分類。一般有臥式與壁掛式。（4）按使用場合分類。目前工控機的主要類別有五種：1）IPC（PC總線工業(yè)電腦）2）PLC（可編程控制系統(tǒng)）3）DCS（分散型控制系統(tǒng)）4）FCS（現場總線系統(tǒng)）5）CNC（數控系統(tǒng)）6.2機器人控制器2、工控機的主要組成結構1）硬盤架、光驅架：硬盤架分為分拆式和壓卡式兩種，品質優(yōu)異的機箱一般都帶金屬彈簧防震功能；安裝硬盤數量一般從4—15個；2）底板3）壓卡條：主要起固定作用。4）后槽的擴展：有7槽或14槽兩種；5）工控機箱的導熱6）工控機箱的抗震6.2機器人控制器2、工控機的主要組成結構

7）工控機箱的電磁屏蔽屏蔽主機工作時產生的電磁輻射，保護人體健康；還能有效地阻隔外部輻射干擾，保證計算機內部配件不受外部輻射影響。8）無源底板9）工業(yè)電源10）CPU卡，IPC的CPU卡有多種，根據尺寸可分為長卡和半長卡。

11）其他配件：IPC的其他配件基本上都與PC機兼容，主要有CPU、內存、顯卡、硬盤、軟驅、鍵盤、鼠標、光驅、顯示器等。6.2機器人控制器3、工控機的應用工控機控制器已被廣泛應用于工業(yè)及人們生活的方方面面。例如：控制現場、路橋控制收費系統(tǒng)、醫(yī)療儀器、環(huán)境保護監(jiān)測、通訊保障、智能交通管控系統(tǒng)、樓宇監(jiān)控安防、語音呼叫中心、排隊機、POS柜臺收銀機、數控機床、加油機、金融信息處理、石化數據采集處理、物探、野外便攜作業(yè)、環(huán)保、軍工、電力、鐵路、高速公路、航天、地鐵、智能樓宇、戶外廣告等。6.2機器人控制器4、工控機控制器的優(yōu)缺點

工控機與普通計算機相比必須具有以下優(yōu)點：①機箱采用鋼結構，有較高的防磁、防塵、防沖擊的能力。②機箱內有專用底板，底板上有PCI和ISA插槽。③機箱內有專門電源，電源有較強的抗干擾能力。④要求具有連續(xù)長時間工作能力。⑤一般采用便于安裝的標準機箱（4U標準機箱較為常見）。6.2機器人控制器4、工控機控制器的優(yōu)缺點與普通的商用計算機機相比，缺點如下：①配置硬盤容量小；②數據安全性低；③存儲選擇性小；④價格較高。6.3機器人傳感器6.3.1光電傳感器光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。它首先把被測量的變化轉換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉換成電信號的元器件。光電傳感器的工作基礎是光電效應。根據愛因斯坦假設，一個電子只能接受一個光子的能量，所以要使一個電子從物體表面逸出，必須使光子的能量大于該物體的表面逸出功，超過部分的能量表現為逸出電子的動能。根據能量守恒定理

式中m—電子質量；v0—電子逸出速度。該方程稱為愛因斯坦光電效應方程。光電子能否產生，取決于光電子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功A0。不同的物質具有不同的逸出功，即每一個物體都有一個對應的光頻閾值，稱為紅限頻率或波長限。光線頻率低于紅限頻率，光子能量不足以使物體內的電子逸出，因而小于紅限頻率的入射光，光強再大也不會產生光電子發(fā)射；反之，入射光頻率高于紅限頻率，即使光線微弱，也會有光電子射出。當入射光的頻譜成分不變時，產生的光電流與光強成正比。即光強愈大，意味著入射光子數目越多，逸出的電子數也就越多。

1.外光電效應在光線作用下能使電子逸出物體表面的現象稱為外光電效應，也稱光電發(fā)射效應。基于外光電效應的光電元件有光電管、光電倍增管等，如圖所示。光電管外形圖

光電倍增管的外形圖3.4.2光電元件基于外光電效應的光電元件——光電管

78光電管的結構示意圖

光陽極光電陰極光窗

光電管

光電管有真空光電管和充氣光電管，或稱電子光電管和離子光電管兩類。兩者結構相似，如圖。它們由一個陰極和一個陽極構成，并且密封在一只真空玻璃管內。陰極裝在玻璃管內壁上，其上涂有光電發(fā)射材料。陽極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管的中央。79普通光電管

在一個真空泡內裝有兩個電極：光電陰極和光電陽極。光電陰極通常是用逸出功小的光敏材料徐敷在玻璃泡內壁上做成，其感光面對準光的照射孔。當光線照射到光敏材料上，便有電子逸出，這些電子被具有正電位的陽極所吸引，在光電管內形成空間電子流，在外電路就產生電流。80光電管的結構和電路2.內光電效應

在光線作用下能使物體的電阻率改變的現象稱為內光電效應，基于內光電效應的光電元件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光敏晶閘管等。（a）熱電阻（b）光敏二極（c）光敏三極管3.4.2光電元件基于內光電效應的光電元件（1）光敏電阻

光敏電阻又稱光導管，是一種均質半導體光電元件。其工作原理是基于光電導效應，其阻值隨光照增強而減小。

光敏電阻具有靈敏度高、光譜響應范圍寬、體積小、重量輕、機械強度高、耐沖擊、耐振動、抗過載能力強和壽命長等特點。3.4.2光電元件

基于內光電效應的光電元件（1）光敏電阻1）結構與工作原理1--光導層;2--玻璃窗口;3--金屬外殼;4--電極;5--陶瓷基座;6--黑色絕緣玻璃;7--電阻引線。RG1234567(a)結構(b)電極(c)符號CdS光敏電阻的結構和符號

光敏電阻的靈敏度易受濕度的影響，因此要將導光電導體嚴密封裝在玻璃殼體中。3.4.2光電元件基于內光電效應的光電元件（2）光敏二極管(a)結構模型和符號(b)基本電路86

光敏二極管符號如圖。鍺光敏二極管有A，B，C，D四類；硅光敏二極管有2CU1A～D系列、2DU1～4系列。光敏二極管的結構與一般二極管相似、它裝在透明玻璃外殼中，其PN結裝在管頂，可直接受到光照射。光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)，如圖所示。PN光光敏二極管符號RL

光PN光敏二極管接線（2）光敏二極管3.4.2光電元件

基于內光電效應的光電元件（3）光敏三極管(a)結構模型

(b)基本電路88

光敏三極管有PNP型和NPN型兩種，如圖。其結構與一般三極管很相似，具有電流增益,只是它的發(fā)射極一邊做的很大,以擴大光的照射面積,且其基極不接引線。當集電極加上正電壓,基極開路時,集電極處于反向偏置狀態(tài)。PPNNNPeb

bcRLEec（3）光敏三極管89光敏三極管的結構和電路3.光生伏特效應

在光線作用下，物體產生一定方向電動勢的現象稱為光生伏特效應，基于光生伏特效應的光電元件有光電池等。6.3機器人傳感器光電傳感器的類型

按照被測物、光源、光電元件三者之間的關系，光電傳感器通常有以下四種類型：光電式傳感器的幾種形式（1）光源本身是被測物（2）恒定光源發(fā)出的光通量穿過被測物（3）恒定光源發(fā)出的光通量投射到被測物上（4）被測物處在恒定光源與光電元件的中間a）被測物是光源b）被測物吸收光通量c）被測物是有反射能力的表面d）被測物遮蔽光通量1-被測物2-光電元件3-恒光源6.3機器人傳感器(1)煙塵濁度監(jiān)測儀

防止工業(yè)煙塵污染是環(huán)保的重要任務之一。為了消除工業(yè)煙塵污染，首先要知道煙塵排放量，因此必須對煙塵源進行監(jiān)測、自動顯示和超標報警。煙道里的煙塵濁度是用通過光在煙道里傳輸過程中的變化大小來檢測的。如果煙道濁度增加，光源發(fā)出的光被煙塵顆粒的吸收和折射增加，到達光檢測器的光減少，因而光檢測器輸出信號的強弱便可反映煙道濁度的變化。光電傳感器的應用6.3機器人傳感器平行光源光電探測放大顯示刻度校正

報警器煙道吸收式煙塵濁度檢測系統(tǒng)原理圖6.3機器人傳感器(2)光電式濁度計和含沙量測量將裝有濁水的試管插入儀器中6.3機器人傳感器光電式濁度計工作原理1—恒流源2—半導體激光器3—半反半透鏡4—反射鏡5—被測水樣6、9—光電池

7、10—電流/電壓轉換器8—標準水樣

參比通道

6.3機器人傳感器1.反射式煙霧報警器

在沒有煙霧時，由于紅外對管相互垂直，煙霧室內又涂有黑色吸光材料，所以紅外LED發(fā)出的紅外光無法到達紅外光敏三極管。

當煙霧進入煙霧室后，煙霧的固體粒子對紅外光產生漫反射（圖中只畫出幾個微粒的反射示意），使部分紅外光到達光敏三極管，有光電流輸出。6.3機器人傳感器光電式轉速表

光電式轉速表屬于反射式光電傳感器，它可以在距被測物數十毫米外非接觸地測量其轉速。

n=60(f/z)

6.3機器人傳感器1.光電式帶材跑偏檢測器

光電傳感器

帶材走偏時，邊緣經常與傳送機械發(fā)生碰撞，易出現卷邊，造成廢品。

當帶材處于正確位置（中間位置）時，放大器輸出電壓Uo為零；當帶材左偏時，遮光面積減小，輸出電壓反映了帶材跑偏的方向及大小。

6.3機器人傳感器

現代化工業(yè)生產中，顏色檢測和顏色識別等的應用越來越多。例如，在包裝生產中機器要確定哪種產品放在什么顏色的包裝中、如何保證產品的正面朝向包裝盒的玻璃紙窗口等等。如何對物品的顏色進行識別和檢測？6.3機器人傳感器-色敏傳感器色敏傳感器常用于檢測特定色標或物體上的斑點，它是通過與非色標區(qū)相比較來實現色標檢測，而不是直接測量顏色。色敏傳感器是由光敏二極管和濾色器構成的一種傳感器，實際上它是一種新型的半導體光敏元件，其核心部件就是光敏二極管，它也是基于半導體的內光效應，將光信號變成為電信號的光輻射探測器件。6.3機器人傳感器-色敏傳感器1、色敏傳感器的分類（1）硒光電池最古老的光電探測器件，其特點是光譜響應幾乎與人眼一樣，常用于高端設備。（2）硅光電二極管和三極管在光照條件下硅光電二極管的短路電流與光能成正比；光電三極管也稱光電晶體管，在把光信號變?yōu)殡娦盘柕耐瑫r，還將信號電流放大。者靈敏度很高，但光譜相應曲線與人眼相差較遠，很難與濾色片配合達到滿意的效果。6.3機器人傳感器-色敏傳感器1、色敏傳感器的分類（3）半導體色敏器件即雙結光敏二極管，是半導體光敏傳感器的一種，是基于內光電效應將光信號轉換為電信號的光輻射探測器件?？芍苯訙y量從可見光到近紅外波段內單色輻射的波長，是一種新型的光敏器件。6.3機器人傳感器-色敏傳感器1、色敏傳感器的分類（4）非晶硅色敏傳感器目前已有三種類型的產品實用化。即：可見光傳感器：這種傳感器是指在整個可見光范圍內都具有靈敏度的全譜傳感器；非晶硅單色彩傳感器：是一種能識別紅、綠、蘭等特定顏色的彩色傳感器；非晶硅集成性全色彩色傳感器：這是一種除基色外還能識別中間顏色的彩色傳感器。6.3機器人傳感器-色敏傳感器2、色敏傳感器的基本原理色敏傳感器之所以能夠識別顏色，其理論基礎就是依據光的吸收特性，當入射到光敏二極管上的光照強度保持一定時，輸出的光電流則隨入射光的波長的變化而發(fā)生變化，實踐告訴我們，光敏二極管的光譜特性，從PN結表面開始，隨結的深度而變化。這樣由于光的波長不同，便可反映出顏色的差異。6.3機器人傳感器105各種色敏傳感器外形色敏傳感器能識別紅、綠、藍等顏色

6.3機器人傳感器色敏傳感器在流水線上檢測產品的顏色6.3機器人傳感器-色敏傳感器產品包裝色彩檢測、分選6.3機器人傳感器——紅外傳感器在自然界中，一切溫度高于絕對零度的物體都在不停地向周圍空間發(fā)出紅外輻射能量。物體的紅外輻射能量的大小及其按波長的分布——與它的表面溫度有著十分密切的關系。因此，通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準確地測定它的表面溫度，這就是紅外輻射傳感器檢測所依據的客觀基礎。6.3機器人傳感器——紅外傳感器紅外輻射溫度計是紅外傳感器的一個重要應用。紅外輻射溫度計既可用于高溫測量，又可用于冰點以下的溫度測量，所以是輻射溫度計的發(fā)展趨勢。市售的紅外輻射溫度計的溫度范圍可以從-30℃~3000℃，中間分成若干個不同的規(guī)格，可根據需要選擇適合的型號。6.3機器人傳感器——紅外傳感器紅外線輻射溫度計外形

激光僅用于瞄準6.3機器人傳感器——紅外傳感器紅外線輻射溫度計

在非接觸體溫測量中的應用耳溫儀6.3機器人傳感器——紅外傳感器紅外線輻射溫度計用于人體額溫測量6.3機器人傳感器——紅外傳感器

紅外線輻射溫度計在非接觸溫度測量中的應用集成IC溫度測量6.3機器人傳感器——紅外傳感器紅外線輻射溫度計在非接觸溫度測量中的應用利用紅色激光瞄準被測物（電控柜、天花板內的布線層）溫度采集系統(tǒng)6.3機器人傳感器——紅外傳感器115熱釋電傳感器在人體檢測、報警中的應用

熱釋電元件在紅外線檢測中得到廣泛的應用。它可用于能產生遠紅外輻射的人體檢測，如防盜門、賓館大廳自動門、自動燈的控制等。

熱釋電元件外形6.3機器人傳感器——紅外傳感器熱釋電傳感器簡介

熱釋電紅外傳感器是一種能檢測人或動物發(fā)射的紅外線而輸出電信號的傳感器。早在1938年，有人提出過利用熱釋電效應探測紅外輻射，但并未受到重視，直到六十年代才又興起了對熱釋電效應的研究和對熱釋電晶體的應用。熱釋電晶體已廣泛用于紅外光譜儀、紅外遙感以及熱輻射探測器。除了在樓道自動開關、防盜報警上得到應用外，在更多的領域得到應用。比如：在房間無人時會自動停機的空調機、飲水機；電視機能判斷無人觀看或觀眾已經睡覺后自動關機的電路；開啟監(jiān)視器或自動門鈴上的應用；攝影機或數碼照相機自動記錄動物或人的活動等等……

您可以根據自己的奇思妙想，結合其他電路開發(fā)出更加優(yōu)秀的新產品?；蜃詣踊刂蒲b置。6.3機器人傳感器——紅外傳感器117熱釋電套件Φ5mm接插件

吸頂式熱釋電報警器6.3機器人傳感器——紅外傳感器熱釋電報警器菲涅爾透鏡設定按鈕高分貝喇叭6.3機器人傳感器——紅外傳感器熱釋電傳感器應用

熱釋電傳感器用于自動亮燈，當然也可以用于防盜熱釋電傳感器的感應范圍6.3機器人傳感器——紅外傳感器120

智能空調能檢測出屋內是否有人，微處理器據此自動調節(jié)空調的出風量，以達到節(jié)能的目的。

空調中，熱釋電傳感器的菲涅爾透鏡做成球形狀，從而能感受到屋內一定空間角范圍里是否有人，以及人是靜止著還是走動著。上下范圍左右范圍熱釋電傳感器在智能空調中的應用6.3機器人傳感器——磁傳感器

課堂討論：如何對機器人電機的轉速進行檢測？6.3機器人傳感器——磁傳感器

機器人電機轉速的檢測，可以選擇磁電傳感器。

磁電式傳感器的工作原理是什么？其結構、特點如何？6.3機器人傳感器——磁傳感器磁是人們所熟悉的一種物理現象，因此磁傳感器具有古老的歷史。磁電感應式傳感器又稱磁電式傳感器,是利用電磁感應原理將被測量（如振動、位移、轉速等）轉換成電信號的一種傳感器。它不需要輔助電源，就能把被測對象的機械能轉換成易于測量的電信號，是一種只適合進行動態(tài)測量有源傳感器。由于它有較大的輸出功率，配用電路較簡單；零位及性能穩(wěn)定；工作頻帶一般為10～1000Hz，所以在工程中得到普遍應用。

磁電傳感器的工作原理

根據法拉第電磁感應原理。當匝數為N的線圈在磁場中運動而切割磁力線，或通過閉合線圈的磁通量ф發(fā)生變化時，線圈中將產生感應電勢e6.3機器人傳感器——磁傳感器1256.3機器人傳感器——磁傳感器根據以上原理有兩種磁電感應式傳感器：恒磁通式：磁路系統(tǒng)恒定，磁場運動部件可以是線圈也可以是磁鐵。變磁通式：線圈、磁鐵靜止不動，轉動物體引起磁阻、磁通變化。。恒磁通式6.3機器人傳感器——磁傳感器

1.恒磁通式恒磁通式磁電傳感器由永久磁鐵、線圈、彈簧、金屬骨架等組成。磁路系統(tǒng)產生恒定的直流磁場，磁路中的工作氣隙固定不變，因而氣隙中磁通也是恒定不變的。其運動部件可以是線圈（動圈式），也可以是磁鐵（動鐵式）當殼體隨被測振動體一起振動時，永久磁鐵與線圈之間的相對運動速度接近于振動體振動速度，磁鐵與線圈的相對運動切割磁力線，從而產生感應電動勢。NS永久磁鐵線圈彈簧動圈式磁電傳感器原理動圈式演示動鐵式演示6.3機器人傳感器——磁傳感器2.變磁通式變磁通式磁電傳感器的磁鐵和線圈都是靜止的，與被測物連接而運動的部分，是用導磁材料制成的。在運動過程中，它們改變磁路的磁阻，因而改變貫穿線圈的磁通量，在線圈中產生感應電動勢。

變磁通式磁電傳感器常用來測量轉速，線圈中產生感應電動勢的頻率作為輸出，而電勢的頻率取決于磁通變化的頻率。這種傳感器對環(huán)境條件要求不高，但輸出電勢取決于線圈中磁場改變速度，速度太低時，輸出電勢很小，將導致無法測量。所以這種傳感器有一個下限工作頻率，開磁路式一般為50Hz，閉磁路式可降至30Hz左右。

6.3機器人傳感器——磁傳感器2.變磁通式（a）開磁路變磁通式(b)閉磁路變磁通式6.3機器人傳感器——磁傳感器開磁路式轉速傳感器結構比較簡單，但輸出信號小，且因高速軸上加裝齒輪較危險而不宜測量高轉速。6.3機器人傳感器——磁傳感器測量電路

磁電式傳感器直接輸出感應電動勢，且傳感器通常具有較高的靈敏度，不需要高增益放大器。只用于動態(tài)測量，可直接測量線速度和角速度。思考：能否實現位移和加速度測量？加入積分和微分電路則可測量位移和加速度。

磁電感應式振動速度傳感器工作時，將傳感器安裝在機器上，在機器振動時，在傳感器工作頻率范圍內，線圈與磁鐵相對運動、切割磁力線，在線圈內產生感應電壓，該電壓值正比于振動速度值。與二次儀表相配接，即可顯示振動速度或位移量的大小。也可以輸送到其它二次儀表或交流電壓表進行測量。振動測量在測振時，傳感器固定或緊壓于被測系統(tǒng)，磁鋼4與殼體2一起隨被測系統(tǒng)的振動而振動。裝在芯軸6上的線圈5和阻尼環(huán)3組成慣性系統(tǒng)的質量塊并在磁場中運動。動圈式振動傳感器1—圓形彈簧片；2—殼體；3—圓環(huán)形阻尼器；4—永久磁鐵；5—工作線圈；6—心軸；9—引線振動監(jiān)測-動態(tài)展示磁電式扭矩傳感器139磁電感應式轉速傳感器的結構原理如圖所示。當安裝在被測轉軸上的齒輪（導磁體）旋轉時，其齒依次通過永久磁鐵兩磁極間的間隙，從而在線圈上輸出頻率和幅值均與軸轉速成比例的交流電壓信號u0。轉速測量由于感應電壓與磁通φ的變化率成比例，即

(W是線圈匝數）故隨著轉速下降輸出電壓幅值減小，當轉速低到一定程度時，電壓幅值會減小到無法檢測出來的程度。故這種傳感器不適合于低速測量。為提高低轉速的測量效果，可采用電渦流式轉速傳感器。6.3機器人傳感器——壓力傳感器在生活、生產中，我們常常需要對物體的重量進行檢測。用于測量物體重量（質量）的電子裝置稱為電子秤。課堂討論：這些電子秤的工作原理是什么呢？里面使用哪哪些傳感器呢？6.3機器人傳感器——壓力傳感器電阻應變式傳感器

電阻應變式傳感器是一種利用電阻應變效應，將力學量轉換為電信號的傳感器。應變式傳感器常用彈性敏感元件1．彈性敏感元件傳感器中由彈性材料制成的敏感元件。在傳感器的工作過程中，常采用彈性敏感元件把力、壓力、力矩、振動等被測量參量，轉換成應變量或位移量，然后再通過各種轉換元件把應變量或位移量轉換為電量。2．變換力的彈性敏感元件

指輸入量為力F，輸出量為應變或位移的彈性敏感元件。常用的變換力的彈性敏感元件有實心軸、空心軸、等截面圓環(huán)、變截面圓環(huán)、懸臂梁、扭轉軸等。應變式傳感器常用彈性敏感元件變換力的彈性敏感元件3．變換壓力的彈性敏感元件

在工業(yè)生產中，通常需要測量氣體或液體的壓力，變換壓力的彈性敏感元件有很多，見下圖。電阻應變片的工作原理1.電阻應變效應金屬導體或半導體在外力（如壓力等）作用時，會產生機械變形，其電阻值也相應地發(fā)生變化，這一物理現象稱為電阻應變效應。電阻應變片的工作原理電阻應變效應長度為L、橫截面積為A、電阻率為ρ的金屬絲其電阻為R=ρ(L/A)6.3機器人傳感器——壓力傳感器電阻應變片的應用——力的測量(應變式力傳感器)作為測力傳感器的彈性元件，其形式多種多樣，常見的有柱式、環(huán)式柱形、懸臂梁式等。＊電子稱應用案例原理將物品重量通過懸臂梁轉化結構變形再通過應變片轉化為電量輸出。＊電子稱應用案例應變式荷重傳感器的外形及應變片的粘貼位置FR1R2R4應變式荷重傳感器外形及受力位置（續(xù)）FF荷重傳感器原理演示

貼在荷重傳感器表面的應變片在向下力的作用下產生變形。軸向變短，徑向變長。汽車衡測量裝貨量或判斷是否超載汽車子午線輪胎胎壓的測量子午線輪胎汽車胎壓傳感器的安裝1）壓電效應

某些晶體，在一定方向受到外力作用時，內部將產生極化現象，相應地在晶體的兩個表面產生符號相反的電荷；當外力作用除去時，又恢復到不帶電狀態(tài)。當作用力方向改變時，電荷的極性也隨著改變，這種現象稱為壓電效應。

正（順）壓電效應示意圖F－－－－－－＋＋＋＋＋＋FFF＋＋＋＋＋＋－－－－－－2.壓電式壓力傳感器2.2.1壓電傳感器工作原理1.壓電效應2）

壓電式壓力傳感器結構圖引線殼體基座壓電晶片受壓膜片導電片p壓電式測壓傳感器當膜片受到壓力F作用后，在壓電晶片表面上產生電荷。在一個壓電片上所產生的電荷q為即：壓電式壓力傳感器的輸出電荷q與輸入壓強P成正比。6.3機器人傳感器——超聲波傳感器

在工業(yè)生產中，經常會使用各種密閉容器來儲存高溫、有毒、易揮發(fā)、易燃、易爆、強腐蝕性等液體介質，對這些容器的液位檢測必須使用非接觸式測量。那么應該使用什么傳感器對這些液體介質的液位進行檢測呢？6.3機器人傳感器——超聲波傳感器6.3機器人傳感器——超聲波傳感器超聲波液位傳感器可以勝任上述測量工作。超聲波液位傳感器屬于非接觸測量，可以避免直接與液體接觸，避免液體對傳感器探頭損壞，并且反應速度快。

超聲波傳感器的結構、工作原理是什么？6.3機器人傳感器——超聲波傳感器

超聲波是一種機械波，它方向性好，穿透力強，遇到雜質或分界面會產生顯著的反射。利用這些物理性質，可把一些非電量轉換成聲學參數，通過壓電元件轉換成電量。超聲波傳感器就是利用超聲波的特性，將非電量轉換為電量的測量元件。超聲波傳感器在無損探傷、厚度測量、流速測量、防盜等領域有廣泛應用。6.3機器人傳感器——超聲波傳感器什么是超聲波？

聲波是一種機械波，由于發(fā)聲體的機械振動，引起周圍彈性介質中質點的振動，并由近及遠的傳播。頻率在20～2x104Hz之間，能為人耳所聞的機械波，稱為聲波；低于20Hz的機械波，稱為次聲波；

高于2x104Hz的機械波，稱為超聲波。6.3機器人傳感器——超聲波傳感器次聲超聲可聽聲超聲是頻率大于兩萬赫茲的聲波。6.3機器人傳感器——超聲波傳感器

超聲波與可聞聲波不同，它可以被聚焦，具有能量集中的特點。超聲波霧化器超聲波加濕器6.3機器人傳感器——超聲波傳感器

超聲波被聚焦后，具有較好的方向性，在遇到兩種介質的分界面時，能產生明顯的反射和折射現象，這一現象類似于光波。便攜式超聲波探魚器6.3機器人傳感器——超聲波傳感器超聲波的反射和折射

由物理學知，當波在界面上產生反射時，入射角α的正弦與反射角α′的正弦之比等于波速之比。當波在界面處產生折射時，入射角α的正弦與折射角β的正弦之比，等于入射波在第一介質中的波速c1與折射波在第二介質中的波速c2之比，即6.3機器人傳感器——超聲波傳感器

（1）超聲波探頭是實現聲、電轉換的裝置，又稱超聲換能器或傳感器。下圖是超聲探頭外形。這種裝置能發(fā)射超聲波和接收超聲回波，并轉換成相應的電信號。超聲波探頭按其作用原理可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等數種，其中以壓電式為最常用。

超聲探頭外形圖超聲波換能器6.3機器人傳感器——超聲波傳感器

（1）超聲波探頭接觸式直探頭原理超聲脈沖電壓輸入端接地端6.3機器人傳感器——超聲波傳感器超聲波換能器（2）耦合技術耦合劑

超聲探頭與被測物體接觸時，探頭與被測物體表面間存在一層空氣薄層，空氣將引起三個界面間強烈的雜亂反射波，造成干擾，并造成很大的衰減。為此，必須將接觸面之間的空氣排擠掉，使超聲波能順利地入射到被測介質中。6.3機器人傳感器——超聲波傳感器超聲波傳感器的應用1.超聲波測厚度超聲波測厚常用脈沖回波法。下圖所示為脈沖回波法檢測厚度的工作原理。超聲波探頭與被測物體表面接觸。主控制器產生一定頻率的脈沖信號，送往發(fā)射電路，經電流放大后激勵壓電式探頭，以產生重復的超聲波脈沖。脈沖波傳到被測工件另一面被反射回來，被同一探頭接收。測厚度疊放高度測量紙卷直徑檢測

2.超聲波測液位在化工、石油和水電等部門，超聲波被廣泛用于油位、水位等的液位測量。如圖所示為脈沖回波式測量液位的工作原理圖。探頭發(fā)出的超聲脈沖通過介質到達液面，經液面反射后又被探頭接收。測量發(fā)射與接收超聲脈沖的時間間隔和介質中的傳播速度，即可求出探頭與液面之間的距離。根據傳聲方式和使用探頭數量的不同，可以分為單探頭液介式、單探頭氣介式、單探頭固介式和雙探頭液介式等數種。單探頭液介式

單探頭氣介式；

單探頭固介式；

雙探頭液介式脈沖回波式超聲液位測量6.3機器人傳感器——超聲波傳感器超聲波測量液位和物位原理

在液罐上方安裝空氣傳導型超聲發(fā)射器和接收器，根據超聲波的往返時間，就可測得液體的液面。

超聲波測量液位和物位

喇叭形超聲發(fā)生器測料位3.超聲波測流量超聲波流量傳感器的測定原理是多樣的，如傳播速度變化法、波速移動法、多普勒效應法等，但目前應用較廣的主要是超聲波傳輸時間差法。

超聲波流量傳感器具有不阻礙流體流動的特點，可測流體種類很多，不論是非導電的流體、高粘度的流體、漿狀流體，只要能傳輸超聲波的流體都可以進行測量。超聲波流量計可用來對自來水、工業(yè)用水、農業(yè)用水等進行測量。還可用于下水道、農業(yè)灌溉、河流等流速的測量。6.3機器人傳感器——超聲波傳感器測流量同側式超聲波流量計的使用

（參考北京菲波儀表有限公司資料）超聲波流量計現場使用

4.超聲波探傷

超聲波探傷是無損探傷技術中的一種主要檢測手段。主要用于檢測金屬板材、管材、鍛件和焊縫等材料的缺陷（如裂縫、氣孔、夾渣等）。優(yōu)點：檢測靈敏度高、速度快、成本，在生產實踐中得以廣泛應用。6.3機器人傳感器——超聲波傳感器5.2.3超聲波傳感器的應用

4.超聲波探傷

超聲波探傷方法多樣。1）穿透法探傷是根據超聲波穿透工件后能量的變化情況來判斷工件內部質量，適用于自動探傷，可避免盲區(qū)，適宜探測薄板。但是探測靈敏度較低，不能發(fā)現小缺陷，而且只根據能量的變化可判斷有無缺陷，不能定位。2）反射法探傷是根據超聲波在工件中反射情況的不同來探測工件內部是否有缺陷。無損探傷測距離美國的維吉尼亞級潛艇質量檢查緊固件的安裝錯誤檢測物件放置錯誤檢測透明塑料張力控制機械手定位平整度測量超長距離檢測流水線計數超聲波在醫(yī)學檢查中的應用

胎兒的

B超影像B-scanultrasoundimagingtechnology超聲波用于高效清洗

當弱的聲波信號作用于液體中時，會對液體產生一定的負壓，即液體體積增加，液體中分子空隙加大，形成許多微小的氣泡；

當強的聲波信號作用于液體時，則會對液體產生一定的正壓，即液體體積被壓縮減小，液體中形成的微小氣泡被壓碎。6.3機器人傳感器——超聲波傳感器超聲波清洗原理及清洗器

（參考湖南省瀏陽市醫(yī)用儀具廠、北京德泰隆科技發(fā)展有限責任公司資料）超聲換能器氣泡波浪清洗物超聲防盜報警器

圖中的上半部分為發(fā)射電路，下面為接收電路。發(fā)射器發(fā)射出頻率f=40kHz左右的超聲波。如果有人進入信號的有效區(qū)域，相對速度為v，從人體反射回接收器的超聲波將由于多普勒效應，而發(fā)生頻率偏移

f。

輸油管檢測檢測機器人6.3機器人傳感器——數字式傳感器數字傳感器是指將傳統(tǒng)的模擬式傳感器經過加裝或改造A/D轉換模塊，使之輸出信號為數字量(或數字編碼)的傳感器。廣義說，所有模擬式傳感器的輸出都可經過數字化（見模數轉換器）而得到數字量輸出，這種傳感器可稱為數字系統(tǒng)或廣義數字式傳感器。數字式傳感器的優(yōu)點是測量精度高、分辨率高、輸出信號抗干擾能力強和可直接輸入計算機處理等。6.3機器人傳感器——數字式傳感器1、數字傳感器的組成數字傳感器與模擬傳感器類似，主要是由敏感元器件、轉換元器件、變換電路和輔助電源4部分組成。具體包括放大器、A/D轉換器、微處理器（CPU）、存儲器、通訊接口、溫度測試電路等。6.3機器人傳感器——數字式傳感器2、數字傳感器的分類數字傳感器與模擬傳感器的分類也相似，根據其基本感知功能分為熱敏傳感器、光敏傳感器、氣敏傳感器、力敏傳感器、磁敏傳感器、濕敏傳感器、聲敏傳感器、放射線敏感傳感器、色敏傳感器和味敏傳感器等十大類。而數字傳感器相對于模擬傳感器就要簡單得多，它沒有那些復雜的帶有公式的特性曲線，轉而代替的是高電平與低電平信號，而相對控制器讀取的是0與1的信號。6.3機器人傳感器——數字式傳感器3、數字傳感器優(yōu)于模擬傳感器之處有：1）模擬傳感器容易受到強電干擾（如電焊）和浪涌影響（如雷擊），而數字傳感器有各種保護電路和防雷擊設計，大大保證了傳感器的正常工作。2）有故障報警提示。數字傳感器可以通過儀表來時刻監(jiān)視數字傳感器的工作狀況，發(fā)現某個傳感器出現故障時，可以自動報警。3）一致性好，免標定。數字傳感器在物品生產中，已用高精度標準測力機對傳感器輸出進行了標定，因此可以實現免標定。大大提高了工作效率。6.3機器人傳感器——數字式傳感器3、數字傳感器優(yōu)于模擬傳感器之處有：4）數字傳感器就是傳感器本身就將模擬量轉換成了數字量，省去了單片的AD轉換，節(jié)約了開發(fā)成本和簡化了電路結構。5）傳輸距離遠，通信速度快，防作弊。模擬傳感器的MV信號太小，容易受射頻干擾和電磁干擾，而且在信號傳輸過程當中由于電纜電阻的影響會造成信號衰減，所以傳輸距離較短（30米內）。數字傳感器的數字信號的電平高出數字傳感器數百倍，且不易受干擾，按照工業(yè)級的現場總線通信協(xié)議傳輸，通訊信號強，高速且糾錯能力強，由于協(xié)議的保密，無法對數字傳感器稱重系統(tǒng)作弊。6.3機器人傳感器——激光雷達傳感器1、什么是激光雷達傳感器？

激光雷達傳感器由發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、信息處理三部分組成。激光雷達的工作原理是利用可見和近紅外光波（多為950nm波段附近的紅外光）發(fā)射、反射和接收來探測物體。

激光雷達（LiDAR）是一種用于精確獲得三維位置信息的傳感器，好比人類的眼睛，可以確定物體的位置、大小、外部形貌甚至材質。它是通過激光測距技術探測環(huán)境信息的主動傳感器的統(tǒng)稱。它利用激光束探測目標，獲得數據并生成精確的數字工程模型。6.3機器人傳感器——激光雷達傳感器2、激光雷達傳感器的分類根據結構，激光雷達分為機械式激光雷達、固態(tài)激光雷達和混合固態(tài)激光雷達。6.3機器人傳感器——激光雷達傳感器（1）機械式激光雷達

機械激光雷達，是指其發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)存在宏觀意義上的轉動，也就是通過不斷旋轉發(fā)射頭，將速度更快、發(fā)射更準的激光從“線”變成“面”，并在豎直方向上排布多束激光，形成多個面，達到動態(tài)掃描并動態(tài)接收信息的目的。因為帶有機械旋轉機構，所以機械激光雷達外表上最大的特點就是自己會轉，個頭較大。6.3機器人傳感器——激光雷達傳感器（2）固態(tài)激光雷達