《傳感器技術(shù)》課件

機器人傳感技術(shù)2021/6/101參考書籍2021/6/1025.1緒論5.2感知系統(tǒng)實例5.3傳感器的靜態(tài)特性和動態(tài)特性5.4內(nèi)部傳感器5.5外部傳感器5.6機器人感知技術(shù)研究熱點5.7思考題本章內(nèi)容概要2021/6/103你了解自己的手機嗎？手機橫/豎屏幕切換微信搖一搖自動調(diào)整屏幕亮度射擊游戲電子地圖、導航……重力感應傳感器加速度傳感器光線感應器三軸陀螺儀GPS/電子羅盤2021/6/1041、傳感器在工業(yè)檢測和自動控制系統(tǒng)中的應用超聲波檢測電容指紋識別指紋形成電容器,凹凸不同2021/6/1052021/6/106

這種遙控器所利用的是一種肉眼看不見的紅外光，又稱為紅外線。電視機的遙控器中就是使用著光學傳感器。肉眼看不見2、傳感器與家用電器2021/6/107

這種麥克風是一種將聲音信號轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器。唱卡拉OK時使用的麥克風，也是一種傳感器。2021/6/108感應水龍頭自動門2021/6/109傳感器在機器人上的應用觸覺能力：主要指確定工作對象是否存在，以及它的尺寸大小和形狀等。接近覺：主要用于探測機器人自身與周圍物體之間相對位置或距離的傳感器。接近覺界于觸覺與視覺之間。視覺：孔、邊、拐角的檢測及工作對象形狀的檢測等。壓覺：主要用于檢測機器人與作業(yè)對象之間接觸面的法向壓力值的大小。滑覺：主要用于檢測物體因自重相對于機器人手爪的滑移量的大小。2021/6/1010多指靈巧手——手指傳感器系統(tǒng)指尖力/力矩傳感器

溫度傳感器手指關(guān)節(jié)力矩傳感器

關(guān)節(jié)位置傳感器

電機霍爾傳感器

基關(guān)節(jié)力矩傳感器

2021/6/1011仿人靈巧手的精細抓取操作2021/6/1012仿生控制（EEG）2021/6/1013傳感器：獲取信息（視覺、力覺、觸覺、聽覺、嗅覺、味覺等），實現(xiàn)機器人自動化§5-1

概述轉(zhuǎn)換電路物理信息化學信息生物信息電信號光信號敏感元件傳感器2021/6/1014傳感器的定義傳感器（Transducer/Sensor）的定義是：“能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置”。定義包含的意思：①傳感器是測量裝置，能完成檢測任務；②它的輸入量是某一種被測量，可能是物理量，也可能是化學量、生物量等。③它的輸出量是某種物理量，這種量應便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等等，這種量不一定是電量，還可以是氣壓、光強等物理量，但主要是電物理量；④輸出與輸入之間有確定的對應關(guān)系，且能達到一定的精度。

2021/6/1015輸出量為電量的傳感器，一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本轉(zhuǎn)換電路三部分組成。

敏感元件：它是直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。

轉(zhuǎn)換元件：將敏感元件的輸出轉(zhuǎn)換成一定的電路參數(shù)。有時敏感元件和轉(zhuǎn)換元件的功能是由一個元件（敏感元件）實現(xiàn)的。

基本轉(zhuǎn)換電路：將敏感元件或轉(zhuǎn)換元件輸出的電路參數(shù)轉(zhuǎn)換、調(diào)理成一定形式的電量輸出。如電壓、電流等

敏感元件基本轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換元件被測量中間量輸出電量2021/6/1016傳感器按照原理分類電位器式傳感器應變式傳感器壓阻式傳感器熱電式傳感器電容式傳感器變磁路傳感器壓電式傳感器2021/6/1017機器人用傳感器的類型（相對的）：內(nèi)部傳感器:檢測機器人內(nèi)部狀態(tài)信息的傳感器—位置、速度、力/力矩傳感器。外部傳感器檢測外部對象和外部環(huán)境。觸覺傳感器、聽覺傳感器、視覺傳感器等。2021/6/1018§5-3傳感器的靜態(tài)特性和動態(tài)特性

傳感器的基本特性：傳感器的輸入－輸出關(guān)系特性。是傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)作用關(guān)系的外部表現(xiàn)。

輸入信號分為：穩(wěn)態(tài)、動態(tài)對應傳感器特性：靜態(tài)特性、動態(tài)特性

對傳感器的要求：高精度－＞信號（或能量）無失真轉(zhuǎn)換－＞反映被測量的原始特征2021/6/1019一、傳感器的靜態(tài)特性

傳感器的靜態(tài)特性是指在穩(wěn)態(tài)條件下（傳感器無暫態(tài)分量）用分析或?qū)嶒灧椒ㄋ_定的輸入—輸出關(guān)系。這種關(guān)系可依不同情況，用函數(shù)或曲線表示，有時也用數(shù)據(jù)表格來表示。

表征傳感器靜態(tài)特性的主要指標有線性度、靈敏度、遲滯、重復性等。2021/6/1020

1.線性度是以一定的擬合直線作基準與校準曲線作比較，其不一致的最大偏差與理論滿量程輸出值的百分比來進行計算：式中：YFS＝y(tǒng)max－ymin——滿量程輸出電壓

2021/6/10212．遲滯

遲滯特性說明傳感器加載（輸入量增大）和卸載（輸入量減?。┹斎搿敵鎏匦郧€不重合的程度。

產(chǎn)生原因：傳感器機械部分存在摩擦、間隙、松動、積塵等2021/6/10223．重復性

重復性是指傳感器輸入按同一方向作全量程連續(xù)多次變動時所得特性曲線不一致的程度。

2021/6/10234．靈敏度

傳感器輸出變化量與引起該變化量的輸入變化量之比即為靜態(tài)靈敏度。

（擬合直線即為斜率）

5．分辨力分辨力是指傳感器可能檢測出被測信號的最小增量。

2021/6/10246.漂移

輸出量隨時間變化的現(xiàn)象，又稱時漂；反映傳感器的穩(wěn)定性指標；時間范圍：1小時、1天、1個月、半年或1年等。

7.溫漂

輸出量隨溫度變化的現(xiàn)象反映傳感器的穩(wěn)定性指標；2021/6/1025二、傳感器的動態(tài)特性1.概述傳感器的動態(tài)特性是指傳感器對激勵（輸入）的響應（輸出）特性。2.頻率特性及其與動態(tài)品質(zhì)之間的關(guān)系線性系統(tǒng)在正弦輸入作用下的輸出幅值與輸入幅值的比值稱為系統(tǒng)的幅頻特性，以或兩者統(tǒng)稱為頻率特性。表示。

表示；輸出與輸入之間隨頻率而變的相位特性稱為相頻特性，以2021/6/1026

在研究傳感器時域動態(tài)特性時，為表征傳感器的動態(tài)特性常用上升時間trs、響應時間tst、超調(diào)量c等參數(shù)來綜合描述。上升時間trs─

輸出從穩(wěn)定值的5％95％的時間；響應時間tst─

從開始到穩(wěn)定值所規(guī)定的范圍內(nèi)所需要的時間；超調(diào)量c─

輸出第一次達到穩(wěn)定值的最大偏差。

3.傳感器的動態(tài)時域特征2021/6/10274.傳感器的動態(tài)頻域特征特性關(guān)系式：拉氏變換：變形：傳遞函數(shù)：2021/6/1028§5-4

內(nèi)部傳感器（ProprioceptiveSensors）一、位置和姿態(tài)傳感器1.1電位器（Potentiometer）

電位器是典型的位置傳感器，將機械位移或其它能轉(zhuǎn)換為位移的非電量轉(zhuǎn)換為與其有一定函數(shù)關(guān)系的電阻值的變化，從而引起輸出電壓的變化。是一種電阻式傳感器2021/6/1029線繞電位器式傳感器工作原理及結(jié)構(gòu)線繞電位器結(jié)構(gòu)圖電阻系數(shù)很高的導線繞在絕緣骨架上，用電刷（活動觸點）調(diào)節(jié)阻值。

特點：結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，輸出特性精度高（可達0.1%）。壽命短，分辨力也較低。2021/6/1030線繞電位器實物圖UiRx0Rx(等效電路)2021/6/10311.2光電式傳感器原理首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后通過光電器件變換成電信號。輻射源光學通路光電器件輸出被測量被測量特性

頻譜寬、非接觸測量、體積小、重量輕等2021/6/1032分類：增量式：需要一個計數(shù)系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)的碼盤通過敏感元件給出一系列脈沖，它在計數(shù)器中對某個基數(shù)進行加或減，從而記錄了旋轉(zhuǎn)的位移量。絕對式：它可以在任意位置給出一個固定的與位置相對應的數(shù)字碼輸出。2021/6/1033第八章光電式傳感器

光學碼盤式傳感器是用光電方法把被測角位移轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼式表示的電信號的轉(zhuǎn)換部件。下圖是工作原理示意圖。1-光源；2-柱面鏡；3-碼盤；4-狹縫；5-元件。二、工作原理

由光源1發(fā)出的光線經(jīng)柱面鏡2變成平行光或會聚光，照射到碼盤3上。碼盤由光學玻璃制成，上面刻有許多同心碼道，每個碼道上都有按照一定規(guī)律排列的若干透光和不透光部分，即亮區(qū)和暗區(qū)。通過亮區(qū)的光線鏡狹縫4后，形成一束很窄的光束照射到光電元件5上。光電元件的排列與碼道一一對應。當有光照射時，光電元件的各種信號組合，反映出按一定規(guī)律編碼的數(shù)字量，代表了碼盤轉(zhuǎn)角的大小。2021/6/10341、增量式編碼器結(jié)構(gòu)及原理2021/6/10352、絕對式編碼器原理

絕對式光電編碼器是把被測轉(zhuǎn)角通過讀取碼盤上的圖案信息直接轉(zhuǎn)換成相應代碼的檢測元件。絕對式光電編碼器是在透明材料的圓盤上精確地印制上二進制編碼。2021/6/10361、下圖所示是一個6位的二進制碼盤。碼盤和碼制黑色不透光區(qū)和白色透光區(qū)分別代表二進制的“0”和“1”。在一個六位光電碼盤上，有六圈數(shù)字碼道，每一個碼道表示二進制的一位，里側(cè)是高位，外側(cè)是低位，在360°范圍內(nèi)可編數(shù)碼數(shù)為26=64個。2021/6/1037二進制碼盤大型碼盤是10到20圈。2021/6/10382、二進制碼盤的誤差問題

1）編碼器的精度取決于碼盤的精度，分辨率則決定于碼道的數(shù)目。措施：需要增大碼盤的尺寸以容納更多的碼道（對工藝提出很高要求）

2）同步困難：相鄰兩碼之間若有一個碼道提前或延后，會造成讀碼誤差。

解決措施：a、編碼技術(shù)；b、掃描技術(shù)

2021/6/10393、循環(huán)碼盤(Gray碼盤)

右圖為6位循環(huán)碼碼盤。（1）n位循環(huán)碼有2n種不同編碼；（2）循環(huán)碼為無權(quán)碼；（3）循環(huán)碼碼盤相鄰區(qū)域的編碼只有一位變化。2021/6/10403、格雷Gray碼盤

二進制高位變，低位也變，變化位數(shù)不定。格雷碼進位時只有一位變化。超過兩位變化有錯，糾錯。計算機內(nèi)部存有格雷碼與自然二進制碼轉(zhuǎn)換表2021/6/1041十進制數(shù)、直接二進制碼和循環(huán)碼對照表DBGDBG十進制二進制循環(huán)碼十進制二進制循環(huán)碼012345670000000100100011010001010110011100000001001100100110011101010100591011121314151000100110101011110011011110111111001101111111101010101110011000困難：循環(huán)碼變?yōu)槭M制數(shù)電路復雜2021/6/1042應用光學碼盤測角原理光放大鑒幅整形糾錯當量變換寄存顯示譯碼

光源聚光鏡碼盤狹縫光電元件

光源1通過大孔徑聚光鏡2形成均勻狹長的光束照射到碼盤3上。根據(jù)碼盤所處的轉(zhuǎn)角位置，位于狹縫4后面的一排光電元件5輸出相應的電信號。該信號經(jīng)過放大、鑒幅、整形后，再經(jīng)當量變換，最后譯碼顯示。糾錯電路和寄存電路在需要時采用。2021/6/1043組成：旋轉(zhuǎn)盤、光源、狹縫板、光電傳感器(光電二極管、光電晶體管)2021/6/10441.3傾角計（Inclinometer）傾角傳感器用于機器人俯仰、橫滾角的測量AngelStarAccuStarII/DAS202021/6/10451.4電子羅盤即數(shù)字羅盤。原理：測量地球磁場，水平面內(nèi)偏轉(zhuǎn)角度的測量。三軸可測俯仰、橫滾和偏轉(zhuǎn)。2021/6/10461.5陀螺儀（gyroscope）根據(jù)陀螺的力學性質(zhì)制成的：角動量守恒原理分類：壓電、光纖、激光陀螺儀?？梢酝铀俣扔?、磁阻芯片、GPS組合成慣性導航控制系統(tǒng)應用：飛機，iphone2021/6/10471.6速度傳感器測速發(fā)電機（tachogenerator）原理：將機械轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，輸出電壓與輸入轉(zhuǎn)速成正比2021/6/10482021/6/10491.7加速度傳感器（Accelerationsensor）2021/6/1050石英晶體的壓電機理對于不存在對稱中心的異極晶體加在晶體上的外力除了使晶體發(fā)生形變以外，還將改變晶體的極化狀態(tài)，在晶體內(nèi)部建立電場，這種由于機械力作用使介質(zhì)發(fā)生極化的現(xiàn)象稱為正壓電效應圖中“”代表Si4+，“”代表2O2-。2021/6/1051壓電式加速度計結(jié)構(gòu)2021/6/1052MEMS加速度傳感器

圖示加速度傳感器以MEMS加工技術(shù)為基礎(chǔ)，既能測量交變加速度（振動），也可測量慣性力或重力加速度。其工作電壓為2.7～5.25V，加速度測量范圍為數(shù)個g，可輸出與加速度成正比的電壓也可輸出占空比正比于加速度的PWM脈沖。2021/6/1053MEMS三軸加速度傳感器技術(shù)指標：靈敏度：500mV/g，量程：10g，頻率范圍：0.5-2000Hz，安裝諧振點:8kHz，分辨力：0.00004g，重量：200g，安裝螺紋：M5mm，線性誤差：≤1%2021/6/1054硅微加工加速度傳感器原理

1—加速度測試單元

2—信號處理電路

3—襯底

4—底層多晶硅（下電極）

5—多晶硅懸臂梁

6—頂層多晶硅（上電極）2021/6/1055

當它感受到上下振動時，C1、C2呈差動變化。與加速度測試單元封裝在同一殼體中的信號處理電路將ΔC轉(zhuǎn)換成直流輸出電壓。它的激勵源也做在同一殼體內(nèi)，所以集成度很高。由于硅的彈性滯后很小，且懸臂梁的質(zhì)量很輕，所以頻率響應可達1kHz以上，允許加速度范圍可達10g以上。

如果在殼體內(nèi)的三個相互垂直方向安裝三個加速度傳感器，就可以測量三維方向的振動或加速度。2021/6/1056加速度傳感器在汽車中的應用

加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。當測得的負加速度值超過設(shè)定值時，微處理器據(jù)此判斷發(fā)生了碰撞，于是就啟動轎車前部的折疊式安全氣囊迅速充氣而膨脹，托住駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。

裝有傳感器的假人氣囊2021/6/1057汽車氣囊的保護作用

使用加速度傳感器可以在汽車發(fā)生碰撞時，經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣。2021/6/10582021/6/1059？思考題為什么BCD碼制的碼盤會產(chǎn)生誤差？循環(huán)碼的特點。一個10碼道的循環(huán)碼碼盤，其最小分辨力為多少？2021/6/1060二、力/力矩傳感器(Force/TorqueSensors)2021/6/10612.1應變式傳感器

應變式式傳感器是基于金屬電阻的應變效應制成。1、金屬的電阻應變效應

金屬導體的電阻隨著機械變形（伸長或縮短）的大小發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為金屬的電阻應變效應。2021/6/1062金屬絲受拉時，l、r和R將如何變化？提出問題2021/6/1063結(jié)論：金屬絲受拉時，l變長、r變小，導致R變大。2021/6/1064lΔlΔrrFF

設(shè)一根長為l，截面積為S，電阻系數(shù)為ρ的電阻絲，其電阻值R為：導線兩端受到力F作用時2021/6/1065將上式取對數(shù)再微分，則引起電阻值變化dR：因，由材料力學可知：（徑向變化），式中泊松比表示電阻絲軸向的相對變化，也就是應變。2021/6/1066令則K——金屬電阻絲的相對靈敏度系數(shù)。金屬電阻絲的相對靈敏度系數(shù)受兩個因素影響：（1）受力后材料的幾何尺寸變化所引起的；即（2）受力后材料的電阻率發(fā)生變化引起的；即項項2021/6/10672、應變片的結(jié)構(gòu)

應變片由電阻絲（敏感柵）、基底、引線和粘合劑組成。2021/6/1068

敏感柵由很細的電阻絲（0.01~0.05mm）或箔式金屬片（厚度為3~10μm）組成。敏感柵常用下列材料制成：（1）康銅（銅鎳合金）：最常用；（2）鎳鉻合金：多用于動態(tài)；（3）鎳鉻鋁合金：作中、高溫應變片；（4）鎳鉻鐵合金：疲勞壽命要求高的應變片；（5）鉑及鉑合金：高溫動態(tài)應變測量。2021/6/10692021/6/1070電阻應變片的靈敏度系數(shù)定義為：為軸向應變。其中

實驗證明，電阻絲的應變靈敏度系數(shù)不等于電阻絲應變片的應變靈敏度系數(shù)，即。（電阻絲應變片存在橫向效應）2021/6/1071l0PP2bar圖4放大的柵狀電阻應變片及彎角部分示意圖縱向應變造成電阻增加，橫向應變造成電阻減少。2021/6/1072經(jīng)推導得：n——直線部分柵絲的數(shù)目；n-1——彎角部分的個數(shù)。

可見，即應變片存在橫向效應使應變片的靈敏度系數(shù)小于電阻絲的應變靈敏度系數(shù)。2021/6/1073小結(jié)金屬電阻應變片金屬絲式應變片箔式應變片金屬薄膜應變片應用較多

金屬絲式應變片使用最早，但由于金屬絲式應變片蠕變較大，金屬絲易脫膠，有逐漸被箔式所取代的趨勢。但其價格便宜，多用于應變、應力的大批量、一次性試驗。

箔式應變片與片基的接觸面積大得多，散熱條件較好，在長時間測量時的蠕變較小，一致性較好，能將溫度影響減小到最小的程度，適合于大批量生產(chǎn)。2021/6/1074

為安全起見，要求金屬材料的軸向應變最好不要大于1

10-3。即：要求其機械應變小引線覆蓋層基片敏感器☆金屬絲式應變片2021/6/1075

由于機械應變一般都很小,那么考慮通常采用直流電橋和交流電橋。提出問題？3、電阻應變片的測量轉(zhuǎn)換電路

要把微小應變引起的微小電阻變化測量出來；

同時要把電阻相對變化ΔR/R轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化。

應該采用什么測量轉(zhuǎn)換電路？回答2021/6/10761.直流電橋

由四個橋臂R1、R2、R3及R4和一個供橋電源U組成。R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋

電路特點：

當被測量無變化，四橋臂滿足一定的關(guān)系，輸出為零；當被測量發(fā)生變化時，測量電橋平衡被破壞，有電壓輸出。

電路組成其中，RL為負載電阻

Uo為電橋輸出電壓。2021/6/1077A.直流電橋a.電橋平衡條件R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋當電橋平衡時,Uo=0,則有：R1R4=R2R3

欲使電橋平衡,其相鄰兩臂電阻的比值應相等,或相對兩臂電阻的乘積相等。——電橋平衡條件結(jié)論：或2021/6/1078R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋分析：b.電壓靈敏度（1）R2,R3,R4為電橋固定電阻這就構(gòu)成了單臂電橋。R1為電阻應變片2021/6/1079（2）當R1產(chǎn)生應變時,若應變片電阻變化為ΔR1，其它橋臂固定不變，電橋輸出電壓Uo≠0R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋分析：b.電壓靈敏度電橋不平衡輸出電壓為:設(shè)橋臂比n=R2/R1考慮到平衡條件R2/R1=R4/R3且ΔR1/R1很小可忽略2021/6/1080電橋電壓靈敏度定義為：R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋分析：b.電壓靈敏度電橋不平衡輸出電壓為:2021/6/1081②電橋電壓靈敏度Ku=Ku(n)，恰當?shù)剡x擇橋臂比n的值，保證電橋具有較高的電壓靈敏度。分析可知：——電橋電壓靈敏度①電橋電壓靈敏度Ku正比于電橋供電電壓U

提出問題？當U值確定后,n值取何值時使Ku最高？

但供電電壓U的提高受到應變片允許功耗的限制，所以要作適當選擇;U↑→Ku↑2021/6/1082當dKu/dn=0時，求Ku的最大值。即：在電橋電壓確定后,當R1=R2=R3=R4時,電橋電壓靈敏度最高,此時有解決辦法：求得n=1時,

Ku為最大值

當電橋電壓U和電阻相對變化量ΔR1/R1一定時,電橋的輸出電壓及其靈敏度也是定值,且與各橋臂電阻阻值大小無關(guān)。

結(jié)論：2021/6/1083c.非線性誤差及其補償方法理想值實際值——非線性誤差如果是四等臂電橋,R1=R2=R3=R4,則提出問題？非線性誤差是否能滿足測量要求？2021/6/1084討論：非線性誤差是否能滿足測量要求？

對于一般應變片來說，所受應變ε通常在5×10-3以下。（1）若取K=2,則ΔR1/R1=Kε=0.01,代入上式計算得非線性誤差為0.5%;（2）若K=130,ε=1×１0-3時,ΔR1/R1=0.130,則得到非線性誤差為6%。結(jié)論：K較小時，非線性誤差能滿足測量要求；當K↑到某值時，非線性誤差已不能滿足測量要求。利用和兩式，有：必須予以減小和克服非線性誤差。如何解決？2021/6/1085解決辦法：——（1）差動電橋即：在試件上安裝兩個工作應變片,一個受拉應變,一個受壓應變,接入電橋相鄰橋臂,稱為半橋差動電路。2021/6/1086R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋單臂電橋R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋雙臂電橋（半橋式）R1測量R2R4R3abUoU單臂工作R1測量R2R4R3abUoU測量雙臂工作2021/6/1087解決辦法：——（1）差動電橋即：在試件上安裝兩個工作應變片,一個受拉應變,一個受壓應變,接入電橋相鄰橋臂,稱為半橋差動電路。測量R1R2R4R3abUoU測量半橋式（雙臂工作）該電橋輸出電壓為若則得2021/6/1088解決辦法：——（1）差動電橋☆呈線性關(guān)系；☆無非線性誤差；☆電橋電壓靈敏度K=U

/2,比單臂工作時提高一倍。結(jié)論：解決辦法：——（2）恒流源電橋（自學）非線性誤差減少，但不能消除，一般用于半導體應變片中。2021/6/1089應用1：電子秤原理將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化成結(jié)構(gòu)變形再通過應變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。2021/6/1090六維力/力矩傳感器應用2：六維力/力矩傳感器2021/6/10912021/6/10922021/6/1093§5-5

外部傳感器（ExteroceptiveSensors）1.視覺傳感器2021/6/1094例：二值視覺2021/6/1095圖像傳感器的工作原理特點：以電荷作為信號；基本功能：電荷的存儲和轉(zhuǎn)移；基本工作原理：信號電荷的產(chǎn)生信號電荷的存貯信號電荷的傳輸信號電荷的檢測2021/6/1096視覺傳感系統(tǒng)的應用1.零件識別、檢測與定位（生產(chǎn)線、工業(yè)機器人）視覺傳感系統(tǒng)在生產(chǎn)線上的應用2021/6/1097視覺傳感系統(tǒng)的應用2.產(chǎn)品檢驗視覺傳感系統(tǒng)應用于產(chǎn)品檢驗2021/6/1098視覺傳感系統(tǒng)的應用3.移動機器人導航視覺傳感系統(tǒng)應用于Rocky7火星機器人導航2021/6/1099視覺傳感系統(tǒng)的應用3.移動機器人導航Rocky7火星機器人視覺傳感系統(tǒng)獲得的障礙物圖像2021/6/10100視覺傳感系統(tǒng)的應用4.遙感監(jiān)測5.醫(yī)學檢測6.安全監(jiān)控7.國防領(lǐng)域5.其他五角大樓遙感圖像及其三維重建2021/6/10101立體視法立體視法(Stereoscopy)就是指同一物體的兩張具有輕微角度差別的照片放在一起（分別用左右雙眼）觀看，得到一種深度的感覺，從而產(chǎn)生常規(guī)立體視覺的方法。那么（最基本的）立體攝影就是（模擬雙眼的位置）從左右兩個具有輕微角度差異的觀察點分別拍攝同一個物體，然后將這兩幅照片以同樣的方式展示出來，讓左右攝像機分別采集左視覺和右視覺的照片，通過計算機的合成處理，我們就獲得了與人眼直接觀看被攝物體完全一致的、有立體深度的立體畫面。

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人類的眼睛就像是一套功能完整的攝影系統(tǒng)，具有變焦鏡頭、可變光圈以及能將光信號轉(zhuǎn)變成大腦可以識別的電信號。人類的兩只眼睛，都長在前面的臉部，呈左右排列，間隔約為65mm。在我們觀察物體時，由于兩只眼睛所處的角度有略微不同，兩只眼睛看到的圖像還是有略微差別的，我們的大腦將這兩幅畫面綜合在一起，形成一種有深度的視覺畫面。而一只眼睛看到的畫面是沒有前后深度的。更為重要的是，大腦能夠根據(jù)接受到的兩幅圖像中同一物體之間位差的大小判斷出此物體的深度和遠近，距離眼睛越遠，位差就越小，反之就越大。示意圖中顯示了這個過程的工作原理：（當我們觀看無窮遠的景物時）遙遠的太陽在兩幅圖像中的位置（幾乎）是相同，但是近處的樹的位置就有1/4英寸的差別了。

小科普：人類視覺原理2021/6/101032021/6/101042021/6/101052021/6/101062021/6/10107應用：仿人機器人頭部2021/6/10108觸覺作用:使操作動作適宜，視覺無法代替識別操作對象的屬性，如大小、重量等用于安全保護，躲避障礙，防止事故觸覺傳感器

一般認為觸覺包括接觸覺、壓覺、滑覺、力覺四種，狹義的觸覺按字面上來看是指前三種感知接觸的感覺。2021/6/10109接觸覺

觸覺傳感器應包含：(1)提供使傳感器跟待檢測物體接觸的手段；(2)通過附加額外傳感器確定觸覺傳感器的位置和取向；(3)實現(xiàn)獲取和解釋觸覺信息的“智能”功能。因此，觸覺器官應考慮手爪、致動器、換能器、信息處理等環(huán)節(jié)。最簡單也是最早使用的接觸覺傳感器是微動開關(guān)，但其需較大作用力，又響應時間長。2021/6/10110接觸覺傳感器常用的接觸傳感器有機械式(微動開關(guān)用的最多)陣列式2021/6/10111開關(guān)式觸覺傳感器接觸覺傳感器實例2021/6/10112觸覺傳感器壓敏電阻陣列與掃描電路

觸覺傳感器壓敏電阻陣列陣列掃描電路可以感知物體的輪廓2021/6/10113壓覺壓覺傳感器其實是接觸傳感器的引申。壓覺感知壓力的大小。壓覺中使人感興趣的是分布壓覺。通過高密度地配置這種傳感器，把同物體接觸時各點不同的壓力，變成相應的濃淡畫素，獲取物體形狀的信息。2021/6/10114滑覺傳感器

一般可將機械手抓取物體的方式分為兩種：硬抓取和軟抓取。

硬抓?。o感知時采用）：末端執(zhí)行器利用最大的夾緊力抓取工件。

軟抓?。ㄓ谢X傳感器時采用）：末端執(zhí)行器使夾緊力保持在能穩(wěn)固抓取工件的最小值，以免損傷工件。此時機器人要抓住物體，必須確定最適當?shù)奈樟Υ笮?。因此需檢測出握力不夠時物體的滑動，利用這一信號，在不損壞物體的情況下牢牢抓住物體。2021/6/10115

滑動覺

用于檢測物體接觸面之間相對運動大小和方向的傳感器。只限相對運動的檢測，非表面狀態(tài)檢測常用的滑動檢測方法：１、將滑動轉(zhuǎn)換成滾球和滾柱的旋轉(zhuǎn)；２、用壓敏元件和觸針，檢測滑動時的微小振動；2021/6/10116它由一個金屬球和觸針組成，金屬球表面分成許多個相間排列的導電和絕緣小格。觸針頭很細，每次只能觸及一格。當工件滑動時，金屬球也隨之轉(zhuǎn)動，在觸針上輸出脈沖信號，脈沖信號的頻率反映了滑移速度，個數(shù)對應滑移的距離。滾筒式滑覺傳感器2021/6/10117滑覺傳感器工作原理采用壓覺傳感器實現(xiàn)滑覺感知2021/6/10118從抓取穩(wěn)定性角度分析,基于摩擦錐理論2021/6/10119力敏電阻：阻值隨垂直施加在表面的力的增加而降低。力敏電阻2021/6/10120

接近覺傳感器

接近覺傳感器：是檢測對象物體與傳感器距離信息的一種傳感器。利用距離信息測出對象物體的表面狀態(tài)。接近覺是視覺傳感器功能的一部分，但它只給出距離信息，接近覺傳感器有電磁感應式、光電式、電容式、氣壓式、超聲波和微波式等多種。實際使用應根據(jù)對象物體性質(zhì)而定。接近覺感知對象接近的情況，其作用為：

(1)在接觸到對象前獲取信息，為后續(xù)動作先做準備；

(2)發(fā)現(xiàn)障礙物，規(guī)定行程范圍，以免碰撞；

(3)得到關(guān)于對象表面形狀的信息。目前常用的接近覺傳感器有磁力式和超聲波式，前者測距近，后者測距較遠。2021/6/10121一、電磁感應式接近覺傳感器變化的磁場將在金屬體內(nèi)產(chǎn)生感應電流。這種電流的流線在金屬體內(nèi)是閉合的，所以稱為渦旋電流（簡稱渦流），而渦流的大小隨金屬體表面與線圈的距離大小而變化。當電感線圈內(nèi)通以高頻電流時，金屬體表面的渦流電流反作用于線圈L，改變L內(nèi)的電感大小。通過檢測電感便可獲得線圈與金屬體表面的距離信息。2021/6/10122二、電容式接近覺傳感器利用平板電容器的電容C與極板距離d成反比的關(guān)系。其優(yōu)點是對物體的顏色、構(gòu)造和表面都不敏感且實時性好；其缺點是必須將傳感器本身作為一個極板，被接近物作為另一個極板。這就要求被測物體是導體且必須接地，大大降低了其實用性。2021/6/10123三、超聲波接近覺傳感器

由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn)。

2021/6/10124四、光電式接近覺傳感器2021/6/10125注意：這里所說的遠近是指紅外輻射在電磁波譜中與可見光的距離。

紅外線式接近覺傳感器2021/6/10126

紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射，一個熾熱物體向外輻射的能量大部分是通過紅外線輻射出來的。物體的溫度越高，輻射出來的紅外線越多，輻射的能量就越強。紅外光具有明顯的波粒二相性。紅外探測器的種類很多，按探測機理的不同，分為熱探測器和光子探測器兩大類。2021/6/101271.熱探測器

工作機理是：利用紅外輻射的熱效應，探測器的敏感元件吸收輻射能后引起溫度升高，進而使有關(guān)物理參數(shù)發(fā)生相應變化

熱探測器主要有四類：熱釋電型、熱敏電阻型、熱電阻型和氣體型。2021/6/10128熱釋電感應燈熱釋電傳感器2021/6/10129

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(chǎn)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2021/6/10130熱釋電傳感器的內(nèi)部電路兩塊反向串聯(lián)的熱