【導(dǎo)讀】傳感器一般由敏感元件，轉(zhuǎn)換元件及基本轉(zhuǎn)換電路三部分組成。電容）及電流或電壓等電信號(hào)。③基本轉(zhuǎn)換電路：是將該電信號(hào)轉(zhuǎn)換成便于傳輸，處理的電量。大多數(shù)傳感器為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，也有帶反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。如位移傳感器用于測(cè)量位移，溫度傳感器用于測(cè)量溫度。螺式、機(jī)械式、流體式。開(kāi)關(guān)型（二值型）：是“1”和“0”或開(kāi)和關(guān)；為高電平，“0”為低電平。是指?jìng)鞲衅鞯妮敵隽繉?duì)于隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性，簡(jiǎn)稱動(dòng)特性。1）高精度、低成本。1．測(cè)量范圍：是指?jìng)鞲衅髟谠试S誤差限內(nèi)，其被測(cè)量值的范圍；過(guò)載能力通常用允許超過(guò)測(cè)量上限或下限。靈敏度表示傳感器或傳感檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)被測(cè)物理量變化的反應(yīng)能力。反映非線性誤差的程度是線性度。線性度是以一定的擬合直線作基準(zhǔn)與校?！獃min）的百分比進(jìn)行計(jì)算。

　　

【正文】 體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 (2) 電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器 工作原理： 基于電渦流效應(yīng)。 利用 電渦流 位移傳感器 ，將傳感器靠近被測(cè)物上設(shè)定的等距標(biāo)記 (如凸齒 )安裝，當(dāng)被測(cè)物轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，傳感器輸出頻率與轉(zhuǎn)速成正比的信號(hào) 。 36 2）輸出特性 轉(zhuǎn)速 60 /n f z? f — 輸出周期信號(hào)的頻率， Hz； z — 被測(cè)物上標(biāo)記 (齒 )數(shù)； n — 被測(cè)轉(zhuǎn)速， r/min； 被測(cè)的角速度 ? （ rad/s）為 2 fz??? 陀螺式角速度傳感器 陀螺式角速度傳感器 分為： 轉(zhuǎn)子陀螺、壓電陀螺、激光陀螺、光纖陀螺 。 1)工作原理 利用 陀螺原理 工作：殼體以角速度 ? 繞 y 軸 旋轉(zhuǎn)，由于陀螺的進(jìn)動(dòng)性，產(chǎn)生與 ? 成比例的陀螺力矩，使框架和電位器電刷 繞 x 軸 轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度至平衡狀態(tài)，于是電位器輸出與 ? 成正比的電壓信號(hào)。 2) 特點(diǎn) 是一種慣性傳感器，安裝簡(jiǎn)單，使用方便，但有機(jī)械活動(dòng)部件，被測(cè)角速度范 圍177。 30176?！?77。 120176。 /s，質(zhì)量較大，成本高，壽命低。 轉(zhuǎn)子陀螺 y 軸為測(cè)量軸 /輸入軸； x 軸為輸出軸。 1) 工作原理 37 利用壓電晶體的壓電效應(yīng)工作 ， 分振梁型、雙晶片型、圓管型 三類 。 2) 性能和 特點(diǎn) 振梁型性能最好。 ?振梁型：動(dòng)態(tài)范圍（177。 5～ 7200）176。 /s 可調(diào)；穩(wěn)定可靠性好，適用于惡劣環(huán)境，平均無(wú)故障間隙 10000h，工作溫度（ 40～ 60℃ ）。 ?雙晶片型：動(dòng)態(tài)范圍（177。 30～177。 300）176。 /s； 體積小，壽命長(zhǎng)，響應(yīng)快，線性度好，滯后可忽略，功耗小，廉價(jià)，重量約 100g，可抑制振動(dòng)和加速度干擾。 ?圓管型：動(dòng)態(tài)范圍177。 60176。 /s， 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易批量生產(chǎn)，可靠性高，成本低，適用于精度要求不太高的穩(wěn)定系統(tǒng)。 3. 激光陀螺式角速度傳感器 1) 工作原理 利用環(huán) 形干涉 原理測(cè)量角速度。 轉(zhuǎn)動(dòng)改變 了兩路光的相位差，使干涉條紋移動(dòng)，移動(dòng)頻率正比于轉(zhuǎn)動(dòng)角速度 ? 。測(cè)出干涉條紋的移動(dòng)頻率，便可測(cè)出被測(cè)角速度。 角速度傳感器 1)工作原理 基于塞古納克效應(yīng)。兩路光的相位差 ?? （ rad/s）與角速度 ? 成正比。 2）特點(diǎn) 具有 無(wú)機(jī)械傳動(dòng)部件、無(wú)需預(yù)熱時(shí)間、對(duì)加速度不敏感、動(dòng)態(tài)范圍寬、體積小、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。 流速、 風(fēng)速傳感器 流速 和 流向 的工作原理 是依據(jù)發(fā)熱體與防止發(fā)熱體的流體介質(zhì)的 熱導(dǎo)率 ? 與流體流速相關(guān)原理 制成的。 半導(dǎo)體硅流速 傳感器輸出信號(hào)值的大小與流速的 平方根 成正比。 2uu K v vK??? ? ? ???? 38 加速度傳感器 工作原理 ：利用慣性質(zhì)量受加速度所產(chǎn)生的慣性力而造成的各種效應(yīng)，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為電量后間接度量被測(cè)加速度。 F ma??? 常用 加速度傳感器 的種類 ： 壓電式，應(yīng)變式，磁致伸縮式 。 壓電式加速度傳感器 的頻率范圍廣、動(dòng)態(tài)范圍寬、靈敏度高，故應(yīng)用較為廣泛。 壓電加速度傳感器 工作原理 是利用壓電陶瓷的 壓電效應(yīng) 可構(gòu)成不同使用要求的振動(dòng)加速度傳感器 。 常用的 三種原理結(jié)構(gòu) :壓縮型，剪切型，彎曲型 。 1)壓縮型 基體裝在被測(cè)物體上，質(zhì)量塊 1 產(chǎn)生慣性力，使壓電元件 2 產(chǎn)生變形，壓電元件產(chǎn)生與加速度成正比的電荷。 1Soa F F m g m a Q K F u K Q? ? ? ? ? ? ? ? SF — 彈簧預(yù)緊力。 2)剪切型 可忽略橫向加速度的影響，還能在高溫環(huán)境中使用。 3)彎曲型 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕和靈敏度高。但難粘貼。 1)特點(diǎn) 它可以作得很小，重量很輕，對(duì)被測(cè)機(jī)構(gòu)的影響就小。 壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，而輸出的能量很微弱， 因此在使用時(shí)，必須接 高輸入阻抗 、低輸出阻抗 的前置放大器 。放大器有兩種是 電壓放大器 和 電荷放大器。 電荷放大器 的 輸出電壓 ou 與反饋電容 fC 間的關(guān)系為 /ofu Q C?? 電荷放大器輸出電壓與電纜分布電容無(wú)關(guān) ，電纜長(zhǎng)度對(duì)靈敏度沒(méi)影響 。 (1)有電壓靈敏度和電荷靈敏度兩種； 39 (2)靈敏度隨質(zhì)量塊的增大或壓電片的增多而增大； (3)一般加速度傳感器的尺寸越大，其固有頻率越低 ； (4)橫向靈敏度表示它對(duì)橫向 (垂直于加速度傳感器軸線 )振動(dòng)的敏感 程度，常以主靈敏度的百分比表示， 一般應(yīng)小于 3%。 (阻抗頭 ) 阻抗頭下端是力傳感器與試件相接觸，上端為測(cè)量激振點(diǎn)響應(yīng)的加速度傳感器，能同時(shí)測(cè)量 激振力 和 振動(dòng)加速度 。 應(yīng)變式加速度傳感器 1． 工作原理 經(jīng)過(guò)質(zhì)量 彈簧慣性系統(tǒng)將加速度轉(zhuǎn)換為力，再將力作用于彈性元件，從而將力轉(zhuǎn)換為應(yīng)變，通過(guò)測(cè)量應(yīng)變可以測(cè)量加速度。 a F m a R u?? ? ? ? ? 1)懸臂梁應(yīng)變式 加速度傳感器 2)體電阻應(yīng)變片粘 貼式加速度傳感器 40 第五章 視覺(jué)、觸覺(jué)傳感器 視覺(jué)傳感器 概述 1． 視覺(jué)傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的 作用 有三種： ①進(jìn)行位置檢測(cè) ； ②進(jìn)行圖像識(shí)別 ； ③進(jìn)行物體形狀，尺寸缺陷的檢測(cè)。 2． 視覺(jué)傳感器（以光電變換為基礎(chǔ)）的組成及各組成環(huán)節(jié)的作用？ (1)照明部 :為了從被測(cè)物體得到光學(xué)信息而需要照明，是充分發(fā)揮傳感器性能的重要條件。 (2)接收 部 :由透鏡和 濾光 片組成，具有聚成光學(xué) 圖像或抽出有效信息的功能。 (3)光電轉(zhuǎn)換部：將光學(xué)圖像信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào) （光電效應(yīng)） 。 (4)掃描部：將二維圖像的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)間序列的一維信號(hào)。 通常 將 4 部分 制成 一體 ，構(gòu)成視覺(jué)傳感器 。 3． 工業(yè)電視攝像機(jī) 的種類：光導(dǎo)攝像管攝像機(jī)、 固體半導(dǎo)體攝像機(jī)。 在機(jī)器人領(lǐng)域，幾乎都是采用工業(yè)電視攝像機(jī)作為視覺(jué)傳感器 。 早期用光導(dǎo)攝像管的攝像機(jī)，目前主要用固體半導(dǎo)體攝像機(jī) 。 光電式攝像機(jī)原理 1． 光電式攝像機(jī) 工作原理 由 接收部分 、 光電轉(zhuǎn)換部分 和 掃描部分組成 的二 維視覺(jué)傳感器。其光導(dǎo)攝像管是一種兼有光電轉(zhuǎn)換功能和掃描功能的真空管，構(gòu)成 原理： 經(jīng)透鏡成像的光信號(hào)在攝像管的靶面上作為模擬量而被記憶下來(lái)。從陰極發(fā)射的電子束依次在靶面（光電轉(zhuǎn)換面）上掃描，將圖像的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成時(shí)間序列的電信號(hào)輸出。 2． 單像素的光電轉(zhuǎn)換原理 (圖 52) (1) 每個(gè)像素均可看作由電容 C、光電基元 GL、暗電流基元 GD 等 并聯(lián)的電路； (2) 電子束掃描到該像素時(shí)，開(kāi)關(guān) S 閉合，電容 C 被在瞬間被電源 rE 充電； (3) 電子束離開(kāi)該像素時(shí)，開(kāi) 關(guān) S 打開(kāi)。 GL 受到光照射時(shí)會(huì)產(chǎn)生電荷 ，產(chǎn)生的電荷 中和掉 C 上的一部分電荷。 (4) 電子束再次掃描到該像素時(shí)，開(kāi)關(guān) S 閉合， 已經(jīng)被中和了部分電荷的電容 C又被充電，充電電流 CI 流過(guò)電阻 LR 。 (5)光照強(qiáng)度越大， GL 產(chǎn)生的電荷越多， C 上被中和的電荷就越多，于是充電電 41 流 CI 就越大。 (6) 電壓 CLIR即為圖像輸出。 固體半導(dǎo)體攝像機(jī)原理 是由許多光電二極管組成陣列，作為攝像機(jī)的感光部分以代替光導(dǎo)攝像管。它是由 攝像元件（ CCD） 、 信號(hào)處理電路 、 驅(qū)動(dòng)電路和電源組成 。攝像元件（ CCD）是一種 MOS 行晶體開(kāi)光集成電路。 CCD 的光電轉(zhuǎn)換原理（ CCD 電極的工作原理） (1)電極 1? 通電后，在電極下形成能儲(chǔ)存電荷的勢(shì)阱；電壓越大，勢(shì)阱越深。 (2)光照時(shí)因光電效應(yīng)產(chǎn)生電荷 (電子 )，該電荷儲(chǔ)存在勢(shì)阱中。光照越強(qiáng)，儲(chǔ)存在勢(shì)阱中的電荷就越多。 (3)電極 2? 通電而電極 1? 斷電， 電極 1? 下的勢(shì)阱消失，電荷被轉(zhuǎn)移到電極 2? 下的勢(shì)阱中，從而實(shí)現(xiàn)了電荷的向右轉(zhuǎn)移。 (4)電極 3? 通電 ，電荷轉(zhuǎn)移至電極 3? 下。 (5)各電極依次通電，直至 電荷轉(zhuǎn)移到最右邊的電極進(jìn)行輸出。 CCD 攝像元件 1)構(gòu)成主要有 隔行傳送方式 和 幀傳送方式 兩種。 2)隔行傳送二維 CCD 攝像元件 的原理 (1) 組成： (2) 12rr??、 電極下勢(shì)阱積累的電荷構(gòu)成場(chǎng) A、 B, 它們一起構(gòu)成完整的一幀圖像信息； (3) 場(chǎng) A 的電荷先轉(zhuǎn)移到垂直移位寄存器，然后依次傳送到水平移位寄存器被讀出； (4) 場(chǎng) A 讀出后，場(chǎng) B 的轉(zhuǎn)移開(kāi)始，并按同樣方式被讀取，從而得到時(shí)間序列的圖像信號(hào)。 激光式視覺(jué)傳感器原理 激光式視覺(jué)傳感器 是利用激光作為定向性高密度光源 ， 這種傳感器用作 激光掃描器來(lái)識(shí)別商品上的條形碼 ，及檢測(cè)物體表面裂紋、缺陷 。由 光電轉(zhuǎn)換及放大元件 、 高速回轉(zhuǎn)多面棱鏡 、 激光器 等 組成 。 紅外圖像傳感器 42 紅外圖像傳感器原理 是把波長(zhǎng)（ 2~20） m? 的 紅外光圖像 變換成如同電視圖像的 時(shí)序掃描信號(hào) 輸出的傳感器。它通常由 紅外敏感元件 和 電子掃描電路 組成 。 熱電型紅外敏感元件將被測(cè)物體發(fā)出的紅外線作為光源，接受其熱能后產(chǎn)生 熱電效應(yīng) 而變 成電信號(hào)。 (1) 結(jié)構(gòu)同普通光導(dǎo)攝像管，但是其靶面用 紅外敏感 熱電材料制成； (2) 由于熱電效應(yīng)，紅外圖像所產(chǎn)生的溫度分布在靶面上感應(yīng)出相應(yīng)的電壓分布的圖像 ，該電壓分布被電子束拾取作為時(shí)序信號(hào)讀出。 (3) 信號(hào)比可見(jiàn)光弱一個(gè)數(shù)量級(jí)，需采用信噪比良好的前置放大器。 CCD 使用固體電子掃描 的紅外攝像傳感器。 人工視覺(jué) 人工視覺(jué)系統(tǒng)的硬件構(gòu)成 由 圖像輸入 、 圖像處理、圖像存儲(chǔ) 和 圖像 輸出 四個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成。 通過(guò)視覺(jué)傳感器將對(duì)象物體變成二維或三維圖像，再經(jīng)光電變換將光信號(hào)變成電信號(hào)，通過(guò)掃描采樣將圖像分解成許多像素，再把表示各個(gè)像素信息的數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理。 對(duì)獲取的圖像信息進(jìn)行預(yù)處理（前處理），以濾去干擾，噪聲，并作幾何，色彩方面的校正，以提高信噪比。 目的 是改善圖像質(zhì)量，以利于進(jìn)行圖像識(shí)別。 是把表示圖像各個(gè)像素的信息送到存儲(chǔ)，以備調(diào)用。圖像的信息量大。 分為兩類： ?一類是只要求瞬時(shí)知道處 理結(jié)果，以及計(jì)算機(jī)用對(duì)話形式進(jìn)行處理的顯示終端，該類稱為 軟拷貝 。 ?另一類是可長(zhǎng)時(shí)間保存結(jié)果，如寬行打印機(jī)、繪圖機(jī)、 XY 繪圖儀、顯示器圖面照像裝置等稱為 硬拷貝 。 43 物體識(shí)別 識(shí)別物體 前先將物體的有關(guān)信息輸入到計(jì)算機(jī)內(nèi)。被輸入的信息主要有明亮度信息 、 顏色信息和距離信息。 用視覺(jué)傳感器取得。 (1) 圖像的前處理：消除噪聲，去掉不必要的像素； (2) 圖像處理的方法有 微分法 和 區(qū)域法 。 3. 物體圖像的識(shí)別 首先輸入被識(shí)別物體的圖像模型，并抽出其幾何形狀特征；然后用視覺(jué)傳感器輸入物體的圖像并抽出其幾何形狀特征， 用比較判斷程序判斷兩者的異同。如果各幾何形狀相同，則該物體就是所需要的物體。 1) 三角原理測(cè)距：角度 ??、 和距離 L 2) 兩臺(tái)視覺(jué)傳感器： 觸覺(jué)傳感器 觸覺(jué)傳感器 有接觸覺(jué)傳感器、壓覺(jué)傳感器、滑動(dòng)覺(jué)傳感器 、力覺(jué)、冷熱覺(jué)、痛覺(jué)等 。 接觸覺(jué)傳感器 ONOFF微型開(kāi)關(guān) 接觸覺(jué)傳感器最早是微動(dòng)開(kāi)關(guān) 。它工作范圍寬，不受電，磁干擾，簡(jiǎn)單，易掌握，成本低，但響應(yīng)速度低，動(dòng)作壓力高。 ONOFF 開(kāi)關(guān)用于檢測(cè)是否與被測(cè)物體接觸。 工作 原理： 通過(guò)在一定接觸力下，切換通 斷狀態(tài)，輸出高或低的電平信號(hào)，以表示是否發(fā)生接觸。 1) 工作原理 ： 是硅橡膠與金屬電極對(duì)置 、 接觸， 硅橡膠受壓其電阻值就改變 。當(dāng)金屬電極受力壓硅橡膠時(shí)，輸出電壓相應(yīng)變化。 44 壓覺(jué)傳感 器 通過(guò)高密度配置這種傳感器，可以獲得同物體接觸時(shí)各部分不同的壓力，將該壓力變換成相應(yīng)處的電壓信號(hào)，可以獲得關(guān)于物體形狀的信息。 特點(diǎn)： 動(dòng)作準(zhǔn)確，精度高， 缺點(diǎn) 是體積大，