【正文】 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。 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 。 ONOFF 開(kāi)關(guān)用于檢測(cè)是否與被測(cè)物體接觸。 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) 。如果各幾何形狀相同，則該物體就是所需要的物體。 (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 。被輸入的信息主要有明亮度信息 、 顏色信息和距離信息。 ?另一類(lèi)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 。圖像的信息量大。 目的 是改善圖像質(zhì)量，以利于進(jìn)行圖像識(shí)別。 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。 CCD 使用固體電子掃描 的紅外攝像傳感器。 (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。它通常由 紅外敏感元件 和 電子掃描電路 組成 。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 。 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)。 (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。 (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。 (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。攝像元件（ CCD）是一種 MOS 行晶體開(kāi)光集成電路。 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。 (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。 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。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。 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。 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 。 通常 將 4 部分 制成 一體 ，構(gòu)成視覺(jué)傳感器 。 (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)） 。 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。 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。 (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%。放大器有兩種是 電壓放大器 和 電荷放大器。 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。 3)彎曲型 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕和靈敏度高。 1Soa F F m g m a Q K F u K Q? ? ? ? ? ? ? ? SF — 彈簧預(yù)緊力。 常用的 三種原理結(jié)構(gòu) :壓縮型，剪切型，彎曲型 。 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。 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。 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。兩路光的相位差 ?? （ rad/s）與角速度 ? 成正比。測(cè)出干涉條紋的移動(dòng)頻率，便可測(cè)出被測(cè)角速度。 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。 60176。 /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。 30～177。 /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℃ ）。 ?振梁型：動(dòng)態(tài)范圍（177。 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(lèi) 。 /s，質(zhì)量較大，成本高，壽命低?！?77。 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。 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 。 (2) 電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器 工作原理： 基于電渦流效應(yīng)。 利用霍爾元件組成傳感器，在被測(cè)物上粘有多對(duì)小磁鋼，霍爾元件固定于小磁鋼附近；當(dāng)被測(cè)物轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每當(dāng)一個(gè)小磁鋼轉(zhuǎn)過(guò)霍爾元件，霍爾元件輸出一個(gè)相應(yīng)的脈沖，測(cè)得單位時(shí)間內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)，即可得被測(cè)物的轉(zhuǎn)速和角速度。 2）輸出特性 60fn z? f — 輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率， Hz； z — 齒輪的齒數(shù)； n — 被測(cè)轉(zhuǎn)速， r/min； 被測(cè)的角速度 ? （ rad/s） 為 2 fz??? 3) 特點(diǎn) 開(kāi)磁路式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積較小，但輸出信號(hào)弱，不 宜 測(cè)量高轉(zhuǎn)速； 閉磁路式測(cè)量范圍大 ，為 50~4000r/min，可連續(xù)使用，且方便、可靠。 變磁通式、霍爾式和電渦流式 速度傳感器 1) 工作原理 傳感器線圈不動(dòng)，運(yùn)動(dòng)物體 （如齒輪） 使傳感器磁路磁阻變化，傳感器線圈的磁通亦變化，因此線圈感應(yīng)出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率 f 等于齒輪的齒數(shù) z 和轉(zhuǎn)速 n 的乘積。因而以脈沖個(gè)數(shù)顯示的速度分辨力比較高，適用于速度比較低調(diào)節(jié)系統(tǒng)，特別適用于鑒頻鎖相的速度控制系統(tǒng)。輸出電壓的脈沖頻率和轉(zhuǎn)速保持嚴(yán)格的正比關(guān)系，屬于同步發(fā)電機(jī)。 (2)輸出特性 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率為 60rZnf ? rZ — 轉(zhuǎn)子齒數(shù)； n — 被測(cè)轉(zhuǎn)速 (r/min)； 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與轉(zhuǎn)速成正比； 但由于輸出頻率 f 隨轉(zhuǎn)速 n 而改變，致使發(fā)電機(jī)本身的阻抗和負(fù)載阻抗隨轉(zhuǎn)速而變化；采用整流電路整流后，輸出與轉(zhuǎn)速成正比的直流輸出電壓信號(hào)。 當(dāng)轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時(shí)，磁通不變，定子繞組無(wú)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)； 當(dāng)轉(zhuǎn)子以一定速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，定、轉(zhuǎn)子齒之間的相對(duì)位置發(fā)生了周期性變化，定子繞組中就會(huì)感應(yīng)出周期性的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。 通常 只用作指示式轉(zhuǎn)速計(jì)。 2. 交流測(cè)速發(fā)電機(jī) 分為 永磁式 、 感應(yīng)式和脈沖式 三種。在實(shí)際使用中可在直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的繞組回路中串聯(lián)一個(gè)電阻值較大的附加電阻，在接到勵(lì)磁電源上。為了減小電刷接觸壓降的影響，即縮小不靈敏區(qū)，應(yīng)采用接觸壓降較小的銅 石墨電極或銅電極，并在它與換向器相接觸的表面上鍍銀。 ②電刷接觸 壓 降的影響； 這是因?yàn)殡娝⒔佑|電阻 是非線性的，即當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低，相應(yīng)的電樞電流較小時(shí)接觸電阻較大，從而使輸出電壓很小。輸出電壓 CFV 和電樞電流 sI 為 CF s s sCFsLV E I rVIR????? ??? RL— 負(fù)載電阻 (2)在 理想情況下 系數(shù) Ce 和 C 與輸出電壓之間的關(guān)系 33 1/eCF sLCV n C nrR??? 理想下 rs、 RL、 Φ 均常數(shù) ，故系數(shù) C 為常數(shù)，即測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓 CFV與被測(cè)轉(zhuǎn)速 n 成正比 (線性關(guān)系 )。 s e eE K n C n??? eK —— 感應(yīng)系數(shù)， Φ —— 磁通； n—— 轉(zhuǎn)速； Ce—— 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)速的比例系數(shù) 2) 輸出特性 (1)空載（電樞電流 Is=0）時(shí)直流 測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓和電樞感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相等，因而輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比。它的定子、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與直流伺服電動(dòng)機(jī)基本相同。 ③靈敏度要高，即測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓對(duì)轉(zhuǎn)速的變化反應(yīng)要靈敏。 (3)對(duì) 測(cè)速發(fā)電機(jī)的主要要求有： ①輸出電壓對(duì)轉(zhuǎn)速應(yīng)保持較精準(zhǔn)的正比關(guān)系。 32 第四章 速度、加速度傳感器 速度傳感器 測(cè)速發(fā)電機(jī) (1) 基于 電磁感應(yīng)原理 進(jìn)行工作的，常用于測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 （ 霍爾效應(yīng) ） 2） 特點(diǎn) 由于波登管的頻響較低，適用于 靜態(tài)或變化緩慢壓力的測(cè)量 . 7. 壓電式壓力傳感器 1） 工作原理 壓力通過(guò)膜片或活塞，壓塊作用在 壓電 晶片上， 由于壓電效應(yīng) 晶片上產(chǎn)生了電荷，經(jīng)后接放大器的變換，由顯示或記錄儀器顯示或記錄，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的測(cè)量。 6． 霍爾式壓力傳感器 1) 工作原理 波登管在壓力作用下其末端產(chǎn)生位移，帶動(dòng)了霍爾元件在均勻梯度的磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)。 1）工作原理 31 屬于電感式壓力傳感器中的一種，它是利用渦流效應(yīng)將壓力變換成線圈阻抗的變化，再經(jīng)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換成電量。 類(lèi)型較多 。 109Pa，適用于爆炸 、 沖擊壓力的測(cè)量。 1) 工作原理 利用壓阻效應(yīng)將壓力變換成電阻的變化實(shí)現(xiàn)壓力測(cè)量。 1)工作原理 利用應(yīng)變片將彈性元件在壓力作用下產(chǎn)生的應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電量的變化。 傳感器 1)工作原理 將壓力轉(zhuǎn)換成電容的變化，經(jīng)電路變換成電量輸出。 元件 1） 波登管 2） 膜片 30 3） 波紋管 電量式壓力計(jì) 用各種傳感器或測(cè)量元件將 壓力變換成電量或電參數(shù) ，再經(jīng)后接相應(yīng)的測(cè)量電路進(jìn)一步變換，最后由顯示或記錄儀顯示或記錄下來(lái)，以實(shí)現(xiàn)壓力測(cè)量的裝置。1 1 2 1 2 2s inp g R p g R p g h p? ? ? ?? ? ? ? ? ? 活塞式壓力轉(zhuǎn)換原理 廣泛應(yīng)用于基準(zhǔn)和標(biāo)定工作中 (壓力表或壓力傳感器的標(biāo)定裝置 )，利用 力平衡原理 制成的 。 29 表壓力 : 0p p p??絕 ，相對(duì)壓力； 真空度 : 0fp p p??絕 ， 液柱式壓力轉(zhuǎn)換原理 (考綱中沒(méi)做要求 ) 利用液柱產(chǎn)生的壓力與被測(cè)介質(zhì)壓力 相平衡 的原理進(jìn)行測(cè)壓； U 形管液柱壓力計(jì)： 12p gh p??? 傾斜式液柱液壓計(jì)： 1 sinp l g??? ，提高了靈敏度。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 抗干擾能力強(qiáng)，允許導(dǎo)線長(zhǎng)達(dá)幾百米到幾千米，測(cè)量精度可達(dá)177。 (2)鋼弦的張力變化使得鋼弦的固有頻率發(fā)生變化。 鋼弦式扭矩傳感器 : 鋼弦式扭矩傳感器 是將扭矩轉(zhuǎn)換成鋼弦固有頻率變化進(jìn)行工作。光電元件輸出脈沖電流的寬度也相應(yīng)減少，微安表的指示正好與扭矩值成反比關(guān)系。 光電式扭矩測(cè)量?jī)x (1