机器人传感器2全解

2020/11/6《机器人技术及应用》主讲人：李富强第六章机器人传感器第2节位置传感器2/52《机器人技术及应用》6.2位置传感器6.2.1线位移检测传感器6.2.2角位移检测传感器6.2.3速度、加速度传感器6.2.4电子罗盘及陀螺仪6.2.5GPS全球导航系统3/52《机器人技术及应用》6.2.1线位移检测传感器一、光栅位移传感器二、感应同步器三、磁栅位移传感器4/52《机器人技术及应用》一.光栅位移传感器32411.标尺光栅2.指示光栅3.光电元件4.光源1、光栅的构造：5/52《机器人技术及应用》一.光栅位移传感器2、工作原理ddffddBffddW/2WθddW/2指示光栅标尺光栅把两块栅距W相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕之间有较小的夹角θ时，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，这种条纹称莫尔条纹，它们沿着与光栅条纹几乎垂直的方向排列，如图所示。6/52《机器人技术及应用》一.光栅位移传感器莫尔条纹具有如下特点：1.莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例。光栅每移动过一个栅距W，莫尔条纹就移动过一个条纹间距B2.莫尔条纹具有位移放大作用。莫尔条纹的间距B与两光栅条纹夹角之间关系为3.莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。WWB2sin27/52《机器人技术及应用》一.光栅位移传感器通过光电元件，可将莫尔条纹移动时光强的变化转换为近似正弦变化的电信号，如图所示。U0UW/2oUm2W3W/2Wx其电压为：WxUUUm2sin08/52《机器人技术及应用》一.光栅位移传感器将此电压信号放大、整形变换为方波，经微分转换为脉冲信号，再经辨向电路和可逆计数器计数，则可用数字形式显示出位移量，位移量等于脉冲与栅距乘积。测量分辨率等于栅距。9/52《机器人技术及应用》二、感应同步器1.感应同步器结构节距2τ（2mm）节距τ（0.5mm）绝缘粘胶铜箔铝箔耐切削液涂层基板(钢、铜)滑尺定尺10/52《机器人技术及应用》二、感应同步器包括定尺和滑尺，用制造印刷线路板的腐蚀方法在定尺和滑尺上制成节距T(一般为2mm)的方齿形线圈。定尺绕组是连续的，滑尺上分布着两个励磁绕组，分别称为正弦绕组和余弦绕组。当正弦绕组与定尺绕组相位相同时，余弦绕组与定尺绕组错开1/4节距。滑尺和定尺相对平行安装，其间保持一定间隙（0.05~0.2mm）。11/52《机器人技术及应用》二、感应同步器2.感应同步器的工作原理在滑尺的绕组中，施加频率为f（一般为2~10kHz）的交变电流时，定尺绕组感应出频率为f的感应电动势。感应电动势的大小与滑尺和定尺的相对位置有关。设正弦绕组供电电压为Us，余弦绕组供电电压为Uc，移动距离为x，节距为T，则正弦绕组单独供电时，在定尺上感应电势为cos360cos2ssKUTxKUUo'12/52《机器人技术及应用》二、感应同步器余弦绕组单独供电所产生的感应电势为sin360sin2ccKUTxKUUosincos222csKUKUUUU'由于感应同步器的磁路系统可视为线性，可进行线性叠加，所以定尺上总的感应电势为13/52《机器人技术及应用》二、感应同步器式中：K——定尺与滑尺之间的耦合系数；——定尺与滑尺相对位移的角度表示量（电角度）T——节距，表示直线感应同步器的周期，标准式直线感应同步器的节距为2mm。利用感应电压的变化可以求得位移X，从而进行位置检测。14/52《机器人技术及应用》二、感应同步器3.测量方法根据对滑尺绕组供电方式的不同，以及对输出电压检测方式的不同，感应同步器的测量方式有鉴相式和鉴幅式两种工作法。15/52《机器人技术及应用》二、感应同步器(1)鉴相式工作法滑尺的两个励磁绕组分别施加相同频率和相同幅值，但相位相差90o的两个电压，设tmsUUsintUUmccos2'22UUU)sin(sincoscossintKUtKUtKUmmm从上式可以看出，只要测得相角，就可以知道滑尺的相对位移x：Txo36016/52《机器人技术及应用》二、感应同步器2.鉴幅工作法在滑尺的两个励磁绕组上分别施加相同频率和相同相位，但幅值不等的两个交流电压：tmUUssinsintmUUcsincostKUUUUmsin)sin(222'由上式知，感应电势的幅值随着滑尺的移动作正弦变化。因此，可以通过测量感应电动势的幅值来测得定尺和滑尺之间的相对位移。17/52《机器人技术及应用》三、磁栅位移传感器1.磁栅式位移传感器的结构输出信号励磁电源654SS3NNSSSλ7NN1SNN200abx18/52《机器人技术及应用》三、磁栅位移传感器2.原理：在用软磁材料制成的铁芯上绕有两个绕组，一个为励磁绕组，另一个为拾磁绕组，将高频励磁电流通入励磁绕组时，当磁头靠近磁尺时在拾磁线圈中感应电压为：txUUsin2sin0U0——输出电压系数；——磁尺上磁化信号的节距；χ——磁头相对磁尺的位移；ω——励磁电压的角频率。在实际应用中，需要采用双磁头结构来辨别移动的方向19/52《机器人技术及应用》三、磁栅位移传感器3.测量方式(1)鉴幅测量方式如前所述，磁头有两组信号输出，将高频载波滤掉后则得到相位差为π/2的两组信号两组磁头相对于磁尺每移动一个节距发出一个正（余）弦信号，经信号处理后可进行位置检测。这种方法的检测线路比较简单，但分辨率受到录磁节距λ的限制，若要提高分辨率就必须采用较复杂的信频电路，所以不常采用。xUU2sin0120/52《机器人技术及应用》三、磁栅位移传感器2.鉴相测量方式将一组磁头的励磁信号移相90°，则得到输出电压为在求和电路中相加，则得到磁头总输出电压为txUUcos2sin01txUUsin2cos02txUU2sin0则合成输出电压U的幅值恒定，而相位随磁头与磁尺的相对位置χ变化而变。读出输出信号的相位，就可确定磁头的位置。21/52《机器人技术及应用》2角位移检测传感器一、旋转变压器二、光电编码器22/52《机器人技术及应用》一、旋转变压器1.结构如图所示旋转变压器一般做成两极电机的形式。在定子上有激磁绕组和辅助绕组，它们的轴线相互成90°。在转子上有两个输出绕组——正弦输出绕组和余弦输出绕组，这两个绕组的轴线也互成90°，一般将其中一个绕组（如Z1、Z2）短接。Z12ZDD21UD13U24DZ3U3Z423/52《机器人技术及应用》一、旋转变压器2.原理旋转变压器在结构上与两相绕组式异步电机相似，由定子和转子组成。当以一定频率（频率通常为400Hz、500Hz、1000Hz及5000Hz等几种）的激磁电压加于定子绕组时，转子绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系，或在一定转角范围内与转角成正比关系。前一种旋转变压器称为正余弦旋转变压器，适用于大角位移的绝对测量；后一种称为线性旋转变压器，适用于小角位移的相对测量。24/52《机器人技术及应用》一、旋转变压器3.测量方式当定子绕组中分别通以幅值和频率相同、相位相差为90°的交变激磁电压时，便可在转子绕组中得到感应电势U3，根据线性叠加原理，U3值为激磁电压U1和U2的感应电势之和，即tUUmsin1tUUmcos2)cos()90sin(sin213tkUkUkUUmo式中:k=w1/w2——旋转变压器的变压比w1、w2——转子、定子绕组的匝数25/52《机器人技术及应用》一、旋转变压器线性旋转变压器实际上也是正余弦旋转变压器，不同的是线性旋转变压器采用了特定的变压比k和接线方式，如右图。这样使得在一定转角范围内（一般为±60°），其输出电压和转子转角θ成线性关系。此时输出电压为cos1sin13kkUU3DZ2U11DZ43D24DU3Z1Z26/52《机器人技术及应用》二、光电编码器1.增量式编码器结构27/52《机器人技术及应用》二、光电编码器2.增量式编码器工作原理鉴向盘与主码盘平行，并刻有a、b两组透明检测窄缝，它们彼此错开1/4节距，以使A、B两个光电变换器的输出信号在相位上相差90°。工作时，鉴向盘静止不动，主码盘与转轴一起转动，光源发出的光投射到主码盘与鉴向盘上。当主码盘上的不透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐时，光线被全部遮住，光电变换器输出电压为最小；当主码盘上的透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐时，光线全部通过，光电变换器输出电压为最大。主码盘每转过一个刻线周期，光电变换器将输出一个近似的正弦波电压，且光电变换器A、B的输出电压相位差为90°。经逻辑电路处理就可以测出被测轴的相对转角和转动方向。28/52《机器人技术及应用》二、光电编码器3.绝对式编码器原理绝对式编码器是把被测转角通过读取码盘上的图案信息直接转换成相应代码的检测元件。编码盘有光电式、接触式和电磁式三种。光电式码盘是目前应用较多的一种，它是在透明材料的圆盘上精确地印制上二进制编码。如图所示为四位二进制的码盘，码盘上各圈圆环分别代表一位二进制的数字码道，在同一个码道上印制黑白等间隔图案，形成一套编码。29/52《机器人技术及应用》二、光电编码器黑色不透光区和白色透光区分别代表二进制的“0”和“1”。在一个四位光电码盘上，有四圈数字码道，每一个码道表示二进制的一位，里侧是高位，外侧是低位，在360°范围内可编数码数为24=16个。110000110101011001110100101010011000101111110001001000001110110130/52《机器人技术及应用》二、光电编码器工作时，码盘的一侧放置电源，另一边放置光电接受装置，每个码道都对应有一个光电管及放大、整形电路。码盘转到不同位置，光电元件接受光信号，并转成相应的电信号，经放大整形后，成为相应数码电信号。110000110101011001110100101010011000101111110001001000001110110131/52《机器人技术及应用》二、光电编码器4.绝对式编码器非单值性误差的消除(1).循环码盘(或称格雷码盘)右图所示为四位二进制循环码。这种编码的特点是任意相邻的两个代码间只有一位代码有变化，即“0”变为“1”或“1”变为“0”。因此，在两数变换过程中，所产生的读数误差最多不超过“1”，只可能读成相邻两个数中的一个数。1001011111110100010111001101111010101011000101100010001000110000100032/52《机器人技术及应用》二、光电编码器(2).带判位光电装置的二进制循环码盘该码盘最外圈上的信号位的位置正好与状态交线错开，只有当信号位处的光电元件有信号时才读数，这样就不会产生非单值性误差。010011011111111010101100101001110110001000111011100010010000000133/52《机器人技术及应用》一、直流测速发电机二、光电式速度传感器三、差动变压器式速度传感器四、加速度传感器6.2.3速度、加速度传感器34/52《机器人技术及应用》一、直流测速发电机测速发电机的结构有多种，但原理基本相同。图所示为永磁式测速发电机原理电路图。恒定磁通由定子产生，当转子在磁场中旋转时，电枢绕组中即产生交变的电势，经换向器和电刷转换成正比的直流电势。MI0RLV0直流测速发电机在机电控制系统中，主要用作测速和校正元件。在使用中，为了提高检测灵敏度，尽可能把它直接连接到电机轴上。有的电机本身就已安装了测速发电机。35/52《机器人技术及应用》二、光电式速度传感器光电脉冲测速原理如下图所示。物体以速度V通过光电池的遮挡板时，光电池输出阶跃电压信号，经微分电路形成两个脉冲输出，测出两脉冲之间的时间间隔△t，则可测得速度为x00ett光电池挡板V速度测量0e微分电路txV/36/52《机器人技术及应用》二、光电