传感器在机器人中的应用

传感器在机器人中的应用
一名词解释
机器人：机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。

它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根人工智能技术制定的原则纲领行动。

它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。

传感器：接受物理或化学变量（输入变量）形式的信息，并按一定规律将
其转换成同种或别种性质的输出信号的装置。

机器人是由计算机控制的复杂机器，它具有类似人的肢体及感官功能；动作程序灵活；有一定程度的智能；在工作时可以不依赖人的操纵。

机器人传感器在机器人的控制中起了非常重要的作用，正因为有了传感器，机器人才具备了类似人类的知觉功能和反应能力。

机器人的全身布满了传感器，见图1。

各传感器分别负责机器人的各部分功
能，如：明暗觉传感器负责判断是否有无对象，并得到定量结果。

主要应用的传感器件：光敏管、光电断续器等。

其他各类功能传感器见表
1.
表1
二机器人中几种常见的传感器
霍尔传感器：
（一）名词解释
霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。

实物见图2
霍尔效应：在半导体薄片两端通以控制电流I，并在薄片的垂直方向施加磁
感应强度为B的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为UH的霍尔电压。

霍尔元件：根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。

（二）霍尔传感器的分类霍尔传感器分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。

1。

线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它输出模拟量。

2。

开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成，它输出数字量。

图2
（三）霍尔传感器的性能
霍尔传感器许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便, 功耗小，频率高（可达1MHZ,耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。

霍尔线性器件的精度高、线性度好；
霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度咼（可达卩m级）o
取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达-55C〜150C。

（四）霍尔传感器在机器人中的应用
作为接近觉传感器，研究它的目的是使机器人在移动或操作过程中获知目标（障碍）物的接近程度，移动机器人可以实现避障，操作机器人可避免手爪对目标物由于接近速度过快造成的冲击。

电涡流传感器
（一）名词解释
电涡流传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面的距离。

它是一种非接触的线性化计量工具。

电涡流传感器能准确测量被测体（必须是金属导体）与探头端面之间静态和动态的相对位移变化。

（二）电涡流传感器的基本原理
根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈涡旋状的感应电流，此电流叫电涡流，以上现象称为电涡流效应。

而根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。

见图3.
图3
（三）电涡流传感器的应用领域
电涡流传感器系统广泛应用于电力、石油、化工、冶金等行业和一些科研单位。

对汽轮机、水轮机、鼓风机、压缩机、空分机、齿轮箱、大型冷却泵等大型旋转机械轴的径向振动、轴向位移、键相器、轴转速、胀差、偏心、以及转子动力学
研究和零件尺寸检验等进行在线测量和保护。

在机器人中，也作为接近觉传感器，是使机器人在移动或操作过程中获知目标（障碍）物的接近程度，移动机器人可以实现避障，操作机器人可避免手爪对目标物由于接近速度过快造成的冲击。

光敏传感器
（一）光敏传感器工作原理
光传感器是利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器，它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。

光传感器不只局限于对光的探测，它还可以作为探测元件组成其他传感器，对许多非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。

光敏传感器的种类繁多，主要有：光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏三极管、光电耦合器、太阳能电池、红外线传感器、紫外线传感器、光纤式光电传感器、色彩传感器、CC环口CMO图像传感器等。

（二）光敏传感器的分类
光敏传感器是最常见的传感器之一，它的种类繁多，主要有：光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏三极管、太阳能电池、红外线传感器、紫外线传感器、光纤式光电传感器、色彩传感器、CCD和CMO图像传感器等。

压电传感器
（一）名词解释
压电传感器是利用某些电介质受力后产生的压电效应制成的传感器。

压电效应是指某些电介质在受到某一方向的外力作用而发生形变（包括弯曲和伸缩形变）时，由于内部电荷的极化现象，会在其表面产生电荷的现象。

（二）压电传感器的分类及材料
压电材料它可分为压电单晶、压电多晶和有机压电材料。

压电式传感器中用得最多的是属于压电多晶的各类压电陶瓷和压电单晶中
的石英晶体。

其他压电单晶还有适用于高温辐射环境的铌酸锂以及钽酸锂、镓酸锂、锗酸铋等。

（三）压电传感器的性能
压电传感器结构简单、体积小、质量累世、功耗小、寿命长，特别是它具有良好的动态特性，因此适合有很宽频带的周期作用力和高速变化的冲击力。

压电传感器只能应用于动态测量由于外力作用在压电元件上产生的
电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电式传感器不能用于静态测量。

（四）压电传感器在机器人中的应用
用于压力测量：压电式压力传感器主要利用弹性元件（膜片、活塞等）收集压力变成作用于晶体片上的力，因为弹性元件所用材料的性能对传感器的特性有很大影响。

光电传感器
（一）名词解释
光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。

它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。

光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。

（二）光电传感器原理
光敏二极管是最常见的光传感器。

光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积，PN结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小（v µA），称为光敏二极管的暗电流；当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电
羽・・・
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光电传感器
载流子。

在外电场的作用下，光电载流子参于导电，形成比暗电流大得多的反向电流，该反向电流称为光电流。

光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电
阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。

光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。

光敏三级管的外型与一般三极管相差不大，一般光敏三极管只引出两个极一一发射极和集电极，基极不引出，管壳同样开窗口，以便光线射入。

为增大光照，基区面积做得很大，发射区较小，入射光主要被基区吸收。

工作时集电结反偏，发射结正偏。

在无光照时管子流过的电流为暗电流lceo=
（1 + B）Icbo （很小），比一般三极管的穿透电流还小；当有光照时，激发大量的电子-空穴对，使得基极产生的电流lb增大，此刻流过管子的电流称为光电流，集电极电流lc= （1 + B）lb，可见光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度。

（三）光电传感器的性能
检测距离长如果在对射型中保留10m以上的检测距离等，便能实现其他检测手段（磁性、超声波等）无法离检测。

响应时间短光本身为高速，并且传感器的电路都由电子零件构成，所
以不包含机械性工作时间，响应时间非常短。

分辨率高能通过高级设计技术使投光光束集中在小光点，或通过构成
特殊的受光光学系统，来实现高分辨率。

也可进行微小物体的检测和高精度的位置检测。

（四）光电传感器在机器人中的应用
作为接触觉传感器，作为视觉的补充，触觉能感知目标物体的表面性能和物理特性：柔软性、硬度、弹性、粗糙度和导热性等。

三传感器市场前景预测
2010年全球传感器市场可达600亿美元以上。

调查显示，东欧、亚太区和加拿大成为传感器市场增长最快的地区，而美国、德国、日本依旧是传感器市场分布最大的地区。

就世界范围而言，传感器市场上增长最快的依旧是汽车市
场，占第二位的是过程控制市场，看好通讯市场前景。

一些传感器市场比如压力传感器、温度传感器、流量传感器、水平传感器已表现出成熟市场的特征。

流量传感器、压力传感器、温度传感器的市场规模最大，分别占到整个传感器市场的21% 19唏口14%传感器市场的主要增长来自于无线传感器、MEMS（Micro-Electro-MechanicalSystems ，微机电系统）传感器、生物传感器等新兴传感器。

其中，无线传感器在2007-2010年复合年增长
率预计会超过25%
目前，全球的传感器市场在不断变化的创新之中呈现出快速增长的趋势。

有关专家指出，传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高，各国将竞相加速新一代传感器的开发和产业化，竞争也将日益激烈。

新技术的发展将重新定义未来的传感器市场，比如无线传感器、光纤传感器、智能传感器和金属氧化传感器等新型传感器的出现与市场份额的扩大。