交流全桥的应用

第十二部分 传感器技术0预备知识传感器在机电一体化系统乃至整个现代科学技术领域占有极其重要的地位，当今信息时代，如果没有传感器，现代科学技术将无法发展。为了适应这一时代发展的需要，全国各大中专院校及各类职业技术学校都相继将传感器及实验教学纳入教学任务，作为物理、电子、测控以及自动化类专业的一门必修课。传感器是机电一体化中各种设备和装置的“感觉器官”，是检测系统的第一个环节。它以一定的精度把被测量（各种各样形态各异的信息量）转换成与之有确定关系的、便于应用的某种量值的测量装置。顾名思义，传感器的功能是一感二传，即感受被测信息，并传送出去。根据传感器的功能特点，一般由三部分组成：敏感元件、转换元件、测量电路。敏感元件：能够灵敏地感受被测量并作出响应的元件。如金属或半导体应变片，能感受压力的大小而引起形变，形变程度就是对压力大小的响应。铂电阻能感受温度的升降而改变其阻值，阻值的变化就是对温度升降的响应，所以铂电阻就是一种温度敏感元件，而金属或半导体应变片，就是一种压力敏感元件。转换元件：将敏感元件感受的被测量转换成电路参数的元件。如果敏感元件本身就能直接将被测量变成电路参数，那么，该敏感元件就是具有了敏感和转换两个功能。如热敏电阻，它不仅能直接感受温度的变化，而且能将温度变化转换成电阻的变化，也就是将非电路参数（温度）直接变成了电路参数（电阻）。测量电路：将转换元件转换的电学量进行测量的电路。传感器的种类较多，根据被测物理量可分为：速度传感器、位移传感器、加速度传感器、温度传感器、压力传感器、光纤传感器等。根据工作原理分为：应变式、电压式、电容式、涡流式、差动变压器式等。根据能量的传递方式分为：有源的和无源的传感器。了解和掌握一定的传感器技术对每个科技工作者来说是十分必要的。本部分内容通过两个实验的实际应用，使学生对传感器有一个初步了解实验仅通过金属箔式电阻应变片的一种实际应用而使学生对传感器有一个初步了解。实验一用金属箔式电阻应变片作交流全桥的应用——振动测量实验一、 实验目的了解金属箔式电阻应变片的结构和工作原理；熟悉非平衡电桥的输出灵敏度特性；掌握利用交流电桥测量动态应变参数的原理与方法。二、 实验内容1.金属箔式电阻应变片的结构和工作原理应变式电阻传感器的核心元件是电阻应变计，它能将机械物件上的应变的变化转换成电阻值的变化。通过对电阻值变化量的测量即可得知机械构件的应变情况，从而可以求出引起该变化的物理量的大小。其构造简图如图12-1所示。排成网状的高阻金属丝，栅状金属箔或半导体片构成的敏感栅，用合适的粘合剂贴在绝缘的基片2上，敏感栅上贴有保护片3,栅丝较细，一般为0.015~0.06mm（或厚度为0.003~0.010mm的金属箔）。其两端焊有较粗（0.1〜0.2mm）的低阻铜丝4作为与电路相连的引线。图12-1电阻丝应变片结构示意图1、电阻丝2、基片3、覆盖层 4、引出线使用时，选择合适的粘合剂将应变计贴在被测试件表面。试件形变引起敏感栅变形，于是其阻值发生变化，通过测量电路可将敏感栅的阻值变化转换为电压或电流的变化。如果将二片相同的应变计粘贴在平行梁上同一位置的正、反两面，则该平行梁形变所引起的二片应变计的电阻变化刚好相反，即：△R=-AR上 下对于一根长为L，截面积为S（直径为d），电阻率为p的金属丝，其电阻R为R=p—S两边取对数，再微分得dR_dpdL_dS~R~~p~L~S将S=n.d2/4代入上式，并将微分写成增量式。AR ApALed=—+-2RpLd由材料力学知，在弹性范围内金属丝沿长度方向伸长时，横向尺寸缩小，反之亦然。即纵向应变£与径向应变£存在下列关系：£=-M.£①为材料的泊松比）。设TOC\o"1-5"\h\zX 'AL AdX =£ =&\o"CurrentDocument"L xd rARAp °—=—+8+2^8=（1+2日）8+^H由此可见，电阻丝的电阻变化由两部分组成：第一部分是材料的几何形变引起，即应变效应;第二部分是电阻率的变化引起的，即压阻效应。对金属材料而言，应变效应是主要的，其灵

敏度K0=1+2p^1.5〜2.0。对于半导体材料，压阻效应是主要的，在制造工艺虽然比金属复杂，但灵敏度比金属约大50~100倍，甚至可以不用放大器而直接由电压表或示波器显示测量结果。对于金属材料，上式可进一步写成[1]式中，K对某一种金属材料在一定应变范围内为一常数，可见，金属材料电阻值的相对变S化在一定范围内与应变成正比。由于应变片电阻的阻值受环境温度的影响较大，在实际应用中要采用适当的方法对温度引起的误差进行补偿。通常因温度变化而引起应变片阻值变化的主要因素有两个：一是应变片的电阻丝具有一定的温度系数；二是电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。电阻应变式传感器的转换电路电路，其基本形式如下:图12-3电桥电路全桥差动电路在电阻应变式传感器中，应变计是敏感元件，它将应变量£x电路，其基本形式如下:图12-3电桥电路全桥差动电路图12-4由图12-3电桥电路中，根据戴维南定理可算出输出电压UO为：U=（坚—R3 ）xU0 R1+R2R3+R4 e在预平衡状态下（即UO=0），各臂电阻满足R1*R3=R2*R4。通常电阻应变片的检测电路采用非平衡电桥，由非平衡电桥电路的特性可知：在采用全桥差动输入的情况下，其输出电压最大，且与电阻的变化成正比，（设△R1=AR2=AR3=AR4=AR）还可以起到温度补偿的作用。U0=RxUe实验原理全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，不同的接入邻边。已知单全桥电路的工R分别为4半。根据戴维南定理可以得出单臂电桥的输出电压近似等于R气群，于是对应全桥的电压灵敏度为如。由此可知，当E和电阻相对变化一定时，电桥及电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。从而灵敏度提高了，非线性误差和温度误差均得到改善。此外，实验中将交流应变信号用交流电桥来测量，桥路输出的波形为一调制波，不能直接显示其应变值，只有通过移相、相敏检波和滤波电路后才能得到变化的应变信号，此信号可以从示波器或用交流电压表读得。三、实验仪器该实验是在ZY13Sens12SB型传感器技术实验台上进行的。ZY13Sens12SB型传感器实验台ZY13Sens12SB型传感器实验台主要由音频振荡器、低频振荡器、应变式传感器实验模板、相敏检波器模板、振动源、三源板上等组成。实验台的结构及面板示意图如图12-5所示。图12-5ZY13Sens12SB型传感器技术实验台应变式传感器结构示意图应变式传感器主要由应变片、弹性体、模板、托盘、固定垫等组成，其结构示意图为图12-6。应变片 托盘图12-6应变式传感器结构示意图实验连线图接主控箱电源输出-eRm+e应变传感器实验模板OD接主控箱电源输出-eRm+e应变传感器实验模板OD四、实验步骤1、 模块上的传感器不用，改为三源板板上振动梁的应变片，即台面上的应变输出。2、 将台面三源板上的应变插座用连接线插入应变传感器实验模板上。因振动梁上的四片应变片已组成全桥，引出线为四芯线，因此可直接接入实验模板面上已联成电桥的四个插孔上。接线时应注意连接线上每个插头的意义，对角线的阻值为350Q，若二组对角线阻值均为350Q则接法正确（万用表测量）。3、 根据图7—1，接好交流电桥调平衡电路及系统，R8、RW1w、C、RW2为交流电桥调平衡网络。检查接线无误后，合上主控台电源开关，将音频振荡器的频率调节到1KHz左右，幅度调节到10Vp-p，（频率可用数显表Fin监测，幅度用示波器监测）4、将低频振荡器输出接入三源板振动单元中的低频输入插孔，调低频输出幅度和频率使振动台（圆盘）明显感到振动。五、 实验注意事项不用应变模块上的传感器，用专用的连接线将三源板上的应变输出和模块上的插孔连接起来。应变线的接线可参考图12-6。六、 实验思考题分析移相器的工作原理。传感器不受外力作用时，理论上电桥应处于初始平衡状态，但实际测量时，电桥总是有点不平衡，为什么？实验中采用移相、相敏检波和滤波电路有何作用？参考文献王化祥.张淑英编著.传感器原理及应用.天津大学出版社.1999.2第2版19-35.余成波.胡新宇编著.传感器与自动检测技术.高等教育出版社2004.2第1版200-210实验二光纤传感器的位移特性实验光纤传感器(FOSFiberOpticalSensor)是20世纪70年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器有本质区别,光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质，可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量。本实验通过测量光纤传感器的位移特性来，对熟悉和掌握光纤传感器十分必要。一、 实验目的理解光纤传感器的工作原理；理解传光型光纤传感器的工作原理；了解光纤位移传感器性能。二、 实验仪器光纤传感器、光纤传感器实验模板、数显单元、测微头、直流源、反射面(用电涡流传感器的铁测片做反射面)等组成，如图所示。测量架测微头光纤位移传感器反射面图1实验仪器图测量架测微头光纤位移传感器反射面图1实验仪器图三、实验原理传光型光纤传感器是由光检测元件与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。在传光型光纤传感器中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为结构型或非功能型光纤传感器。光纤仅仅起传输光信号的光学通路的作用，被测参数均在光纤之外，由外置敏感元件调制到光信号中去。

分光僚分光僚传光型传感器又叫结构型光纤传感器，或者非功能型光纤传感器，在这类传感器中，光纤的作用只是传输光，需要加上其他敏感元件，才能构成完整的传感器，为了得到较大受光量和传输的光功率，传光型光纤传感器通常采用竖直孔径和大的阶跃型多模光纤，它的结构比较简单，并且能够充分利用光电元件和光纤本身的特点，应用比较广，它的缺点是灵敏度比传感型光纤传感器要低，测量精度也较差。案例：光纤位移传感器上图所示为反射式光纤位移传感器，这种类型的传感器将发射光纤和接收光纤绑在一起，从发射光纤发射出的光经被测物体表面直接或者间接反射后，再经接收光纤照射到光敏元件上，光敏元件所接收到的光亮会随被测物体表面与传感器端面的相对位移的变化而变化。那么相对光强和相对位移之间的关系如下图所示。从图上我们可以看出，当d很小的时候，接收到的光亮也很小，随着物体与光纤端面d的增大，接收到的光亮随着增加，到达某一值后，接收到的光亮由最大随着d的增大开始减小，图中曲线的A段，也就是光强由0到最大这段区间内，传感器所测位移较小，灵敏度高、适用与测量微米级的微小位移、震动或者是材料表面状态等；那么曲线中的B段，所测位移较大，但灵敏度低。本实验采用的是传光型光纤，它由两束光纤混合后，组成Y型光纤，半园分布即双D型一束光纤端部与光源相接发射光束，另一束端部与光电转换器相接接收光束。两光束混合后的端部是工作端亦称探头，它与被测体相距X,由光源发出的光纤传到端部出射后再经被测体反射回来，另一束光纤接收光信号由光电转换器转换成电量，而光电转换器转换的电量大小与间距X有关，因此可用于测量位移。五、 实验注意事项1、 实验时注意光纤探头与反射面保持平行，调整光纤探头使其位于反射面的圆心上。2、 实验前应用纸巾擦拭反射面，以保证反射效果。六、 实验步骤1、 根据图9-1安装光纤位移传感器，二束光纤插入实验板上的座孔上。其内部已和发光管D及光电转换管T相接。图9-1光纤传感器安装示意图2、 将光纤实验模板输出端VO1与数显单元相连，见图9-2。接主控箱电源输出图9-2光纤传感器位移实验接线图3、 调节测微头，使探头与反射面圆平板接触。4、 实验模板接入±15V电源，合上主控台电源开关，调RW使数显表显示值最小，然后微调测微头使数显表显示为0.000（电压选择置2V档）。5、旋转测微头，被测体离开探头，每隔0.05mm读出数显表值，将其填入下表:X(mm)V(v)6、根据上表数据，作光纤位移传感器的位移一一输出曲线图。计算在量程1mm时灵敏度和非线性误差。七、实验报告在实验报告中填写《实验报告二十五》，详细记录实验过程中的原始记录（数据、图表、波形等）并结合原始记录进一步理解实验原理。八、实验思考题根据实验步骤（6）中的光纤位移传感器的位移一一输出曲线图，分析其原理。实验三机械手接近觉实验机器人运动学描述了机器人关节与组成机器人的各刚体之间的运动关系。主要包括机器人末端手的位姿分析、速度分析、加速度分析等。当已知所有关节变量时，可用正运动学来确定机器人末端手的位姿。如果要使机器人末端手放在特定的点上并且具有特定的姿态，可用逆运动学来计算出每一关节变量的值，以此来实现对机器人进行运动分析、离线编程、轨迹规划等工作。机械手是应用计算机控制技术的教学实验装置本实验装置是一种具有接近觉、接触觉、滑动觉、力觉、热觉等五种感觉的两自由度智能机械手，所有感觉集中于手爪部位，通过手爪对模拟工件的操作，实现感觉信息的测量。在该实验装置上，可单独完成以下机器人感觉实验：•接近觉实验•接触觉实验•滑动觉实验•力觉实验•热觉实验•示教和再现操作（工作方式类同于一般示教再现机器人）・自适应抓取实验（抓取鸡蛋、玻璃瓶等易碎物）•多信息融合算法实践

作为实验装置，它使学生直接面对科学研究前沿，除多个实验可做生动的演示外，在信息处理部分可以融入自己的算法思想。在技术上，它具有控制方式灵活、人机界面友好、实验系统结构开放等特点。可作为“机械制造及其自动化、“自动化”、“电子信息工程”等本科专业《机器人技术》课程的实验装置，也可用作相关专业研究生实践及研究开发平台。整个实验装置由机械手本体、控制器、计算机等三部分组成，系统组成示意图如图0-1所示。电脑虚拟仪器传感器

信息觉传感示教、实验控制面板（操作）接近觉、接以器电脑虚拟仪器传感器

信息觉传感示教、实验控制面板（操作）接近觉、接以器S触觉、滑觉传感器1 1机械手本体图0-1实验装置结构组成简图机械手本体由多感觉手爪（其中力传感器装在腕部）、升降筒、支撑力柱和底座工作平台等组成，手爪的张开与闭合及手臂的升降均由步进电机驱动。手爪为丝杠螺母传动，带动一平移夹持机构实现手爪开合。升降是滚珠丝杠传动，螺母与升降筒固定在一起，由直线导轨保持其运动精度。控制器由控制面板（含液晶显示）、传感器信号处理板、机械手控制板、电机驱动器、直流电源等组成。控制面板（含液晶显示）是人机界面，由按键输入，液晶输出。传感器信号处理板完成各种感觉信息的模拟信号处理，分别输出到PC机和机械手控制板。机械手控制板包括感觉信号的A/D转换、键盘输入处理和各种实验功能的实现（含手爪及升降电机的控制）。计算机是各种感觉信息的演示界面，用LABVIEW软件开发，能用多个窗口观察各个感觉信息的实时变化，并进行多感觉信息融合算法的实践。实验主菜单界面首先将介绍具体的软件运行界面，以及菜单的使用方法。在打开多感觉机械手实验装置软件后，将直接弹出如图0-2所示的实验菜单界面：图0-2实验菜单界面由图0-2可知，实验菜单界面主要由标题框和菜单框组成。其中菜单框共包含7个菜单项，每个菜单项分别是一个实验的入口，要进入某个实验只需单击相应的菜单项，本实验系统可以提供的实验分别是：自适应抓取实验在自适应抓取实验中，将完成同时对4个传感器的数据采集并显示数据的波形，而且可以实现将某个传感器信号窗口进行放大观察的功能。未知材料特征值提取实验在未知材料特征提取实验中主要完成对未知材料的力觉特征和热觉特征的提取，并且提供一组参数，这些参数将在后续的多信息融合实验中用来判断机械手所抓取的工件的材质。多信息融合实验在多信息融合实验中将使用未知材料特征提取实验中所获取的数据进行处理和判断，并给出机械手所抓物体属于某种材料的概率。接近觉实验在接近觉实验中，将实现对单一的接近觉传感器信号的数据采集和分析。触滑觉实验

在触滑觉实验中，将实现对单一的触滑觉传感器信号的数据采集和分析。6.力觉实验在力觉实验中，将实现对单一的力觉传感器信号的数据采集和分析。7.热觉实验在热觉实验中，将实现对单一的热觉传感器信号的数据采集和分析。在完成实验以后要退出实验菜单，可按下实验菜单界面的最下方的退出键，如果要重新开始运行，可以点击位于windows工具栏上的空箭头按钮（如图0-3所示），它将再次启动程序。重新开始按钮图0-3重新开始按钮图0-3实验菜单界面注意：除了可以在实验菜单中手工的选择做某个实验，也可以由控制箱选择作某个实验，即在控制箱上通过按键选择作何种实验，可以通过单片机和计算机的通信可以实现软件自动选择作的实验。为了让软件自动实现实验的选择，必须确保从控制箱的串行通信线正确的接到计算机的COM1口。假如串行通信线未成功连接，计算机将需要手工的选择作何种实验，即通过菜单上的按键来实现实验的选择。实验一机械手操作实验一、 实验目的了解机械手的控制结构和示教方式；2.二、 实验装置多感觉机械手实验装置三、 实验原理机械手控制结构（框图）如图1-1所示。感觉信息模拟输入8155接口ADC08098155接口ADC080989c55单片机＜32864数据存输出脉冲个数的计输出脉冲个数的计数8253接口VT22输出脉冲频率信号控制步进电机转角及速度二＞|8253接口图1-1多感觉机械手控制系统结构示意图图中，8155接口负责机械手张开极限和升降极限位置的I/O检测、对液晶的输出显示控制；ADC0809完成对各种感觉信号的AD转换并输入到计算机；2864芯片用于存储各个实验的经验数据，两块8253完成对步进电机的脉冲信号输出及其计数。储各个实验的经验数据，两块8253完成对步进电机的脉冲信号输出及其计数。图1-2控制器面板机械手示教工作：在示教工作模式下，利用面板（图1-2）上的相应键操纵手臂、手爪，使之完成预期的轨迹。操作者可通过液晶显示了解当前工作区位置、示教内容（工作点数）、当前机械手位置等信息。示教模式工作流程如图1-3示：图1-3示教工作流程四、操作步骤：1.熟悉操作面板，通过面板上的“模式”按钮选择示教工作模式，显示如下:Mode：TEACH按确认键，进入示教模式，显示如下：Mode：TEACHA—00A：2AF0G：0000其中A—00表明当前工作区为A区（可通过工作区键切换至B、C、D区），目前无工作点数（00），工作点最大可保存60点，不能超出；A：2AF0表明手臂当前位置；G：0000表明手爪当前位置。示教过程中可以利用手爪的开、合，手臂的升、降点动和连续动作实现任务。如：手臂上升到指定位置后，显示：Mode：TEACHA—00A：20A0G：0000按下“记忆”键，系统将机械手此运动过程保存下来供再现使用，显示如下：Mode：TEACHA—00 DOWN!Mode：TEACHA—01A：20A0G：0000此时，表明系统已完成记忆工作，可继续进行示教工作。在示教模式下，若想删除该工作区中的记忆内容，利用“删除”键实现。该功能键按下后，将当前示教区最后一个示教工作点删除，如此反复操作，可删除当前示教区所有工作点，以备新的示教程序使用。显示如下：Mode：TEACHA—01 DELETE！Mode：TEACHA—00A：20A0G：0000当示教完成后，利用“模式”选择键切换到再现模式下，显示如下:Mode：PALYBACKA—06表明当前再现任务工作区为A区，工作区示教点数为6。按下“确认”键后机械手将先执行回原点（寻找绝对原点）操作，然后按照示教顺序完成示教任务。显示如下：Mode：PALYBACKA—06 STEP—01STEP—01表明当前机械手正在完成第一个示教点的工作任务，然后依次是02、03、04、05、06,然后停止。再次按下“确认”键后重复上述操作过程。实验二接近觉实验一、 实验目的了解机器人接近觉的工作原理。二、 实验装置多感觉机械手实验装置；PCI6024E采集卡;计算机

机械手控制结构（框图）如图1-1所示。感觉信息模拟输入8155接口ADC08098155接口ADC080989c55单片机＜32864数据存输出脉冲个数的计输出脉冲个数的计数8253接口VT22输出脉冲频率信号控制步进电机转角及速度二＞|8253接口图1-1多感觉机械手控制系统结构示意图图中，8155接口负责机械手张开极限和升降极限位置的I/O检测、对液晶的输出显示控制；ADC0809完成对各种感觉信号的AD转换并输入到计算机；2864芯片用于存储各个实验的经验数据，两块8253完成对步进电机的脉冲信号输出及其计数。图1-2控制器面板三、实验原理接近觉采用红外反射光强法，其工作原理如下。红外反射光强法接近觉的测量原理，如图2-1所示。由红外发光管发射经过调制的信号，红外光敏管接收经目标物反射的红外调制信号，环境红外光干扰的消除由信号调制和专用红外滤光片保证。设输出信号vout代表反射光强，则vout是探头至工件间距离X的函数：Vt=f（x，p）式中p表示工件的反射系数。当工件为p值一致的物体时，X和Vout一一对应。典型的响应为非线性曲线，如图2-2所示，X距离的推算根据预先对各种目标物的接近觉测量实验数据通过

插值得到。反射系数p与目标物表面颜色、粗糙度等有关，当目标物颜色较深、接近黑色或透明时，反射光很弱。若以输出信号达到某一阈值作为“接近”时，则对不同目标物，因其表面的颜色和粗糙度是不同，“接近”的距离是不同的。红外光强法接近觉对大多数目标物是能找到“接近”感觉的，所以这一并不十分精确的简单测距系统用做机器人的接近觉是完全能够胜任的。图2-2接近觉响应曲线图2-2接近觉响应曲线接近觉信号处理电路分为发射部分和接收部分。信号调制与发射部分采用方波调制，电路见图2-3，调制信号（方波）由NE555产生，其调制频率由R1、R2、C2确定，改变电阻R2可改变占空比。调制频率约为500Hz。图中虚线框为接近传感器的红外发光管部分。发射A图2-3接近觉信号调制与发射发射A图2-3接近觉信号调制与发射图2-4接近觉信号接收与解调信号接收及解调电路如图2-4所示，虚线框中为红外光敏三极管。图中第一级用于检测所接收的红外光强度，电路中C3起直流隔离作用，抑制环境噪声（环境光）的影响，后续电路由模拟开关和运放组成的混合电路实现解调功能。IC5A，IC5C为双向模拟开关，控制信号由图中C、D提供，控制逻辑相反。在正负半周分别控制不同的电路接入IC4B运放，使正负对称的方波在输出时变为其绝对值，经低通滤波完成输出直流信号与接近距离的对应关系。解调过程波形分析如图2-5所示。

四、操作步骤：将多感觉机械手实验装置与上位机通过采集卡联接。控制箱操作。熟悉操作面板，选择接近觉实验模式，显示如下：Mode：P