第8章 智能传感器

第8章

智能传感器机器人传感器8.1智能传感器8.2【学习目标】掌握机器人传感器的种类掌握机器人传感器的工作原理掌握智能传感器的工作原理掌握智能传感器的实现途径掌握智能传感器的功能【技能目标】具备分析机器人传感器电路的能力具备制作机器人传感器电路的能力具备制作智能传感器应用电路的能力具备调试电路的能力8.1机器人传感器

图8.1所示为排爆机器人工作实物图。图8.1排爆机器人工作实物图8.1.1机器人与传感器

机器人是由计算机控制的能模拟人的感受、动作且具有自动行走功能而又足以完成有效工作的装置。8.1.2机器人传感器的分类及特点1．机器人传感器的分类

表8.1所示为机器人传感器的分类及应用。类

别检测内容应用目的传感器件明暗觉是否有光，亮度多少判断有无对象，并得到定量结果光明管、光电断续器色觉对象的色彩及浓度利用颜色识别对象的场合彩色摄影机、滤波器、彩色CCD位置觉物体的位置、角度、距离物体空间位置，判断物体移动光敏阵列、CCD等形状觉物体的外形提取物体轮廓及固有特征，识别物体光敏阵列、CCD等接触觉与对象是否接触，接触的位置决定对象位置，识别对象形态，控制速度，安全保障，异常停止，寻径光电传感器、微动开关、薄膜接点、压敏高分子材料压觉对物体的压力、握力、压力分布控制握力，识别握持物，测量物体弹性压电元件、导电橡胶、压敏高分子材料力觉机器人有关部件（如手指）所受外力及转矩控制手腕移动，伺服控制，正确完成作业应变片、导电橡胶接近觉与对象物是否接近，接近距离，对象面的倾斜控制位置，寻径，安全保障，异常停止光传感器、气压传感器、超声波传感器、电涡流传感器、霍尔传感器滑觉垂直于握持面方向物体的位移，旋转重力引起的变形修正握力，防止打滑，判断物体重量及表面状态球形接点式、光电式旋转传感器、角编码器、振动探测器表8.1 机器人传感器的分类及应用（1）内部参数检测传感器

图8.2所示为一种球坐标工业机器人原理框图和结构图。1—回转立柱2—摆动手臂3—手腕4—伸缩手臂图8.2球坐标工业机器人

（2）外部参数检测传感器

外部参数检测传感器用于获取机器人对周围环境或者目标物状态特征的信息，是机器人与周围进行交互工作的信息通道。2．机器人传感器的特点

①传感器包括获取信息和处理信息两部分，这两部分有机的结合在一起。

②传感器检测的信息直接用于控制，以决定机器人的行动。

③与工业控制或一般检测用的传感器不同的是，机器人传感器既能检测信息，又有紧随环境状态进行大幅度变化的功能，因此信息收集能力强。

④传感器对敏感材料的柔性和功能有特定要求。由此可见，机器人传感器不仅包括传感器本身，而且必须包含传感器信号处理部分。8.1.3触觉传感器1．人的皮肤的感觉

一般认为人的皮肤感觉主要有4种，即触觉、冷觉、温觉和痛觉。2．机器人的触觉

（1）压觉传感器图 8.3所示为硅电容压觉传感器阵列结构剖面示意图，硅电容压觉传感器阵列由若干个电容器均匀地排列成一个简单的电容器阵列。1—柔性垫片层2—表皮层3—硅片

4—衬底5—Si026—电容极板图8.3硅电容压觉传感器阵列结构剖面示意图

（2）力觉传感器

图8.4所示为挠性十字梁式腕力传感器结构示意图。1—前手腕关节2—十字框架3—应变片4—后手腕关节连接孔图8.4挠性十字梁式腕力传感器结构示意图

（3）滑觉传感器

图8.5所示为光电式滑觉传感器的手爪及构造。1—被抓物2—手爪3—齿轮-齿条4—手腕5—驱动杆6—滚筒7—平直弹簧片

8—定轴9—码盘10—发光二极管11—光敏二极管图8.5光电式滑觉传感器的手爪及构造

注意

光电式滑觉传感器只能感知一个方向的滑觉（称一维滑觉），若要感知二维滑觉，则可采用球形滑觉传感器，如图8.6所示。1—滑动球

2—被抓物

3—软衬

4—接触器图8.6球形滑觉传感器

（4）PVDF接触觉传感器

机器人的触觉功能主要有检测功能和识别功能两方面。

①检测功能：对操作物进行物理性质检测，如表面光滑度、硬度等。其目的是感知危险状态，实施自身保护；灵活地控制手爪及关节以操作对象物；使操作具有适应性和顺从性。

②识别功能：识别对象物的形状（如识别接触到的表面形状）。8.1.4接近觉传感器

接近觉传感器用于感知一定距离内的场景状况，所感应的距离范围一般为几毫米至几十毫米，也有的可达几米。1．电磁式接近觉传感器

成块的金属置于变化着的磁场中时，或者是在固定磁场中运动时，金属体内就要产生感应电流，而金属板表面感应的涡流产生的电磁场又反作用于线圈上，改变了电感的大小，从而感知传感器与被接近物体的距离大小。2．红外线式接近觉传感器

红外线式接近传感器可以探测到机器人是否靠近人或其他热源，可用于安全保护和改变机器人的行走路径。3．光电式接近觉传感器

光电式接近觉传感器应用发射—反射式原理。4．超声波式接近觉传感器

超声波式接近觉传感器既可以用一个超声波换能器兼做发射器和接收器，也可以用两只超声波换能器，一只作为发射器，另一只作为接收器。8.1.5视觉传感器

人的视觉是获取外界信息主要的感觉行为。

据统计，人所获得外界信息的80%是靠视觉得到的。1．视觉检测

视觉检测主要利用图像信号输入设备，将视觉信息转换成电信号，常用的图像信号输入设备有摄像管和固态图像传感器。图8.7激光扫描三维视觉原理2．视觉图像分析

视觉图像分析是把摄取到的所有信号去掉杂波及无价值像素，重新把有价值的像素按线段或区域等排列成有效像素集合。

被测图像被划分为各个组成部分的预处理过程称为视觉图像分析。3．描绘与识别

图像信息的描绘是利用求取平面图形的面积、周长、直径、孔数、顶点数、二阶矩，周长平方与总面积之比，以及直线数目、弧的数目，最大惯性矩和最小惯性矩之比等方法，把这些方法中所隐含的图像特征提取出来的过程。

从一定意义上说，一个典型视觉传感器的组成原理如图8.8所示，它属于智能传感器范畴。图8.8视觉传感器的组成原理8.1.6听觉、嗅觉和味觉传感器1．听觉传感器

听觉传感器是人工智能装置，是机器人中必不可少的部件，它是利用语音信号处理技术制成的。

机器人由听觉传感器实现“人—机”对话。

采用这些芯片构成的传感器控制系统如图8.9所示，由此可知，该系统是一个很复杂的系统。图8.9语音识别的听觉传感器控制系统框图2．嗅觉传感器（1）人的嗅觉

人的嗅觉位于上鼻道及鼻中隔后上部的嗅上皮，两侧总面积约5cm2。（2）机器人的嗅觉

机器人的嗅觉传感器主要的是采用气体传感器、射线传感器等，多用于检测空气中的化学成分、浓度等，在放射线、高温煤气、可燃性气体以及其他有毒气体的恶劣环境下，开发检测放射线、可燃气体及有毒气体的传感器是很重要的。

这对于我们了解环境污染、预防火灾和毒气泄漏报警具有重大的意义。3．味觉传感器（1）人的味觉

人的味觉感受器是味蕾，主要分布在舌背部表面和舌缘、口腔和咽部粘膜表面。

每一味蕾由味觉细胞和支持细胞组成。（2）机器人的味觉

通过人的味觉研究可以看出，要做出一个好的味觉传感器，还要通过努力，在发展离子传感器与生物传感器的基础上，配合微型计算机进行信息的组合来识别各种味道。通常味觉是指对液体进行化学成分的分析。8.2智能传感器图8.10智能型低功耗电池供电压力表实物图8.2.1智能传感器概述1．智能传感器的含义

智能传感器是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学及材料科学相结合的综合密集型技术。

如图8.11所示，智能传感器主要由传感器、微处理器（或微机）及相关电路组成，其中作为控制核心的微处理器通常采用单片机。图8.11智能传感器基本结构框图2．智能传感器的功能

智能传感器的主要功能如下。

①自补偿功能：通过软件对传感器的非线性、温度漂移、响应时间等进行自动补偿。

②自校准功能：操作者输入零值或某一标准量值后，自校准软件可以自动地对传感器进行在线校准。

③自诊断功能：接通电源后，检查传感器各部分是否正常，并可诊断发生故障的部件。

④数据处理功能：可以根据智能传感器内部的程序，自动处理数据。

⑤双向通信功能：微处理器和基本传感器之间构成闭环，微处理机不但接收、处理传感器的数据，还可将信息反馈至传感器，对测量过程进行调节和控制。

⑥信息存储和记忆功能：对接收到的信息能够进行存储和记忆。

⑦数字量输出功能：输出数字信号，可方便地与计算机或接口总线相连。3．智能传感器的优点

①智能传感器能对信息进行处理、分析和调节，能对所测数值及其误差进行补偿，还能进行逻辑思考和结论判断，能借助于一览表对非线性信号进行线性化处理，能借助于软件滤波器进行数字信号滤波，还能利用软件实现非线性补偿或其他更复杂的环境补偿，用以改进测量精度。

②智能传感器具有自诊断和自校准功能，可以用来检测工作环境。当工作环境临近其极限条件时，它能发出警告信号，并按其分析器的输入信号给出相关的诊断信息。当智能化传感器由于某些内部故障而不能正常工作时，它能借助于内部检测电路找出异常现象或找出故障部件。

③智能传感器能够进行多传感器多参数混合测量，进一步拓宽其探测与应用领域；由于微处理器的介入，使得智能化传感器能够更加方便地对多种信号进行实时处理。由于其灵活的配置功能，既能使同类型的传感器实现最佳的工作性能，也能使它们适合于各不同的工作环境。

④智能传感器既能方便地实时处理测到的大量数据，也可根据需要将它们存储起来。存储大量信息的目的主要是以备事后查询，这类信息包括设备的历史信息及探测分析结果的索引等。

⑤智能传感器备有一个数字式通信接口，可以直接与其所属计算机进行通信联络和交换信息。智能传感器的信息管理程序非常简便，可对探测系统进行远距离控制或在锁定方式下工作，也可将所测数据发送给远程用户等。8.2.2智能传感器的应用1．气象参数测试仪

气象参数测试仪的结构组成如图8.12所示。图8.12气象参数测试仪结构框图

功能如下。

①实现风向、风速、温度、湿度、气压的传感器信号采集。

②对采集的信号进行处理、显示。

③实现与微型计算机的数据通信，传送仪器的工作状态、气象参数数据。2．汽车制动性能检测仪

汽车制动性能的好坏，是安全行车的最重要因素之一，也是汽车安全检测的重点指标之一。

汽车制动性能检测仪由左轮制动力传感器、右轮制动力传感器及数据采集、处理与输出系统组成，其总体框图如图8.13所示。图8.13汽车制动性能检测仪总体框图3．轮速智能传感器

轮速智能传感器的硬件结构以单片机为核心，外部扩展8KBRAM和8KBEPROM。

外围电路有信号处理电路、总线通信控制、总线接口等，如图8.14所示。图8.14轮速智能传感器4．超声智能传感器

美国Merritt系统公司（MSI）开发了两种超声智能传感器：一种测距范围为50～3

000mm，采样频率为40Hz，精度为2.5mm；另一种是高精度型，测距范围为25～600mm，采样频率为200Hz，精度为0.25mm，超声换能器的工作频率为40kHz。

传感器内有以微处理器为中心的数据处理电路，通过测量超声波从传感器到目标再返问所需要的时间，计算传感器到目标的距离。

传感器通过标准串行口与PC通信，用户可以通过图形化人—机接口监视目标距离，还可以根据需要改变传感器的参数。

这种传感器体积较小，为2.5in1.75in0.8in（1in＝25.4mm），可以在过程监测和机器人中测距。8.2.3智能传感器的发展趋势1．采用新技术提高智能化程度2．单片传感器系统3．传感器微型化4．总线技术的标准化与规范化5．虚拟传感器6．网络