服务机器人的其他传感器技术

1.姿态传感器

航姿参考系统（Attitude Heading Reference System,AHRS）是基于MEMS技术的高性能三维运动姿态测量系统。它包含三轴陀螺仪、三轴加速度计（即IMU），三轴电子罗盘等辅助运动传感器，通过内嵌的低功耗ARM处理器输出校准过的角速度、加速度、磁数据等，通过基于四元数的传感器数据算法进行运动姿态测量，实时输出以四元数、欧拉角等表示的零漂移三维姿态数据。

2.角速度传感器

角度传感器是一种感知被载体角度变化的传感器件，角速度传感器能够测量转动体的转角变化，单纯传感器不能测量加速度，要通过二次仪表将转角的变化进行处理并显示出来才能完成测量。

角度传感器的种类很多，主要可分为三大类：机械式、磁电式和光学式。机械式角度传感器有测角仪，多齿分度盘等；磁电式传感器包括电位计式、霍尔式、电感式、磁敏电阻式、磁栅式、电涡流式、电容式等；光学式传感器包括光栅式、光纤式、激光式、光电编码盘等。机械式传感器精度有限，无电信号输出；光学传感器结构复杂，成本昂贵，测量角度小；磁电式传感器结构紧凑，精度较高，测量输出一般为电信号，易被后级电路调制处理。表4-2给出了几种常用角位移传感器的性能对比。在阀门领域，近年来磁电式角度传感器的发展较快，其他种类的精密角度传感器也得到了一定应用。

表4-2　几种主要角度传感器及性能

1）基于磁敏元件的角度传感器

磁敏元件对磁场敏感，能够将磁场方向或强度的变化转化为对应的电信号。只要阀芯转动能够引起磁场变化，就可以应用磁敏元件设计角度变送器。磁敏元件主要包括霍耳元件和磁敏电阻两大类，图4-12所示为一外置式霍耳角度传感器，由德国ITT公司的Alexandi区设计，主要包括扼铁、永磁体和霍耳元件几部分。永磁体的外周切成圆弧形，与扼铁的弧状部分形成一均匀的工作气隙。扼铁由软磁材料制成，引导永磁体产生的工作磁通通过霍耳元件形成闭合回路。如果不使用整块永磁体，可以采用软磁材料将小块永磁体的磁通引至工作气隙。当永磁体绕中心轴由图示位置转动后，漏磁通增加，通过霍耳元件的磁场强度变小，输出电信号随转角成比例变化。该型传感器能够通过非导磁材料将扼铁改造成闭合形式，使永磁体和霍耳元件相互隔离，成为耐高压型。不过由于软磁扼铁的存在，该传感器工作时会有一个附加的回复力矩，对测量造成不利影响。此外，永磁体的时效效应和褪磁效应也会降低传感器的检测精度。

图4-12　外置式霍尔角度传感器

只要选择合适的永磁体结构，霍耳元件也可以被安装在永磁体内部。图4-13所示为Pecheny设计的内嵌式霍耳角度传感器，主要由永磁体、扼铁、短路环和霍耳元件几部分组成。径向充磁的永磁体呈环形，固定在保持架上。两片扇形扼铁嵌入永磁体的内环，形成一均匀的环形工作气隙，霍耳元件被安装在扼铁之间。短路环由软磁材料制成，环绕永磁体的外周以减少漏磁损耗。当永磁体随转轴旋转时，扼铁之间气隙内的磁场大小和方向都发生变化，使霍耳元件输出与转角成比例的电信号。环状结构的永磁体内侧的磁场比较均匀，有利于提高传感器的量程，该传感器的线性工作区间较大，优于外置式传感器。不过环形永磁体只能采用钦铁硼等稀土永磁材料制作，存在材料特性的稳定性问题，而外置式霍耳角度传感器的永磁体可以由铝镍钴制作，工作稳定性好。

图4-13　内嵌式霍尔角度传感器

磁敏电阻式角度传感器的一个实例如图4-14所示，它由Tbmczak设计，主要包括永磁体、磁敏电阻、转轴、支架几部分。两支架固定在转轴上，它们之间相互平行，且与转轴中心轴成一斜角，每个支架上各嵌有一块矩形永磁体，磁敏电阻则放置在两块永磁体之间。当转轴旋转时，永磁体与磁敏电阻之间的间距发生变化，引起磁场改变，磁敏电阻随之输出成比例的电信号。

2）电感式角度传感器

电感式角度传感器是利用感应线圈的自感或互感的变化来实现角度测量的一种装置，图4-15介绍了它的一个实现方案，由Takahashi设计，主要由感应线圈、转子、线圈骨架和转轴组成。半圆形转子由软磁材料制成，固联在转轴上，可绕转轴中心轴旋转。圆筒状骨架由尼龙材料制成，外侧开有环形凹槽，以容纳感应线圈。当感应线圈通入交流电后，左侧线圈电感达到最大值，右侧达到最小值。转轴转动后，左侧线圈电感逐渐减小，右侧逐渐增大，当转子转过180°后，左侧取最小值，右侧取最大值。在行程的两端，由于结构非线性等因素的影响，存在饱和区段，在实际使用中应该避开这一区域。该传感器采用双线圈差动布置方式，能够有效抑制温漂，不过由于软磁材料交流损耗的影响，传感器的工作带宽较低。

图4-14　磁敏电阻式角度传感器

图4-15　差动电感式角度传感器

旋转变压器式角度传感器（RVDT）是电感式角度传感器的一种。与LVDT类似，RVDT利用传感器一次线圈和二次线圈之间互感的变化实现角度测量，具有线性好、量程大的特点；不过由于磁路中铁心材料的磁滞与涡流损耗，使其频率响应较低，一般在200 Hz以内。

3）短路环式角度传感器

短路环式角度传感器如图4-16所示。该角度传感器由Kodak公司的Orlicki设计，主要包括短路环、感应线圈、定子和转子几部分。由高电导率材料（铜）制成的短路环，分别固定在传感器定子和转子上。短路环截面呈半圆凹形，由两个半圆环弯折而成。半圆环1跨接在定子或转子的外圆周上，半圆环2则直接面对感应线圈放置，两个半圆环之间具有一个大于线圈宽度的轴向间距。当感应线圈通入交流电后，线圈磁通在短路环内感生出电涡流，阻碍线圈磁通的变化，而半圆环1路径中的电涡流对线圈磁通没有影响。当转子旋转时，感应线圈圆周范围内被涡流影响的区域面积发生变化，引起线圈阻抗改变，由此实现角度测量。在图4-17所示位置，线圈感抗达到最大值，此时定、转子上的半圆环2正好相对，短路环磁通对线性磁通的影响范围最小。转子转过180°后，线圈磁通变化完全被短路环涡流磁通所阻碍，线圈感抗达到最小值。该角度传感器基于电涡流效应工作，工作频宽大于一般的电感式传感器，不过定、转子处的漏磁较严重，工作效率较低。利用硅钢片叠制方式制作定子和转子，可以提高磁通利用率，不过也会损失一部分传感器带宽。此外，单线圈工作方式使该传感器的工作稳定性不及RVDT。

图4-16　短路环式角度传感器工作原理示意图

图4-17　传感器结构示意图

4）电容式角度传感器

电容式角度传感器由Brasseur设计，主要由定子1、定子2、转子和转轴组成，如图4-18所示。定子1为圆形，由4组对称分布的金属发射极组成，发射极之间相互绝缘。两个径向对称分布的扇形金属叶片组成转子，固定在转轴上，扇形叶片的面积为整圆的1/4。接收极和隔离环也由金属或其他高电导率材料制成，它们之间相互绝缘，共同组成圆形定子2。隔离环能对外界电磁干扰起屏蔽作用，有利于接收极电荷量的准确测量。传感器工作流程如图4-19所示，信号发生器输出特定相序和脉宽的方波电压信号分别给四组发射极，当转子旋转时，发射极电势使接收极电荷量随转子转角变化。放大器将电荷量转化成电压后输出给隔离单元，再经信号处理单元处理后就可得到成比例的转角输出量。该电容式角度传感器响应快，分辨率高（±0.02%），机械结构简单紧凑，能在高温、高湿环境下工作，性能稳定，可靠性高；不过激励和检测电路的复杂性限制了其在液压转阀上的应用。

图4-18　电容式角度传感器结构示意图

图4-19　传感器工作流程图

5）电涡流式角度传感器

电涡流式该类型角度传感器基于电涡流效应工作，图4-20所示为一个实例，由Schoiack设计，主要由偏心转子和感应线圈组成。圆柱形转子由铜制成，以偏心方式安装在转轴上。当感应线圈通入交流电后，线圈磁场在转子表面感生出电涡流，抵抗线圈激励磁场的变化。当偏心转子顺时针旋转时，左侧线圈的工作气隙增大，线圈感抗相应增大，右侧线圈的感抗则随气隙的减小而减小；当转子逆时针旋转时，结果相反。该涡流传感器的工作原理使其具有很高的工作带宽，并且由于线圈工作在差动方式，温度稳定性好。不过该类型传感器测量量程较小，并且不具备耐高压能力，不能直接用于转阀阀芯的位置检测。

(www.xing528.com)

图4-20　电涡流式角度传感器

6）耐高压光电式角度传感

耐高压光电式角度传感器是对传统光电编码器的结构改进，使其能够在高压场合下工作，以满足液压领域使用的要求。它由Bosch公司的Hurst设计制，结构如图4-21所示，主要由主动转子、随动转子、永磁体、光电编码盘和耐压壳体组成。沿同一半径方向充磁的圆柱形永磁体分别固定在主动转子和随动转子上，4块永磁体极面相对，在主动转子和随动转子之间形成工作气隙，以安装耐压壳体。磁通通过永磁体、耐压壳体、主动转子、随动转子，形成完整的闭合路径。光电编码盘则安装在随动转子上，通过光源及后续电路可将随动转子的转角以电信号输出。当主动转子旋转时，随动转子在永久磁通作用下随之旋转，通过光电编码器即可间接测得主动转子的转角。该角度传感器分辨率高，准确性好。此外，由于耐压壳体的隔离作用，主动转子侧的高压将不会影响到随动转子部分，使传感器具有耐高压能力。不过由于随动转子转动惯量的影响，传感器存在滞后效应，工作频宽低，仅可用于稳态和似稳态转角测量。

图4-21　耐高压光电式角度传感器

3.光电编码器

光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。光电编码器旋转一周的脉冲数为256/512/1024/2048。光电编码器为五线制，其中两根为电源线，三根为脉冲线（A相、B相、Z相）。电源的工作电压为+5～+24 V直流电源。光电编码器由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速（见图4-22）。

图4-22　光电编码器示意图

此外，为判定旋转方向，码盘还可提供相位相差90°的两路脉冲信号。当光电编码器的轴转动时，A、B两根线都产生脉冲输出，A、B两相脉冲相差90°相位角，由此可测出光电编码器转动方向与电机转速。假如A相脉冲比B相脉冲超前，则光电编码器为正转；否则为反转。Z线为零脉冲线，光电编码器每转一圈产生一个脉冲，主要用作计数。A线用来丈量脉冲个数，B线与A线配合可丈量出转动方向。

设N为电机转速

Δn＝ND测－ND理

例如：车的速度为1.5 m/s，轮子的直径220 mm，C＝Dπ，电机控制在21.7 r/s，根据伺服系统的指标，设电机转速为1 500 r/min，故可求得当ND＝21.7×60＝130 r/min时，光码盘每秒钟输出的脉冲数为

PD＝130×600/60＝1 300（个）

当测出的脉冲个数与计算出的标准值有偏差时，可根据电压与脉冲个数的对应关系计算出输出给伺服系统的增量电压ΔU，经过D/A转换，再计算出增量脉冲个数。一般运行时间越长、路线越长，离我们预制的路线偏离就越多。这时系统启动位置环，通过不断丈量光电编码器每秒钟输出的脉冲个数，并与标准值PD（理想值）进行比较，计算出增量ΔP并将之转换成对应的数字输出量，通过控制器减少输入电机的脉冲个数，迫使电机转速降下来，当测出的ΔP近似为零时停止调节，这样可将电机转速始终控制在理想的范围内。

4.光敏传感器

1）光敏传感器的工作原理及结构

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。

图4-23为光敏电阻结构，在玻璃底板上均匀地涂上薄薄的一层半导体物质，半导体的两端装上金属电极，使电极与半导体层可靠地点接触，然后，将它们压入塑料封装体内。为了防止周围介质的污染，在半导体光敏层上覆盖一层漆膜，漆膜成分的选择应该使它在光敏层最敏感的波长范围内射率最大。光敏电阻一般为半导体材料。

图4-23　光敏电阻结构示意图

1—电极；2—玻璃底板；3—半导体

2）电路分析

图4-24为光敏电阻工作原理图。把光敏电阻连接到外接电路中。在外加电压的作用下，用光照射可改变电路中电流的大小。光敏电阻在受到光的照射时，其导电性能增强，电阻值下降，流过光敏负载电阻RL的电流及其两端电压也随之变化（见图4-25）。

图4-24　光敏电阻工作原理示意图

图4-25　光敏电阻工作电路图

3）光敏传感器实际应用

图4-26为光敏感器在声光控开关中的实际应用框图。声光控开关节能灯电路由电源电路、声控电路、光控电路、延时电子开关电路四大部分组成。

图4-26　实际应用光敏传感器声光控开关的结构框图

（1）电源电路。电源电路是给电路提供能源的设备，其作用是给电路提供电源，使电路能正常工作。常用的电路有：半波整流、全波整流、桥式整流，而常用的电源电路使用的是以桥式整流电路为主要部分的电路。

（2）声控电路。声控电路是用声音控制电路的设备，其作用是把送入的声波转换为电信号，从而用这种信号去控制所需要的电器设备。常用的电路有：小信号放大电路、声波控制电路等。而常用的声控电路使用的是以声波控制电路为主要部分的电路。

（3）光控电路。光控电路是用外来的光源来控制电路的设备。其作用是把外来的光源转换电信号，从而用这种信号去控制所需要的电器设备。

（4）延时电子开关电路。在楼道、建筑走廊、洗漱室、厕所、厂房、庭院等场所，往往需要一些照明系统。一般的照明不能做到人走灯灭，这样就造成了资源浪费。一般的声光控虽然解决了这个问题，但是在特殊情况下仍有不能满足需求的时候，可以通过集声控、光控和延时技术为一体的自动照明开关，打造理想的新颖绿色照明开关。