位置（位移）传感器的应用和原理

机器人位置（位移）传感器有两类：一类是检测某规定位置（如检测机器人运动的起始位置、终止位置或某个确定的位置）的传感器，常见的有微型开关、光电开关等；另一类是测量可变位置和角度的，如测量机器人关节线位移和角位移的传感器等，常见的有电位器、旋转变压器、编码器等。

1.位置传感器

位置传感器是能准确地检测到被测物体的位置并将位置信息转换成对应的可用输出信号的传感器，用来测量机器人自身的位置。位置传感器可分为直线位置传感器和角位置传感器，用来检测机器人运动的起始位置、终止位置或者确定具体位置。

位置传感器反映某种状态的开、关，有接触式和接近式。接触式传感器的触头由两个物体接触挤压而动作，其输出为0或1的高低电平变化。常见的接触式传感器有微型行程开关、接近开关、二维矩阵式位置传感器等。

1）行程开关

行程开关是根据运动部件的行程位置进行电路切换的电气装置，也称限位开关，起到控制机械装备的行程和限位保护作用。行程开关结构简单、动作可靠、价格低廉。当物体移动部件在运动过程中碰到行程开关时，其内部触头会动作，实现电路的切换，从而完成控制。行程开关一般安装在壳体内，壳体对外力、水、尘埃等起到阻挡作用。例如，在加工中心的x、y、z轴方向两端分别装有行程开关，可控制运动部件的移动范围，进行终端限位保护。行程开关一般要承受多次撞击、振动，故装置的可靠性要高，噪声要低。

2）接近开关

接近开关是指当物体与其接近到设定距离时就可以发出“动作”信号的开关，利用其对接近物体的敏感特性达到控制相关动作通或断的目的，无须和物体直接接触，又称无触点行程开关，也可完成行程控制和限位保护。接近开关种类很多，主要有电磁式、光电式、差动变压器式、电涡流式、电容式、霍尔式等。当有物体移向接近开关，并接近到一定距离时，位移传感器才有“感知”，开关才会动作，通常把这个距离称为检出距离。不同的接近开关检出距离也不同；不同的接近开关，对检测对象的响应能力也是不同的，这种响应特性的度量被称为响应频率。

3）二维矩阵式位置传感器

为了提高识别的可靠性，多种接近开关往往复合使用。平面型位置开关是指将多个开关传感器组合成二维平面矩阵形式，它可以在进行面接触时监控接触位置的变化。二维矩阵式位置传感器安装于机械手掌内侧，用于检测自身与某个物体的接触位置，即通过矩阵面上不同接触点的变化来监控位置变化，实质上是多个开关的组合运用。

2.位移传感器

能够对机器人运动过程中的不间断的位置进行测量的传感器，称为位移传感器。测量直线位移的主要有直线型电位器式传感器和可调变压器两种。测量角度的角位移传感器有旋转型电位器式传感器、可调变压器（旋转变压器）及光电编码器三种，其中光电编码器有增量式编码器和绝对式编码器。

1）电阻式电位器

测量位移的最简单电位器式传感器是电阻式电位器，通常由环状或棒状的电阻丝和可移动的电刷组成，当电刷沿电阻体移动时，电刷的触头接触电阻丝，电刷与驱动器连成一体，将直线位移或转角位移转换成电阻的变化，在电路中以电流或电压的方式输出。电位器分为接触式和非接触式两大类。

电阻式电位器有绕线型和薄膜型两种。绕线型电位器的测量与电位器绕线的匝数有关，输出是步进式；薄膜型电位器的表面喷涂了阻性材料的薄膜，输出是连续的，噪声也小。

直线型电位器式位移传感器的工作原理如图5-3所示，传感器的可动电刷与被测物体相连，物体的位移引起电位器移动端的电阻变化，阻值的变化量反映了位移的量值，阻值是增加还是减小则表明了位移的方向。

图5-3　直线型电位器式位移传感器工作原理示意图

直线型电位器式位移传感器中位移和电压关系为

式中：E——输入电压；

L——触头最大移动距离；

x——位移；

e——电阻右侧的输出电压。

如图5-4所示，把电阻元件弯成圆弧形，可动触头的另一端固定在圆的中心，并像时针那样回转时，由于电阻值随相应的回转角而变化，因此基于上述同样的理论可构成测量角度的旋转型电位器式角位移传感器。

图5-4　电阻式角位移传感器结构示意图

电位器式位移传感器结构简单，性能稳定可靠，精度高，可较方便地选择其输出信号范围。但由于滑动触头与电阻元件是通过物理接触来实现位移的测量，因此接触点的磨损、接触不良，以及外部环境变化都会对传感器的测量精度造成影响。

此外，也有利用电容制成的电容式电位器，其灵敏度高，但测量范围小。

2）编码器

编码器是将信号（如比特流）或数据进行编制、转换为可用以通信、传输和存储的信号形式的设备。编码器把角度或直线位移转换成电信号，前者称为码盘，后者称为码尺。编码器测量的位移量，可以是相对量，也可以是绝对量，因此，编码器有两种基本形式：增量式编码器和绝对式编码器。(www.xing528.com)

增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。增量式编码器一般用于零位不确定的位置伺服控制，在获取编码器初始位置的情况下可以给出相对位置。它在开始工作时，一般要进行复位，然后可以确定任意时刻的位移。

绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。

根据检测原理，编码器分为光学式、磁式、感应式和电容式等。机器人中用得比较多的是光电编码器和磁式编码器。

（1）光电编码器。

光电编码器是一种数字光学器件，可将运动量转变为数字脉冲序列，计算脉冲的个数，或对一组脉冲进行编码，就可以获得运动的位移量。测量线位移的编码器叫直线编码器，测量角位移的编码器叫旋转编码器。

光电编码器由光栅盘和光电检测装置（发光元件和光敏元件）组成，检测物体的有无和物体表面状态的变化，通过光强度的变化转换为电信号的变化来实现。如图5-5所示，在明暗方格的码盘两侧，安放发光元件和光敏元件，随着码盘（光栅）的运转，光敏元件接收的光通量随方格的间距而同步变化，通过光电转换，将输出的机械几何位移量转换成脉冲数字量。

光电编码器具有检测距离长、对检测的物体限制少、响应时间短、分辨率高、可实现非接触检测、工作可靠、应用广泛等优点，一般装在机器人各关节的转轴上，用来测量各关节转轴转过的角度。

①绝对直线编码器。绝对直线编码器直接用数字代码表示，光栅由透光区及不透光区组成，通过对直线位置进行编码，每一个直线位置被赋予了一个绝对值。如图5-5所示，5条刻线的光栅最多可以编码为32个不同位置。

图5-5　绝对直线编码器

②绝对旋转编码器。绝对旋转编码器既可求得当前角度也可求得角速度。若能记录单位时间前的角度值，并利用当前的角度值，即可求得单位时间内的角速度。

图5-6所示为一光学式绝对旋转编码器，在输入轴上的旋转透光圆盘上，设置数条同心圆状的环带，并将不透明条纹印刷到环带上。将圆盘置于光线的照射下，透过圆盘的光由n个光传感器进行判读，得到二进制编码。二进制编码有不同的种类，但是只有格雷码（见图5-6（b））能把误读控制在一个数的范围之内，所以它获得了广泛的应用。编码器的分辨率由比特数（环带数）决定，例如12 bit，对应的编码器的分辨率为2-12=1/4096，所以能以1/4096的分辨率，对1转360°进行检测。

图5-6　光学式绝对旋转编码器

绝对旋转编码器码盘直接安装在电动机的旋转轴上，以测出轴的旋转角度位置和速度变化，其输出电信号为电脉冲，优点是精度高、反应快、工作可靠。绝对旋转编码器码盘是由多圈弧段组成，每圈互不相同，沿径向各弧段的透光和不透光部分组成唯一的编码，指示精确位置。多圈弧段数目越大，绝对旋转编码器的分辨率就越高。

③增量式编码器。增量式编码器主要由光源、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路组成，如图5-7所示。增量式编码器有一个计数系统和变向系统，旋转的码盘通过光敏元件给出一系列脉冲，在计数中对每个基数进行加或减，从而记录了旋转方向和角位移。每产生一个输出脉冲信号就对应于一个增量位移。它能够产生与位移增量等值的脉冲信号，即增量式编码器能检测出电动机轴相对于某个基准点的相对位置增量，不能直接检测出轴的绝对位置信息。

图5-7　增量式编码器结构示意图

此外，包含绝对值型和增量型这两种类型的混合编码器，也已经开发出来了。使用这种编码器的过程中，在决定初始位置时，用绝对值型来进行，在决定由初始位置开始的变动角的精确位置时，则可以用增量型。

（2）磁式编码器。

磁性旋转编码器是一种电磁式编码器，磁鼓周围有周期性分布的磁场，通过在强磁性材料表面上等间隔地记录磁化刻度标尺，在标尺旁边放置磁阻元件或霍尔元件，检测出磁通的变化，从而对与编码器相固定的转轴的角位移进行判定。

如图5-8所示，当磁鼓旋转时，测磁头可检测出周期性变化的信号。

图5-8　磁性旋转编码器结构示意图

1—磁鼓；2—间隙；3—磁敏传感部件；4—磁敏电阻

如果需要使用该磁式编码器来测量直线位移，则需要通过变换，将直线位移变成编码器磁鼓的旋转量，获得与直线位移相对应的脉冲信号。

（3）可调变压器。

可调变压器可以测量直线位移和角位移。

线性可变差接变压器可以输出模拟信号，能够检测精确位置信息。固定于圆棒上的磁芯随圆棒在线圈中作直线运动，使得线圈绕组之间的耦合发生变化，输出电压随之变化，磁芯的位置与输出电压呈线性关系，通过检测输出电压，可以确定与圆棒相连的外部物体的直线位移。

旋转变压器是由铁芯、定子线圈、转子线圈组成，用来测量旋转角度的传感器。旋转变压器是一种输出电压随转子转角变化的信号元件。旋转变压器的工作原理是它的原、副绕组之间相对位置因旋转而改变，其耦合情况随角度而变化。在励磁绕组（即原绕组）以一定频率的交流电压励磁时，输出绕组（即副绕组）的输出电压可与转子角度成正弦、余弦函数关系，或在一定转角范围内呈线性关系。输出电压与转角成正弦或余弦函数关系的称为正弦或余弦旋转变压器，输出电压与转角呈线性关系的称为线性旋转变压器。

旋转变压器的工作原理与普通变压器相似，不过能改变其相当于变压器原、副绕组的励磁绕组和输出绕组之间的相对位置，以改变两个绕组之间的互感，使输出电压与转子转角成某种函数关系。