接近覺(jué)傳感器的技術(shù)指標(biāo)及應(yīng)用
在弧焊機(jī)器人系統(tǒng)中，機(jī)器人本體和外圍的配套設(shè)備協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成了一個(gè)有機(jī)的整體。外圍設(shè)備或用于拖動(dòng)機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)，或用于工件的位置和姿態(tài)的調(diào)整。無(wú)論做何種運(yùn)動(dòng)，總存在對(duì)機(jī)械裝置的定位問(wèn)題。在定位機(jī)械裝置時(shí)，常采用接近傳感器（接近開(kāi)關(guān)）來(lái)做機(jī)械零位或者限位。
用于定位的接近覺(jué)傳感器有電渦流式、光電式和超聲波式等接近傳感器。
1．電渦流接近覺(jué)傳感器
電渦流式接近覺(jué)傳感器一般也稱為電渦流式接近開(kāi)關(guān)。電渦流傳感器用于檢測(cè)的對(duì)象是金屬材料。傳感器內(nèi)部有振蕩電路，振蕩電路含電感、電容和正反饋電路等。當(dāng)振蕩電路靠近金屬物體時(shí)，在金屬內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流稱為電渦流，電渦流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)和振蕩電路中磁場(chǎng)方向相反，導(dǎo)致振蕩電路的阻抗發(fā)生變化，振蕩電路中的電流發(fā)生相應(yīng)變化。通過(guò)檢測(cè)振蕩電路電流的變化可以推斷感應(yīng)物和傳感器之間的距離變化。電渦流接近覺(jué)傳感器既可以做成開(kāi)關(guān)量輸出的接近開(kāi)關(guān)，也可以設(shè)計(jì)成模擬量輸出的測(cè)距傳感器。
在做接近開(kāi)關(guān)用時(shí)，一般在被檢測(cè)的機(jī)械設(shè)備上安裝一金屬感應(yīng)物，當(dāng)感應(yīng)物逐漸靠近接近開(kāi)關(guān)時(shí)，到了傳感器的感應(yīng)距離后，傳感器常閉節(jié)點(diǎn)接通，常開(kāi)節(jié)點(diǎn)斷開(kāi)。接近開(kāi)關(guān)分三線式和兩線式，三線式又分為NPN輸出和PNP輸出。
模擬量輸出的電渦流位移傳感器，用于檢測(cè)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)動(dòng)和位移。傳感器一般分成兩部分，一部分是金屬的感應(yīng)物，一部分是帶振蕩電路的傳感器本體。使用時(shí)，通常這兩部分之一固定不動(dòng)，另一部分和機(jī)械設(shè)備連接在一起，當(dāng)設(shè)備運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳感器的兩部分產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致傳感器的輸出發(fā)生相應(yīng)的變化，傳感器的輸出和感應(yīng)物到傳感器本體的距離呈線性關(guān)系。
電渦流接近傳感器不能在強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境工作。建議感應(yīng)物的厚度在1mm以上，感應(yīng)物如果是正方形A3鋼，正方形的邊長(zhǎng)應(yīng)是傳感器感應(yīng)頭直徑的2.5倍以上。如環(huán)境溫度過(guò)高，則檢測(cè)距離會(huì)有比較明顯的變化，在使用時(shí)，應(yīng)留出足夠的余量。
在選用傳感器時(shí)，主要關(guān)注的技術(shù)指標(biāo)包括：
①檢測(cè)距離，此類傳感器檢測(cè)距離一般在幾毫米到幾十毫米，根據(jù)檢測(cè)物的要求選擇合適的檢測(cè)距離；
②檢測(cè)頻率，指?jìng)鞲衅髟趩挝粫r(shí)間內(nèi)能夠檢測(cè)的信號(hào)次數(shù)，一般在幾百赫茲，性能較好的可達(dá)到數(shù)千赫茲；
③接線和輸出形式，此類傳感器接線形式多樣，有兩線式和三線式，兩線式分為交流供電兩線式和直流供電兩線式，三線式分為NPN和PNP型，輸出有常開(kāi)觸點(diǎn)、常閉觸點(diǎn)或模擬量，在選型時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要先確定供電形式，再根據(jù)控制器的輸入接口，選擇兩線還是三線接口，如果三線接口的傳感器應(yīng)該根據(jù)控制器的輸入接口電路確定選NPN或PNP輸出；
④安裝形式，傳感器外形多是圓形，分為齊平和非齊平。齊平型的傳感器感應(yīng)頭嵌入在傳感器外殼內(nèi)，堅(jiān)固可靠，而非齊平的靈敏度要高于同類型的齊平型傳感器，安裝時(shí)，齊平型傳感器的感應(yīng)頭可以和設(shè)備金屬殼體齊平，而非齊平式傳感器的感應(yīng)頭則應(yīng)伸出安裝的金屬物體。
2．光電傳感器
光電式接近覺(jué)傳感器涵蓋了光電開(kāi)關(guān)、模擬量或者數(shù)字量輸出的光電測(cè)距傳感器。光電傳感器的光源有激光、紅外或者自然光等多種形式，光源的結(jié)構(gòu)也有點(diǎn)光源、線光源（結(jié)構(gòu)光）和面光源等。光電開(kāi)關(guān)用于檢測(cè)“檢測(cè)距離”內(nèi)有無(wú)受檢物，可用于檢測(cè)機(jī)械設(shè)備是否到達(dá)了特定位置。
而光電測(cè)距傳感器常用于檢測(cè)機(jī)械裝置的整體或部分的相對(duì)移動(dòng)量。光電開(kāi)關(guān)以光線為介質(zhì)，用接收元件的光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，當(dāng)光源受物體遮蔽或發(fā)生反射、輻射和遮光導(dǎo)致接收元件的受光量變化時(shí)可檢測(cè)到受檢物的有無(wú)，并輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)。
光電傳感器的檢測(cè)形式多樣，常見(jiàn)的有對(duì)射型、鏡片反射性和漫反射型。對(duì)射型傳感器的兩個(gè)主要部件投光器和受光器相向布置，當(dāng)物體通過(guò)其間，透光量產(chǎn)生變化從而實(shí)現(xiàn)物體的檢測(cè)。
漫反射型傳感器投光和受光一體，當(dāng)有檢測(cè)物通過(guò)時(shí)，物體將光電傳感器反射的光線反射到受光器，在受光器上產(chǎn)生了光電信號(hào)，一般要求檢測(cè)物體表面光亮或者反光率高。
鏡反射和漫反射相同的是投光受光一體，不同的是鏡反射需要專門(mén)的一個(gè)反射鏡，光線投到反射鏡上，經(jīng)反射鏡反光后，在受光器上形成光電信號(hào)，當(dāng)物體通過(guò)投光器和反射鏡之間時(shí)，光線被遮擋，導(dǎo)致受光器無(wú)法接收到反射鏡的反射光，光電器件產(chǎn)生開(kāi)關(guān)信號(hào)。
不同于電渦流式傳感器，光電傳感器不要求檢測(cè)物為金屬，但是檢測(cè)物的表面粗糙度和顏色會(huì)影響光電傳感器檢測(cè)效果。光電傳感器的檢測(cè)結(jié)果易受檢測(cè)物的表面粗糙程度、顏色等影響，較為先進(jìn)的背景抑制型光電傳感器可降低檢測(cè)物表面屬性對(duì)傳感器的影響。
光電傳感器的檢測(cè)距離較遠(yuǎn)，可實(shí)現(xiàn)渦流傳感器無(wú)法檢測(cè)的距離，且對(duì)檢測(cè)物沒(méi)有磁性要求，所以檢測(cè)范圍更廣。但是光電傳感器對(duì)于工作環(huán)境光線、環(huán)境粉塵有較嚴(yán)格的要求，在強(qiáng)光直射而無(wú)有效遮光措施時(shí)，光電傳感器無(wú)法正常使用。在選用光電傳感器時(shí)，需關(guān)注的主要技術(shù)指標(biāo)包括：
①檢測(cè)形式，根據(jù)檢測(cè)要求，可選擇對(duì)射或者反射的光電傳感器，對(duì)射型對(duì)檢測(cè)物的被測(cè)面尺寸有要求，鏡反射型適用于被測(cè)物表面光線反射能力弱的情況，漫反射型則對(duì)被檢測(cè)物的表面顏色和表面尺寸有要求；
②檢測(cè)距離，以O(shè)mron光電開(kāi)關(guān)為例，不同的傳感器可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)距離0.1~ 60m，其中對(duì)射型檢測(cè)距離的變化范圍較寬，反射型的最大檢測(cè)距離在數(shù)米；
③響應(yīng)頻率，它的選擇跟檢測(cè)物通過(guò)光路的頻率有關(guān)，傳感器的響應(yīng)頻率一般在幾百赫茲，快速反應(yīng)型可達(dá)l—2kHz。
3．超聲波傳感器
超聲波傳感器是利用聲波的反射特性來(lái)檢測(cè)傳感器和受檢物之間的距離。超聲波傳感器的超聲波探頭內(nèi)含超聲波換能器，該換能器能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械波和電信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。傳感器發(fā)出的電信號(hào)激勵(lì)超聲換能器，超聲換能器把電激勵(lì)信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)，發(fā)出超聲波，超聲波遇到檢測(cè)物后發(fā)生反射，反射波回到超聲波傳感器被換能器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。
通過(guò)檢測(cè)發(fā)出的電信號(hào)和反射波產(chǎn)生的電信號(hào)之間的時(shí)間、相位差可以實(shí)現(xiàn)距離的測(cè)量。渡越時(shí)間( Time of Flight)法、調(diào)頻法和相位法等是超聲波傳感器的常用算法，其中，渡越時(shí)間法是最常見(jiàn)的一種方法。超聲換能器發(fā)射超聲和接收到超聲反射波的時(shí)間差就是超聲波在超聲傳感器到受檢物之間往返一次所需的時(shí)間。利用超聲波在空氣中的傳播速度和渡越時(shí)間可以計(jì)算出超聲傳感器和受檢物之間的距離。
超聲波傳感器也有模擬輸出、數(shù)字（通信）輸出的測(cè)距傳感器和開(kāi)關(guān)式輸出的接近開(kāi)關(guān)。由于超聲波傳感器可以檢測(cè)金屬、非金屬、固體、液體等各種屬性的物質(zhì)，對(duì)物體的透明度也不敏感，所以應(yīng)用場(chǎng)合非常廣，傳感器的精度和線性度都較好。目前，我國(guó)也在超聲傳感器的換能器、測(cè)量方法和改善測(cè)量精度等領(lǐng)域開(kāi)展了一些研究，并取得了一定的進(jìn)展。
超聲波傳感器常用于測(cè)距、避障（檢測(cè)物體的有無(wú)），國(guó)內(nèi)外學(xué)者也開(kāi)展了基于超聲波傳感器的焊縫跟蹤研究。在弧焊機(jī)器人系統(tǒng)中，出于成本的考慮，一般不用超聲波做接近開(kāi)關(guān)用，而用于距離測(cè)量。
超聲波傳感器對(duì)環(huán)境的風(fēng)敏感，工作環(huán)境風(fēng)速過(guò)高將影響傳感器的測(cè)量精度；如果檢測(cè)物反射超聲的面較小，則需將超聲波聚焦，否則容易檢測(cè)不到被檢物。在選擇超聲波測(cè)距傳感器時(shí)，關(guān)注的主要指標(biāo)包括響應(yīng)時(shí)間、測(cè)量距離和測(cè)量精度。超聲測(cè)距傳感器采用時(shí)間渡越法測(cè)量距離，所以檢測(cè)距離和響應(yīng)時(shí)間密切相關(guān)，檢測(cè)距離越大響應(yīng)越慢，要根據(jù)不同的應(yīng)用目的平衡響應(yīng)時(shí)間和檢測(cè)距離。
對(duì)于檢測(cè)距離在5m以內(nèi)的響應(yīng)時(shí)間在幾十毫秒，開(kāi)關(guān)量輸出的傳感器的開(kāi)關(guān)頻率為10~ 40Hz。超聲波測(cè)距傳感器的測(cè)量精度也和檢測(cè)距離相關(guān)，檢測(cè)距離在5m以內(nèi)的傳感器，絕對(duì)精度在1~ 2mm。
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