Датчики мехатронных систем и промышленных роботов

 
 
 
 
 
В. К. Иванов 
 
 
 
 
 
 
 
 
ДАТЧИКИ МЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ  
И ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2026 
 

 
УДК 621.865.8 
ББК 32.816 
 
И20 
 
 
 
 
Рецензенты: 
д. т. н., проф., зав. каф. машиностроения и материаловедения ПГТУ С. Я. Алибеков; 
д. т. н., проф., заслуженный работник высшей школы А. М. Дворянкина; 
д. т. н., проф. каф. динамики процессов и управления КНИТУ-КАИ Р. Т. Сиразетдинов 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Иванов, В. К. 
И20  
Датчики мехатронных систем и промышленных роботов : учебное пособие / В. К. Иванов. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2026. – 
192 с. : ил. 
ISBN 978-5-9729-3154-5 
 
Рассмотрены различные типы датчиков, которые используются в технических системах, в том числе мехатронных, начиная с промышленных 
роботов и кончая летательными аппаратами. 
Для студентов и преподавателей направления подготовки 15.04.06 
«Мехатроника и робототехника», а также специалистов в области меха- 
тронных систем. 
 
УДК 621.865.8 
ББК  32.816 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-3154-5 
” Иванов В. К., 2026 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2026 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2026 
 

 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
Предисловие ............................................................................................................... 4 
 
Введение ...................................................................................................................... 5 
 
Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ ДАТЧИКОВ .... 6 
1.1. Классификация датчиков, ГСП. Основные понятия и определения ............ 6 
1.2. Параметры и характеристики датчиков ........................................................ 11 
1.3. Физические принципы работы датчиков ...................................................... 20 
Контрольные вопросы ........................................................................................... 34 
 
Глава 2. ДАТЧИКИ МЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ ........................................... 36 
2.1. Датчики параметров движения ...................................................................... 36 
2.2. Акустические датчики .................................................................................... 86 
2.3. Оптические датчики ........................................................................................ 94 
Контрольные вопросы ......................................................................................... 118 
 
Глава 3. ДАТЧИКИ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ........................................... 120 
3.1. Датчики механических величин .................................................................. 120 
3.2. Датчики схвата робота .................................................................................. 145 
3.3. Датчики транспортных средств ................................................................... 165 
Контрольные вопросы ......................................................................................... 186 
 
Заключение ............................................................................................................. 188 
 
Список литературы ............................................................................................... 189 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Настоящее учебное пособие посвящено одной из дисциплин направления 
подготовки 15.04.06 «Мехатроника и робототехника» – «Датчики автоматических систем», которая тесно связана с такими дисциплинами, как «Теория автоматического управления», «Электронные устройства мехатронных и робототехнологических систем», «Основы проектирования автоматизированных робототехнологических систем» и  «Автоматизированное технологическое оборудование отрасли», так как датчик – это один из основных элементов управления 
и автоматизации мехатронных и робототехнологических систем. 
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
ВВЕДЕНИЕ 
 
В настоящее время практически во всех сложных системах, и не только, 
применяются различные сенсоры, чувствительные элементы и датчики. 
Конечно, всю информацию по этим вопросам можно найти в книгах, учебных пособиях и технических журналах. Однако она разбросана по разным источникам, и для того, чтобы найти ответ на какой-либо вопрос, требуется время. 
Поэтому после сбора и анализа большого количества информации о датчиках 
технических систем, в том числе мехатронных, было написано это пособие. 
В первой главе показано место датчиков в Государственной системе приборов и средств автоматизации (ГСП), приведена классификация датчиков и рассмотрены физические принципы их работы.  
Во второй – рассмотрен широкий круг датчиков параметров движения: 
положения, перемещения (линейного и углового), сближения (столкновения), 
скорости и ускорения, наклона, а также акустические и оптические датчики.  
Третья глава посвящена датчикам механических величин (силы, давления), 
датчикам схвата промышленных роботов и датчикам различных транспортных 
средств (летательных аппаратов, автомобилей и транспортных роботов). 
Учебное пособие предназначено для студентов и преподавателей направления подготовки 15.04.06 «Мехатроника и робототехника». Содержание представленной работы соответствует действующим федеральным государственным 
образовательным стандартам. 
 
 

 
Глава 1 
 
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ ДАТЧИКОВ 
 
1.1. Классификация датчиков, ГСП. Основные понятия и определения 
 
В робототехнике принят бионический подход при создании информа- 
ционных систем. 
Восприятие внешнего мира человеком осуществляется через распределенную информационную сеть, состоящую из шести основных каналов сенсорной 
рецепции [16, 29]. 
Реце̗птор – «это нервные окончания («щупальцы мозга»), обеспечивающие превращение внешних или внутренних раздражителей в нервный импульс» 
(И. П. Павлов). 
Это каналы органов чувств: слух, зрение, осязание, терморецепция, обоняние и вкус. 
Слуховая рецепция обеспечивает восприятие и анализ звука, который 
характеризуется четырьмя измерениями: объем, громкость, плотность и высота. 
Зрительная рецепция – это визуальные анализаторные системы человека, 
служащие для анализа оптических сигналов. 
Тактильная рецепция является самой значимой сенсорной функцией, которая воспринимается кожей. Внутри кожи выделяются четыре самостоятельных 
вида рецепции: температурная (тепловая и холодовая), тактильная, болевая 
и вибрационная. 
Таким образом, рассмотренные биологические механизмы сенсорных функ- 
ций являются прототипом сенсорной системы робота. 
Сенсор – это устройство, преобразующее физическое изменение в объекте 
наблюдения, в информационный сигнал для пользователя [14]. 
Технические сенсоры можно классифицировать на визуальные, слуховые, 
тактильные и кинестетические. 
Визуальные сенсоры обеспечивают дистанционное получение информации 
о геометрических и, возможно, некоторых физических характеристиках внешней 
среды. Существует большое число технических средств, которые могут быть 
применены для решения этой задачи: телевизионные системы различного типа, 
системы технического зрения (СТЗ), оптико-электронные приборы с зарядовой 
связью и фотодиодные матрицы и линейки, различные локационные устройства. 
Слуховые (акустические) сенсоры предназначены для восприятия звуковых колебаний и идентификации на их основе соответствующего акустического 
образа. Важное значение звуковые устройства имеют для организации речевой 
связи между человеком-оператором и роботом. 
 

 
Тактильные сенсоры позволяют фиксировать контакт с объектами внешней среды. Они широко применяются для очувствления схвата манипулятора 
и корпуса робота, либо фиксируют момент касания предмета, либо измеряют 
усилие или крутящий момент, с которым рука манипулятора воздействует на 
предмет. 
Кинестетические сенсоры в живых организмах формируют мышечное 
чувство, позволяющее получить информацию о положении отдельных органов 
и усилиях в них. В настоящее время силометрические датчики крутящего момента позволяют определять направления действия и величину усилия до 25 кг 
с точностью 30 г, а датчики давления, представляющие собой двумерные матрицы с плотностью расположения 4 элемента/мм, имеют чувствительность приблизительно 1 г при динамическом диапазоне в 3 порядка. 
Для разработки принципов построения аппаратных средств (датчиков и 
вычислительных структур) может оказаться полезным бионический подход, 
основанный на изучении соответствующих сенсорных и эффекторных систем 
живых организмов, а также принципов организации нейронных структур мозга. 
Дальнометрические датчики важны для определения положения различных предметов относительно робота. Акустический дальнометрический датчик 
обладает точностью около 1 мм на дистанции в несколько метров. Лазерный 
дальномер характеризуется точностью в 1 м на дальности в 1 км. 
Детектор – это устройство или система, предназначенная для обнаружения различных физических явлений или изменений в окружающей среде. Основная функция – преобразование сигнала, исходящего от обнаруживаемого явления, в форму, пригодную для дальнейшей обработки и анализа. 
Таким образом, детектор фокусируется на обнаружении явления, а датчик – на преобразовании измеряемого параметра в сигнал.  
 
Интеллектуальный сенсор – сенсор, в котором объединены на одном 
кристалле чувствительный элемент и система обработки сигнала. К ним можно 
отнести: «электронный нос», «электронный язык», «умный дом». Такой сенсор 
должен обладать свойством адаптации, т. е. способностью обнаруживать и вы- 
рабатывать ответную реакцию на изменения во внешних условиях посредством 
самодиагностики, самокалибровки и самонастройки [38, 41, 45]. 
Информационная обработка охватывает обработку данных, заключающуюся в улучшении и интерпретации собранных данных и максимальной эффективности системы, через формирование сигнала, сжатие данных, обнаружение 
события и принятие решения. 
В задачах робототехники наиболее важное значение имеют следующие 
задачи восприятия: 
– обнаружение и распознавание трехмерных объектов; 
– определение параметров положения объекта; 
– анализ геометрических и физических характеристик объектов (размеров, формы, цветности, текстуры поверхности и т. д.); 
 

 
– определение сил и моментов, возникающих при взаимодействии робота 
с объектом манипулирования; 
– анализ сцен (описание типов объектов и их взаимного расположения).  
Система чувствительных элементов (рецепторов) – сенсоров представляет 
собой первое звено бионической системы робота. 
Второе звено – переработка полученной информации. 
Третье звено – принятие решения (управление), которое достигается передачей сигналов от серого вещества спинного и головного мозга на исполнительный орган. 
Как в современных автоматических системах, так и в живых организмах 
для управления и координации процессов существует принцип обратной связи 
[28, 38] (рис. 1.1). 
 
 
 
Рис. 1.1 – Схема управления с обратной связью 
 
Заданная входная величина х(t) действуют на управляемый объект (процесс) и в соответствии с передаточной функцией превращаются в выходную величину у(t). Эта величина с помощью канала обратной связи (сенсоры) подается 
на вход, где сравнивающее устройство (мозг) вырабатывает управляющий сигнал u(t), который воздействует на объект. 
 
u(t) = x(t) – x1(t). 
 
Таким образом, полученная схема управления образует замкнутый контур 
с обратной связью. 
В мехатронных системах (МС) принято выделять три составные части: 
механическую, электронную и компьютерную. 
В человеческом организме, пользуясь мехатронным подходом, выделяют 
те же самые составные части: 
– механическая часть: костная, мышечная, сердечно-сосудистая, дыхательная, пищеварительная, выделительная, репродуктивная, покровная системы. 
Исполнительным механизмом организма является скелет, двигательная активность которого формируется посредством связок и суставов (кинематических 
пар), а также мышц (приводов); 
 
 

 
– электронная и электротехническая часть: нервная, эндокринная, 
иммунная системы; 
– компьютерная часть: нервная система (головной мозг); 
– интерфейс: сухожилия, кровеносные сосуды, нервные отростки, кишечник и прочее. 
 
Сенсоры в мехатронных системах 
Сенсорные устройства и датчики промышленных роботов (ПР) предназначены для получения информации о состоянии внешней среды, технологического 
оборудования и других объектов, с которыми он взаимодействует, а также о состоянии самого робота [9, 13]. Так, состояние робота характеризуется такими 
параметрами, как положение и скорость звеньев манипулятора, усилия, возникающие в захватном устройстве манипулятора и других его звеньях. 
Датчик – конструктивно законченный элемент, воспринимающий внешние воздействия (обычно неэлектрические физические величины) и реагирующее на них изменением электрических сигналов. Перед тем как превратиться 
в выходной электрический сигнал внешнее воздействие проходит один или более 
этапов преобразования. Эти этапы включают в себя преобразования одного вида 
энергии в другой, а последнее превращение всегда заключается в формировании электрического сигнала в требуемом виде [16, 30]. 
Все датчики можно разделить на две группы: датчики прямого действия 
и составные датчики. 
Датчиками прямого действия называют датчики, которые построены на таких физических явлениях, как пьезоэффект, фотоэффект или эффект Зеебека, 
которые непосредственно преобразуют внешнее воздействие, например, температуру, давление, скорость в электрический сигнал (напряжение). 
Составные датчики состоят из единого устройства, включающего чув- 
ствительный элемент (ЧЭ) и измерительный преобразователь (ИП), воспринимающее внешние воздействия и реагирующее на них изменением электрических 
сигналов, например, давление – перемещение – изменение сопротивления – выходное напряжение. 
В сенсорном оснащении роботов значительную роль отводится визуальным сенсорным устройствам – системам технического зрения (СТЗ) [25, 32, 44]. 
Основные рабочие исполнительные органы робота – манипуляторы и схваты [36] 
должны иметь тактильные сенсорные устройства для распознавания формы 
и ориентации объектов манипулирования. 
В приборах, обеспечивающих техническое зрение роботов, после преобразования датчиком оптического изображения в электрический сигнал обработка 
информации осуществляется ЭВМ. 
Для захвата объектов различного типа необходимо регулировать усилие 
в зависимости от его свойств и массы. В этом случае требуются датчики давления (тензометрические), датчики касания и проскальзывания. 
 

 
Классификация датчиков 
Государственная система приборов и средств автоматизации (ГСП) представляет собой набор рядов унифицированных приборов и устройств измерительной техники, автоматики, телемеханики с единой нормативной базой, включающей унификацию информационных сигналов, метрологических, надежностных, энергетических и других характеристик, необходимого математического 
обеспечения, конструктивного выполнения [11]. 
ГСП – это совокупность технических средств, включающих в себя средства измерения и автоматизации, предназначенные для контроля, регулирования 
и управления техническими объектами. 
Номенклатура технических средств ГСП включает свыше 2 тыс. типов изделий, 30  которых составляют датчики различных физических величин и технологических параметров. 
Все многообразие выпускаемых технических средств ГСП по функциональному признаку делят на четыре группы устройств, предназначенных для 
выполнения определенных функций: 
– устройства получения информации о состоянии объекта управления 
или процесса, которые включают датчики, нормирующие преобразователи, 
устройства формирования алфавитно-цифровой информации; 
– устройства приема, преобразования и передачи информации включают коммутаторы электрических цепей, преобразователи сигналов и кодов, 
шифраторы и дешифраторы, согласующие устройства, телемеханические устрой- 
ства измерения, сигнализации и управления; 
– устройства обработки информации, формирования команд управления и представления информации оператору. Это анализаторы сигналов, функциональные и операционные преобразователи, логические устройства, устройства памяти, регуляторы, задатчики, управляющие вычислительные устройства 
и комплексы; 
– устройства, использующие командную информацию для воздействия 
на объект управления, включают исполнительные механизмы, усилители мощности и вспомогательные устройства к ним, устройства представления информации. 
Существует пять структурных групп параметров измерения и регулирования: 
– теплоэнергетические (температура, давление, перепад давления, уровень, расход); 
– электроэнергетические (сила электрического тока, электрическое напряжение, ЭДС, активная и реактивная мощность, коэффициент мощности, частота, 
индуктивность, электрическая емкость, электрическое сопротивление); 
– механические (линейные и угловые величины, угловая скорость и уско- 
рение, перемещение, момент силы, давление, число изделий, твердость материалов, вибрация, звуковое давление, масса);