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發(fā)布日期:2022-10-09 點擊率:44
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在工業(yè)自動化領(lǐng)域,機器人需要傳感器提供必要的信息,以正確執(zhí)行相關(guān)的操作。一份報告預(yù)測,到2021年,全球工業(yè)機器人傳感器市場將以約8%的復(fù)合年增長率(CAGR)穩(wěn)步增長。對于包括消費者和汽車在內(nèi)的機器人傳感應(yīng)用,另一份報告明確指出,到2027年,視覺系統(tǒng)將單獨成就57億美元的市場,力傳感器市場將超過69億美元。
下面列出了工業(yè)機器人中最常用到的傳感器。
二維視覺傳感器二維視覺是一個可以執(zhí)行從檢測運動物體到傳輸帶上的零件定位等多種任務(wù)的攝像頭。許多智能相機都可以檢測零件并協(xié)助機器人確定零件的位置,機器人可以根據(jù)接收到的信息適當調(diào)整其動作。
三維視覺傳感器三維視覺系統(tǒng)必須擁有兩個不同角度的攝像機或激光掃描器,用以檢測對象的第三維度。例如,零件取放便是利用三維視覺技術(shù)檢測物體并創(chuàng)建三維圖像,分析并選擇最好的拾取方式。
力/力矩傳感器如果說視覺傳感器給了機器人眼睛,那么力/力矩傳感器則給機器人帶去了觸覺。機器人利用力/力矩傳感器感知末端執(zhí)行器的力度。多數(shù)情況下,力/力矩傳感器位于機器人和夾具之間,這樣,所有反饋到夾具上的力都在機器人的監(jiān)控之中。有了力/力矩傳感器,裝配、人工引導(dǎo)、示教、力度限制等應(yīng)用才得以實現(xiàn)。
碰撞檢測傳感器這種傳感器有各種不同的形式,其主要應(yīng)用是為作業(yè)人員提供一個安全的工作環(huán)境,協(xié)作機器人最需要它們。一些傳感器可以是某種觸覺識別系統(tǒng),通過柔軟的表面感知壓力,給機器人發(fā)送信號,限制或停止機器人的運動。
一些傳感器還可以直接內(nèi)置在機器人中。有些公司利用加速度計反饋,還有些則使用電流反饋。在這兩種情況下,當機器人感知到異常的力度時,便觸發(fā)緊急停止,從而確保安全。
要想讓工業(yè)機器人與人進行協(xié)作,首先要找出可以保證作業(yè)人員安全的方法。這些傳感器有各種形式,從攝像頭到激光等,目的是告訴機器人周圍的狀況。有些安全系統(tǒng)可以設(shè)置成當有人出現(xiàn)在特定的區(qū)域/空間時,機器人會自動減速運行,如果人員繼續(xù)靠近,機器人則會停止工作。最簡單的例子是電梯門上的激光安全傳感器。當激光檢測到障礙物時,電梯門會立即停止并退回,以避免碰撞。
其它傳感器市場上還有很多的傳感器適用于不同的應(yīng)用。例如焊縫追蹤傳感器等。
觸覺傳感器也越來越受歡迎。這類傳感器一般安裝在抓手上,用來檢測和感覺抓取的物體是什么。傳感器通常能夠檢測力度并得出力度分布的情況,從而知道對象的確切位置,讓你可以控制抓取的位置和末端執(zhí)行器的抓取力度。另外還有一些觸覺傳感器可以檢測熱量的變化。
視覺和接近傳感器類似于自動駕駛車輛所需的傳感器,包括攝像頭、紅外線、聲納、超聲波、雷達和激光雷達。某些情況下可以使用多個攝像頭,尤其是立體視覺。將這些傳感器組合起來使用,機器人便可以確定尺寸,識別物體,并確定其距離。
射頻識別(RFID)傳感可以提供識別碼并允許得到許可的機器人獲取其他信息。
麥克風(聲學(xué)傳感器)幫助工業(yè)機器人接收語音命令并識別熟悉環(huán)境中的異常聲音。如果加上壓電傳感器,還可以識別并消除振動引起的噪聲,避免機器人錯誤理解語音命令。先進的算法甚至可以讓機器人了解說話者的情緒。
溫度傳感是機器人自我診斷的一部分,可用于確定其周遭的環(huán)境,避免潛在的有害熱源。利用化學(xué)、光學(xué)和顏色傳感器,機器人能夠評估、調(diào)整和檢測其環(huán)境中存在的問題。
對于可以走路、跑步甚至跳舞的人形機器人,穩(wěn)定性是一個主要問題。它們需要與智能手機相同類型的傳感器,以便提供機器人的準確位置數(shù)據(jù)。在這些應(yīng)用采用了具有3軸加速度計、3軸陀螺儀和3軸磁力計的9自由度(9DOF)傳感器或慣性測量單元(IMU)。
傳感器是實現(xiàn)軟件智能的關(guān)鍵組件,沒有傳感器,很多復(fù)雜的操作就不能實現(xiàn)。它們不僅實現(xiàn)了復(fù)雜的操作,同時也保證這些操作在進行的過程中得到良好的控制。
工業(yè)機器人避障主要用到哪些傳感器?
移動機器人需要通過傳感器實時獲取周圍的障礙物信息,包括尺寸、形狀和位置信息,來實現(xiàn)避障。避障使用的傳感器有很多種,目前常見的有視覺傳感器、激光傳感器、紅外傳感器、超聲波傳感器等。
超聲波傳感器
超聲波傳感器的基本原理是測量超聲波的飛行時間,通過d=vt/2測量距離,其中d是距離,v是聲速,t是飛行時間。
上圖是超聲波傳感器信號的一個示意。通過壓電或靜電變送器產(chǎn)生一個頻率在幾十kHz的超聲波脈沖組成波包,系統(tǒng)檢測高于某閾值的反向聲波,然后使用測量到的飛行時間計算距離。超聲波傳感器一般作用距離較短,普通的有效探測距離幾米,但是會有一個幾十毫米左右的最小探測盲區(qū)。由于超聲傳感器成本低、實現(xiàn)方法簡單、技術(shù)成熟,是移動機器人中常用的傳感器。
紅外傳感器
一般的紅外測距都是采用三角測距的原理。紅外發(fā)射器按照一定角度發(fā)射紅外光束,遇到物體之后,光會反向回來,檢測到反射光之后,通過結(jié)構(gòu)上的幾何三角關(guān)系,就可以計算出物體距離D。
當D的距離足夠近的時候,上圖中L值會相當大,如果超過CCD的探測范圍,雖然物體很近,傳感器反而看不到了。當物體距離D很大時,L值就會很小,測量精度會變差。因此,常見的紅外傳感器的測量距離都比較近,小于超聲波,同時遠距離測量也有最小距離的限制。另外,對于透明的或者近似黑體的物體,紅外傳感器是無法檢測距離的。但相對于超聲來說,紅外傳感器具有更高的帶寬。
激光傳感器
常見的激光雷達是基于飛行時間的(ToF,time of flight),通過測量激光的飛行時間來測距d=ct/2,類似前面提到的超聲測距公式,其中d是距離,c是光速,t是從發(fā)射到接收的時間間隔。
比較簡單的方案是測量反射光的相移,傳感器以已知的頻率發(fā)射一定幅度的調(diào)制光,并測量發(fā)射和反向信號之間的相移,如上圖。
調(diào)制信號的波長為lamda=c/f,其中c是光速,f是調(diào)制頻率,測量到發(fā)射和反射光束之間的相移差theta之后,距離可由lamda*theta/4pi計算得到,如上圖。
視覺傳感器
常用的計算機視覺方案也有很多種, 比如雙目視覺,基于TOF的深度相機,基于結(jié)構(gòu)光的深度相機等。
基于結(jié)構(gòu)光的深度相機發(fā)射出的光會生成相對隨機但又固定的斑點圖樣,光斑打在物體上,因為與攝像頭距離不同,被攝像頭捕捉到的位置也不相同。先計算斑點與標定的標準圖案在不同位置的偏移,利用攝像頭位置、傳感器大小等參數(shù)就可以計算出物體與攝像頭的距離。
雙目視覺的測距本質(zhì)上也是三角測距法,由于兩個攝像頭的位置不同,就像人的兩只眼睛一樣,看到的物體也不一樣。兩個攝像頭看到的同一個點P,在成像的時候會有不同的像素位置,此時通過三角測距就可以測出這個點的距離。
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工業(yè)機器人中常用到的傳感器
在工業(yè)自動化領(lǐng)域,機器人需要傳感器提供必要的信息,以正確執(zhí)行相關(guān)的操作。
一份報告預(yù)測,到2021年,全球工業(yè)機器人傳感器市場將以約8%的復(fù)合年增長率(CAGR)穩(wěn)步增長。對于包括消費者和汽車在內(nèi)的機器人傳感應(yīng)用,另一份報告明確指出,到2027年,視覺系統(tǒng)將單獨成就57億美元的市場,力傳感器市場將超過69億美元。
下面列出了工業(yè)機器人中常用到的傳感器。
二維視覺傳感器
二維視覺是一個可以執(zhí)行從檢測運動物體到傳輸帶上的零件定位等多種任務(wù)的攝像頭。許多智能相機都可以檢測零件并協(xié)助機器人確定零件的位置,機器人可以根據(jù)接收到的信息適當調(diào)整其動作。
三維視覺傳感器
三維視覺系統(tǒng)必須擁有兩個不同角度的攝像機或激光掃描器,用以檢測對象的第三維度。例如,零件取放便是利用三維視覺技術(shù)檢測物體并創(chuàng)建三維圖像,分析并選擇hao的拾取方式。
力/力矩傳感器
如果說視覺傳感器給了機器人眼睛,那么力/力矩傳感器則給機器人帶去了觸覺。機器人利用力/力矩傳感器感知末端執(zhí)行器的力度。多數(shù)情況下,力/力矩傳感器位于機器人和夾具之間,這樣,所有反饋到夾具上的力都在機器人的監(jiān)控之中。
有了力/力矩傳感器,裝配、人工引導(dǎo)、示教、力度限制等應(yīng)用才得以實現(xiàn)。
碰撞檢測傳感器
這種傳感器有各種不同的形式,其主要應(yīng)用是為作業(yè)人員提供一個安全的工作環(huán)境,協(xié)作機器人需要它們。
一些傳感器可以是某種觸覺識別系統(tǒng),通過柔軟的表面感知壓力,給機器人發(fā)送信號,限制或停止機器人的運動。
一些傳感器還可以直接內(nèi)置在機器人中。有些公司利用加速度計反饋,還有些則使用電流反饋。在這兩種情況下,當機器人感知到異常的力度時,便觸發(fā)緊急停止,從而確保安全。
要想讓工業(yè)機器人與人進行協(xié)作,首先要找出可以保證作業(yè)人員安全的方法。這些傳感器有各種形式,從攝像頭到激光等,目的是告訴機器人周圍的狀況。有些安全系統(tǒng)可以設(shè)置成當有人出現(xiàn)在特定的區(qū)域/空間時,機器人會自動減速運行,如果人員繼續(xù)靠近,機器人則會停止工作。
簡單的例子是電梯門上的激光安全傳感器。當激光檢測到障礙物時,電梯門會立即停止并退回,以避免碰撞。
其它傳感器
市場上還有很多的傳感器適用于不同的應(yīng)用。例如焊縫追蹤傳感器等。
觸覺傳感器也越來越受歡迎。這類傳感器一般安裝在抓手上,用來檢測和感覺抓取的物體是什么。傳感器通常能夠檢測力度并得出力度分布的情況,從而知道對象的確切位置,讓你可以控制抓取的位置和末端執(zhí)行器的抓取力度。另外還有一些觸覺傳感器可以檢測熱量的變化。
視覺和接近傳感器類似于自動駕駛車輛所需的傳感器,包括攝像頭、紅外線、聲納、超聲波、雷達和激光雷達。某些情況下可以使用多個攝像頭,尤其是立體視覺。將這些傳感器組合起來使用,機器人便可以確定尺寸,識別物體,并確定其距離。
射頻識別(RFID)傳感可以提供識別碼并允許得到許可的機器人獲取其他信息。
麥克風(聲學(xué)傳感器)幫助工業(yè)機器人接收語音命令并識別熟悉環(huán)境中的異常聲音。如果加上壓電傳感器,還可以識別并消除振動引起的噪聲,避免機器人錯誤理解語音命令。先進的算法甚至可以讓機器人了解說話者的情緒。
溫度傳感是機器人自我診斷的一部分,可用于確定其周遭的環(huán)境,避免潛在的有害熱源。
利用化學(xué)、光學(xué)和顏色傳感器,機器人能夠評估、調(diào)整和檢測其環(huán)境中存在的問題。
對于可以走路、跑步甚至跳舞的人形機器人,穩(wěn)定性是一個主要問題。它們需要與智能手機相同類型的傳感器,以便提供機器人的準確位置數(shù)據(jù)。在這些應(yīng)用采用了具有3軸加速度計、3軸陀螺儀和3軸磁力計的9自由度(9DOF)傳感器或慣性測量單元(IMU)。
傳感器是實現(xiàn)軟件智能的關(guān)鍵組件,沒有傳感器,很多復(fù)雜的操作就不能實現(xiàn)。它們不僅實現(xiàn)了復(fù)雜的操作,同時也保證這些操作在進行的過程中得到良好的控制。
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機器人傳感器
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機器人是由計算機控制的復(fù)雜機器,它具有類似人的肢體及感官功能;動作程序靈活;有一定程度的智能;在工作時可以不依賴人的操縱。機器人傳感器在機器人的控制中起了非常重要的作用,正因為有了傳感器,機器人才具備了類似人類的知覺功能和反應(yīng)能力。
中文名
機器人傳感器
作 用
傳遞感覺
用 途
模擬人類感覺
類 別
觸覺 視覺 力覺
控制終端
計算機
構(gòu) 成
觸覺傳感器、視覺傳感器、力覺傳感器、接近覺傳感器等
目錄
1
基本介紹
2
分類
?
明暗覺
?
色覺
?
位置覺
?
形狀覺
?
接觸覺
?
壓覺
?
力覺
?
接近覺
?
滑覺
3
主要傳感器
?
視覺
?
力覺
?
觸覺
?
接近覺
?
聽覺
機器人傳感器基本介紹
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語音
為了檢測作業(yè)對象及環(huán)境或機器人與它們的關(guān)系,在機器人上安裝了觸覺傳感器、視覺傳感器、力覺傳感器、接近覺傳感器、超聲波傳感器和聽覺傳感器,大大改善了機器人工作狀況,使其能夠更充分地完成復(fù)雜的工作。由于外部傳感器為集多種學(xué)科于一身的產(chǎn)品,有些方面還在探索之中,隨著外部傳感器的進一步完善,機器人的功能越來越強大,將在許多領(lǐng)域為人類做出更大貢獻。
[1]
機器人傳感器分類
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語音
根據(jù)檢測對象的不同可分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。a.內(nèi)部傳感器:用來檢測機器人本身狀態(tài)(如手臂間角度)的傳感器。多為檢測位置和角度的傳感器。b.外部傳感器:用來檢測機器人所處環(huán)境(如是什么物體,離物體的距離有多遠等)及狀況(如抓取的物體是否滑落)的傳感器。具體有物體識別傳感器、物體探傷傳感器、接近覺傳感器、距離傳感器、力覺傳感器,聽覺傳感器等。
機器人傳感器明暗覺
檢測內(nèi)容:是否有光,亮度多少應(yīng)用目的:判斷有無對象,并得到定量結(jié)果傳感器件:光敏管、光電斷續(xù)器
機器人傳感器色覺
檢測內(nèi)容:對象的色彩及濃度應(yīng)用目的:利用顏色識別對象的場合傳感器件:彩色攝像機、濾波器、彩色CCD
機器人傳感器位置覺
檢測內(nèi)容:物體的位置、角度、距離應(yīng)用目的:物體空間位置、判斷物體移動傳感器件:光敏陣列、CCD等
機器人傳感器形狀覺
檢測內(nèi)容:物體的外形應(yīng)用目的:提取物體輪廓及固有特征,識別物體傳感器件:光敏陣列、CCD等
機器人傳感器接觸覺
檢測內(nèi)容:與對象是否接觸,接觸的位置應(yīng)用目的:確定對象位置,識別對象形態(tài),控制速度,安全保障,異常停止,尋徑傳感器件:光電傳感器、微動開關(guān)、薄膜特點、壓敏高分子材料
機器人傳感器壓覺
檢測內(nèi)容:對物體的壓力、握力、壓力分布應(yīng)用目的:控制握力,識別握持物,測量物體彈性傳感器件:壓電元件、導(dǎo)電橡膠、壓敏高分子材料
機器人傳感器力覺
檢測內(nèi)容:機器人有關(guān)部件(如手指)所受外力及轉(zhuǎn)矩應(yīng)用目的:控制手腕移動,伺服控制,正解完成作業(yè)傳感器件:應(yīng)變片、導(dǎo)電橡膠
機器人傳感器接近覺
檢測內(nèi)容:對象物是否接近,接近距離,對象面的傾斜應(yīng)用目的:控制位置,尋徑,安全保障,異常停止傳感器件:光傳感器、氣壓傳感器、超聲波傳感器、電渦流傳感器、霍爾傳感器
機器人傳感器滑覺
檢測內(nèi)容:垂直握持面方向物體的位移,重力引起的變形應(yīng)用目的:修正握力,防止打滑,判斷物體重量及表面狀態(tài)傳感器件:球形接點式、光電旋轉(zhuǎn)傳感器、角編碼器、振動檢測器
機器人傳感器主要傳感器
編輯
語音
機器人傳感器視覺
20世紀50年代后期出現(xiàn),發(fā)展十分迅速,是機器人中最重要的傳感器之一。機器視覺從20世紀60年代開始首先處理積木世界,后來發(fā)展到處理室外的現(xiàn)實世界。20世紀70年代以后,實用性的視覺系統(tǒng)出現(xiàn)了。視覺一般包括三個過程:圖像獲取、圖像處理和圖像理解。相對而言,圖像理解技術(shù)還很落后。
機器人傳感器力覺
機器人力傳感器就安裝部位來講,可以分為關(guān)節(jié)力傳感器、腕力傳感器和指力傳感器。國際上對腕力傳感器的研究是從20世紀70年代開始的,主要研究單位有美國的DRAPER實驗室、SRI研究所、IBM公司和日本的日立公司、東京大學(xué)等單位。
機器人傳感器觸覺
作為視覺的補充,觸覺能感知目標物體的表面性能和物理特性:柔軟性、硬度、彈性、粗糙度和導(dǎo)熱性等。觸覺研究從20世紀80年代初開始,到20世紀90年代初已取得了大量的成果。
機器人傳感器接近覺
研究它的目的是使機器人在移動或操作過程中獲知目標(障礙)物的接近程度,移動機器人可以實現(xiàn)避障,操作機器人可避免手爪對目標物由于接近速度過快造成的沖擊。
機器人傳感器聽覺
(1) 特定人的語音識別系統(tǒng)特定人語音識別方法是將事先指定的人的聲音中的每一個字音的特征矩陣存儲起來,形成一個標準模板(或叫模板),然后再進行匹配。它首先要記憶一個或幾個語音特征,而且被指定人講話的內(nèi)容也必須是事先規(guī)定好的有限的幾句話。特定人語音識別系統(tǒng)可以識別講話的人是否是事先指定的人,講的是哪一句話。(2) 非特定人的語音識別系統(tǒng)非特定人的語音識別系統(tǒng)大致可以分為語言識別系統(tǒng),單詞識別系統(tǒng),及數(shù)字音(0~9)識別系統(tǒng)。非特定人的語音識別方法則需要對一組有代表性的人的語音進行訓(xùn)練,找出同一詞音的共性,這種訓(xùn)練往往是開放式的,能對系統(tǒng)進行不斷的修正。在系統(tǒng)工作時,將接收到的聲音信號用同樣的辦法求出它們的特征矩陣,再與標準模式相比較??此c哪個模板相同或相近,從而識別該信號的含義。
詞條圖冊
更多圖冊
參考資料
1.
機器人傳感器概述
.傳感器[引用日期2013-01-01]
機器人常用傳感器根據(jù)檢測對象的不同可分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。內(nèi)部傳感器主要用來檢測機器人本身狀態(tài)(如手臂間角度),多為檢測位置和角度的傳感器。外部傳感器主要用來檢測機器人所處環(huán)境(如是什么物體,離物體的距離有多遠等)及狀況(如抓取的物體是否滑落)的傳感器。具體有物體識別傳感器、物體探傷傳感器、接近覺傳感器、距離傳感器、力覺傳感器,聽覺傳感器等。
1、二維視覺傳感器
二維視覺傳感器主要就是一個攝像頭,它可以完成物體運動的檢測以及定位等功能,二維視覺傳感器已經(jīng)出現(xiàn)了很長時間,許多智能相機可以配合協(xié)調(diào)工業(yè)機器人的行動路線,根據(jù)接收到的信息對機器人的行為進行調(diào)整。
2、三維視覺傳感器
最近三維視覺傳感器逐漸興起,三維視覺系統(tǒng)必須具備兩個攝像機在不同角度進行拍攝,這樣物體的三維模型可以被檢測識別出來。相比于二維視覺系統(tǒng),三維傳感器可以更加直觀的展現(xiàn)事物。
3、力扭矩傳感器
力扭矩傳感器是一種可以讓機器人知道力的傳感器,可以對機器人手臂上的力進行監(jiān)控,根據(jù)數(shù)據(jù)分析,對機器人接下來行為作出指導(dǎo)。
4、碰撞檢測傳感器
工業(yè)機器人尤其是協(xié)作機器人最大的要求就是安全,要營造一個安全的工作環(huán)境,就必須讓機器人識別什么事不安全。一個碰撞傳感器的使用,可以讓機器人理解自己碰到了什么東西,并且發(fā)送一個信號暫?;蛘咄V箼C器人的運動。
5、安全傳感器
與上面的碰撞檢測傳感器不同,使用安全傳感器可以讓工業(yè)機器人感覺到周圍存在的物體,安全傳感器的存在,避免機器人與其他物體發(fā)生碰撞。
6、電磁傳感器
現(xiàn)代的磁旋轉(zhuǎn)傳感器主要包括有四相傳感器和單相傳感器。在工作過程中,四相差動旋轉(zhuǎn)傳感器用一對檢測單元實現(xiàn)差動檢測,另一對實現(xiàn)倒差動檢測。這樣,四相傳感器的檢測能力是單元件的四倍。而二元件的單相旋轉(zhuǎn)傳感器也有自己的優(yōu)點,也就是小巧可靠的特點,并且輸出信號大,能檢測低速運動,抗環(huán)境影響和抗噪聲能力強,成本低。因此單相傳感器也將有很好的市場。
7、光纖傳感器
光纖傳感器是最近幾年出現(xiàn)的新技術(shù),可以用來測量多種物理量,比如聲場、電場、壓力、溫度、角速度、加速度等,還可以完成現(xiàn)有測量技術(shù)難以完成的測量任務(wù)。在狹小的空間里,在強電磁干擾和高電壓的環(huán)境里,光纖傳感器都顯示出了獨特的能力。目前光纖傳感器已經(jīng)有70多種,大致上分成光纖自身傳感器和利用光纖的傳感器。
8、仿生傳感器
仿生傳感器,是一種采用新的檢測原理的新型傳感器,它采用固定化的細胞、酶或者其他生物活性物質(zhì)與換能器相配合組成傳感器。這種傳感器是近年來生物醫(yī)學(xué)和電子學(xué)、工程學(xué)相互滲透而發(fā)展起來的一種新型的信息技術(shù)。這種傳感器的特點是機能高、壽命長。在仿生傳感器中,比較常用的是生體模擬的傳感器。
9、紅外傳感器
紅外系統(tǒng)的核心是紅外探測器,按照探測的機理的不同,可以分為熱探測器和光子探測器兩大類。熱探測器是利用輻射熱效應(yīng),使探測元件接收到輻射能后引起溫度升高,進而使探測器中依賴于溫度的性能發(fā)生變化。檢測其中某一性能的變化,便可探測出輻射。多數(shù)情況下是通過熱電變化來探測輻射的。當元件接收輻射,引起非電量的物理變化時,可以通過適當?shù)淖儞Q后測量相應(yīng)的電量變化。
10、壓力傳感器
壓電傳感器主要應(yīng)用在加速度、壓力和力等的測量中。壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計。它具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、使用壽命長等優(yōu)異的特點。壓電式加速度傳感器在飛機、汽車、船舶、橋梁和建筑的振動和沖擊測量中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用,特別壓電傳感器的外形是航空和宇航領(lǐng)域中更有它的特殊地位。
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