机电一体化概论 2-3

《机电一体化概论》AnIntroductiontoMechatronics机电一体化概论第2章机电一体化的系统组成2.3检测单元《机电一体化概论》AnIntroductiontoMechatronics2.3检测单元2.3.1检测单元基础2.3.2传感器的结构与基本原理2.3.3数据采集与处理2.3.4虚拟仪器《机电一体化概论》AnIntroductiontoMechatronics2.3.1检测单元基础机电一体化系统能否有效发挥其自动化功能，获得准确信息是首要前提，完成这一任务的环节就是检测单元（Detectingunit）。传感器与人体的感觉器官相对应，计算机与大脑相对应，执行器与人体的运动器官相对应。这种从外界获得信息，并从中提取有用信息的过程称为检测。传感器是检测过程中的核心元件。生物系统机电一体化系统检测的作用《机电一体化概论》AnIntroductiontoMechatronics2.3.1检测单元基础1.传感器的基本用途（1）生产过程中的信号测量与控制。（2）安全报警与环境保护。（3）自动化设备。（4）交通运输和资源探测。（5）医疗卫生和家用电器。《机电一体化概论》AnIntroductiontoMechatronics2.3.1检测单元基础2.传感器的组成将被测物理量按照一定规律变换为与之对应的另一种物理量的装置叫做传感器，也叫变换器或探测器。其作用是将各种非电物理量转换成其他量，由接口电路转换成电压量。传感器一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路组成。敏感元件转换元件基本转换电路被测量电量《机电一体化概论》AnIntroductiontoMechatronics2.3.1检测单元基础3.传感器的分类《机电一体化概论》AnIntroductiontoMechatronics2.3.1检测单元基础4.传感器技术的发展（1）新型传感器开发。（2）传感器的集成化。（3）传感器的多功能化。（4）传感器的智能化。（5）仿生传感器（Biomimeticsensor）。《机电一体化概论》AnIntroductiontoMechatronics2.3.2传感器的结构与基本原理1.线位移检测传感器（1）电阻式线位移传感器滑线位移式绕线位移式滑线位移传感器，电阻丝端电压恒定为Ui，当待测物体往返运动时，将带动拉杆、电刷运动，电刷在电阻丝上往返滑动，其输出端电压为Uo，且与位移量成正比。因此，当我们检测到输出电压的变化量△Uo，就可以获知待测物体的位移量。滑线式位移传感器实物绕线位移传感器《机电一体化概论》AnIntroductiontoMechatronics2.3.2传感器的结构与基本原理1.线位移检测传感器（1）电阻式线位移传感器电阻应变计式线位移传感器《机电一体化概论》AnIntroductiontoMechatronics2.3.2传感器的结构与基本原理（2）电感式线位移传感器差动电感式线位移传感器《机电一体化概论》AnIntroductiontoMechatronics2.3.2传感器的结构与基本原理（2）电感式线位移传感器差动变压器式线位移传感器将被测量转化为线圈的互感变化。初级线圈L1由交流电源励磁，交流电的频率称为励磁频率。两个次级线圈L2和L3接成差动式，它们反向串接，输出电压U0是两次级线圈的感应电压差值，故称差动变压器。当磁芯处于整个线圈中心位置时，两个次级线圈的磁阻相等，当磁芯移动时，将产生与位移成线性关系的感应电压Uo。《机电一体化概论》AnIntroductiontoMechatronics2.3.2传感器的结构与基本原理（3）电容式线位移传感器S、ε、d的变化，均会引起电容量的变化。通过检测电路将电容量的变化将会引起电路中的电压或电流变化，这样即可转换为电压信号输出，以此来确定位移量的大小和方向。应用：无接触检测，在恶劣环境下工作。可应用于检测位移、振动、角度、速度、加速度、压力等参数。dSC/《机电一体化概论》AnIntroductiontoMechatronics2.3.2传感器的结构与基本原理（4）光栅式线位移传感器相邻两莫尔条纹的间距W为：若用计数器记录下光栅上的移动通过的条纹数，即可测试主光栅移动的距离。/)2/sin(2/ddWWdθθ/2ABCDθEWd《机电一体化概论》AnIntroductiontoMechatronics2.3.2传感器的结构与基本原理（5）激光式线位移传感器主要装置是迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪工作原理激光传感器示意图激光传感器测量轮毂光幕式激光传感器测量直径《机电一体化概论》AnIntroductiontoMechatronics2.3.2传感器的结构与基本原理（5）激光式线位移传感器激光具有较好的方向性、单色性和亮度，可从较远距离对被测物体进行测量。由于光斑直径小，所以可实现对微小元件的测量。非接触式的测量原理可保证无磨损、高精度的测量，测量过程不会受到干扰。除此之外，激光三角反射测量原理还极为适用于高精度、高分辨率的快速测量。《机电一体化概论》AnIntroductiontoMechatronics2.3.2传感器的结构与基本原理2.角位移传感器（1）电阻式角位移传感器这种传感器具有结构简单、体积小、动态范围宽、输出信号大、抗干扰强和准确度较高等特点，已广泛用于检测各种回转角度和角位移量。适用转速较低的角位移测量。工作原理结构示意图实物《机电一体化概论》AnIntroductiontoMechatronics2.3.2传感器的结构与基本原理2.角位移传感器（2）电感式角位移传感器旋转变压器是一种典型的电感式角位移传感器。正余弦旋转变压器工作原理D1D2—励磁绕组；D3D4—交变绕组；Z1Z2—余弦输出绕组；Z3Z4—正弦输出绕组《机电一体化概论》AnIntroductiontoMechatronics2.3.2传感器的结构与基本原理2.角位移传感器（3）电容式角位移传感器《机电一体化概论》AnIntroductiontoMechatronics2.3.2传感器的结构与基本原理2.角位移传感器（4）光电式角位移传感器光电式角位移传感器是一种非接触式电位器，它用光束代替电刷。没有金属丝电刷造成的摩擦力矩，具有分辨率高、寿命长、扫描速度快等优点。其缺点是接触电阻较大，输出信号要经过阻抗匹配交换器才能用。《机电一体化概论》AnIntroductiontoMechatronics2.3.2传感器的结构与基本原理3.转速检测传感器（1）电容式转速传感器当电容极板与齿顶相对时，电容量最大；而电容极板与齿隙相对时，电容量最小。设齿轮齿数为z，则由计数器得到的频率数计算出测量转速为zfn/60《机电一体化概论》AnIntroductiontoMechatronics2.3.2传感器的结构与基本原理3.转速检测传感器（2）电感式转速传感器设齿数为z，由测速表测的频率计算出测量转速为：zfn/60目前已生产的电感式转速传感器测量转速从600r/min到6000r/min。测量点间距达到2～10mm，测量误差小于0.01％。原理图汽车后轮转速测量实物电感式转速传感器原理《机电一体化概论》AnIntroductiontoMechatronics2.3.2传感器的结构与基本原理3.转速检测传感器（3）光电式转速传感器若开孔数为20，记录过程时间为t，总脉冲数为N，则转速为：n=60N/(20t)。《机电一体化概论》AnIntroductiontoMechatronics2.3.2传感器的结构与基本原理4．加速度检测传感器当传感器承受振动体的加速度时，通过质量块产生相对位移，也就是压电片的变形量为xmx，在压电片的线性弹性范围内，有式中，F—作用在压电片上的力；k—压电片的弹性系数。而压电片表面所产生的电荷量与作用力成正比，即)(xxkFmxmdxxkdFdQm)(2/nkdxQmkn/式中，d—压电元件的压电常数，—传感器的固有角频率，—加速度。nx《机电一体化概论》AnIntroductiontoMechatronics2.3.2传感器的结构与基本原理4．加速度检测传感器《机电一体化概论》AnIntroductiontoMechatronics2.3.2传感器的结构与基本原理5.压力检测传感器（1）电阻应变式压力传感器《机电一体化概论》AnIntroductiontoMechatronics2.3.2传感器的结构与基本原理5.压力检测传感器（2）压阻式压力传感器结构示意图硅杯及硅膜片实物《机电一体化概论》AnIntroductiontoMechatronics2.3.2传感器的结构与基本原理压电效应：物质在机械力作用下发生变形时，内部产生极化现象，而在其表面上产生电荷，去掉外力时，电荷量立即消失。根据这一现象，通过检测的电荷并转化为电压量，放大输出后，即可显示压力的大小。5.压力检测传感器（3）压电式压力传感器原理图测量切削力实物《机电一体化概论》AnIntroductiontoMechatronics2.3.2传感器的结构与基本原理热电效应：对于均质导体，当两端温度不相等时，导体内的自由电子将从高温端向低温端扩散，在其两端形成电势，该电势称为温差电势。6.温度检测传感器（1）热电偶式温度传感器热电偶原理普通型热电偶结构实物《机电一体化概论》AnIntroductiontoMechatronics2.3.2传感器的结构与基本原理集成温度传感器是一种将感温元件、放大电路、温度补偿电路等功能集成在一块极小芯片上的温度传感器。跟传统的热电阻、热电偶相比，它具有线性度好、灵敏度高、体积小、稳定性好、输出信号大等优点，是其他温度传感器无法比拟的。6.温度检测传感器（2）集成温度传感器《机电一体化概论》AnIntroductiontoMechatronics2.3.2传感器的结构与基本原理空气流量传感器结构示意图，其作用是将空气流量转换成电信号送给电控单元，该信号作为决定喷油量的基本信号之一。叶片式空气流量计由空气流量计和电位计两部分组成。7.流量传感器（Flowsensor）《机电一体化概论》AnIntroductiontoMechatronics2.3.2传感器的结构与基本原理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，这是目前应用最多的传感器。光电编码器可以进行角度测量、长度测量、速度测量、位置测量等。8.其他信号检测传感器（1）光电编码器（Photoelectricencoder）《机电一体化概论》AnIntroductiontoMechatronics2.3.2传感器的结构与基本原理超声波探头又称为超声波传感器、超声波换能器。当工件内无缺陷时，接收能量大，仪表指示值大；有缺陷时部分能量被反射，接收能量小，仪表指示值小。根据这个变化可把工件内部缺陷检测出来。8.其他信号检测传感器（2）超声波传感器（Ultrasonicsensors）《机电一体化概论》AnIntroductiontoMechatronics2.3.2传感器的结构与基本原理最常用的视觉传感器是三维摄像机，它对景物进行扫描，把一幅幅图像信号变成电压信号，再由计算机对这些检测信号进行相应处理，进行图像识别，提取有用信息。8.其他信号检测传感器（3）视觉传感器（Visionsensor）《机电一体化概论》AnIntroductiontoMechatronics2.3.2传感器的结构与基本原理感知和辨别在气体、液体或固体中传递的声波所使用的传感器，称之为听觉传感器。最常见的声波传感器即话筒。8.其他信号检测传感器（4）听觉传感器（Auditorysensor）《机电一体化概论》AnIntroductiontoMechatronics2.3.2传感器的结构与基本原理电磁振动式滑觉传感器，测量端用一个直径为0.5cm钢球接触被抓物体表面。若被抓物产生滑动，会引起测量端部产生振动，振动通过连杆传向振动子，振动子振动产生磁通变化