机电体化优秀教学导案与ppt

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1、第四章 机电一体化检测系统第一节 概 述传感与检测是系统的感受器官，如数控机床加工过程中，要对刀架位置、切屑力大小、进给速度等进行控制，这都是通过传感与检测来完成。检测技术是机电一体化技术的关键技术，它主要用于检测相关外界环境及产品自身状态，为控制环节提供判断和处理依据的信息反馈环节。传感器是检测技术的关键元件。如何从待测对象那里获得能反映待测对象特征与状态的信号，取决于传感器，而能否有效的利用这些信号携带的丰富信息则取决于检测技术。传感器可以为检测系统提供必需的原始信号，中间转换电路将传感器的敏感元件输出的电参数信号转换为易于测量或处理的电压或电流等电量信号，但是往往这种信号都很微弱，所以要

2、通过电路进行放大、调制解调、A/D或D/A转换等以满足信号传输、计算机处理的要求；根据需要还必需进行必要的阻抗匹配、线性化及温度补偿等处理。随着世界各国现技术的发展，检测领域出现了许多新的检测方法，如超声波、红外线、核辐射、光导纤维等，这些方法在高温、高速度、远距离等情况下更具有优越性。对检测技术的要求也越来越高。目前，检测技术的总趋势大体有以下几个方面：（1）不断拓展测量范围，努力提高检测精度和可靠性；（2）传感器逐渐向集成化、组合式、数字化方向发展；（3）重视非接触式检测技术研究；（4）检测系统智能化。本章重点介绍常用的传感器、传感器的信号处理、传感器的借口技术。一、检测系统的组成机电一体

3、化产品中需要检测的物理量分成电量和非电量两种形式。通常作为信息的载体所表现的物理量不是电量，即非电量，所以必须用传感器将非电量转换成电量。非电量的检测系统有两个重要环节：1、把各种非电量信息转换为电信号。这就是传感器的功能，传感器又称为一次仪表。2、对转换后的电信号进行测量，并进行放大、运算、转换、记录、指示、显示等处理，也称为电信号处理系统或二次仪表。机电一体化系统一般采用计算机控制，电信号处理系统通常是以计算机为中心的电信号处理系统。非电量检测系统的结构形式如图4-1所示。图4-1 非电量检测系统的结构形式对于电量检测系统，只保留电信号的处理过程，省略了一次仪表的处理过程。二、传感器的概念

4、及基本特性传感器是一种以一定的精确度将被测量转换为与之有确定对应关系的、易于精确处理和测量的某种物理量（如电量）的测量部件或装置。传感器件一般有物理、化学和生物等学科的某些效应或远离按照一定工艺研制出来，能“感知”被测量的大小和变化，并进行处理。传感器的特性（静特性和动特性）是其内部参数的外部表现，也决定了其性能和精度。1、传感器的构成传感器一般是由敏感元件、传感元件和转换电路三部分组成，如图4-2所示。 图4-2 传感器组成框图（1）敏感元件 在 非电量到电量的转换时，并非所有的非电量都能直接变为电量，需要进行与转换，再变为电量。敏感元件是直接感受被测非电量的，能将被测量转换成易于测量的物理

5、量的预变换装置，且输入输出间具有确定的数学关系（最好为线性）。如弹性敏感元件弹簧、悬臂梁等。（2）转换元件 转换元件又称为变换器，是将敏感元件输出的非电物理量转换成电信号（如电阻、电感、电容等）的元件。信号的转换元件是构成传感器的核心。例如热敏电阻。（3）基本转换电路 能将电信号转换成便于测量、处理和控制电量的电路，如电压、电流、频率等。传感器的结构有的简单，有的复杂。如热电偶（只有敏感元件，输出电势），电容式位移传感器（敏感元件和基本转换电路），膜片式液体压力传感器和悬臂梁式力传感器（敏感元件、转换元件、基本转换电路）。2、传感器的静态特性静态特性是指传感器变换的被测量的数值处在稳定状态时，

6、所表现出来的输入/输出关系。 通常用来描述静态特性的指标有：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨率和零漂等。（1） 线性度 线性度是指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度，非线性误差：全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值与满量程输出值之比。非线性误差属于系统误差。图4-3传感器线性度示意图1、实际曲线 2、理想曲线 （4-1）式中， 线性度(非线性误差)；最大非线性绝对误差；yFS输出满度值。 （2） 灵敏度 传感器在静态标准条件下，输出量的增量与引起该增量的相应输入量增量之比称灵敏度，用S0表示。 (4-2)对于线性传感器，它的灵敏度S0是个常数。灵敏度是传感

7、器静态特性中的一个重要指标。（3） 迟滞 传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象称为迟滞。对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。一般以满量程输出值yFS的百分数表示 (4-3)式中，Hm输出值在正、反行程间的最大差值。（4） 重复性传感器在同一条件下，被测输入量按同一方向作全量程连续多次重复测量时，所得输出/输入曲线重复程度，称重复性。如图4-5表示。重复性误差用满量程输出的百分数表示，即 (4-4) 式中， 输出最大重复性误差； 图4-4 迟滞特性 图4-5 重复特性（5）分辨力 传感器能检

8、测到的最小输入增量称分辨力，在输入零点附近的分辨力称为阈值（死区或不灵敏度）。分辨力与满度输入的百分数表示称为分辨率。（6）漂移 传感器在外部输入不变的情况下输出随时间变化的现象称为漂移。产生漂移的因素主要有两个：一是传感器本身结构参数，二是周围环境（如温度、湿度等）。（7）精度 精度表示测量结果和被测的“真值”的靠近程度。精度一般是在校验或标定的方法来确定。国家标准中规定了传感器和测试仪表的精度等级， 3、传感器的动态特性动态测试实例： 热电偶测阶跃变化温度，被测温度t0时刻从T0升高到T，但热电偶指示温度值要历经时间从t0-t的过程，才能从T0升高到T。在这过渡过程中，热点偶的实际测试曲线

9、与被测温度的实际变化曲线始终存在差异，这个差值就是动态误差，如图1-7所示。动态特性是指传感器测量动态信号时，输出对输入的响应特性。实际中大量的被测量是随时间变化的动态信号，传感器的输出不仅需要精确地显示被测量的大小，还要显示被测量时间变换的规律。动态特性好的传感器，其输出量随时间的变化规律将再现输入量随时间的变化规律。实际传感器的输出信号与输入信号不会具有相同的时间函数，由此引起动态误差。动态特性参数的表达方法有两个：一是阶跃信号输入状态下的输出特性；二是不同频率信号输入状态下的幅值变化和相位变化。4、传感器的标定传感器的标定是指利用高等级的标准器具对传感器的特性进行刻度，或者说通过试验建立

10、传感器的输入量输出量之间的关系。（1）静态标定：确定静态指标。（2）动态标定：确定传感器的动态特性参数，如时间常数、上升时间、工作频率和频宽等。5、传感器的分类（1）工作原理电阻原理：如电位计式传感器、应变式传感器；变磁阻原理：如电感式、电涡流式、差动变压式传感器；半导体原理：热敏、光敏、气敏等固态传感器。（2）信号特性模拟式：输出信号为模拟量，以幅值形式表示输入量的大小，如电感式传感器、电容式传感器等；数字式：输出信号为数字量，便于计算机联用，抗干扰性强，如光栅传感器、光电编码器等，输出的脉冲数量多少表示了输入量的大小。（3）电源有源式：将非电量转换为电量，也称换能器（只转换本身不提供能量）

11、，如压电式、热电式、电磁式等；通常与测量电路、放大电路配合使用；无源式：也称能量控制型传感器，必须有辅助电源，被测非电量仅对传感器中的能量起控制或调节作用，如电阻式、电感式、电容式，常用于电桥和谐振电路的测量。（4）输入量类型：压力、位移、流量、速度、加速度等等。三、信号传输与处理电路传感器输出信号一般比较微弱（mV、uV级），有时夹杂其它信号（干扰或载波），因此传输过程中，需要依据传感器输出信号的特征和系统的要求，对传感器输出信号进行各种形式的处理，如阻抗变换，电平转换、屏蔽隔离、放大、滤波、调制、解调、A/D和D/A等，同时应对干扰（如噪声、温度、湿度、磁场等）采取一定的措施。传感器信号处

12、理电路内容的选择所要考虑的问题主要包括：（1）传感器输出信号形式，是模拟信号还是数字信号，电压还是电流。（2）传感器输出电路形式，是单端输出还是差动输出（3）传感器电路输出能力，是电压还是功率，输出阻抗大小。（4）传感器的特性，如线性度、信噪比、分辨率。由于电子技术的发展和微加工技术的应用，现在的许多传感器中已经配置了部分处理电路（或配置有专用处理电路），大大简化了设计和维修人员的技术难度。如反射式光电开关传感器集成了逻辑控制电路；压力传感器中的处理电路可以直接输送给A/D；光电编码传感器的输出是5V的脉冲信号，可以直接传送给计算机。第二节 位移检测位移测量是线位移测量和角位移测量的总称。位移

13、测量在机电一体化制造系统中应用十分广泛，比如机床加工中的工作台位置、刀具进给量、加工件尺寸都需要位移测量，并且速度、加速度等参数的检测都可以借助测量位移的方法，比如主轴上编码器发出的脉冲数代表了角位移，由此可知主轴运转的角速度。有些参数的测量属于微位移测量，如力、扭矩、变形等。微位移检测可以通过应变式传感器、电容式传感器、电感传感器等来进行测量。位移传感器主要有电感传感器、电容传感器、感应同步器、光栅传感器、磁栅传感器、旋转变压器和光电编码盘等。其中光栅传感器、磁栅传感器和光电编码盘都为数字传感器。一、 模拟式位移传感器电容式、电感式传感器在原理上有相似之处，以电感式传感器为例介绍模拟式传感器

14、测量位移的原理。电感式传感器是一种非接触式检测接近测量的传感器，电感式位移传感器基于电磁感应原理，将被测非电量转换为电感量变化的一种结构型传感器。按转换方式可分为自感型和互感型两种，自感型电感传感器又分为可变磁阻式和涡流式。互感型又称为差动变压器式。自感型传感器特点：工艺简单；灵敏度好；输出信号大，信噪比好；有较大的电磁吸力，但是功耗大。电磁感应原理：感应电压或电动势等于回路中磁通量的变化率。如果给线圈或螺线管施加变化的磁通，则线圈会产生感应电动势。1、 可变磁阻式电感传感器磁路中的磁阻类似于电路中的电阻。典型的可变磁阻式电感传感器的结构如图4-6所示，主要由线圈、铁心和活动衔铁所组成。在铁心和活动衔铁之间保持一定的空气隙，被测位移构件与活动衔铁相连，当被测构件产生位移时，活动衔铁随着移动，空气隙发生变化，引起磁阻变化，从而使线圈的电感值发生变化。