机电一体化概论-2-3上课讲义

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1、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 2 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 2 3 1检测单元基础 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 2 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

2、转换电路 2 3 1检测单元基础 3 传感器的分类 2 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 2 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 2 3 2传感器的

3、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 2 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 2 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 2 3 2传感器的结构与基本原理 3 电容式线位移传感

4、器 S 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 2 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 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 2 3 2传感器的结构与基本原理

5、 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 2 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 2 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

6、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 2 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 2 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 2 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

7、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 2 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 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 2 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 2 3 2传感器的结构与基本原理 4 加速度检测传感器

8、 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 式中 d 压电元件的压电常数 传感器的固有角频率 加速度 2 3 2传感器的结构与基本原理 4 加速度检测传感器 2 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 2 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 2 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

9、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 2 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 2 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

10、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 2 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 2 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 Photoelectricencod

11、er 2 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 2 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 2 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

12、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 2 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 因而在线圈中感应出交流输出信号 它有不受滑动方向限制的特点 对有限区域的滑觉检测是很有效的 但由于是点接触 钢球必须对准被测握力面 8 其他信号检测传感器 5 滑觉传感器 Sliptactilesensor 2 3 3数据采集与处理 数据采集与处理的几个阶段

13、信息采集 信号转换 放大 传输接口等 2 3 3数据采集与处理 数据采集 利用传感器从系统外部的被测单元中获取一定的信息如物理量 化学量等 转换为有效电信号并输入到系统内部 数据处理 采集的数据不一定满足需要 因此要进行转换 放大 运算 传输等工作 直流电桥常用来进行数据处理 R1 R2 R3 R4是电桥的桥臂电阻 RL是被测电阻 Ui是电源 当RL趋于无穷大时 电桥的输出电压Uo为 1 数据采集 Dataacquisition 2 3 3数据采集与处理 电桥平衡时 Uo 0 可以得到电桥平衡的条件 即 1 数据采集 Dataacquisition 当电桥不平衡时 电桥输出电压为 当R1 R2

14、 R3 R4 R0 且时 电桥的理想输出为 2 3 3数据采集与处理 运算放大器 Operationalamplifier 简称 运放 是可以对电信号进行运算 具有很高放大倍数的电路单元 输入和输出电压的关系为 2 信号放大 Signalamplifier 2 3 3数据采集与处理 模 数转换 即A D转换 由A D转换器实现 数 模转换 即D A转换 由D A转换器实现 信号转换的一般步骤为 采样 保持 量化 编码 3 信号转换 Signalconversion 2 3 3数据采集与处理 3 信号转换 Signalconversion 采样 Sampling 是将时间域或空间域的连续量转化成

15、离散量的过程 根据采样定理确定采样频率 量化 Quantization 是将采样电压转化为数字量最小数量单位 的整数倍的过程 编码 Encoding 是将量化结果用代码表示出来 量化误差是由于模拟量不一定能被 整除所忽略的部分 模拟电压 二进制编码 代表的模拟电压电平 模拟信号 采样信号 2 3 3数据采集与处理 4 数据传输 Datatransmission 检测单元数据传输的任务是将被测模拟量 如位移 压力 流量 温度等非电量 经过传感器 放大器 A D转换器后输入给微机 主要应用接口技术实现 2 3 4虚拟仪器 虚拟仪器就是在通用计算机平台上 根据用户需求自行定义 设计仪器的测试功能 让

16、使用者在操作这台计算机时 就像是在操作一台他自己设计的测试仪器一样 简言之 软件就是仪器 不论是何种测试仪器 其组成都可以概括为信号采集与控制单元 信号分析与处理单元 结果表达输出单元三部分 虚拟仪器主要完成三种功能 2 3 4虚拟仪器 硬件平台可以是各类计算机 如PC 便携式计算机 工作站 嵌入式计算机等 测控功能硬件主要完成被测输入信号的采集 放大 模 数转换等功能 不同的总线对应不同的I O接口硬件设备 如PC总线的数据采集卡 GPIB GeneralPurposeInterfaceBus 总线仪器 VXI VMEbusExtensionsforInstrumentation VME总线对仪器的扩展 总线仪器模块 串口总线仪器等 1 虚拟仪器组成 1 虚拟仪器的硬件 2 3 4虚拟仪器 1 虚拟仪器组成 1 虚拟仪器的硬件 PC DAQ型虚拟仪器的硬件平台 2 3 4虚拟仪器 1 虚拟仪器组成 2 虚拟仪器的应用软件 应用程序I O接口驱动程序 软件三大任务 集成开发环境 仪器硬件的高级接口 仪器用户的接口 2 3 4虚拟仪器 2 LabVIEW虚拟仪器系统开发环境简介 1 前面