第三章現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

1、教材：機(jī)電一體化概論 第2版馮細(xì)香 主編機(jī)電一體化系統(tǒng)的組成u第一節(jié) 機(jī)械本體u第二節(jié) 檢測(cè)及傳感器u第三節(jié) 控制器及工控機(jī)u第四節(jié) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)u第五節(jié) 接口及接口技術(shù)上一章知識(shí)回顧u機(jī)電一體化系統(tǒng)的組成要素？u機(jī)械本體的功能有哪些？u機(jī)電一體化設(shè)備對(duì)機(jī)械本體的要求是什么？u機(jī)械本體的發(fā)展趨勢(shì)是什么？3.1 什么是傳感器一 認(rèn)識(shí)傳感器二 機(jī)電一體化系統(tǒng)中的傳感器三 傳感器的組成四 傳感器的發(fā)展簡(jiǎn)況五 傳感器的分類一、認(rèn)識(shí)傳感器u傳感器技術(shù)遍布各行各業(yè)、各個(gè)領(lǐng)域。如工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防科技、家用電器、甚至兒童玩具也少不了傳感器。一、認(rèn)識(shí)傳感器u什么是傳感器？1.傳感

2、器是利用各種物理、化學(xué)效應(yīng)以及生物效應(yīng)實(shí)現(xiàn)非電量到電量轉(zhuǎn)換的裝置或器件。2.傳感器是一種能將被測(cè)量（各種物理量、化學(xué)量和生物量等）變換成可以測(cè)量的有用信號(hào)的一種裝置。u從外界獲取信息的方式：人五官（眼、耳、鼻、舌、皮膚）機(jī)器傳感器二、機(jī)電一體化系統(tǒng)中的傳感器ASIMO身高1.3米，體重48公斤。它是至2013年最先進(jìn)的行走機(jī)器人。 “阿西莫”不但能跑能走、上下階梯、“8”字形行走、彎腰，還會(huì)踢足球和開瓶倒茶倒水，甚至可以隨著音樂翩翩起舞，動(dòng)作十分靈巧 。u現(xiàn)代啤酒灌裝機(jī)系統(tǒng)二、機(jī)電一體化系統(tǒng)中的傳感器2.啤酒缸內(nèi)碳酸氣的壓力1.啤酒的溫度、流量3.啤酒缸內(nèi)的液位高低以及啤酒在易拉罐中的液位高低

3、波紋管鉑電阻、流量孔板缸內(nèi)浮球、超聲波探頭控制器傳感器1、傳感器的作用：u一方面，檢測(cè)各種情況，實(shí)現(xiàn)信息采集；另一方面，將收集到的信息匯集到電腦控制器。u傳感器就像人的五官，為系統(tǒng)收集信息，沒有它，機(jī)電一體化系統(tǒng)就成了“瞎子”和“聾子”，就無(wú)法進(jìn)行控制。二、機(jī)電一體化系統(tǒng)中的傳感器2、特點(diǎn)u應(yīng)用范圍廣、種類齊全家用電器、醫(yī)療儀器、交通運(yùn)輸領(lǐng)域、飛行器、遙感技術(shù)、機(jī)器人、其他領(lǐng)域u檢測(cè)到的信號(hào)需轉(zhuǎn)換各種檢測(cè)元件測(cè)得的信號(hào)多為模擬量，不能直接送入控制器，需將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，也叫做A/D轉(zhuǎn)換。二、機(jī)電一體化系統(tǒng)中的傳感器10A/D轉(zhuǎn)換器三、傳感器的組成敏感元件傳感元件測(cè)量元件被測(cè)量輸出信號(hào)感受被

4、測(cè)量，感受被測(cè)量，并把被測(cè)量變并把被測(cè)量變成便于變換成成便于變換成電信號(hào)的量。電信號(hào)的量。把敏感元件的把敏感元件的輸出量變換成輸出量變換成能被儀表測(cè)量能被儀表測(cè)量的量。的量。把傳感元件的把傳感元件的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換、輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換、放大成能用于放大成能用于控制或檢測(cè)的控制或檢測(cè)的有用信號(hào)。有用信號(hào)。三、傳感器的組成u例：差動(dòng)變壓器式壓力傳感器敏感元件傳感元件測(cè)量元件被測(cè)量輸出信號(hào)銜鐵壓力P壓力P三、傳感器的組成u差動(dòng)變壓器式壓力傳感器的組成部分敏感元件傳感元件測(cè)量元件被測(cè)量輸出信號(hào)壓力P三、傳感器的組成u例：電容式壓力傳感器敏感元件傳感元件測(cè)量元件被測(cè)量輸出信號(hào)三、傳感器的組成u例：帶補(bǔ)償電橋的熱電

5、偶（溫度傳感器）敏感元件傳感元件測(cè)量元件被測(cè)量輸出信號(hào)三、傳感器的組成u例：永磁式直流測(cè)速發(fā)電機(jī)（轉(zhuǎn)速傳感器）敏感元件傳感元件測(cè)量元件被測(cè)量輸出信號(hào)三、傳感器的組成敏感元件傳感元件測(cè)量元件被測(cè)量輸出信號(hào)總結(jié)： 完整的傳感器具備上面三種功能，但三個(gè)功能不一定是完全獨(dú)立的。不少傳感器把其中的兩個(gè)功能元件或三個(gè)功能元件結(jié)合在一起。四、傳感器的發(fā)展簡(jiǎn)況u開展基礎(chǔ)研究，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，開發(fā)傳感器的新材料和新工藝；實(shí)現(xiàn)傳感器的集成化與智能化。 1.開發(fā)新型傳感器 2.開發(fā)新材料 3.新工藝的采用 4.集成化、多功能化 5.智能化u1.開發(fā)新型傳感器u采用新原理。利用各種效應(yīng)和定律，研制具有新原理的新型傳感器。

6、u填補(bǔ)傳感器空白。不少系統(tǒng)達(dá)不到滿意的效果或根本無(wú)法設(shè)計(jì)出來(lái)的關(guān)鍵原因在于沒有合適的傳感器。新的傳感器的出現(xiàn)，必然給相關(guān)領(lǐng)域帶來(lái)突破。u仿生傳感器。利用生物工程學(xué)的知識(shí)，模仿生物所具有的感覺能力和對(duì)化學(xué)物質(zhì)的識(shí)別能力，開發(fā)各種生物傳感器。四、傳感器的發(fā)展簡(jiǎn)況四、傳感器的發(fā)展簡(jiǎn)況u2.開發(fā)新材料 傳感器材料是傳感器技術(shù)的重要基礎(chǔ)。材料科學(xué)的進(jìn)步，人們可任意控制成分，設(shè)計(jì)制造出用于各種傳感器的功能材料。用復(fù)雜材料來(lái)制造性能更加良好的傳感器是今后的發(fā)展方向之一。（1）半導(dǎo)體敏感材料（2）陶瓷材料（3）磁性材料 （4）智能材料四、傳感器的發(fā)展簡(jiǎn)況u3.新工藝的采用 微機(jī)械加工技術(shù)、微電子加工技術(shù) 例如

7、：利用半導(dǎo)體技術(shù)制造出壓阻式傳感器，利用薄膜工藝制造出快速響應(yīng)的氣敏、濕敏傳感器，日本橫河公司利用各向異性腐蝕技術(shù)進(jìn)行高精度三維加工，在硅片上構(gòu)成孔、溝棱錐、半球等各種開頭，制作出全硅諧振式壓力傳感器。納米堆垛納米堆垛四、傳感器的發(fā)展簡(jiǎn)況u4.集成化、多功能化u同時(shí)測(cè)量幾種被測(cè)參數(shù)：將幾種不同的傳感器元件復(fù)合在一起，作成集成塊。例如：一種集合溫、氣、濕三功能的陶瓷傳感器。u同一功能的多元件并列化：同一類型的單個(gè)傳感元件用集成工藝在同一平面上排列起來(lái)，如CCD圖像傳感器。u功能一體化：傳感器與放大、運(yùn)算以及溫度補(bǔ)償?shù)拳h(huán)節(jié)一體化，組裝成一個(gè)器件。四、傳感器的發(fā)展簡(jiǎn)況u5.智能化u對(duì)外界信息具有檢測(cè)

8、、數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷、自診斷和自適應(yīng)能力的集成一體化多功能傳感器。u智能傳感器是傳感器技術(shù)與大規(guī)模集成電路技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它的實(shí)現(xiàn)取決于傳感技術(shù)與半導(dǎo)體集成化工藝水平的提高與發(fā)展。這類傳感器具有多功能、高性能、體積小、適宜大批量生產(chǎn)和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，是傳感器重要的發(fā)展方向之一。五、傳感器的分類u傳感器的分類方法很多u習(xí)慣按照使用特點(diǎn)來(lái)分，可分為下列幾種：壓力傳感器壓力傳感器溫度傳感器溫度傳感器位移傳感器位移傳感器濕度傳感器濕度傳感器氣體傳感器氣體傳感器光學(xué)傳感器光學(xué)傳感器流量傳感器流量傳感器u傳感器的分類u說(shuō)明：u開關(guān)型只輸出“0”和“1”或開和關(guān)兩個(gè)值。u模擬型輸出連續(xù)變化的電量。如4mA

9、20mAu數(shù)字型分為計(jì)數(shù)型和代碼型兩大類?？奢敵鲆欢ǖ拿}沖數(shù)，或者二進(jìn)制數(shù)字代碼。機(jī)電一體化對(duì)傳感器的要求：u精度、靈敏度、分辨率高u線性、穩(wěn)定性和重復(fù)性好u抗干擾能力強(qiáng)u靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性好u此外，還要求體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、便于安裝與維修，耐環(huán)境性能好等3.2 常見傳感器u3.2.1 線位移檢測(cè)傳感器u3.2.2 角位移檢測(cè)傳感器u3.2.3 速度、加速度傳感器u3.2.4 測(cè)力傳感器u3.2.5 其他傳感器3.2.1 線位移傳感器（1）光柵u什么是光柵？u光的屬性 莫爾條紋 光電脈沖u分類：長(zhǎng)光柵 圓光柵u光柵傳感器的特點(diǎn)：u測(cè)量精度高u響應(yīng)速度快u量程范圍大u可進(jìn)行非接觸測(cè)量u易于實(shí)現(xiàn)

10、數(shù)字測(cè)量和自動(dòng)控制（1）光柵u結(jié)構(gòu)：u光柵由_和_ 兩部分組成u光柵傳感器由_、_、_、_等組成1. 標(biāo)尺光柵2. 指示光柵3. 光電器件4. 光源（1）光柵u工作原理：莫爾條紋測(cè)位移1. 兩光柵柵距W相同，W密度多少？2. 兩光柵成小夾角3. 莫爾條紋是光柵非重合部分光線透過而形成的亮帶，它由一系列四棱形亮光區(qū)組成u光柵每移動(dòng)過一個(gè)柵距W，莫爾條紋就移動(dòng)過一個(gè)條紋間距B，查看莫爾條紋的移動(dòng)方向，即可確定主光柵的移動(dòng)方向。 B（1）光柵u莫爾條紋移動(dòng)量B的測(cè)量u采用如圖裝置u通過光電元件，可將莫爾條紋移動(dòng)時(shí)光強(qiáng)的變化轉(zhuǎn)換為近似正弦變化的電信號(hào)u結(jié)構(gòu)：定尺、滑尺u工作原理：uUs、Uc同頻同幅，

11、相位相差90u滑尺滑動(dòng)位移x，則定尺繞組輸出U0相角的感應(yīng)電勢(shì)3.2.1 線位移傳感器（2）感應(yīng)同步器（2）感應(yīng)同步器u分類：u直線型u圓盤型u特點(diǎn)u成本低u受環(huán)境溫度影響小u測(cè)量精度高u非接觸測(cè)量3.2.1 線位移傳感器（3）磁柵u結(jié)構(gòu)：u磁尺（磁柵）、 磁頭、檢測(cè)電路等u工作原理：u磁尺表面涂有特定的磁性膜u磁頭能把磁柵上的磁信號(hào)檢測(cè)出來(lái)，并感應(yīng)成電信號(hào)u磁頭位置的不同，讀出的磁信號(hào)不同（3）磁柵u特點(diǎn)：u結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單u使用方便u動(dòng)態(tài)范圍大（120m）u磁信號(hào)可以重新錄制u缺點(diǎn)：需要屏蔽和防塵u應(yīng)用：大型機(jī)床和精密機(jī)床的位測(cè)量u分類：長(zhǎng)磁柵、圓磁柵3.2.2 角位移傳感器（1）旋轉(zhuǎn)變壓器u什么

12、是旋轉(zhuǎn)變壓器？u利用電磁感應(yīng)原理將轉(zhuǎn)角變換為電壓信號(hào)的傳感器u特點(diǎn)：（1）旋轉(zhuǎn)變壓器u工作原理u一種旋轉(zhuǎn)式交流電機(jī)u定子繞組分別通以幅值和頻率相同、相位相差為90 的交變激磁電壓U1和U2u此時(shí)，在轉(zhuǎn)子繞組中得到感應(yīng)電勢(shì)U3。31sin1coskUkUk是旋轉(zhuǎn)變壓器的變壓比3.2.2 角位移傳感器（2）光電編碼器u光電編碼器u是一種碼盤式角度-數(shù)字檢測(cè)元件u分為兩種類型： 增量式 和 絕對(duì)式u特點(diǎn)：（2）光電編碼器u原理：u碼盤：在透明材料的圓盤上精確地印制上二進(jìn)制編碼u碼道多少?zèng)Q定角度的最小分辨率，目前可做到18道u利用光電接收裝置接受光信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為需要的電信號(hào)3.2.3 速度傳感器（1）

13、直流測(cè)速發(fā)電機(jī)u直流測(cè)速發(fā)電機(jī)u是一種測(cè)速元件，實(shí)際上它是一臺(tái)微型直流發(fā)電機(jī)。u特點(diǎn)：（1）直流測(cè)速發(fā)電機(jī)u例說(shuō)：永磁式測(cè)速發(fā)電機(jī)原理u當(dāng)轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)產(chǎn)生與轉(zhuǎn)速成正比的直流電壓。 永磁式測(cè)速發(fā)電機(jī)原理圖 直流測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出特性 （2）光電式速度傳感器u工作原理：如何改造圓盤使能辨別轉(zhuǎn)動(dòng)方向？（2）差動(dòng)變壓器式速度傳感器 02vvUkI差動(dòng)變壓器式速度傳感器的工作原理3.2.4 測(cè)力傳感器u測(cè)力：測(cè)力、壓力、扭矩u按照工作原理可分為：彈性式、電阻應(yīng)變式、電感式、電容式、壓電式、磁電式等u電阻應(yīng)變式測(cè)力傳感器：利用的是電阻應(yīng)變效應(yīng)。（1）圓柱式稱重壓力傳感器u結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、承載能力大u主要

14、用于中等載荷和大載荷（可達(dá)數(shù)兆牛頓）的拉（壓）力傳感器。020kg、50kg、100kg、200kg、500kg、1000kg、2T、3T、5T、10T0100kg、200kg、500kg、1000kg、2000kg（2）懸臂梁稱重壓力傳感器u結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、應(yīng)變片粘貼容易、靈敏度較高u主要用于小載荷、高精度的拉（壓）力傳感器中，可測(cè)量0.01牛頓到幾千牛頓的拉（壓）力（3）膜式壓力傳感器（4）筒式壓力傳感器u特點(diǎn)：圓筒收到被測(cè)壓力后表面各處的應(yīng)變是相同的。u適于測(cè)量較大的力（5）壓阻式壓力傳感器u適用于中、低壓力、微壓和壓差測(cè)量。u由于其彈性敏感元件與變換元件一體化，尺寸小且可微型化，固

15、有頻率很高。 （6）力矩傳感器u大多使用應(yīng)變片做敏感元件u當(dāng)發(fā)生扭轉(zhuǎn)時(shí)，應(yīng)變片發(fā)生形變，通過測(cè)量應(yīng)變片的電壓，獲得力矩的大小。機(jī)器人手腕用力矩傳感器原理 （6）力矩傳感器u無(wú)觸點(diǎn)力矩測(cè)量法u傳動(dòng)軸的兩端安裝上磁分度圓盤A，分別用磁頭檢測(cè)兩圓盤間的轉(zhuǎn)角差，用轉(zhuǎn)角差與負(fù)荷M成比例的關(guān)系，即可測(cè)量負(fù)荷力矩的大小。無(wú)觸點(diǎn)力矩測(cè)量原理 3.2.5 其他傳感器-（1）CCD圖像傳感器u什么是CCD？u利用光電轉(zhuǎn)換原理，將被測(cè)物體的光像轉(zhuǎn)換為電子圖像信號(hào)輸出的一種大規(guī)模集成電路光電元件，稱為電荷耦合器件，即CCD。uCCD工作過程：u光敏單元、像素點(diǎn)、電信號(hào)的儲(chǔ)存u特點(diǎn)：u體積小、析像度高、功耗?。?）CC

16、D圖像傳感器（2）激光檢測(cè)u激光的特性：u激光檢測(cè)主要是利用激光的_等特點(diǎn)，無(wú)論在測(cè)量精確度和測(cè)量范圍上都具有明顯的優(yōu)越性。 u舉例：激光多普勒流速計(jì)（3）超聲波檢測(cè)u什么是超聲波？u頻率為162104Hz的機(jī)械波-聲波u頻率低于16Hz的機(jī)械波-次聲波u頻率高于2104Hz的機(jī)械波-超聲波u檢測(cè)用超聲波，頻率是幾十萬(wàn)Hz以上u超聲波特點(diǎn)：u波長(zhǎng)短、方向性好、易于形成光束u超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，與光波相似，具有反射、折射、聚焦等特性。u超聲波常用于u無(wú)損探傷、厚度測(cè)量、速度測(cè)量、黏度測(cè)量、距離測(cè)量等。（3）超聲波檢測(cè)u超聲波檢測(cè)過程超聲波探傷儀超聲波液位計(jì)3.3 傳感器的基本特性u(píng)輸入特性：u

17、(1) 量程或測(cè)量范圍u 傳感器預(yù)期要測(cè)量的被測(cè)量值的范圍，一般用傳感器允許測(cè)量的上下極限值來(lái)表示，其中上限值也稱為滿量程FS。u(2) 過載能力u 傳感器允許承受的最大輸入量(被測(cè)量),通常用一個(gè)最大允許值或滿量程的百分比來(lái)表示。u靜態(tài)特性：u(1)線性度u也稱非線性，表示傳感器輸出與輸入之間的關(guān)系曲線與選定的工作曲線的靠近程度，采用工作直線與實(shí)際工作曲線之間的最大偏差值與滿量程輸出之比來(lái)表示。 u(2)靈敏度u傳感器輸入增量與輸出增量之比；u(3)遲滯 u傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐讨?，輸入輸出特性曲線不重合的程度稱為遲滯 maxLFS100%=y0ySxu(4)重復(fù)性u(píng)反映傳感器在工作條件不變的情況下，重復(fù)地輸入某一相同的輸入值，其輸出值的一致性，其意義與精度類似。u(5)分辨力u傳感器能檢測(cè)到的最小輸入增量稱分辨力，在輸入零點(diǎn)附近的分辨力稱為閾值。u(5) 穩(wěn)定性(溫度漂移，時(shí)間零漂)u時(shí)間零漂: 在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，在溫度不變的條件下，零輸出的變化；u溫度漂移:當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，其輸出特性的變化