機(jī)電一體化技術(shù)三

1、袁中凡 主 編李彬彬 陳 爽 副主編冼 進(jìn) 審郵箱：機(jī)電一體化技術(shù) 1第3章 檢測與傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)知識點(diǎn)：傳感器的組成和分類常見傳感器及其工作原理傳感器的發(fā)展趨勢模擬信號、數(shù)字信號的處理傳感器的測量電路傳感器的計(jì)算機(jī)接口2本章導(dǎo)讀傳感器技術(shù)是現(xiàn)代檢測和自動化技術(shù)的重要基礎(chǔ)之一，機(jī)電一體化系統(tǒng)的自動化程度越高，對傳感器的依賴性也就越大。能將各種非電物理量轉(zhuǎn)換成電量的傳感器及其應(yīng)用技術(shù)便成為機(jī)電一體化技術(shù)系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。33.1傳感器的組成和分類3.1.1傳感器的組成通常傳感器有敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和轉(zhuǎn)換電路三部分組成。 圖3-1傳感器的組成43.2 常見傳感器及其工作原理3.2.1 光

2、電編碼器編碼器是將機(jī)械傳動的模擬量轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)角度的數(shù)字信號，進(jìn)行角位移檢測的傳感器。編碼器的種類很多，根據(jù)檢測原理，它可分為電磁式、電刷式、電磁感應(yīng)式及光電式等。光電編碼器根據(jù)其刻度方法及信號輸出形式，分為增量式編碼器和絕對式編碼器。51、增量式光電編碼器圖3-2 增量式光電編碼器62、絕對式光電編碼器絕對式光電編碼器的編碼盤由透明及不透明區(qū)組成，這些透明及不透明區(qū)按一定編碼構(gòu)成，編碼盤上碼道的條數(shù)就是數(shù)碼的位數(shù)。絕對式編碼器能夠直接給出對應(yīng)于每個轉(zhuǎn)角位置的二進(jìn)制數(shù)碼，便于計(jì)算機(jī)處理。 7 (a) 4位二進(jìn)制絕對式編碼器的編碼盤 (b) 4位格雷碼盤示意圖 圖3-4 絕對式光電編碼器的編碼盤8

3、 圖3-5 絕對式光電編碼器的結(jié)構(gòu)示意 1光源；2透鏡；3編碼盤；4狹縫；5光電元件9光電編碼器的應(yīng)用轉(zhuǎn)速測量轉(zhuǎn)速可由編碼器發(fā)出的脈沖頻率或周期來測量。 圖3-6(a) 脈沖頻率法測轉(zhuǎn)速10 圖3-6（b）脈沖周期法測轉(zhuǎn)速 113.2.2光柵尺光柵尺或稱光柵，是一種高精度的直線位移傳感器。圖3-7 光柵尺的結(jié)構(gòu)示意圖122、莫爾條紋與參數(shù)間的關(guān)系光柵的莫爾條紋有如下特點(diǎn)：（1）起放大作用。（2）莫爾條紋的移動與柵距成正比。13圖3-8 光電元件 143、信號處理光柵尺輸出的信號有兩種：一種是正弦波信號；一種是方波信號。光柵尺除了增量式測量外，還有絕對式測量，輸出二進(jìn)制BCD碼子或格雷碼編碼的設(shè)

4、計(jì)可采用二進(jìn)制碼、循環(huán)碼、二進(jìn)制補(bǔ)碼等。153.2.3電阻應(yīng)變計(jì)電阻應(yīng)變計(jì)是根據(jù)應(yīng)變電阻效應(yīng)，將給測試件的應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電阻變化量的敏感元件。它不僅直接作為應(yīng)力、應(yīng)變測量的傳感器而且可以與彈性元件組合構(gòu)成力、壓力、稱重、位移、扭矩、振動、加速度等多種專用式傳感器，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、交通、建筑、化工和電力等行業(yè)。16電阻應(yīng)變計(jì)的結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變計(jì)主要由電阻敏感柵、基底和面膠（或覆蓋層）、粘結(jié)劑、引出線五部分組成。電阻應(yīng)變計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖所示。圖3-9 電阻應(yīng)變計(jì)的構(gòu)造 1敏感柵；2引出線；3粘結(jié)劑（未示出）；4覆蓋層；5基底173、應(yīng)變計(jì)的類型電阻應(yīng)變計(jì)的分類方法很多，常用的是按應(yīng)變計(jì)的制造材料、 溫度以及

5、用途的不同來分類。（1）按敏感柵的制造方法分類1）金屬絲式應(yīng)變計(jì)18箔式應(yīng)變計(jì)箔式應(yīng)變計(jì)的敏感柵是利用照相制版或光刻腐蝕技術(shù)制成的，箔柵厚度一般為0.002mm0.005mm,最薄的達(dá)0.00035mm。箔式應(yīng)變計(jì)，工藝上能保證敏感柵尺寸的準(zhǔn)確，線條均勻，適應(yīng)不同的測量要求，傳遞試件應(yīng)變性能好、橫向效應(yīng)小和散熱性能好，因此得到了廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)在已經(jīng)基本上取代金屬絲應(yīng)變計(jì)。金屬薄膜應(yīng)變計(jì)所謂薄膜是指厚度在0.1um以下的膜，它是采用真空的濺射或真空沉積等方法制成的。通過按規(guī)定的圖形制成的掩膜版，在基底材料上濺射或沉積一層電阻材料的薄膜，從而制成金屬薄膜應(yīng)變計(jì)。194、電阻應(yīng)變計(jì)的應(yīng)用電阻應(yīng)變計(jì)主

6、要有以下兩種應(yīng)用方式：（1）應(yīng)變片直接粘貼在試件上，用來測量工程結(jié)構(gòu)受力后的應(yīng)力分析或所產(chǎn)生的應(yīng)變，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、應(yīng)力校正或分析結(jié)構(gòu)在使用中產(chǎn)生破壞的原因提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如電阻應(yīng)變儀。在測量齒輪輪齒彎矩或立柱應(yīng)力時，也常在被測位置處直接粘貼應(yīng)變片進(jìn)行測量，如圖所示。圖3-11 構(gòu)件應(yīng)力測定的應(yīng)用20（2）將應(yīng)變片粘貼在彈性元件上，進(jìn)行標(biāo)定后作為測量力、壓力、位移等物理量的傳感器。 1質(zhì)量塊；2應(yīng)變梁；3應(yīng)變片；4阻尼液； 5密封圈；6接線板；7底座 圖 3-12 應(yīng)變式加速度傳感器213.2.4溫度傳感器溫度傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換為電學(xué)量變化的裝置，用于檢測溫度和熱量，因此也叫做熱電式傳感器。

7、溫度傳感器一般分為接觸式和非接觸式兩大類221、熱電效應(yīng)熱電偶測溫是基于熱電效應(yīng)。在兩種不同的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）A和B組成的閉合回路中，如果它們兩個結(jié)點(diǎn)的溫度不同，則回路中產(chǎn)生一個電動勢，通常我們稱這種電動勢為熱電勢，這種現(xiàn)象就是熱電效應(yīng) 圖3-13 熱電效應(yīng) 233、熱電偶的種類熱電偶是目前應(yīng)用廣泛、發(fā)展比較完善的溫度傳感器，它在很多方面都具備一種理想溫度傳感器的條件。（1）標(biāo)準(zhǔn)化和非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的工藝比較成熟，應(yīng)用廣泛，性能優(yōu)良穩(wěn)定，能成批生產(chǎn)（2）普通型熱電偶。這種類型的熱電偶主要用于測量氣體、蒸氣和液體氣體、蒸汽和液體介質(zhì)的溫度。24 圖3-14 普通型熱電偶外形 （a）固定

8、螺紋形 (b) 無固定裝置形 (c) 固定法蘭形 (d) 活動法蘭形 (e) 角形25（3）鎧裝熱電偶 鎧裝熱電偶的外形像電纜，也稱纜式熱電偶。 圖3-15 鎧裝熱電偶外形及結(jié)構(gòu)（a）外形 (b)結(jié)構(gòu)264、熱電偶的特點(diǎn)（1）溫度測量范圍寬（2）性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確可靠（3）信號可以遠(yuǎn)傳和記錄5、熱電阻傳感器利用熱敏電阻可以制成溫度傳感器。所謂熱敏電阻即是對熱量敏感的電阻體，其電阻值隨溫度的變化而顯著改變。276、溫度傳感器的應(yīng)用圖3-16 熱電偶檢測電路 283.2.5 霍爾效應(yīng)式線位移傳感器圖 3-17霍爾效應(yīng)線位移傳感器工作原理 圖 3-18 霍爾效應(yīng)線位移傳感器輸出特性293.2.6 超聲波

9、傳感器 超聲波傳感器用超聲波來測量距離，在機(jī)器人上用來檢測障礙物。其原理與蝙蝠通過感覺自己所發(fā)出的超聲波來測定距離的道理相同。發(fā)射脈沖導(dǎo)通時，開始發(fā)射超聲波。反射回來的超聲波接收后，經(jīng)過放大和檢波得到的波形上升沿由施密特觸發(fā)器提取。30313.3檢測數(shù)據(jù)的處理方法日常生活、工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中所遇到的絕大多數(shù)物理量，如溫度、壓力、流量、濕度等非電量都是連續(xù)變化的模擬量。然后要通過AD轉(zhuǎn)換將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，進(jìn)行頻譜分析和相關(guān)分析等數(shù)字信號處理。 323.3.1模擬信號處理33343.3.2數(shù)字信號處理1、數(shù)字信號處理的步驟數(shù)字信號處理的基本步驟如圖所示 圖3-22 數(shù)字信號處理系統(tǒng)功能框

10、圖 352、數(shù)字信號處理方法通過A/D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號，可以利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行各種各樣的處理。除此之外，還有數(shù)字濾波、快速傅立葉變換（Fast Fourier Transform,FFT）等。 （1）算術(shù)平均值法平均值濾波法是對信號Y的m次測量值進(jìn)行算術(shù)平均，作為時刻n的輸出，即 = 36（2）中位值濾波法中位值濾波法的原理是對被測參數(shù)連續(xù)采樣次（3且為奇數(shù)），并按大小順序排序；再取中間值作為本次采樣的有效數(shù)據(jù)。中位值濾波法和算術(shù)平均值濾波法結(jié)合起來使用，濾波效果會更好。（3）限幅濾波法由于大的隨機(jī)干擾或采樣器的不穩(wěn)定，使得采樣數(shù)據(jù)偏離實(shí)際值太遠(yuǎn)，為此僅采用上、下限限幅 373.3.3信號調(diào)制與

11、解調(diào)在測試技術(shù)中，調(diào)制是工程測試信號在傳輸過程中常用的一種調(diào)理方法，主要是為了解決微弱緩變信號的放大以及信號的傳輸問題。38 圖3-23 載波、調(diào)制信號及調(diào)幅、調(diào)頻波 391、調(diào)幅與解調(diào)調(diào)幅是將一個高頻簡諧信號（載波信號）與測試信號（調(diào)制信號）相乘，使載波信號隨測試信號的變化而變化。調(diào)幅的目的是為了便于緩變信號的放大和傳送，然后再通過解調(diào)從放大的調(diào)制波中取出有用的信號。40圖3-24 調(diào)幅過程 41 圖3-25 同步解調(diào)42 圖3-27 常用的環(huán)形二極管相敏檢波器 43圖3-28 相敏檢波44圖3-29 動態(tài)電阻應(yīng)變儀方框圖453、調(diào)頻與解調(diào)（1）調(diào)頻原理調(diào)頻是利用調(diào)制信號的幅值變化控制和調(diào)節(jié)

12、載波的頻率。調(diào)頻比較容易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，特別是調(diào)頻信號在傳輸過程中不易受到干擾，所以在測量、通信和電子技術(shù)的許多領(lǐng)域中得到了越來越多廣泛的應(yīng)用。46圖3-30調(diào)頻波與調(diào)制信號幅值的關(guān)系47圖3-31直接調(diào)頻裝置 48（2）鑒頻器調(diào)頻波的解調(diào)又稱為鑒頻，是將頻率變化的等幅調(diào)頻波，按其頻率變化復(fù)現(xiàn)調(diào)制信號波形的變換。振幅鑒頻器是一種簡單的調(diào)頻解調(diào)器，其原理圖及頻率幅值變換如圖所示。 49 圖3-32 變壓器耦合的諧振回路鑒頻率 503.4 傳感器信號的計(jì)算機(jī)檢測技術(shù)3.4.1傳感器的測量電路在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，傳感器獲取系統(tǒng)的有關(guān)信息并通過檢測系統(tǒng)進(jìn)行處理，以實(shí)施系統(tǒng)的控制。通常，這種電量信號很微弱，

13、需要由中間轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行放大、調(diào)制解調(diào)、A/D、D/A轉(zhuǎn)換等處理以滿足信號傳輸、微機(jī)處理的要求，根據(jù)需要還必須進(jìn)行必要的阻抗匹配、線性化及溫度補(bǔ)償?shù)忍幚怼?1（1）模擬型測量電路模擬型測量電路適用于電阻式、電感式、電磁式、電熱式等輸出模擬信號的傳感器。當(dāng)傳感器為電參量式時，即被測物理量的變化引起敏感元件的電阻、電感、或電容等參數(shù)變化時，則需通過基本轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換成電量(電壓、電流等)。若傳感器的輸出已是電量，則不需要基本轉(zhuǎn)換電路。52（2）數(shù)字型測量電路數(shù)字型測量電路有絕對碼數(shù)字式和增量碼數(shù)字式。絕對碼數(shù)字式傳感器輸出的編碼與被測量一一對應(yīng)，每一碼道的狀態(tài)由相應(yīng)的光電元件讀出，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、放大

14、整形后，得到與被測量相對應(yīng)的編碼。輸出的信號為增量碼數(shù)字信號的傳感器，如光柵、磁柵、容柵、感應(yīng)同步器、激光干涉等傳感器均使用增量碼測量電路。53（3）開關(guān)型測量電路 傳感器的輸出信號為開關(guān)信號，如光電開關(guān)和電觸點(diǎn)開關(guān)的通斷信號等。這類信號的測量電路實(shí)質(zhì)為功率放大電路。 （4）轉(zhuǎn)換電路 中間轉(zhuǎn)換電路的種類和構(gòu)成由傳感器的類型決定。這里對常用的轉(zhuǎn)換電路，如電橋、放大電路、調(diào)制與解調(diào)電路、數(shù)/模(D/A)與模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換電路等的作用做一簡單說明，其工作原理及應(yīng)用電路請參考相關(guān)資料。543.4.2傳感器的計(jì)算機(jī)接口輸入到計(jì)算機(jī)的信息必須是計(jì)算機(jī)能夠處理的數(shù)字量信息。傳感器的輸出形式可分為模擬量、

15、數(shù)字量和開關(guān)量。 （1）輸入放大器 被分析的信號幅值大小不一，輸入放大器（或衰減器）便是對幅值進(jìn)行處理的器件。對于超過限額的電壓幅值，可以加以衰減，對于太小的幅值，則加以放大，避免影響采樣精度。 55（2）抗頻混濾波器在作頻域分析時，為解決頻混的影響，采樣之前通常用模擬濾波器來衰減不感興趣的高頻分量，然后根據(jù)濾波器的選擇性來確定適當(dāng)?shù)牟蓸宇l率。低通濾波器為抗頻混濾波器。由于低通濾波器能衰減高頻分量，所以也可對時域分析時的信號作平滑處理。抗頻混濾波器的截止頻率一般都是多當(dāng)可選的，依信號特性選用。（3）采樣保持電路采樣保持電路在A/D轉(zhuǎn)換之前，是為A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換期間，保持輸入信號不變而設(shè)置的。對于

16、模擬輸入信號變化率較大的信號通道，一般都需要的。對于直流或者低頻信號通道則可不用。采樣保持電路對系統(tǒng)精度起著決定性的影響。要求采樣時，存儲電容盡快充電，以跟隨參量變化。保持時，存儲電容漏電必須接近于零，以便使輸出值保持不變。56（4）模擬多路開關(guān)模擬多路開關(guān)的作用為分別或依次把各傳感器輸出的模擬量與A/D接通，以便進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。對其要求是：（1）導(dǎo)通電阻小，（2）開路電阻大，交叉干擾??；（3）速度快。（5）A/D轉(zhuǎn)換器及其與計(jì)算機(jī)的連接在機(jī)電一體化產(chǎn)品常用的傳感器中，有很多是以模擬量形式輸出信號的，如位置檢測用的差動變壓器、溫度檢測用的熱電偶、溫敏電阻、轉(zhuǎn)速檢測用的測速發(fā)電機(jī)等，但由于控制計(jì)

17、算機(jī)是一個數(shù)字系統(tǒng)（有些信號的單片機(jī)內(nèi)部集成了模/數(shù)轉(zhuǎn)換器件，如MCS96系列單片機(jī)等）。 573.4.3傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)例車載信息系統(tǒng)車載信息系統(tǒng)是汽車技術(shù)革命的一項(xiàng)重要內(nèi)容，它是將汽車工業(yè)的傳統(tǒng)的模擬測量測控技術(shù)改變?yōu)楝F(xiàn)代化的數(shù)字測控技術(shù)，把汽車裝備的現(xiàn)代化和信息化提高到一個新的高度。該系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為核心，對汽車的各種信息狀態(tài)，如燃油的液位、電池電壓、水溫、機(jī)油壓力、車速等參數(shù)進(jìn)行采集、處理、顯示和報警提示。58系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理車載信息系統(tǒng)的構(gòu)成如圖3-34所示。它由工控機(jī)、多種傳感器、信息采集部件、計(jì)數(shù)器卡、聲光顯示和報警部件、GPS以及管理控制軟件所組成。該系統(tǒng)的

18、工作原理是：汽車燃油的液位、電池電壓、行進(jìn)速度、機(jī)油壓力各種信息參數(shù)都由響應(yīng)的傳感器進(jìn)行檢測。59圖3-34 車載系統(tǒng)原理方框圖60圖3-35 數(shù)據(jù)采集部件原理方框圖61圖3-36 傳感器所對應(yīng)的電壓頻率轉(zhuǎn)換示意圖62本章小結(jié)傳感器是機(jī)電一體化產(chǎn)品中不可缺少的重要組成部分之一。傳感器把被測物理量（大多數(shù)為非電量）檢測出來，轉(zhuǎn)換成與之相應(yīng)的其他易于測量的物理量（大多數(shù)為電量）。隨后，這個信息被傳送給信息處理部分進(jìn)行判斷、運(yùn)算、存貯、進(jìn)而控制被測量。傳感器輸出信息正確與否將直接影響整個系統(tǒng)的工作，因此，傳感器的正確選擇和應(yīng)用十分重要。63思考練習(xí)1、碼盤式編碼器主要有哪幾種？各有什么特點(diǎn)？2、傳感器有哪幾部分組成？每部分起什么作用？3、莫爾條紋是怎樣產(chǎn)生的？它具有哪些特性？4、試述光柵傳感器的工作原理及特點(diǎn)。5、簡述電阻應(yīng)變計(jì)的工作原理，它的基本組成結(jié)構(gòu)是什么？6、傳感器的發(fā)展方向是什么？7、模擬多路開關(guān)和采樣保持電路的作用是什么？8、試問數(shù)字濾波較一般模擬濾波有何優(yōu)點(diǎn)？64（