機(jī)電一體化技術(shù)基礎(chǔ)全套教學(xué)課件

機(jī)電一體化技術(shù)基礎(chǔ)全套可編輯PPT課件第1章

機(jī)電一體化技術(shù)概述第2章機(jī)械基礎(chǔ)知識第3章傳感與檢測技術(shù)第4章伺服傳動技術(shù)第5章計(jì)算機(jī)控制及接口技術(shù)第6章可靠性和抗干擾技術(shù)第7章典型機(jī)電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)分析第1章

機(jī)電一體化技術(shù)概述1.1什么是機(jī)電一體化1.2了解機(jī)電一體化系統(tǒng)知識目標(biāo)：能力目標(biāo)：(1)?了解機(jī)電一體化技術(shù)的概念；(2)?了解機(jī)電一體化系統(tǒng)的組成要素；(3)?了解機(jī)電一體化系統(tǒng)涉及的相關(guān)技術(shù)；(4)?了解機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展前景。(1)?初步具備識別機(jī)電一體化系統(tǒng)五要素的能力；(2)?能從機(jī)電一體化系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，分析機(jī)電設(shè)備的工作原理；(3)?會查閱設(shè)備相關(guān)技術(shù)資料。知識導(dǎo)入：

在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)中，我們往往會遇到數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、自動生產(chǎn)線這三種生產(chǎn)設(shè)備。圖1-2工業(yè)機(jī)器人圖1-3

自動生產(chǎn)線1.1什么是機(jī)電一體化

機(jī)電一體化在國外被稱為Mechatronics，是日本人在20世紀(jì)70年代初首先提出來的，它是將英文機(jī)械學(xué)Mechanics的前半部分和電子學(xué)Electronics的后半部分結(jié)合在一起構(gòu)成的一個新詞，意思是機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。這一名稱已經(jīng)得到包括我國在內(nèi)的世界各國的承認(rèn)，我國的工程技術(shù)人員習(xí)慣上把它譯為機(jī)電一體化技術(shù)。機(jī)電一體化技術(shù)又稱為機(jī)械電子技術(shù)，是機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)和信息技術(shù)有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物。

目前，比較得到公認(rèn)的機(jī)電一體化的定義是：將機(jī)械主功能、動力功能、信息功能和控制功能緊密結(jié)合，引進(jìn)微電子技術(shù)，并將機(jī)械裝置與電子裝置用相關(guān)軟件有機(jī)結(jié)合而構(gòu)成的系統(tǒng)的總稱。機(jī)電一體化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1-4所示。1.2了解機(jī)電一體化系統(tǒng)

機(jī)電一體化系統(tǒng)包含以下五大組成要素:機(jī)械本體、動力部分、傳感檢測部分、控制與信息處理部分、執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

我們可以用人體的組成要素來形象地描述一個典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)。我們可以以機(jī)器人和人作類比。1.機(jī)電一體化系統(tǒng)的組成

工業(yè)機(jī)器人是一個典型的機(jī)電一體化設(shè)備。下面我們以圖1-8所示的工業(yè)機(jī)器人為例，來分析機(jī)電一體化系統(tǒng)的組成。(4)控制與信息處理部分：相當(dāng)于人的頭腦。(1)機(jī)械本體：各組成部分的載體。(2)動力部分：提供能量和動力。(3)傳感檢測部分：感知外界環(huán)境參數(shù)。(5)執(zhí)行機(jī)構(gòu)：執(zhí)行指令完成動作。2.

機(jī)電一體化系統(tǒng)涉及的相關(guān)技術(shù)(1)機(jī)械技術(shù)(2)計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)(3)系統(tǒng)技術(shù)(4)自動控制技術(shù)(5)傳感檢測技術(shù)(6)伺服傳動技術(shù)3.實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的意義(1)

增強(qiáng)性能（自動相機(jī)、毒氣報警）(2)

簡化結(jié)構(gòu)（電子表）(3)

提高精度（數(shù)控機(jī)床精度）(4)

提高可靠性（ESP,ABS剎車系統(tǒng)、自動駕駛）(5)

改善操作（機(jī)械儀表改觸摸屏）(6)

提高柔性（手機(jī)軟件、APP升級）(7)

節(jié)約能源（變頻器的應(yīng)用節(jié)能1/3，可以抵消電費(fèi)）

4.機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r三個階段(1)

70年代以前（電機(jī)、電氣）(2)

70-80年代（計(jì)算機(jī)）(3)

90年代以后（人工智能AI）國家發(fā)展的重點(diǎn)項(xiàng)目都可看作與機(jī)電一體化相關(guān)：863計(jì)劃工業(yè)4.0中國制造20255.

機(jī)電一體化系統(tǒng)的特點(diǎn)(1)綜合性(2)廣而強(qiáng)的應(yīng)用性(3)系統(tǒng)化(4)整體的最優(yōu)化(5)使用簡易化(6)提高了安全性(7)高可靠性(8)柔性6.

機(jī)電一體化技術(shù)與其他技術(shù)的區(qū)別(1)機(jī)電一體化技術(shù)與傳統(tǒng)機(jī)電技術(shù)的區(qū)別（機(jī)電一體化涉及軟件，計(jì)算機(jī)）(2)機(jī)電一體化技術(shù)與自動控制技術(shù)的區(qū)別（側(cè)重于控制原理，一個側(cè)重于系統(tǒng)；有的不采用計(jì)算機(jī)）(3)機(jī)電一體化技術(shù)與計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的區(qū)別（側(cè)重于整個系統(tǒng)，還是側(cè)重于計(jì)算機(jī)）7.機(jī)電一體化發(fā)展前景(1)智能化(2)模塊化7.機(jī)電一體化發(fā)展前景(4)微型化(3)網(wǎng)絡(luò)化7.機(jī)電一體化發(fā)展前景(5)綠色化(6)系統(tǒng)化第2章機(jī)械基礎(chǔ)知識2.1認(rèn)識常用機(jī)構(gòu)2.2認(rèn)識傳動機(jī)構(gòu)2.3認(rèn)識基礎(chǔ)零件知識目標(biāo)：能力目標(biāo)：(1)?了解常用的機(jī)械技術(shù)；(2)?熟悉常用機(jī)構(gòu)類型；(3)?熟悉常用傳動機(jī)構(gòu)。(1)?初步具備識別機(jī)械結(jié)構(gòu)和分析機(jī)械裝置工作過程的能力；(2)?具備查閱資料，理解機(jī)械工作原理的能力。知識導(dǎo)入：

門座起重機(jī)是港口碼頭數(shù)量最多、使用最頻繁、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機(jī)構(gòu)最多的典型裝卸機(jī)械，如圖2-1所示。

門座起重機(jī)作業(yè)過程中貨物的水平移動主要通過變幅機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，那么門座起重機(jī)的變幅機(jī)構(gòu)為機(jī)械中哪類常用機(jī)構(gòu)呢？其又是如何實(shí)現(xiàn)貨物的水平移動呢？2.1

認(rèn)識常用機(jī)構(gòu)1.平面連桿機(jī)構(gòu)

平面連桿機(jī)構(gòu)是由若干剛性構(gòu)件用低副連接而成并作平面運(yùn)動的機(jī)構(gòu)，又稱為平面低副機(jī)構(gòu)。

所謂低副，就是指兩構(gòu)件間直接接觸的形式為面接觸而形成的可動連接。

所謂高副，就是指兩構(gòu)件間直接接觸的形式為點(diǎn)或線接觸而形成的可動連接。

各構(gòu)件之間均以轉(zhuǎn)動副相連的四桿機(jī)構(gòu)稱為鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)。

如圖2-5所示。其中固定不動的構(gòu)件AD為機(jī)架，與機(jī)架相連的構(gòu)件AB、CD稱為連架桿。連架桿相對于機(jī)架能作360°整周回轉(zhuǎn)的稱為曲柄，只能在一定角度(小于360°)范圍內(nèi)作往復(fù)搖擺運(yùn)動的連架桿稱為搖桿，不與機(jī)架相連的構(gòu)件BC稱為連桿。1）鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)請?jiān)跈C(jī)器人騎自行車的運(yùn)動機(jī)構(gòu)簡圖上，標(biāo)機(jī)架、曲柄、搖桿，連架桿，連桿。2）鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的基本形式鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)有三種基本形式：曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、雙曲柄機(jī)構(gòu)和雙搖桿機(jī)構(gòu)。3)

平面連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與維護(hù)

平面連桿機(jī)構(gòu)是面接觸的低副機(jī)構(gòu)，低副中的間隙會引起運(yùn)動誤差，所以要注意保證

良好的潤滑以減少摩擦、磨損。要定期檢查運(yùn)動副的潤滑和磨損情況，以避免運(yùn)動副嚴(yán)重磨損后間隙增大，進(jìn)而導(dǎo)致運(yùn)動精度喪失、承載能力下降。

維護(hù)機(jī)構(gòu)的主要工作有清潔、檢查、測試調(diào)整間隙、緊固緊固件、更換易損件、加潤滑劑等。（1）凸輪：具有曲線輪廓或凹模的構(gòu)成件（2）凸輪機(jī)構(gòu)：由凸輪、從動件和機(jī)架三個主要構(gòu)件組成。（3）高副：就是指兩構(gòu)件間直接接觸的形式為點(diǎn)或線接觸而形成的可動連接。2.凸輪機(jī)構(gòu)①

按凸輪的形狀分類：盤形凸輪、圓柱凸輪、移動凸輪，其中盤形凸輪是凸輪的基本形式。（4）凸輪機(jī)構(gòu)的分類②按從動件形式分類(5)凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用3.螺旋機(jī)構(gòu)(1)

螺旋機(jī)構(gòu)的組成

由螺桿、螺母和機(jī)架組成(一般把螺桿和螺母之一作成機(jī)架)。（2）螺旋機(jī)構(gòu)的功用

將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變換為直線運(yùn)動，并同時傳遞運(yùn)動和動力。（3）螺旋機(jī)構(gòu)的分類①

傳力螺旋機(jī)構(gòu)：以傳遞軸向力為主②

傳導(dǎo)螺旋機(jī)構(gòu)：以傳遞運(yùn)動為主③

調(diào)整螺旋機(jī)構(gòu)：用于調(diào)整零件的相對位置（4）螺旋機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)①

優(yōu)點(diǎn)：

結(jié)構(gòu)簡單、工作連續(xù)平穩(wěn)、傳動比大、承載能力強(qiáng)、傳遞運(yùn)動準(zhǔn)確，易實(shí)現(xiàn)自鎖。②

缺點(diǎn)：摩擦損耗大、傳動效率低。4.間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)

主動件作連續(xù)運(yùn)動，從動件作周期性間歇運(yùn)動的機(jī)構(gòu)稱為間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)。（1）棘輪機(jī)構(gòu)

組成：由棘輪3、棘爪2、搖桿1、彈簧5及止動爪4組成。

當(dāng)搖桿1逆時針擺動時，主動棘爪2嚙入棘輪3的齒槽中，從而推動棘輪逆時針轉(zhuǎn)動；當(dāng)搖桿1順時針擺動時，止動爪4阻止棘輪3順時針轉(zhuǎn)動，此時，棘爪2在棘輪3的齒背滑過，所以棘輪3靜止不動。彈簧5的作用是將棘爪貼緊在棘輪上。（2）槽輪機(jī)構(gòu)

①

組成：由帶銷的主動撥盤1、具有徑向槽的從動槽輪2和機(jī)架組成。

撥盤1為主動件，做連續(xù)勻速轉(zhuǎn)動，通過主動撥盤上的圓銷與槽的嚙入嚙出，推動從動槽輪做間歇轉(zhuǎn)動。為防止從動槽輪在生產(chǎn)阻力下運(yùn)動，撥盤與槽輪之間設(shè)有鎖止弧。鎖止弧是以撥盤中心O1為圓心的圓弧，只允許撥盤帶動槽輪轉(zhuǎn)動，不允許槽輪帶動撥盤轉(zhuǎn)動。

②優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)位方便，工作可靠，傳動平穩(wěn)性較好，能準(zhǔn)確控制槽輪轉(zhuǎn)動的角度。

③缺點(diǎn)：槽輪轉(zhuǎn)動的始、末位置存在沖擊。（2）槽輪機(jī)構(gòu)（3）不完全齒輪機(jī)構(gòu)

不完全齒輪機(jī)構(gòu)是在一對齒輪傳動中的主動齒輪上只保留1個或幾個輪齒的齒輪機(jī)構(gòu)。完全齒輪機(jī)構(gòu)有外嚙合和內(nèi)嚙合兩種，如圖2-20所示。（4）凸輪式間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)①

圓柱凸輪間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)

圓柱凸輪1上有一條兩端不封閉的曲線溝槽，滾子3均勻分布在轉(zhuǎn)盤2的端面上。當(dāng)圓柱凸輪轉(zhuǎn)動時，通過其上的曲線溝槽撥動轉(zhuǎn)盤2上的滾子3沿轉(zhuǎn)盤中心做回轉(zhuǎn)運(yùn)動，使從動盤做間歇運(yùn)動。（4）凸輪式間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)②

蝸桿凸輪間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)

凸輪1上有一條突脊，猶如圓弧面蝸桿，滾子2則均勻分布在轉(zhuǎn)盤3的圓柱面上，猶如蝸輪的齒。蝸桿凸輪1轉(zhuǎn)動時，通過轉(zhuǎn)盤上的滾子2推動轉(zhuǎn)盤3做間歇運(yùn)動。1.齒輪傳動2.2認(rèn)識傳動機(jī)構(gòu)

齒輪機(jī)構(gòu)是現(xiàn)代機(jī)械中應(yīng)用最廣泛的一種傳動機(jī)構(gòu)，主要用于傳遞空間任意兩軸之間的運(yùn)動和動力。1）齒輪傳動的類型圓柱齒輪傳動圓錐齒輪傳動蝸輪蝸桿傳動按齒廓形式分按工作條件分

按軸線相對位置分漸開線齒輪傳動擺線齒輪傳動圓弧齒輪傳動開式齒輪傳動閉式齒輪傳動2）齒輪材料

齒輪制造常用的材料有鋼、鑄鐵、非金屬材料等。

齒輪材料的一般性能要求是：齒面要硬，齒芯要韌，具有良好的加工性和熱處理性。

3）齒輪的熱處理方法

齒輪的熱處理工藝一般有調(diào)質(zhì)、正火、表面淬火、滲碳淬火、滲氮等。4）齒輪傳動的應(yīng)用

齒輪涉足于各行各業(yè)的多種產(chǎn)品，如鐘表、減速器、變速箱、大型機(jī)械等。（1）諧波減速器

由波發(fā)生器、柔性齒輪和剛性齒輪3個基本構(gòu)件組成。

特點(diǎn)

傳動比特別大，整體結(jié)構(gòu)小，傳動緊湊；可實(shí)現(xiàn)無側(cè)隙的高精度嚙合；承載能力高，傳動效率高，運(yùn)轉(zhuǎn)安靜且振動極小。（2）RV減速器

由太陽輪、行星輪、轉(zhuǎn)臂(曲柄軸)、轉(zhuǎn)臂軸承、擺線輪(RV齒輪)、針輪、剛性盤與輸出盤等零件組成。RV減速器具有較高的抗疲勞強(qiáng)度、剛度以及較長的壽命，而且回差精度穩(wěn)定，高精度工業(yè)機(jī)器人傳動就多采用RV減速器。2.帶傳動帶傳動一般由主動輪1、從動輪2和傳動帶3組成。1）帶傳動的工作原理2）帶傳動的特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：(1)?吸收振動，緩和沖擊，傳動平穩(wěn)，噪聲小。(2)?摩擦型帶傳動結(jié)構(gòu)簡單，制造和安裝精度不像嚙合傳動那樣嚴(yán)格。(3)?對于摩擦型帶傳動，過載時會打滑，可防止其他機(jī)件損壞，起到過載保護(hù)作用。(4)?中心距可以較大。(5)?無須潤滑，維護(hù)成本低。2）帶傳動的特點(diǎn)

缺點(diǎn)：(1)?摩擦型傳送帶與帶輪之間存在一定的彈性滑動，故不能保證恒定的傳動比，傳動精度和傳動效率較低。(2)?由于摩擦型傳送帶工作時需要張緊，帶對帶輪軸有很大的壓軸力。(3)?帶傳動裝置外廓尺寸大，結(jié)構(gòu)不夠緊湊。(4)?傳送帶的壽命較短，需經(jīng)常更換。3)?帶傳動的類型

適用于傳遞功率不大或不需要保證精確傳動比的場合，尤其是在傳動中心距較大的場合，如農(nóng)業(yè)機(jī)械、食品加工機(jī)械、汽車及自動化設(shè)備等。（5）帶傳動的應(yīng)用場合（5）帶傳動的應(yīng)用場合3.鏈傳動1)?鏈傳動的工作原理（2）特點(diǎn)3.鏈傳動

相比帶傳動：傳動準(zhǔn)確，耐惡劣環(huán)境相比齒輪傳動：制造、安裝精度低。遠(yuǎn)距離傳動①

優(yōu)點(diǎn)②

缺點(diǎn)：有沖擊和噪音*同步帶優(yōu)點(diǎn)：

兼有帶傳動和鏈傳動的優(yōu)點(diǎn)支承作旋轉(zhuǎn)零件，傳遞運(yùn)動和轉(zhuǎn)矩。2.3認(rèn)識基礎(chǔ)零件1.軸：非標(biāo)準(zhǔn)零件⑴

作用⑵分類按軸的功用和承載分心軸傳動軸轉(zhuǎn)軸按軸線幾何現(xiàn)狀分直軸曲軸撓性軸⑶軸的材料：優(yōu)質(zhì)碳素鋼、普通碳素鋼、合金鋼、球磨鑄鐵。⑷軸的熱處理：一般采用調(diào)質(zhì)、正火、表面處理、化學(xué)處理。2.軸承（3）滾動軸承的組成：外圈、內(nèi)圈、滾動體及保持架。（1）作用：支撐機(jī)械旋轉(zhuǎn)體，降低摩擦系數(shù)。（2）分類：滾動軸承、滑動軸承。（4）滾子的形狀：球形、柱形、滾針。（5）滑動軸承的分類①按潤滑狀態(tài)分液體潤滑軸承、不完全液體潤滑軸承、無潤滑軸承。②按承方式分整體式剖分式徑向滑動軸承

推力滑動軸承（3）聯(lián)軸器3.聯(lián)軸器與離合器（1）兩者的作用聯(lián)軸器和離合器：連接軸與軸，傳遞轉(zhuǎn)動和扭矩。（2）兩者的區(qū)別聯(lián)軸器：機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時不可分離。離合器：兩軸隨時可分離。（4）離合器

4.螺紋連接件連接一般分為動連接和靜連接。（1）螺紋連接①按牙型分類：三角形(普通螺紋)、管螺紋——連接螺紋矩形螺紋、梯形螺紋、鋸齒形螺紋——傳動螺紋粗牙螺紋、細(xì)牙螺紋。②按螺紋位置分類：內(nèi)螺紋、外螺紋。③三角形螺紋分類：粗牙螺紋——用于緊固件；細(xì)牙螺紋——同樣的公稱直徑，螺距越小、自鎖性越好，適于薄壁細(xì)小零件和沖擊變載等情況。（2）螺旋傳動的定義

螺旋傳動將回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變成直線運(yùn)動。（3）螺旋傳動的形式與應(yīng)用☆按用途分①傳力螺旋傳動——千斤頂。其特點(diǎn)是：低速、間歇工作，傳遞軸向力大、自鎖。②傳導(dǎo)螺旋傳動——如機(jī)床進(jìn)給絲杠。其特點(diǎn)是：速度高、連續(xù)工作、精度高。③調(diào)整螺旋傳動——微調(diào)螺旋。其特點(diǎn)是受力較小且不經(jīng)常轉(zhuǎn)動。①滑動螺旋傳動☆按摩擦性質(zhì)分其優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，傳力較大，能夠?qū)崿F(xiàn)自鎖要求。其缺點(diǎn)是：摩擦阻力大，傳動效率低，易磨損。

螺桿與螺母之間設(shè)有滾動體，使得螺桿和螺母相對運(yùn)動時成為滾動摩擦。②滾動螺旋傳動優(yōu)點(diǎn)：摩擦阻力小、傳動平穩(wěn)、運(yùn)動精度高。缺點(diǎn)：同時也具有結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、制造困難、成本高。

滾動螺旋按滾珠的循環(huán)方式分為外循環(huán)式(圖2-44(b))和內(nèi)循環(huán)式(圖2-44(a))。（4）螺紋緊固件

螺栓、螺柱、螺釘和緊定螺釘①

螺紋擰緊時能產(chǎn)生很大的軸向力。②

能方便地實(shí)現(xiàn)自鎖。③

外形尺寸小。④

制造簡單，能保持較高的精度。（5）螺紋連接的特點(diǎn)（1）作用5.?彈簧①

緩沖和減振。②

控制機(jī)構(gòu)的運(yùn)動。③

儲存及輸出能量。④

測量力的大小。（2）分類按性質(zhì)不同分壓縮彈簧

拉伸彈簧

扭轉(zhuǎn)彈簧

彎曲彈簧按外形分螺旋彈簧

碟形彈簧

環(huán)形彈簧

渦圏彈簧

板簧6.導(dǎo)軌（1）組成常見的導(dǎo)軌形式：矩形、三角形、燕尾形、圓形。

導(dǎo)軌副由動導(dǎo)軌和支承導(dǎo)軌構(gòu)成。（2）導(dǎo)軌的作用支承和導(dǎo)向的作用（3）導(dǎo)軌的分類①按摩擦性質(zhì)分：滑動導(dǎo)軌和滾動導(dǎo)軌a.滑動導(dǎo)軌有：普通滑軌、貼塑滑軌、液體動-靜壓導(dǎo)軌、

氣體靜壓導(dǎo)軌。貼塑導(dǎo)軌b.滾動導(dǎo)軌:即在導(dǎo)軌工作面間放入滾珠、滾柱或滾針等滾體便

是滾動導(dǎo)軌。

滾動導(dǎo)軌特點(diǎn)：摩擦小，精度高，壽命長。抗震性差，成本高。滾珠導(dǎo)軌：輕便，剛性低，承載小。滾柱導(dǎo)軌：靈活性稍差，不平度敏感。滾針導(dǎo)軌：減少對不平度敏感。數(shù)控機(jī)床常用貼塑導(dǎo)軌、液體靜壓導(dǎo)軌和滾動導(dǎo)軌。總結(jié)：導(dǎo)軌、軸承、螺紋本質(zhì)上都是一樣的。②按運(yùn)動軌跡分：直線運(yùn)動導(dǎo)軌和圓周運(yùn)動導(dǎo)軌直線運(yùn)動導(dǎo)軌矩形導(dǎo)軌三角形導(dǎo)軌燕尾形導(dǎo)軌→車床刀架圓形導(dǎo)軌→鉆床主軸和導(dǎo)向套圓周運(yùn)動導(dǎo)軌：用于圓工作臺、轉(zhuǎn)盤③按固定導(dǎo)軌凸凹分凸形導(dǎo)軌副：不積切屑，不易存油，低速。凹形導(dǎo)軌副：可存油，用于高速，易積切屑。第3章傳感與檢測技術(shù)3.1認(rèn)識傳感與檢測技術(shù)3.2常用傳感器及其應(yīng)用知識目標(biāo)：能力目標(biāo)：(1)?知道什么是傳感與檢測技術(shù)；(2)?掌握傳感與檢測技術(shù)的組成要素；(3)?熟悉常用傳感器的應(yīng)用特點(diǎn)；(4)?了解傳感與檢測技術(shù)的發(fā)展動向。(1)?初步具備識別機(jī)電一體化系統(tǒng)五要素的能力；(2)?能從機(jī)電一體化系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，分析機(jī)電設(shè)備的工作原理；(3)?會查閱設(shè)備相關(guān)技術(shù)資料。知識導(dǎo)入：

汽車儀表盤之所以能顯示溫度、轉(zhuǎn)速等多種車況信息，是因?yàn)槠囯娮涌刂葡到y(tǒng)上應(yīng)用了多種傳感器。

那么，什么是傳感與檢測技術(shù)呢？常見的傳感器主要有哪些類型？這些傳感器主要檢測哪些參量？它們常用于什么場合？希望通過下面的學(xué)習(xí)能得到解答。3.1認(rèn)識傳感與檢測技術(shù)1.什么是傳感與檢測技術(shù)1)什么是電測法

將采集到的各種非電量轉(zhuǎn)換為電量，然后再進(jìn)行處理，最后顯示或記錄非電量值。2）傳感器的定義

傳感器又稱“電五官”，即能感受規(guī)定的被測量，并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。

傳感器概念包含三個方面含義：(1)?傳感器是一種能夠完成提取外界信息任務(wù)的裝置。(2)?傳感器的輸入量通常指非電量

(3)?傳感器的輸出量與輸入量之間精確地保持一定規(guī)律。

傳感器的別稱:變送器、發(fā)送器、發(fā)信器、探頭等。這些提法反映了在不同的技術(shù)領(lǐng)域中，根據(jù)它們的用途使用了不同術(shù)語2.傳感器的組成

傳感器一般由敏感元件、傳感元件和測量轉(zhuǎn)換電路三部分組成。（1）敏感元件

直接感受被測量，將被測量→確定關(guān)系的某一物理量。（2）傳感元件

將上述產(chǎn)生的某一物理量→電參量。（3）測量轉(zhuǎn)化電路

將電參量→便于測量的電信號3.傳感器的分類1)?按傳感器被測物理量分類

傳感器按被測物理量可分為溫度、壓力、流量、物位、位移、加速度、磁場、光通量等傳感器。這種分類方法明確表明了傳感器的用途。2)?按傳感器工作原理分類

傳感器按工作原理可分為電阻傳感器、熱敏傳感器、光敏傳感器、電容傳感器、電感傳感器、磁電傳感器等，這種方法表明了傳感器的工作原理。3)?按傳感器轉(zhuǎn)換能量供給形式分類

按轉(zhuǎn)換能量供給形式不同，可將傳感器分為能量變換型(發(fā)電型)和能量控制型(參量型)兩種。3.傳感器的分類4)?按傳感器工作機(jī)理分類

按工作機(jī)理不同，可將傳感器分為結(jié)構(gòu)型傳感器和物性型傳感器。

習(xí)慣上常把工作原理和用途結(jié)合起來命名傳感器，如電容式壓力傳感器、電感式位移傳感器等。3.2常用傳感器及其應(yīng)用1.溫度傳感器機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用的溫度傳感器：

熱電阻傳感器、熱電偶傳感器、集成溫度傳感器等。熱電阻傳感器熱電偶傳感器集成溫度傳感器3.2常用傳感器及其應(yīng)用1.溫度傳感器1)?熱電阻傳感器（1）熱電阻效應(yīng)

物質(zhì)的電阻率隨著溫度變化而變化的現(xiàn)象稱為熱電阻效應(yīng)。（2）熱電阻傳感器。

根據(jù)熱電阻效應(yīng)制成的傳感器叫作熱電阻傳感器。

金屬熱電阻：簡稱熱電阻，由金屬導(dǎo)體制成。半導(dǎo)體熱電阻：簡稱熱敏電阻，由半導(dǎo)體材料制成。（3）熱電阻傳感器分類1)?熱電阻傳感器（4）熱電阻的特點(diǎn)

熱電阻主要用于中、低溫度(－200℃～650℃)范圍內(nèi)的溫度測量。熱電阻具有測量精度高，性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，其中鉑熱電阻的測量精確度是最高的，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫。（5）熱電阻的標(biāo)號

國內(nèi)統(tǒng)一設(shè)計(jì)的工業(yè)用鉑電阻的R0值(0℃時的電阻值)有10Ω、50Ω、100Ω等幾種，其相應(yīng)的分度號為Pt10、Pt50、Pt100等；銅熱電阻的R0值有50Ω、100Ω兩種，分度號分別用Cu50、Cu100表示。1)?熱電阻傳感器（6）熱電阻的應(yīng)用舉例

圖3-9為鉑電阻Pt100作為感溫元件的室內(nèi)溫度測量電路，包括電橋和放大電路及轉(zhuǎn)換電路，當(dāng)溫度變化時，其阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，產(chǎn)生的電勢差經(jīng)放大器進(jìn)行放大，再加到A/D轉(zhuǎn)換器上，輸出的數(shù)字信號與微機(jī)或其他設(shè)備相連。1)?熱電阻傳感器（7）熱敏電阻的特點(diǎn)

熱敏電阻測量范圍一般在－40℃～350℃，用于各種溫度測量、溫度補(bǔ)償及要求不高的溫度控制場合。（8）熱敏電阻的分類

熱敏電阻按溫度系數(shù)可分為正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)、負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)和臨界溫度系數(shù)熱敏電阻(CTR)。1)?熱電阻傳感器（8）熱敏電阻的分類

這三類熱敏電阻的電阻(Rt)—溫度(t)的特性曲線如圖3-10所示。

①?PTC熱敏電阻

電阻值隨著溫度的升高呈階躍性的增高，溫度越高，電阻值越大。

突變型PTC熱敏電阻隨溫度升高到某一值時電阻急劇增大，如圖3-10中曲線3所示，其主要用作溫度開關(guān)。

緩變型PTC熱敏電阻，如圖3-10中曲線4所示，其主要用于在較寬的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行溫度補(bǔ)償或溫度測量。②?NTC熱敏電阻NTC熱敏電阻的電阻值隨溫度的增加而減小，即所謂負(fù)溫度系數(shù)。如圖3-10中曲線1所示。③CTR熱敏電阻(臨界溫度熱敏電阻)CTR熱敏電阻到達(dá)驟變溫度時，其電阻急劇下降，如圖3-10中曲線2所示。1)?熱電阻傳感器（9）熱敏電阻的使用場合

非常適用于家用電器、空調(diào)、復(fù)印機(jī)、電子體溫計(jì)、點(diǎn)溫度計(jì)、表面溫度計(jì)、汽車等產(chǎn)品中作為加熱元件的測溫控制。1)?熱電阻傳感器（9）熱敏電阻的使用場合

圖3-11為溫度報警電路。此電路中Rt為半導(dǎo)體熱敏電阻，溫度變化引起電阻變化，其電橋輸出電壓加至運(yùn)算放大器上，兩個晶體管根據(jù)放大器輸出電壓狀態(tài)處于導(dǎo)通和截止態(tài)。溫度升高時，阻值變小，VT1導(dǎo)通則VL1發(fā)光報警；溫度下降時，阻值變大，VT2導(dǎo)通則VL2發(fā)光報警；溫度不變時兩個晶閘管處于截止?fàn)顟B(tài)，發(fā)光二極管均不發(fā)光。1)?熱電阻傳感器1.溫度傳感器2)?熱電偶傳感器（1）熱電效應(yīng)

將兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成一個閉合回路，當(dāng)兩結(jié)合點(diǎn)的溫度不同時，則在該回路中就會產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。

（2）熱電動勢

熱電效應(yīng)產(chǎn)生的電動勢稱為熱電動勢。（3）熱電偶傳感器原理

兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成一個閉合回路中，直接用作測量介質(zhì)溫度的一端叫作測量端，又稱為工作端或熱端。另一端叫作冷端，又稱自由端或參考端。冷端與顯示儀表或配套儀表連接，顯示儀表會指出熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢，如圖3-12所示。2)?熱電偶傳感器（4）熱電偶傳感器定義

熱電偶傳感器(簡稱熱電偶)就是利用熱電效應(yīng)原理，將溫差轉(zhuǎn)換為電動勢量的熱電動勢傳感器。熱電偶，如圖3-13所示。（5）熱電偶傳感器特點(diǎn)

具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、精度高、熱慣性小、測溫范圍寬、測溫上限高、可測量局部溫度和便于遠(yuǎn)程傳送等優(yōu)點(diǎn)。2)?熱電偶傳感器

（6）熱電偶傳感器應(yīng)用舉例

圖3-14中由毫伏定值器給出設(shè)定溫度對應(yīng)的毫伏數(shù)，當(dāng)熱電偶測量的熱電勢與定值器輸出的數(shù)值有偏差時，說明爐溫偏離設(shè)定值，此偏差經(jīng)放大器放大后送到調(diào)節(jié)器，再經(jīng)晶閘管觸發(fā)器推動晶閘管執(zhí)行器，從而調(diào)整爐絲加熱功率，消除偏差，達(dá)到溫控的目的。2)?熱電偶傳感器

集成溫度傳感器(溫度IC)的原理是利用半導(dǎo)體PN結(jié)的電流電壓與溫度有關(guān)的特性進(jìn)行測溫。

集成溫度傳感器常見形式如圖3-15所示。3)?集成溫度傳感器1.溫度傳感器3.2常用傳感器及其應(yīng)用2.?電阻應(yīng)變式傳感器（1）應(yīng)變效應(yīng)

是指導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界作用下(如壓力等)，會產(chǎn)生機(jī)械變形，其電阻值也將隨著發(fā)生變化的現(xiàn)象。（2）應(yīng)變片使用方法

其一是將應(yīng)變片直接粘貼在被測試件上，測量應(yīng)力或應(yīng)變；其二是與彈性元件連用，測量拉力、壓力、位移、速度、加速度等物理量。（3）電阻應(yīng)變式傳感器組成：電阻應(yīng)變片+測量轉(zhuǎn)換電路2.?電阻應(yīng)變式傳感器（4）電阻應(yīng)變片的組成金屬絲電阻應(yīng)變片由敏感柵、基底、覆蓋層和引出線組成。（5）應(yīng)變片的分類2.?電阻應(yīng)變式傳感器金屬電阻應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片絲式應(yīng)變片箔式應(yīng)變片

半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)來測量應(yīng)變。所謂壓阻效應(yīng)，是指半導(dǎo)體材料受應(yīng)力作用時，其電阻率會發(fā)生變化的現(xiàn)象。（6）壓阻效應(yīng)：

許多半導(dǎo)體材料和金屬材料一樣具有電阻應(yīng)變效應(yīng)，且電阻應(yīng)變效應(yīng)也是由幾何效應(yīng)和壓阻效應(yīng)組成的，所不同的是，半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)特別顯著。（7）測量轉(zhuǎn)換電路

根據(jù)不同的要求，應(yīng)變電橋有不同的工作方式，

上述三種工作方式中，全橋四臂工作方式的靈敏度最高，單臂半橋工作方式的靈敏度最低。

在實(shí)際應(yīng)用時，應(yīng)盡量采用雙臂半橋或全橋的工作方式，這不僅是因?yàn)檫@兩種工作方式的靈敏度較高，還因?yàn)樗鼈兌季哂袑?shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償?shù)墓δ?。?）電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用2.?電阻應(yīng)變式傳感器①測力傳感器（8）電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用②壓力傳感器。

壓力傳感器主要用來測量流體的壓力。③

位移傳感器

應(yīng)變式位移傳感器是把被測位移量轉(zhuǎn)變成彈性元件的變形和應(yīng)變，然后通過應(yīng)變計(jì)和應(yīng)變電橋，輸出正比于被測位移的電量。④

加速度傳感器

通過質(zhì)量塊與彈性元件的作用，可將被測加速度轉(zhuǎn)換成彈性應(yīng)變，從而構(gòu)成應(yīng)變式加速度傳感器3.?電渦流傳感器1）電渦流原理（1）電渦流

金屬導(dǎo)體在置于交變的磁場中時，導(dǎo)體表面會有感應(yīng)電流產(chǎn)生。電流的流線在金屬體內(nèi)自行閉合，這種由電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生的旋渦狀感應(yīng)電流稱為電渦流。（2）電渦流效應(yīng)

金屬導(dǎo)體在置于交變的磁場中時，導(dǎo)體表面會有感應(yīng)電流產(chǎn)生。電流的流線在金屬體內(nèi)自行閉合，產(chǎn)生的旋渦狀的電渦流，這種現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。（3）電渦流形成具備的兩個條件

形成電渦流必須具備兩個條件：存在交變磁場；導(dǎo)電體處于交變磁場中。根據(jù)電渦流效應(yīng)制成的傳感器稱為電渦流傳感器。（4）電渦流傳感器的定義（5）電渦流傳感器的工作原理

電渦流傳感器線圈中通入高頻電流就產(chǎn)生磁場，這個磁場接近金屬物體時會在金屬物體中產(chǎn)生電渦流，渦流大小隨對象(物體)表面的距離而變化，該渦流變化反作用于線圈，通過檢測線圈的輸出即可反映出傳感器與被接近金屬間的距離。（觀看視頻）2）電渦流傳感器的應(yīng)用（1）電渦流傳感器的優(yōu)點(diǎn)

具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、線性范圍大、頻率響應(yīng)范圍寬、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，并能進(jìn)行非接觸測量。（2）電渦流傳感器的用途

電渦流傳感器的幾種典型應(yīng)用：位移測量、振動測量、轉(zhuǎn)速測量、厚度測量、電渦流表面探傷。①

位移和振動測量②

轉(zhuǎn)速測量③

厚度測量④

電渦流表面探傷測量（1）霍爾效應(yīng)4.霍爾傳感器

金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當(dāng)有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)（2）霍爾元件

利用霍爾效應(yīng)做成的器件?；魻栐话悴捎镁哂蠳型的鍺、銻化銦和砷化銦等半導(dǎo)體單晶材料制成。（3）霍爾傳感器

將霍爾元件、放大器、溫度補(bǔ)償電路以及穩(wěn)壓電源等制作在一個芯片上，通常稱這種芯片為集成霍爾傳感器，簡稱霍爾傳感器（4）霍爾傳感器的優(yōu)點(diǎn)

無摩擦熱，噪聲小；裝置性能穩(wěn)定，壽命長，可靠性高；頻率范圍寬。（5）霍爾傳感器的應(yīng)用

①轉(zhuǎn)速測量②

微位移測量③

位置檢測

霍爾接近開關(guān)，又稱為無觸點(diǎn)開關(guān)。1）光纖

光纖通常由纖芯、包層、涂覆層及保護(hù)套組成。纖芯是由玻璃、石英或塑料等材料制成的圓柱體；包層是玻璃或塑料等材料。5.?光纖傳感器

圖3-39光纖傳感器1—纖芯；2—包層；3—涂覆層；4—保護(hù)套2）光纖傳感器的三個組成部分

光纖傳感器一般由三部分組成，除光纖之外，還必須有光源和光探測器兩個重要部件。3）光纖傳感器的分類傳光型：非功能型光纖傳感器傳感型：功能型光纖傳感器（1）功能型光纖傳感器的定義：功能型傳感器利用了光纖本身具有的某種敏感功能。光纖一方面起傳輸光的作用，另一方面作為敏感元件，被測物理量的變化將影響光纖的傳輸特性，從而將被測物理量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?。?）非功能型光纖傳感器的定義：它是利用其他敏感元件感受被測量的變化，光纖僅作為傳輸介質(zhì)，傳輸來自遠(yuǎn)處或難以接近場所的光信號。4）光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)

光纖傳感器與傳統(tǒng)的傳感器相比，具有靈敏度高、抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕、本質(zhì)安全、測量速度快、信息容量大、適用于惡劣環(huán)境、質(zhì)量輕、體積小、可繞曲、測量對象廣泛、復(fù)用性好、成本低等特點(diǎn)。5）光纖傳感器的應(yīng)用

（1）流體分析儀

井下流體通過地層探測針被引入出油管，光學(xué)傳感器用于分析出油管內(nèi)的流體。流體分析分光計(jì)則提供了原位井下流體的分析結(jié)果，并對地層流體的評估、改進(jìn)提供有效數(shù)據(jù)。（2）電路板標(biāo)志孔的檢測(3)?轉(zhuǎn)速傳感器1）光電編碼器的定義7.

光電編碼器

光電編碼器又稱為光電碼盤，是通過光電轉(zhuǎn)換把軸轉(zhuǎn)動或角位移轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。2）光電編碼器的結(jié)構(gòu)光電編碼器主要由光源、編碼盤、光電檢測裝置組成。機(jī)器人定位視頻3）光電編碼器的分類（1）增量式光電編碼器（2）絕對式光電編碼器

增量式光電脈沖編碼器旋轉(zhuǎn)時,有相應(yīng)的脈沖輸出,其旋轉(zhuǎn)方向的判別和脈沖數(shù)量的增減需借助后部的判向電路和計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)。

絕對式光電編碼器旋轉(zhuǎn)時,有與位置一一對應(yīng)的代碼(二進(jìn)制、BCD碼等)輸出，從代碼大小的變更,即可判別正反方向和位移所處的位置,而無須判向電路。4）光電編碼器的特點(diǎn)

光電編碼器具有高精度、高分辨力、高可靠性及響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，其缺點(diǎn)是抗污染能力差，容易損壞。

增量式光電編碼器存在零點(diǎn)累計(jì)誤差，抗干擾較差，接收設(shè)備的停機(jī)需斷電記憶，開機(jī)應(yīng)找零或參考位等問題，這些問題如選用絕對式光電編碼器則可以解決。

絕對式光電編碼器具有斷電記憶功能。當(dāng)停電或關(guān)機(jī)后,在開機(jī)重新測量時,仍可準(zhǔn)確地讀出停電或關(guān)機(jī)位置的代碼。5）光電編碼器的應(yīng)用①位移檢測②轉(zhuǎn)速檢測編碼器的安裝位置編碼器接控制器光柵尺光柵尺的優(yōu)點(diǎn)6．光柵尺光柵尺是一種利用光柵的光學(xué)原理進(jìn)行工作的測量反饋裝置。高精度的數(shù)控機(jī)床上，目前大量使用光柵作為位移和角度的檢測反饋器件，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。1）光柵傳感器的分類

按形狀和用途可分為長光柵(又稱為直線光柵)和圓光柵兩種，前者用于直線位移測量，后者用于角位移測量。如圖3-44所示。光柵尺定義按光線的走向可分為透射光柵和反射光柵兩大類。

由光源、光柵副、光敏元件三大部分組成。

光柵副由標(biāo)尺光柵（主光柵）和指示光柵組成。

在長光柵中，固定標(biāo)尺光柵，將指示光柵安裝在運(yùn)動部件上，兩者之間形成相對運(yùn)動。2)光柵尺結(jié)構(gòu)莫爾條紋形成光柵尺的結(jié)構(gòu)1—標(biāo)尺光柵；2—指示光柵（2）莫爾條紋產(chǎn)生電脈沖

后繼電路只需對這種電脈沖信號進(jìn)行辨向和計(jì)數(shù)處理，就可知道指示光柵（即運(yùn)動部件）的移動方向和位移量了。（1）莫爾條紋的產(chǎn)生3）光柵尺的工作原理

和光電編碼器一樣也是讀電脈沖信號。其產(chǎn)生電脈沖的方法運(yùn)用了莫爾條紋。當(dāng)指示光柵沿x軸自左向右移動時，莫爾條紋的亮帶和暗帶(a-a線和b-b線)將順序自下而上(圖中y方向)不斷掠過光敏元件，并且，光柵每移動一個柵距W時，光強(qiáng)變化一個周期，莫爾條紋移動一個莫爾條紋間距B(B=W/sinW/)。這樣，光敏元件就能將亮帶和暗帶的光照強(qiáng)弱處理成高電平和低電平。1—標(biāo)尺光柵；2—指示光柵（3）莫爾條紋的作用

利用莫爾條紋的位移放大作用和誤差平均效應(yīng)，我們可以使用光柵對肉眼看不見的微位移進(jìn)行精密測量。4)光柵的應(yīng)用

光柵傳感器在數(shù)控設(shè)備中，用作位置檢測裝置，是伺服系統(tǒng)中重要的反饋器件。在光柵讀數(shù)頭中，安裝著一個指示光柵，當(dāng)光柵讀數(shù)頭相對于標(biāo)尺光柵移動時，指示光柵便在標(biāo)尺光柵上移動，讀取位置信息。

它具有測量精度高，抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。光柵尺的缺點(diǎn)是價格較昂貴，對工作環(huán)境要求較高,油污和灰塵會影響它的可靠性。5)光柵尺的特點(diǎn)作業(yè)1.說明增量式光電編碼器的工作原理。2.說明絕對式式光電編碼器的工作原理。3.哪一種光電編碼器具有斷電記憶功能？請說明原因。4.光柵尺按光線走向可分為哪幾類？5.莫爾條紋是如何產(chǎn)生的？光柵尺有什么特點(diǎn)？6.教材圖3-47中的指示光柵安裝在哪里？8.?超聲波傳感器1)超聲波定義

20kHz以上的聲波稱為超聲波。2）超聲波的特點(diǎn)

超聲波的特點(diǎn)是指向性好，能量集中，穿透本領(lǐng)大，在遇到兩種介質(zhì)的分界面(例如鋼板與空氣的交界面)時，能產(chǎn)生明顯的反射和折射現(xiàn)象，這一現(xiàn)象類似于光波。超聲波碰到活動物體時能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。3）超聲波傳感器的應(yīng)用（1）灌裝高度計(jì)（2）液位計(jì)（3）超聲波測距計(jì)

利用換能器的壓電特性，以電壓激發(fā)壓電片，該壓電片隨即產(chǎn)生聲波并發(fā)射出去。當(dāng)發(fā)射出去的聲波接觸物體時，會反射微弱的能量給換能器，經(jīng)信號放大處理后傳送至微處理器判斷換能器與該物體的距離，并由微處理器決定是否驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出警示音。(4)?超聲波防盜報警器。

多普勒效應(yīng)：是指超聲波源與傳播介質(zhì)之間存在相對運(yùn)動時，接收器接收到的頻率與超聲波波源發(fā)射的頻率將有所不同。產(chǎn)生的頻偏±Δf與相對速度的大小及方向有關(guān)，當(dāng)高速行駛的火車向你逼近和掠過時，所產(chǎn)生的變調(diào)聲就是多普勒效應(yīng)引起的。(4)?超聲波防盜報警器。

利用多普勒效應(yīng)可以排除墻壁、家具的影響(它們不會產(chǎn)生±Δf)，只對運(yùn)動的物體起作用。由于振動和氣流也會產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，故該防盜報警器多用于室內(nèi)。9.?傳感器的應(yīng)用及發(fā)展1)?專用設(shè)備2)?工業(yè)自動化3)?通信電子產(chǎn)品4)?汽車工業(yè)

傳感器作為整個檢測系統(tǒng)的前哨，它提取信息的準(zhǔn)確與否直接決定著整個檢測系統(tǒng)的精度。傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域涉及機(jī)械制造、工業(yè)過程控制、汽車電子產(chǎn)品、通信電子產(chǎn)品、消費(fèi)電子產(chǎn)品和專用設(shè)備等各行各業(yè)。目前，傳感器正向著高精度、多功能、集成化、智能化方向發(fā)展。第4章伺服傳動技術(shù)4.1認(rèn)識伺服系統(tǒng)4.2認(rèn)識伺服控制系統(tǒng)4.3認(rèn)識電液伺服系統(tǒng)知識目標(biāo)：能力目標(biāo)：(1)?熟悉伺服電動機(jī)的主要特點(diǎn)；(2)?掌握伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理；(3)?熟悉伺服系統(tǒng)的控制方式；(4)?了解伺服電動機(jī)常見問題及解決方法。(1)?能識別簡單伺服系統(tǒng)的類型；(2)?能分析典型機(jī)電一體化設(shè)備中伺服系統(tǒng)的工作過程。知識導(dǎo)入：

勻膠機(jī)是在制造半導(dǎo)體電路時用于涂膠的設(shè)備。勻膠機(jī)在涂膠時，需通過機(jī)器上方滴頭將膠液滴在平整的基材上后，利用離心力將膠液薄薄地、均勻地在基材表面攤開。工作時需要對工作臺的旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行控制。

印刷機(jī)要能均勻地拉伸拉平紙張，才能防止印刷品表面出現(xiàn)皺褶松弛，保證印刷質(zhì)量。這需要印刷機(jī)對轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制。

物流倉庫里的垂直搬運(yùn)機(jī)需對位置進(jìn)行準(zhǔn)確控制，這樣才能夠?qū)⑽锲氛_搬運(yùn)至指定的位置，否則將發(fā)生物品不能被倉格吸納的事故。4.1認(rèn)識伺服系統(tǒng)1.伺服系統(tǒng)的定義

（1）伺服(Servo)的定義

伺服的意思就是“伺候服侍”的意思，就是在控制指令的指揮下，控制驅(qū)動元件，并使機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動部件按照指令要求進(jìn)行運(yùn)動。（2）伺服系統(tǒng)的定義伺服系統(tǒng)(FeedServoSystem)，又稱隨動系統(tǒng)，是使物體的位置、速度、轉(zhuǎn)矩等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)(或給定值)的任意變化而變化的自動控制系統(tǒng)。（3）伺服系統(tǒng)的組成

伺服系統(tǒng)=控制器+功率放大器+執(zhí)行機(jī)構(gòu)+檢測裝置①

控制器：工業(yè)計(jì)算機(jī)、PLC、CNC②

功率放大器：驅(qū)動器。③

執(zhí)行機(jī)構(gòu)：交直流伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)。④

檢測裝置：編碼器、光柵尺。（4）伺服系統(tǒng)的工作原理

位置檢測裝置將檢測到的移動部件的實(shí)際位移量進(jìn)行位置反饋，和位置指令信號進(jìn)行比較，將兩者的差值進(jìn)行位置調(diào)節(jié)，并將其變換成速度控制信號，控制驅(qū)動裝置驅(qū)動伺服電動機(jī)運(yùn)動，該運(yùn)動朝著消除偏差的方向，直到到達(dá)指定的目標(biāo)位置。2.伺服系統(tǒng)的發(fā)展過程第一階段（1960年之前）：應(yīng)用步進(jìn)電機(jī)第二階段（1960-1970年）：應(yīng)用直流伺服電機(jī)第三階段（1980年以后）：應(yīng)用交流伺服電機(jī)、無刷直流伺服電動機(jī)（5）伺服系統(tǒng)的工作要求

系統(tǒng)精度、穩(wěn)定性、響應(yīng)特性、工作頻率。（1）伺服電動機(jī)定義

又稱為執(zhí)行電動機(jī)，把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械運(yùn)動的執(zhí)行元件。（2）伺服電動機(jī)的分類直流伺服電動機(jī)

交流伺服電動機(jī)伺服系統(tǒng)比較：直流伺服簡單和便宜。交流伺服，轉(zhuǎn)矩脈動小。（3）伺服電機(jī)的基本要求

①

具有寬廣而平滑的調(diào)速范圍；

②

具有較硬的機(jī)械特性和良好的調(diào)節(jié)特性；

③具有快速響應(yīng)特性；

④

空載始動電壓較小。（4）直流伺服電動機(jī)的分類

①永磁直流伺服電動機(jī)。

②

無槽電樞直流伺服電動機(jī)。

③

空心杯電樞直流伺服電動機(jī)。

④

印刷繞組直流伺服電動機(jī)。（5）直流伺服電動機(jī)的結(jié)構(gòu)

由磁極、電樞導(dǎo)體、電刷及換向片組成，其工作原理如圖4-7所示。（5）直流伺服電動機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：良好的調(diào)速特性

較大的啟動轉(zhuǎn)矩和相對功率

易于控制及響應(yīng)快。缺點(diǎn)：機(jī)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。（6）交流伺服電動機(jī)的種類

①

永磁同步伺服電動機(jī)。

②

兩相異步交流伺服電動機(jī)。（7）交流伺服電動機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：維護(hù)方便

轉(zhuǎn)動慣量、體積、重量較小，

結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜

缺點(diǎn)：

①

轉(zhuǎn)矩特性和調(diào)節(jié)特性的線性度不及直流伺服電動機(jī)好

②

其效率也比直流伺服電動機(jī)低（8）如何選擇伺服電動機(jī)

必須選擇直流伺服電動機(jī)外，一般盡量考慮選擇交流伺服電動機(jī)。（9）步進(jìn)電動機(jī)

又稱脈沖馬達(dá)，就是一步一步走的電機(jī)。

特點(diǎn)：

①成本較低

②易于采用計(jì)算機(jī)控制

③步進(jìn)電動機(jī)比直流電動機(jī)或交流電動機(jī)組成的開環(huán)控制系統(tǒng)精度高

④

適用于精度不太高的伺服傳動系統(tǒng)應(yīng)用場合：

一般數(shù)控機(jī)械和普通機(jī)床的微機(jī)改造中大多數(shù)均采用開環(huán)步進(jìn)電動機(jī)控制系統(tǒng)。3.伺服電動機(jī)控制技術(shù)

伺服驅(qū)動器（伺服電動機(jī)驅(qū)動電路）：控制信號通過驅(qū)動電路轉(zhuǎn)換為功率信號，為電動機(jī)提供電能的控制裝置。也叫變流器。4.2認(rèn)識伺服控制系統(tǒng)1.直流伺服控制系統(tǒng)（1）直流伺服控制系統(tǒng)定義

采用直流伺服電動機(jī)作為執(zhí)行元件的伺服控制系統(tǒng)，稱為直流伺服（控制）系統(tǒng)。（2）直流伺服電機(jī)調(diào)速和變向的原理

改變電源直流電壓的大小和調(diào)換電源極性。（3）直流伺服電動機(jī)驅(qū)動控制方式

可控硅變流技術(shù)直流調(diào)速驅(qū)動和晶體管脈寬調(diào)制驅(qū)動兩種方式。變流技術(shù)：

按變流技術(shù)的功能應(yīng)用，變流器可分為整流器、逆變器、斬波器、交流調(diào)壓器、周波變流器。（4）常用直流伺服電動機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)

常采用晶體管脈寬調(diào)制（PWM）驅(qū)動系統(tǒng)。PWM—指脈寬調(diào)制(PulseWidthModulation，PWM)PWM變換器基本原理：利用大功率電器的開關(guān)作用，將直流電壓轉(zhuǎn)換成一定頻率的方波電壓，通過對方波脈沖寬度的控制，改變輸出電壓的平均值。

脈寬調(diào)制(PWM)直流調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)原理如式(4-1)所示，電機(jī)電樞兩端的平均電壓為式中μ為導(dǎo)通率，又稱占空比或占空系數(shù)。（5）PWM變換器工作原理（6）直流伺服系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

精確的速度控制；

轉(zhuǎn)矩速度特性很硬；

原理簡單、使用方便；

價格優(yōu)勢明顯。

缺點(diǎn)：

速度受限。2.交流伺服控制系統(tǒng)（1）交流伺服控制系統(tǒng)定義

采用交流伺服電動機(jī)作為執(zhí)行元件的伺服控制系統(tǒng)，稱為交流伺服（控制）系統(tǒng)。

交流伺服系統(tǒng)的分類：一種是用永磁同步伺服電動機(jī)構(gòu)成的伺服系統(tǒng)；另一種是用鼠籠型異步電動機(jī)構(gòu)成的伺服系統(tǒng)。（2）交流伺服電動機(jī)調(diào)速原理

以異步交流伺服電動機(jī)為例，采用變頻調(diào)速。異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速方程見式(4-2)。

改變異步電動機(jī)的供電頻率f1，可以改變其同步轉(zhuǎn)速n1，實(shí)現(xiàn)調(diào)速運(yùn)行，這個過程也稱為變頻調(diào)速。（3）異步電動機(jī)常見調(diào)速系統(tǒng)—SPWM(SinusoidalPWM)變頻器

在異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，調(diào)速性能最好、應(yīng)用最廣的系統(tǒng)是變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。SPWM變頻技術(shù)：在PWM的基礎(chǔ)上，改變脈沖寬度時間占空比，按正弦規(guī)律排列，這樣輸出波形經(jīng)過適當(dāng)?shù)臑V波可以做到正弦波輸出。SPWM(SinusoidalPWM)：正弦波脈沖調(diào)制。

圖4-15(a)是SPWM變壓變頻器的模擬控制電路框圖。圖4-15(b)是SPWM變壓變頻器的主電路框圖。（4）變頻調(diào)速的特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：調(diào)速范圍大；轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性好；頻率可以連續(xù)調(diào)節(jié)，為無級調(diào)速，平滑性好，變頻時電壓按不同規(guī)律變化，可實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速或恒功率調(diào)速。

缺點(diǎn)：控制裝置價格較貴。

3.?步進(jìn)電動機(jī)控制系統(tǒng)1)?步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理（1）步進(jìn)電機(jī)定義

步進(jìn)電動機(jī)是將電脈沖激勵信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的電動機(jī)。

這種電動機(jī)每當(dāng)輸入一個電脈沖就動一步，所以又稱脈沖電動機(jī)。步進(jìn)電動機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號后，它就驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(即步距角)。通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電動機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。（2）步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動原理

步進(jìn)電動機(jī)按其工作原理主要可分為磁電式和反應(yīng)式兩大類。三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的工作原理如圖4-16(a)所示。

步進(jìn)電動機(jī)繞組每次通斷電使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度稱之為步距角。

對于一個真實(shí)的步進(jìn)電動機(jī)，為了減少每通電一次的轉(zhuǎn)角，在轉(zhuǎn)子和定子上開有很多定分的小齒。其中定子的三相繞組鐵芯間有一定角度的齒差。圖4-16(b)所示為真實(shí)步進(jìn)電動機(jī)的工作原理。圖4-16(c)為步進(jìn)電動機(jī)單雙想通電工作方式示意圖。（3）步進(jìn)電機(jī)的使用場合

步進(jìn)電動機(jī)一般用于開環(huán)伺服系統(tǒng)，由于沒有位置反饋環(huán)節(jié)，故位置控制的精度由步進(jìn)電動機(jī)和進(jìn)給絲杠等來決定。

步進(jìn)電動機(jī)雖檔次低，但是結(jié)構(gòu)簡單、價格較低，在要求不高的場合仍有廣泛應(yīng)用。（4）步進(jìn)電機(jī)的的缺點(diǎn)

振動、噪聲也比較大。在過載情況下，步進(jìn)電動機(jī)會產(chǎn)生失步。2)?環(huán)形分配器

步進(jìn)電動機(jī)的各繞組必須按一定的順序通電才能正確工作，這種使電動機(jī)繞組的通電順序按輸入脈沖的控制而循環(huán)變化的裝置稱為脈沖分配器，又稱為環(huán)形分配器。

實(shí)現(xiàn)環(huán)形分配的方法有三種：3)?功率驅(qū)動器

功率驅(qū)動器實(shí)際上是一個功率開關(guān)電路，其功能是將環(huán)形分配器的輸出信號進(jìn)行功率放大，得到步進(jìn)電動機(jī)控制繞組所需要的脈沖電流及所需要的脈沖波形。①

采用計(jì)算機(jī)軟件分配，釆用查表或計(jì)算的方法來產(chǎn)生相應(yīng)的通電順序。②

采用小規(guī)模集成電路搭接一個硬件分配器來實(shí)現(xiàn)環(huán)形分配。③

采用專用的環(huán)形分配器。

實(shí)際應(yīng)用中，常將環(huán)形分配器與功率驅(qū)動器一起做成步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器，與步進(jìn)電動機(jī)配套使用，如圖4-18所示。4.?伺服系統(tǒng)的控制方式1)?開環(huán)控制伺服系統(tǒng)

原理：開環(huán)控制伺服系統(tǒng)大多數(shù)采用步進(jìn)電動機(jī)。控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖指令信號經(jīng)驅(qū)動電路控制和功率放大后，使步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)動，通過齒輪和絲杠來帶動工作臺作往復(fù)直線運(yùn)動，系統(tǒng)對工作臺的實(shí)際位移量不進(jìn)行檢測。

使用場合：開環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單，成本低，工作可靠，但精度較低。主要用于精度、速度要求不高的場合，如簡易數(shù)控機(jī)械。2)?閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)

原理：閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)是有位置反饋的系統(tǒng)，如圖4-20所示。通過安裝在工作臺上的位置傳感器，將直線位移量變換成反饋電信號，并與位置控制器中的數(shù)值相比較，將所得到的偏差值進(jìn)行放大，再由直流伺服電動機(jī)或交流伺服電動機(jī)驅(qū)動工作臺向減少偏差的方向不斷移動，直到偏差值等于零為止。

使用場合：閉環(huán)控制系統(tǒng)主要用于精度和速度較高以及大型的機(jī)電一體化設(shè)備中。3)?半閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)

原理：半閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)是從傳動鏈中間部分取出反饋信號的系統(tǒng)，如圖4-21所示。其位置傳感器不是安裝在工作臺上，而是安裝在伺服電動機(jī)的軸上，用以精確控制伺服電動機(jī)的角位移量，然后通過絲杠等傳動機(jī)構(gòu)，將角位移量轉(zhuǎn)換成工作臺的直線位移量。

使用場合：半閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性比閉環(huán)控制系統(tǒng)要好，且結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整和維護(hù)也比較容易，被廣泛用于各種機(jī)電一體化設(shè)備中。圖4-22為工業(yè)生產(chǎn)中使用的伺服定位控制的應(yīng)用案例。圖4-22為工業(yè)生產(chǎn)中使用的伺服定位控制的應(yīng)用案例。圖4-22為工業(yè)生產(chǎn)中使用的伺服定位控制的應(yīng)用案例。4.3認(rèn)識電液伺服系統(tǒng)

電液伺服系統(tǒng)(ElectrohydraulicServoSystem)是一種由電信號處理裝置和液壓動力機(jī)構(gòu)組成的反饋控制系統(tǒng)。1.液壓與氣動技術(shù)

液壓與氣動技術(shù)定義：液壓傳動與氣壓傳動統(tǒng)稱為流體傳動，它們都是利用有壓流體(液體或氣體)作為工作介質(zhì)來傳遞動力或控制信號的一種傳動方式。2.氣、液壓傳動工作原理2.氣、液壓傳動工作原理3.液壓系統(tǒng)和氣動系統(tǒng)的組成1)?能源部件：把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成空氣或液壓油的壓力能的裝置。2)?控制元件：對氣壓和液壓系統(tǒng)中的壓力、流量和流動方向進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)的元件。3)?執(zhí)行元件：把空氣或液壓油的壓力能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的裝置。4)?輔助裝置：除以上三種裝置以外的其他裝置。4.?電液伺服控制系統(tǒng)1）定義

電液伺服控制系統(tǒng)：是以液壓為動力，采用電氣方式實(shí)現(xiàn)信號傳輸和控制的機(jī)械量自動控制系統(tǒng)。

2）分類

按系統(tǒng)被控機(jī)械量的不同，它又可以分為電液位置伺服系統(tǒng)、電液速度伺服控制系統(tǒng)和電液力控制系統(tǒng)三種。3）原理

如圖4-36所示是一個典型的電液位置伺服控制系統(tǒng)。

電液伺服系統(tǒng)中電液伺服閥的作用是將小功率的電信號轉(zhuǎn)換為閥的運(yùn)動，以控制流向液壓動力機(jī)構(gòu)的流量和壓力。4）主要器件①

輸入元件

②

反饋測量元件③

比較元件

④

放大元件

⑤

執(zhí)行元件

⑥

控制對象

⑦

其他第5章計(jì)算機(jī)控制及接口技術(shù)5.1了解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)5.2學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的接口5.3了解工業(yè)常用控制計(jì)算機(jī)知識目標(biāo)：能力目標(biāo)：(1)?了解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理和分類；(2)?了解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向；(3)?了解接口技術(shù)的概念及種類；(4)?了解工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類及硬件組成；(5)?了解工控機(jī)總線的分類；(6)?了解STD總線的技術(shù)特點(diǎn)。

會簡單地運(yùn)用計(jì)算機(jī)和控制接口方面的基礎(chǔ)知識處理工業(yè)控制過程中的實(shí)際問題。知識導(dǎo)入：圖5-1介紹了工業(yè)爐計(jì)算機(jī)控制的典型情況，其燃料為燃料油或者煤氣，為了保證燃料在爐膛內(nèi)正常燃燒，必須保持燃料和空氣的比值恒定。圖5-2所示為控制系統(tǒng)實(shí)物。為提高水質(zhì)監(jiān)測能力，某市建立了如圖5-3所示的廢水在線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由污水排放監(jiān)測子站、監(jiān)測中心站和管理中心(城市環(huán)保局)組成為提高水質(zhì)監(jiān)測能力，某市建立了如圖5-3所示的廢水在線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由污水排放監(jiān)測子站、監(jiān)測中心站和管理中心(城市環(huán)保局)組成5.1

了解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)1.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成

圖5-5所示為一個典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成框圖。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：利用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)自動控制的系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成。1）硬件組成⑴

主機(jī)⑵I/O通道⑶

外圍設(shè)備⑷

操作臺2）軟件組成

軟件通常分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類。⑴系統(tǒng)軟件

由計(jì)算機(jī)制造廠商提供的，用于管理計(jì)算機(jī)本身的資源和便于用戶使用計(jì)算機(jī)的軟件。⑵應(yīng)用軟件

用戶根據(jù)要解決的具體控制問題而編制的控制和管理程序。2.?計(jì)算機(jī)在控制中的應(yīng)用方式1)?操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)

操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)又稱為數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

(DataProcessingSystem，DPS)2)?直接數(shù)字控制系統(tǒng)

直接數(shù)字控制(DirectDigitalControl，DDC)系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)的運(yùn)算和處理結(jié)果直接輸出并作用于生產(chǎn)過程。2)?直接數(shù)字控制系統(tǒng)DDC系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中最普遍的一種應(yīng)用形式，目前在工業(yè)控制中得到廣泛應(yīng)用。3)監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制(SupervisoryComputerControl，SCC)系統(tǒng)4)分級計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

這種系統(tǒng)的特點(diǎn)是功能分散，用多臺計(jì)算機(jī)分別執(zhí)行不同的控制功能，既能進(jìn)行控制又能實(shí)現(xiàn)管理。5.2學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的接口

接口：就是各子系統(tǒng)之間以及子系統(tǒng)內(nèi)部各模塊之間相互連接的硬件及相關(guān)協(xié)議軟件。

分析ADC0809芯片在車用數(shù)字儀表的系統(tǒng)中的作用。2.接口的分類：

人機(jī)通道及接口技術(shù)

檢測通道及接口技術(shù)

控制通道及接口技術(shù)

系統(tǒng)間通道及接口技術(shù)3.機(jī)電一體化系統(tǒng)對接口的要求

能夠輸入有關(guān)的狀態(tài)信息，并能夠可靠地傳送相應(yīng)的控制信息；

能夠進(jìn)行信息轉(zhuǎn)換，以滿足系統(tǒng)對輸入與輸出的要求；

具有較強(qiáng)的阻斷干擾信號的能力，以提高系統(tǒng)工作的可靠性。1.?I/O接口I/O接口：也就是輸入/輸出接口。根據(jù)信號傳輸方式的不同，一般可分為并行和串行兩種方式。1)?并行接口

并行接口：就是實(shí)現(xiàn)并行通信的接口。

并行通信：就是把一個字符的各數(shù)位用幾條線同時進(jìn)行傳輸，即將組成數(shù)據(jù)的各位同時進(jìn)行傳送。

如圖5-11所示即為并行通信接口。

特點(diǎn)：并行接口傳輸速度快2)?串行接口

串行接口：就是實(shí)現(xiàn)串行通信的接口。

串行通信：是在單根導(dǎo)線上將二進(jìn)制數(shù)一位一位地順序傳送。串行通信可以進(jìn)一步分為單工、半雙工和全雙工三種形式。

串行接口的特點(diǎn)：通信線路簡單，只要一對傳輸線就可以實(shí)現(xiàn)雙向通信，特別適用于遠(yuǎn)距離通信。

圖5-14為RS-232串行接口。2.?D/A、A/D轉(zhuǎn)換接口1)?D/A(數(shù)/模轉(zhuǎn)換器)

定義：D/A轉(zhuǎn)換器是指將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的電路。如圖5-15所示。

作用：是將計(jì)算機(jī)需要輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成電壓，以便再轉(zhuǎn)換成適合外圍設(shè)備的模擬物理量。圖5-16為D/A轉(zhuǎn)換器作為系統(tǒng)輸出接口的連接示意圖。2)A/D(模/數(shù))轉(zhuǎn)換接口

定義：A/D轉(zhuǎn)換器是將外圍設(shè)備上的模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件。如圖5-17所示。

作用：將現(xiàn)場來的信號經(jīng)過一系列放大濾波等處理后的模擬量數(shù)據(jù)變換成適合于數(shù)字處理的二進(jìn)制代碼。圖5-18所示為ADC0809A/D轉(zhuǎn)換器工作原理示意圖。5.3了解工業(yè)常用控制計(jì)算機(jī)1.工控機(jī)（工業(yè)控制計(jì)算機(jī)）定義

工業(yè)控制計(jì)算機(jī)：泛指用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，簡稱工控機(jī)。2.工控機(jī)的作用

處理來自檢測傳感器的輸入信息，并把處理結(jié)果輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)去控制生產(chǎn)過程，同時可對生產(chǎn)進(jìn)行監(jiān)督、管理。3.工控機(jī)種類

常見的工控機(jī)主要有：單片機(jī)（MCU）、可編程序控制器(PLC)、IPC(PC總線工業(yè)電腦)、DCS(分散型控制系統(tǒng))、FCS(現(xiàn)場總線系統(tǒng))及CNC(數(shù)控系統(tǒng))6種。

4.工控機(jī)的選用

對于控制量為開關(guān)量和少量數(shù)據(jù)信息的模擬量的小系統(tǒng)，采用單片機(jī)或可編程控制器就能滿足控制要求。對于數(shù)據(jù)處理量大的系統(tǒng)，則往往采用IPC。對于多層次復(fù)雜的機(jī)電一體化系統(tǒng)，則采用FCS或DCS控制系統(tǒng)。1.?常用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)介紹1)工業(yè)電腦（IPC、工業(yè)PC）（1）定義

工業(yè)電腦:英文縮寫IPC(IndustryPersonalComputer)，現(xiàn)在一般指基于PC總線的工控機(jī)，也叫工業(yè)PC。

工業(yè)PC是在個人計(jì)算機(jī)(PC機(jī))的基礎(chǔ)上，經(jīng)過改進(jìn)并配上相應(yīng)的工業(yè)用軟件而形成的。工業(yè)PC是專門為工業(yè)現(xiàn)場而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)，如圖5-19所示。（2）工控機(jī)特點(diǎn)①

用通用底板總線插座代替?zhèn)€人計(jì)算機(jī)中的大母板。②

將母板分為若干PC插件。③

機(jī)箱內(nèi)有專門電源，電源有較強(qiáng)的抗干擾能力。④

要求具有連續(xù)長時間工作能力。⑤

配合相應(yīng)的工業(yè)軟件使用。⑥機(jī)箱釆用鋼結(jié)構(gòu)，有較高的防磁、防塵、防沖擊的能力。（3）缺點(diǎn)

數(shù)據(jù)處理能力差。2)可編程序控制器(PLC)（1）定義PLC(ProgrammableLogicController，可編程序邏輯控制器)是一種專為在工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)。（2）工作原理

圖5-21是PLC應(yīng)用于邏輯控制的簡單實(shí)例。（3）特點(diǎn)：

①

工作可靠，適合于工業(yè)現(xiàn)場控制。

②

可與工業(yè)現(xiàn)場信號直接連接。

③

積木式組合，運(yùn)用方便。

④

編程操作容易。

⑤

易于安裝及維修。（4）應(yīng)用

自動生產(chǎn)線3)單片微計(jì)算機(jī)及嵌入式系統(tǒng)（1）單片機(jī)定義

單片機(jī)（簡稱MCU）也叫單片微計(jì)算機(jī)，是由單一芯片構(gòu)成，它將CPU、RAM、ROM、定時/計(jì)數(shù)、多功能I/O(并行、串行、A/D)、通信控制器，甚至圖形控制器、高級語言、操作系統(tǒng)等都集成在一塊大規(guī)模集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)。（2）單片機(jī)種類

其典型產(chǎn)品包括Intel公司的MCS-48(8位)、MCS-51(8位)和MCS-96(16位)系列，Philips公司的80C51系列，Atmel公司的AT89系列等。（3）單片機(jī)優(yōu)點(diǎn)

具有集成度高、控制功能強(qiáng)、通用性好、運(yùn)行速度快、體積小、重量輕、能耗低、結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、使用靈活等優(yōu)點(diǎn)。（4）單片機(jī)使用場合

故常用于數(shù)顯儀表、智能化儀表、工業(yè)過程控制、機(jī)器人、簡易數(shù)控機(jī)床、家用電器、玩具、辦公自動化、通信與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中。（5）單片機(jī)缺點(diǎn)易受干擾，開發(fā)者需要學(xué)習(xí)專門的編程，且具備一定的電子硬件工程知識。（6）嵌入式系統(tǒng)定義

嵌入式系統(tǒng)被定義為：以應(yīng)用為執(zhí)行中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗要求嚴(yán)格的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

嵌入式系統(tǒng)可直接以單片機(jī)作為“嵌入”系統(tǒng)控制板的CPU（也可采用比單片機(jī)性能高的微處理器）。嵌入式系統(tǒng)板結(jié)構(gòu)，如圖5-22(b)所示。（7）嵌入式系統(tǒng)的組成

硬件平臺、板級支持包(BoardSupportPackage，BSP)、實(shí)時操作系統(tǒng)(RealTimeOperatingSystem，RTOS)、應(yīng)用程序。（8）嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

①處理能力強(qiáng)大、便于系統(tǒng)集成開發(fā)。

②其軟硬件可剪裁，具有更緊湊的結(jié)構(gòu)和更低的價格。

③具有更強(qiáng)的系統(tǒng)適應(yīng)性。

④可作為控制層的工作站，集中管理現(xiàn)場的各個控制節(jié)點(diǎn)。4)?數(shù)控系統(tǒng)(CNC)（1）定義CNC（ComputerNumericalControl），中文全稱為計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)。圖5-25為數(shù)控系統(tǒng)實(shí)物圖。（2）原理

采用微處理器或?qū)Ｓ梦C(jī)的數(shù)控系統(tǒng)，由事先存放在存儲器里的系統(tǒng)程序(軟件)來實(shí)現(xiàn)控制邏輯，實(shí)現(xiàn)部分或全部數(shù)控功能，并通過接口與外圍設(shè)備進(jìn)行連接，稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控，簡稱CNC系統(tǒng)。（3）應(yīng)用

數(shù)控機(jī)床是以數(shù)控系統(tǒng)為代表的新技術(shù)對傳統(tǒng)機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品。4)集散型控制系統(tǒng)(DCS)（1）定義

集散型控制系統(tǒng)DCS的英文全稱為DistributedControlSystem，中文又稱為分布式控制系統(tǒng)或分散型控制系統(tǒng)。（2）特點(diǎn)DCS按照分散控制、集中操作、分級管理和分而自治的原則設(shè)計(jì)，是一種高性能、高質(zhì)量、低成本、配置靈活的分散控制系統(tǒng)系列產(chǎn)品。是用于數(shù)據(jù)采集、過程控制、生產(chǎn)管理的新型控制系統(tǒng)。（3）使用場合

廣泛用于各種大、中、小型電站的分散型控制、發(fā)電廠自動化系統(tǒng)的改造以及鋼鐵、石化、造紙、水泥等工業(yè)生產(chǎn)過程控制。DCS控制系統(tǒng)如圖5-23所示。5)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）（1）定義

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FieldbusControlSystem，F(xiàn)CS)：是利用現(xiàn)場總線將各智能現(xiàn)場設(shè)備、各級計(jì)算機(jī)和自動化設(shè)備互聯(lián)，形成一個數(shù)字式全分散雙向串行傳輸、多分支結(jié)構(gòu)和多點(diǎn)通信的通信網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)過程自動化領(lǐng)域。（2）特點(diǎn)

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(Field