第2章機(jī)電一體化的系統(tǒng)組成

2.1機(jī)械單元 2.2伺服與驅(qū)動單元2.3檢測單元

2.4控制單元 2.5接口技術(shù)2.3檢測單元2.3.1檢測單元基礎(chǔ)2.3.2傳感器的結(jié)構(gòu)與基本原理2.3.3數(shù)據(jù)采集與處理2.3.4虛擬儀器2.3.1檢測單元基礎(chǔ)機(jī)電一體化系統(tǒng)能否有效發(fā)揮其自動化功能，獲得準(zhǔn)確信息是首要前提，完成這一任務(wù)的環(huán)節(jié)就是檢測單元（Detectingunit）。傳感器與人體的感覺器官相對應(yīng)，計算機(jī)與大腦相對應(yīng)，執(zhí)行器與人體的運(yùn)動器官相對應(yīng)。這種從外界獲得信息，并從中提取有用信息的過程稱為檢測。傳感器是檢測過程中的核心元件。生物系統(tǒng)機(jī)電一體化系統(tǒng)檢測的作用2.3.1檢測單元基礎(chǔ)

傳感器的基本用途2.傳感器的組成3.傳感器的分類4.傳感器技術(shù)的發(fā)展傳感器的基本用途（1）生產(chǎn)過程中的信號測量與控制。（2）安全報警與環(huán)境保護(hù)。（3）自動化設(shè)備。（4）交通運(yùn)輸和資源探測。（5）醫(yī)療衛(wèi)生和家用電器。2.傳感器的組成將被測物理量按照一定規(guī)律變換為與之對應(yīng)的另一種物理量的裝置叫做傳感器，也叫變換器或探測器。其作用是將各種非電物理量轉(zhuǎn)換成其他量，由接口電路轉(zhuǎn)換成電壓量。傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本轉(zhuǎn)換電路組成。敏感元件轉(zhuǎn)換元件基本轉(zhuǎn)換電路被測量電量3.傳感器的分類4.傳感器技術(shù)的發(fā)展（1）新型傳感器開發(fā)。（2）傳感器的集成化。（3）傳感器的多功能化。（4）傳感器的智能化。（5）仿生傳感器（Biomimeticsensor）。2.3.2傳感器的結(jié)構(gòu)與基本原理1.

線位移檢測傳感器2.

角位移檢測傳感器3.

轉(zhuǎn)速檢測傳感器4．加速度檢測傳感器5.

壓力檢測傳感器6.

溫度檢測傳感器7.

流量傳感器8.

其他信號檢測傳感器1.線位移檢測傳感器（1）電阻式線位移傳感器滑線位移式繞線位移式滑線位移傳感器，電阻絲端電壓恒定為Ui，當(dāng)待測物體往返運(yùn)動時，將帶動拉桿、電刷運(yùn)動，電刷在電阻絲上往返滑動，其輸出端電壓為Uo，且與位移量成正比。因此，當(dāng)我們檢測到輸出電壓的變化量△Uo，就可以獲知待測物體的位移量?；€式位移傳感器實(shí)物繞線位移傳感器電阻應(yīng)變計式線位移傳感器懸臂梁是等強(qiáng)度的彈性元件，當(dāng)其自由端承受待測物體的作用力F而產(chǎn)生位移時，粘貼在懸臂梁上的應(yīng)變片的電阻將發(fā)生變化,其阻值的變化量與相對位移成正比。（2）電感式線位移傳感器差動電感式線位移傳感器：兩個螺旋形線圈與電橋的兩臂相連,并對接在同一圓柱形線圈筒上。當(dāng)待測物體在磁場中移動時,磁心將受到磁場力的作用而產(chǎn)生位移,切割磁力線產(chǎn)生電動勢使電橋失去平衡,其電橋式檢測電路輸出電壓信號,該電壓值與待測物體位移成正比。差動變壓器式線位移傳感器將被測量轉(zhuǎn)化為線圈的互感變化。初級線圈L1由交流電源勵磁，交流電的頻率稱為勵磁頻率。兩個次級線圈L2和L3接成差動式，它們反向串接，輸出電壓U0是兩次級線圈的感應(yīng)電壓差值，故稱差動變壓器。當(dāng)磁芯處于整個線圈中心位置時，兩個次級線圈的磁阻相等，當(dāng)磁芯移動時，將產(chǎn)生與位移成線性關(guān)系的感應(yīng)電壓Uo。（3）電容式線位移傳感器

S、ε、d的變化，均會引起電容量的變化。通過檢測電路將電容量的變化將會引起電路中的電壓或電流變化，這樣即可轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出，以此來確定位移量的大小和方向。應(yīng)用：無接觸檢測，在惡劣環(huán)境下工作?？蓱?yīng)用于檢測位移、振動、角度、速度、加速度、壓力等參數(shù)。（4）光柵式線位移傳感器相鄰兩莫爾條紋的間距W為：

若用計數(shù)器記錄下光柵上的移動通過的條紋數(shù)，即可測試主光柵移動的距離。（5）激光式線位移傳感器主要裝置是邁克爾遜干涉儀邁克爾遜干涉儀工作原理

激光傳感器示意圖激光傳感器測量輪轂

光幕式激光傳感器測量直徑（5）激光式線位移傳感器激光具有較好的方向性、單色性和亮度，可從較遠(yuǎn)距離對被測物體進(jìn)行測量。由于光斑直徑小，所以可實(shí)現(xiàn)對微小元件的測量。非接觸式的測量原理可保證無磨損、高精度的測量，測量過程不會受到干擾。除此之外，激光三角反射測量原理還極為適用于高精度、高分辨率的快速測量。2.角位移傳感器（1）電阻式角位移傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、動態(tài)范圍寬、輸出信號大、抗干擾強(qiáng)和準(zhǔn)確度較高等特點(diǎn)，已廣泛用于檢測各種回轉(zhuǎn)角度和角位移量。適用轉(zhuǎn)速較低的角位移測量。工作原理

結(jié)構(gòu)示意圖

實(shí)物（2）電感式角位移傳感器旋轉(zhuǎn)變壓器是一種典型的電感式角位移傳感器。精度較高、可靠性好,能完成多種功能，廣泛應(yīng)用于自動解算系統(tǒng)、遠(yuǎn)距離同步傳輸系統(tǒng)以及移相器和坐標(biāo)變換器等設(shè)備正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理D1D2—勵磁繞組；D3D4—交變繞組；Z1Z2—余弦輸出繞組；Z3Z4—正弦輸出繞組2.角位移傳感器（3）電容式角位移傳感器

當(dāng)動極板產(chǎn)生角位移時，電容器的工作面積發(fā)生變化，通過檢測電路檢測出電容量的變化，即可確定角位移量。2.角位移傳感器（4）光電式角位移傳感器光電式角位移傳感器是一種非接觸式電位器，它用光束代替電刷。沒有金屬絲電刷造成的摩擦力矩，具有分辨率高、壽命長、掃描速度快等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是接觸電阻較大，輸出信號要經(jīng)過阻抗匹配交換器才能用。3.轉(zhuǎn)速檢測傳感器（1）電容式轉(zhuǎn)速傳感器當(dāng)電容極板與齒頂相對時，電容量最大；而電容極板與齒隙相對時，電容量最小。設(shè)齒輪齒數(shù)為z，則由計數(shù)器得到的頻率數(shù)計算出測量轉(zhuǎn)速為3.轉(zhuǎn)速檢測傳感器（2）電感式轉(zhuǎn)速傳感器設(shè)齒數(shù)為z，由測速表測的頻率計算出測量轉(zhuǎn)速為：

目前已生產(chǎn)的電感式轉(zhuǎn)速傳感器測量轉(zhuǎn)速從600r/min到6000r/min。測量點(diǎn)間距達(dá)到2～10mm，測量誤差小于0.01％。原理圖

汽車后輪轉(zhuǎn)速測量

實(shí)物

電感式轉(zhuǎn)速傳感器原理3.轉(zhuǎn)速檢測傳感器

（3）光電式轉(zhuǎn)速傳感器若開孔數(shù)為20，記錄過程時間為t，總脈沖數(shù)為N，則轉(zhuǎn)速為：n=60N/(20t)。4．加速度檢測傳感器

當(dāng)傳感器承受振動體的加速度時，通過質(zhì)量塊產(chǎn)生相對位移，也就是壓電片的變形量為xm

x，在壓電片的線性彈性范圍內(nèi)，有

式中，F(xiàn)—作用在壓電片上的力；k—壓電片的彈性系數(shù)。而壓電片表面所產(chǎn)生的電荷量與作用力成正比，即式中，d—壓電元件的壓電常數(shù)，—傳感器的固有角頻率，

—加速度。5.壓力檢測傳感器按傳感器的工作原理,壓力傳感器可分為電阻應(yīng)變式、壓阻式、壓電式、電感式、電容式等。（1）電阻應(yīng)變式壓力傳感器

應(yīng)變片用黏合劑粘貼在彈性體上,當(dāng)受外力作用時,應(yīng)變片隨彈性體一同變形,其電阻值也隨之變化,通過測量電橋把電阻值變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化輸出,即可反映被測壓力值的大小。5.壓力檢測傳感器（2）壓阻式壓力傳感器

壓阻式壓力傳感器的工作原理是以某些材料的壓阻效應(yīng)為基礎(chǔ)。壓阻效應(yīng)是指半導(dǎo)體材料沿某一軸向受到應(yīng)力而產(chǎn)生應(yīng)變時,其電阻率發(fā)生變化。結(jié)構(gòu)示意圖硅杯及硅膜片實(shí)物壓電效應(yīng)：物質(zhì)在機(jī)械力作用下發(fā)生變形時，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，而在其表面上產(chǎn)生電荷，去掉外力時，電荷量立即消失。根據(jù)這一現(xiàn)象，通過檢測的電荷并轉(zhuǎn)化為電壓量，放大輸出后，即可顯示壓力的大小。5.壓力檢測傳感器

（3）壓電式壓力傳感器原理圖

測量切削力實(shí)物2.3.2傳感器的結(jié)構(gòu)與基本原理熱電效應(yīng)：對于均質(zhì)導(dǎo)體，當(dāng)兩端溫度不相等時，導(dǎo)體內(nèi)的自由電子將從高溫端向低溫端擴(kuò)散，在其兩端形成電勢，該電勢稱為溫差電勢。6.溫度檢測傳感器

（1）熱電偶式溫度傳感器熱電偶原理

普通型熱電偶結(jié)構(gòu)實(shí)物集成溫度傳感器是一種將感溫元件、放大電路、溫度補(bǔ)償電路等功能集成在一塊極小芯片上的溫度傳感器。跟傳統(tǒng)的熱電阻、熱電偶相比，具有線性度好、靈敏度高、體積小、穩(wěn)定性好、輸出信號大等優(yōu)點(diǎn)，是其他溫度傳感器無法比擬的。6.溫度檢測傳感器（2）集成溫度傳感器空氣流量傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，其作用是將空氣流量轉(zhuǎn)換成電信號送給電控單元，該信號作為決定噴油量的基本信號之一。葉片式空氣流量計由空氣流量計和電位計兩部分組成。7.流量傳感器（Flowsensor）通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器，這是目前應(yīng)用最多的傳感器。光電編碼器可以進(jìn)行角度測量、長度測量、速度測量、位置測量等。8.其他信號檢測傳感器

（1）光電編碼器（Photoelectricencoder）超聲波探頭又稱為超聲波傳感器、超聲波換能器。當(dāng)工件內(nèi)無缺陷時，接收能量大，儀表指示值大；有缺陷時部分能量被反射，接收能量小，儀表指示值小。根據(jù)這個變化可將工件內(nèi)部缺陷檢測出。8.其他信號檢測傳感器

（2）超聲波傳感器（Ultrasonicsensors）最常用的視覺傳感器是三維攝像機(jī)，它對景物進(jìn)行掃描，把一幅幅圖像信號變成電壓信號，再由計算機(jī)對這些檢測信號進(jìn)行相應(yīng)處理，進(jìn)行圖像識別，提取有用信息。8.其他信號檢測傳感器

（3）視覺傳感器（Visionsensor）感知和辨別在氣體、液體或固體中傳遞的聲波所使用的傳感器，稱之為聽覺傳感器。最常見的聲波傳感器即話筒。8.其他信號檢測傳感器

（4）聽覺傳感器（Auditorysensor）電磁振動式滑覺傳感器，測量端用一個直徑為0.5cm鋼球接觸被抓物體表面。若被抓物產(chǎn)生滑動，會引起測量端部產(chǎn)生振動，振動通過連桿傳向振動子，振動子振動產(chǎn)生磁通變化，因而在線圈中感應(yīng)出交流輸出信號。它有不受滑動方向限制的特點(diǎn)，對有限區(qū)域的滑覺檢測是很有效的，但由于是點(diǎn)接觸，鋼球必須對準(zhǔn)被測握力面。8.其他信號檢測傳感器（5）滑覺傳感器（Sliptactilesensor）2.3.3數(shù)據(jù)采集與處理數(shù)據(jù)采集與處理的幾個階段：信息采集、信號轉(zhuǎn)換、放大、傳輸接口等。2.3.3數(shù)據(jù)采集與處理1．?dāng)?shù)據(jù)采集2．信號放大3．信號轉(zhuǎn)換4.數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)采集：利用傳感器從系統(tǒng)外部的被測單元中獲取一定的信息如物理量、化學(xué)量等，轉(zhuǎn)換為有效電信號并輸入到系統(tǒng)內(nèi)部。數(shù)據(jù)處理：采集的數(shù)據(jù)不一定滿足需要，因此要進(jìn)行轉(zhuǎn)換、放大、運(yùn)算、傳輸?shù)裙ぷ鳌Ｖ绷麟姌虺Ｓ脕磉M(jìn)行數(shù)據(jù)處理，R1、R2、R3、R4是電橋的橋臂電阻，RL是被測電阻，Ui是電源。當(dāng)RL趨于無窮大時，電橋的輸出電壓Uo為：1．?dāng)?shù)據(jù)采集（Dataacquisition）電橋平衡時，Uo=0，可以得到電橋平衡的條件，即：當(dāng)電橋不平衡時，電橋輸出電壓為：當(dāng)R1=R2=R3=R4=R0，且時，電橋的理想輸出為運(yùn)算放大器（Operationalamplifier）簡稱“運(yùn)放”，是可以對電信號進(jìn)行運(yùn)算，具有很高放大倍數(shù)的電路單元。輸入和輸出電壓的關(guān)系為：2．信號放大（Signalamplifier）模-數(shù)轉(zhuǎn)換，即A/D轉(zhuǎn)換，由A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)。數(shù)-模轉(zhuǎn)換，即D/A轉(zhuǎn)換，由D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)。信號轉(zhuǎn)換的一般步驟為：采樣、保持、量化、編碼。3．信號轉(zhuǎn)換（Signalconversion）采樣（Sampling）是將時間域或空間域的連續(xù)量轉(zhuǎn)化成離散量的過程，根據(jù)采樣定理確定采樣頻率。量化（Quantization）是將采樣電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字量最小數(shù)量單位

的整數(shù)倍的過程。編碼（Encoding）是將量化結(jié)果用代碼表示出來。量化誤差是由于模擬量不一定能被整除所忽略的部分。模擬電壓二進(jìn)制編碼代表的模擬電壓電平模擬信號采樣信號4.數(shù)據(jù)傳輸（Datatransmission）檢測單元數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)是將被測模擬量，如位移、壓力、流量、溫度等非電量，經(jīng)過傳感器、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器后輸入給微機(jī)，主要應(yīng)用接口技術(shù)實(shí)現(xiàn)。2.3.4虛擬儀器虛擬儀器就是在通用計算機(jī)平臺上，根據(jù)用戶需求自行定義、設(shè)計儀器的測試功能，讓使用者在操作這臺計算機(jī)時，就像是在操作一臺他自己設(shè)計的測試儀器一樣。簡言之，“軟件就是儀器”。不論是何種測試儀器，其組成都可以概括為信號采集與控制單元、信號分析與處理單元、結(jié)果表達(dá)輸出單元三部分。虛擬儀器主要完成三種功能：2.3.4虛擬儀器1.虛擬儀器組成2.LabVIEW虛擬儀器系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境簡介3.虛擬儀器的應(yīng)用硬件平臺可以是各類計算機(jī)，如PC、便攜式計算機(jī)、工作站、嵌入式計算機(jī)等。測控功能硬件主要完成被測輸入信號的采集、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換等功能。不同的總線對應(yīng)不同的I/O接口硬件設(shè)備，如PC總線的數(shù)據(jù)采集卡、GPIB（GeneralPurposeInterfaceBus）總線儀器、VXI（VMEbusExtensionsforInstrumentation,VME總線對儀器的